雷達(dá)、電子戰(zhàn)和電子情報(bào)測(cè)試：確定共同的測(cè)試挑戰(zhàn)

隨著雷達(dá)系統(tǒng)的發(fā)展(通常指軍用雷達(dá))，雷達(dá)信號(hào)包含的電子情報(bào)(ELINT)具有重要價(jià)值，可以幫助我們應(yīng)對(duì)雷達(dá)載體(艦船、飛機(jī)和導(dǎo)彈)可能帶來(lái)的潛在威脅。由此推動(dòng)了電子戰(zhàn)(EW)—雷達(dá)相關(guān)技術(shù)的發(fā)展。

不考慮系統(tǒng)復(fù)雜性，雷達(dá)、電子戰(zhàn)和電子情報(bào)系統(tǒng)面臨著許多共同的測(cè)試挑戰(zhàn)。

雷達(dá)基礎(chǔ)—設(shè)計(jì)權(quán)衡

大部分雷達(dá)使用射頻能量脈沖探測(cè)目標(biāo)。脈沖以接近光速的速度發(fā)射至目標(biāo)，有時(shí)該速度表示為“雷達(dá)英里”，即12.36μs/英里。初級(jí)雷達(dá)系統(tǒng)中，射頻信號(hào)由目標(biāo)反彈并返回至雷達(dá)，雷達(dá)將測(cè)量發(fā)送脈沖和接收回波之間的延遲。二次雷達(dá)與之類似，但使用置于目標(biāo)上的應(yīng)答機(jī)重新發(fā)射已接收的脈沖，以增加回波能量，并且通常會(huì)添加一些數(shù)據(jù)。

雷達(dá)脈沖通常是脈沖調(diào)制射頻載波形式的射頻能量猝發(fā)。雷達(dá)脈沖的重要特性包括脈寬(PW)、脈沖重復(fù)頻率(PRF)或脈沖重復(fù)間隔(PRI)、平均功率脈沖接通和平均信號(hào)功率。設(shè)計(jì)雷達(dá)系統(tǒng)時(shí)，脈寬是衡量雷達(dá)性能的關(guān)鍵參數(shù)。

圖1：雷達(dá)脈沖術(shù)語(yǔ)和權(quán)衡。

初級(jí)雷達(dá)在發(fā)射脈沖到接收回波過(guò)程中面臨信號(hào)嚴(yán)重?fù)p耗的問(wèn)題。發(fā)射信號(hào)必須在未經(jīng)過(guò)放大的情況下由目標(biāo)反彈并傳輸回接收機(jī)?？朔盘?hào)損耗的一個(gè)方法是發(fā)射更長(zhǎng)的脈沖，并整合接收回波中的總能量。

雷達(dá)“分辨率”也是一個(gè)與脈寬相關(guān)的重要特征。探測(cè)小尺寸物體的能力可以讓雷達(dá)提供更詳細(xì)的目標(biāo)信息?？梢蕴峁?米解析分辨率的雷達(dá)能夠提供更多信息，以描述正在接近的目標(biāo)。100米的分辨率可能無(wú)法區(qū)分密集的多個(gè)小目標(biāo)和大目標(biāo)。如果雷達(dá)脈寬較長(zhǎng)，鄰近目標(biāo)的回波可能會(huì)同時(shí)反彈并在傳輸過(guò)程中疊加。然后，雷達(dá)將顯示一個(gè)大目標(biāo)，而非多個(gè)相鄰的小目標(biāo)。因此，為了獲得最佳的雷達(dá)分辨率，雷達(dá)設(shè)計(jì)需采用較窄的脈寬。

由上可知，最佳距離和分辨率相互矛盾。最大距離意味著使用長(zhǎng)脈沖，最佳分辨率要求使用短脈沖。為解決距離與分辨率優(yōu)化問(wèn)題，許多雷達(dá)系統(tǒng)采用了脈沖壓縮或調(diào)制技術(shù)。理論上，線性調(diào)頻是用于創(chuàng)建和解壓的簡(jiǎn)單調(diào)制。使用線性斜坡電壓對(duì)雷達(dá)脈沖進(jìn)行調(diào)頻(FM)可以創(chuàng)建線性調(diào)頻脈沖。然后，線性調(diào)頻脈沖被發(fā)射出去，就像發(fā)射未經(jīng)壓縮脈沖一樣。

脈沖壓縮或調(diào)制可以提供明確的優(yōu)勢(shì)。脈沖重復(fù)頻率可以幫助您了解這些優(yōu)勢(shì)。脈沖重復(fù)頻率取決于雷達(dá)的測(cè)距能力。在之前發(fā)射的脈沖返回前發(fā)出新脈沖將導(dǎo)致模糊的回波響應(yīng)。通常，發(fā)射脈沖，等待所有可能的回波響應(yīng)都已接收，然后發(fā)送新的脈沖。提供明確的距離響應(yīng)將確定連續(xù)脈沖之間的脈沖重復(fù)間隔或脈沖重復(fù)頻率。但是，較低的脈沖重復(fù)頻率在許多情況下會(huì)降低雷達(dá)的整體性能。例如，在跟蹤一架快速移動(dòng)的飛行器時(shí)，為了獲得更高的顯示屏更新速度，雷達(dá)需要采用更高的脈沖重復(fù)頻率。此時(shí)，雷達(dá)的脈沖重復(fù)頻率將允許模糊響應(yīng)，以確保更新速率。去除關(guān)注距離以外回波雜波的一個(gè)方法是使用時(shí)間或距離選通。該方法將打開(kāi)或關(guān)閉雷達(dá)接收機(jī)，忽略十分接近或超出關(guān)注距離的目標(biāo)回波。

如前所述，脈沖壓縮可用于消除連續(xù)脈沖之間的不確定性。為每個(gè)脈沖分別添加數(shù)字調(diào)制可確保相鄰脈沖具有獨(dú)特的編碼。使用雙相位編碼鍵控等數(shù)字調(diào)制技術(shù)編碼脈沖，以便使用脈沖的獨(dú)特編碼作為分離工具，精確并輕松測(cè)量每個(gè)脈沖的回波延遲。

多數(shù)雷達(dá)的另一個(gè)重要特性在于測(cè)量移動(dòng)目標(biāo)多普勒頻移的能力。測(cè)量射頻載波頻率變化或隨時(shí)間變化的相移可支持部分雷達(dá)準(zhǔn)確確定目標(biāo)的移動(dòng)速度。

除了收集雷達(dá)及其承載平臺(tái)的電子情報(bào)信息之外，了解雷達(dá)相關(guān)知識(shí)可以改善并指導(dǎo)電子戰(zhàn)技術(shù)。例如，合成回波碼型并將其廣播至早期預(yù)警雷達(dá)接收機(jī)，以顯示某處并非實(shí)際存在的資產(chǎn)?，F(xiàn)代雷達(dá)和電子戰(zhàn)測(cè)試挑戰(zhàn)

現(xiàn)代雷達(dá)系統(tǒng)測(cè)試帶來(lái)了獨(dú)特的測(cè)試測(cè)量設(shè)備需求。測(cè)試中會(huì)面臨一些共同的挑戰(zhàn)。寬帶寬對(duì)許多雷達(dá)信號(hào)來(lái)說(shuō)十分必要。線性調(diào)頻或調(diào)制脈沖要求GHz的帶寬，需要寬帶測(cè)試設(shè)備資源。

超低相位噪聲是對(duì)雷達(dá)測(cè)試設(shè)備的另一個(gè)普遍要求。使用多普勒頻移信息的雷達(dá)通常測(cè)量相移隨時(shí)間變化的速率，因?yàn)槔走_(dá)脈沖的長(zhǎng)度不足以積分頻率差周期。精確測(cè)量相變時(shí)必須保持非常低的相位噪聲，對(duì)測(cè)試儀器的相位噪聲性能提出了嚴(yán)格要求。同樣，動(dòng)態(tài)范圍也是雷達(dá)測(cè)試系統(tǒng)面臨的一大挑戰(zhàn)。通常，雷達(dá)信號(hào)從發(fā)射到接收會(huì)經(jīng)歷嚴(yán)重的路徑損耗。

使用壓縮脈沖以改善分辨率并獲得明確的距離具有諸多優(yōu)勢(shì)，但這通常需要合成復(fù)雜的測(cè)試波形。為測(cè)速雷達(dá)添加多普勒頻移的需要將進(jìn)一步提升對(duì)測(cè)試設(shè)備的要求。雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員面臨的另一項(xiàng)挑戰(zhàn)在于軟件定義雷達(dá)系統(tǒng)的普遍使用。許多現(xiàn)代雷達(dá)不僅需要傳統(tǒng)模擬射頻制式的測(cè)試信號(hào)和測(cè)量，還需要數(shù)字制式的測(cè)試信號(hào)和測(cè)量。多制式測(cè)試將帶來(lái)數(shù)字信號(hào)測(cè)量和模擬測(cè)量平衡的問(wèn)題。

全面的系統(tǒng)測(cè)試通常是雷達(dá)、電子情報(bào)和電子戰(zhàn)設(shè)備面臨的一個(gè)重要問(wèn)題，測(cè)試資產(chǎn)的成本通常是問(wèn)題的關(guān)鍵。例如，，仿真多普勒頻移、雜波以及其他信號(hào)元素以測(cè)試艦載火控雷達(dá)，可能需要一艘艦船和多架測(cè)試飛機(jī)。使用此類測(cè)試平臺(tái)精確測(cè)試目標(biāo)定位的性能需要高達(dá)數(shù)萬(wàn)美元/小時(shí)的成本。

最后，許多雷達(dá)使用相控陣天線系統(tǒng)。這些天線系統(tǒng)擁有眾多天線端口，采用波前到達(dá)時(shí)間控制天線波束，需要測(cè)試信號(hào)和測(cè)量提供多通道相位相干和相位可調(diào)信號(hào)源或分析儀。所謂的多通道陣列測(cè)試系統(tǒng)將為雷達(dá)測(cè)試工程師帶來(lái)非常棘手的挑戰(zhàn)。

雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和制造過(guò)程經(jīng)常需要微波信號(hào)發(fā)生器。測(cè)試源通常用于穩(wěn)定本地振蕩器(STALO)替代、相干振蕩器(COHO)測(cè)試以及雷達(dá)脈沖與回波合成等應(yīng)用。雷達(dá)測(cè)試的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題是生成可以精確描繪雷達(dá)接收信號(hào)類型的回波。假設(shè)某一刻雷達(dá)發(fā)射脈沖，回波到達(dá)時(shí)間將同時(shí)確定。實(shí)驗(yàn)室或制造環(huán)境中很難仿真來(lái)自50英里外且具有微波延遲結(jié)構(gòu)的回波。作為替代方案，現(xiàn)代信號(hào)發(fā)生器和任意波形發(fā)生器使用數(shù)字技術(shù)合成帶有適當(dāng)延遲和路徑失真的回波，可以精確描述相距50英里的目標(biāo)。同樣，電子情報(bào)/電子戰(zhàn)設(shè)備需要能夠仿真真實(shí)信號(hào)和威脅的測(cè)試信號(hào)源。

共同的測(cè)試挑戰(zhàn)

任意波形發(fā)生器和信號(hào)源

微波任意波形發(fā)生器(AWG)引發(fā)了雷達(dá)系統(tǒng)測(cè)試的變革，能夠提供方便的雷達(dá)信號(hào)仿真方法。使用任意波形發(fā)生器可以輕松合成離散分布的雷達(dá)發(fā)射機(jī)和目標(biāo)，以仿真數(shù)百立方英里的雷達(dá)檢測(cè)范圍。任意波形發(fā)生器的真正優(yōu)勢(shì)在于合成幾乎所有存儲(chǔ)器中已編程波形的能力。但是，任意波形發(fā)生器存在很多限制。

此前，帶寬是限制任意波形發(fā)生器的關(guān)鍵因素，但新款發(fā)生器能夠滿足大多數(shù)應(yīng)用的帶寬要求。1.25GSa/s和4GSa/s的采樣率能夠提供500MHz和接近2GHz的無(wú)混疊帶寬。使用組合和轉(zhuǎn)換技術(shù)可以獲得更寬的無(wú)混疊帶寬。

選擇任意波形發(fā)生器時(shí)更需要關(guān)注的因素可能在于信號(hào)源的無(wú)雜散動(dòng)態(tài)范圍(SFDR)。信號(hào)源的數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)是否具有足夠位數(shù)的分辨率以充分表現(xiàn)需要的信號(hào)？并且，變頻至微波頻率時(shí)無(wú)雜散動(dòng)態(tài)范圍是否能夠保持？理論上，一位分辨率對(duì)應(yīng)6.02dB的無(wú)雜散動(dòng)態(tài)范圍。

圖2：在這個(gè)具有雜波模型的情境中，Agilent SystemVue軟件用于分析脈沖多普勒目標(biāo)回波。集成于SystemVue的MATLAB支持以3D形式顯示結(jié)果。

除了位數(shù)和無(wú)雜散動(dòng)態(tài)范圍的固有采樣功能損耗外，上變頻至微波頻率將帶來(lái)一系列問(wèn)題，阻礙有用信號(hào)的創(chuàng)建。雷達(dá)、電子戰(zhàn)和電子情報(bào)合成接收機(jī)通常具有超過(guò)75dB的無(wú)雜散動(dòng)態(tài)范圍，十分靈敏。雷達(dá)信號(hào)的路徑損耗通常是大多數(shù)通信信號(hào)的兩倍(即使通信信號(hào)的傳輸距離是雷達(dá)信號(hào)往返路程的兩倍)，因此需要大功率雷達(dá)發(fā)射機(jī)和十分靈敏的接收機(jī)。因此，許多雷達(dá)系統(tǒng)具有嚴(yán)苛的動(dòng)態(tài)范圍要求。通常，大部分雷達(dá)系統(tǒng)在S頻段或X頻段運(yùn)行，需要借助基帶任意波形發(fā)生器的數(shù)模轉(zhuǎn)換器完成上變頻。

上變頻不可以通過(guò)信號(hào)源內(nèi)部完成，也不可以使用獨(dú)立器件外部實(shí)現(xiàn)。簡(jiǎn)單來(lái)講，使用混頻器和一組配有固定本地振蕩器(LO)的濾波器可以輕松將信號(hào)上變頻至所需頻段。實(shí)際上，本地振蕩器諧波和雜散通常與需要的信號(hào)結(jié)合，會(huì)形成帶內(nèi)雜散信號(hào)，嚴(yán)重縮減無(wú)雜散動(dòng)態(tài)范圍。

由于當(dāng)前最佳任意波形發(fā)生器具有超過(guò)75dB的無(wú)雜散動(dòng)態(tài)范圍，多數(shù)測(cè)試專家發(fā)現(xiàn)，如果信號(hào)帶寬低于2GHz，添加外部上變頻器并不經(jīng)濟(jì)，購(gòu)買具有內(nèi)置任意波形發(fā)生器和上變頻硬件的微波信號(hào)源更合適，對(duì)于關(guān)注相位噪聲的測(cè)量應(yīng)用尤其如此。

選擇帶有任意波形功能的信號(hào)源時(shí)，存儲(chǔ)器配置是一項(xiàng)重要參數(shù)。任意波形發(fā)生器播放存儲(chǔ)器中的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)以創(chuàng)建模擬波形。存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)以及排序和回放選件不會(huì)加強(qiáng)或限制發(fā)生器的功用。

如前所述，取決于雷達(dá)的應(yīng)用領(lǐng)域，雷達(dá)脈沖可具有廣泛的脈寬、脈沖重復(fù)頻率和調(diào)制類型。系統(tǒng)診斷將進(jìn)一步增加測(cè)試?yán)走_(dá)脈沖合成的復(fù)雜性。測(cè)試速度測(cè)量功能是否需要多普勒頻移或脈沖間相移？測(cè)試電子情報(bào)系統(tǒng)的目的是根據(jù)天線掃描碼型確定脈沖源？所有這些因素都會(huì)影響波形數(shù)字合成軟件生成的脈沖碼型。鑒于制造商采用壓縮技術(shù)來(lái)改善分辨率和增大探測(cè)距離，同時(shí)降低模糊性，雷達(dá)脈沖分析面臨的挑戰(zhàn)日趨嚴(yán)峻，對(duì)分析設(shè)備提出了獨(dú)特要求：更寬的帶寬和更復(fù)雜多域顯示。壓縮脈沖調(diào)制分析變得越來(lái)越必要，軟件定義雷達(dá)體系結(jié)構(gòu)逐步成為雷達(dá)行業(yè)的趨勢(shì)，穩(wěn)定且靈活的數(shù)字實(shí)現(xiàn)迅速替代傳統(tǒng)模擬中頻和基帶信號(hào)處理技術(shù)。此外，隨著雷達(dá)信號(hào)制式和存取由基帶轉(zhuǎn)變?yōu)樯漕l，雷達(dá)測(cè)試挑戰(zhàn)更為棘手。

雷達(dá)、電子戰(zhàn)和電子情報(bào)工程師需要進(jìn)行廣泛的日常測(cè)量。如前文所述，脈寬和脈沖重復(fù)頻率或脈沖重復(fù)間隔可提供關(guān)于雷達(dá)系統(tǒng)分辨率和測(cè)量距離的重要信息，以及潛在的重要情報(bào)信息。自動(dòng)測(cè)量這些參數(shù)能夠大幅提高雷達(dá)診斷速度，同時(shí)提供豐富的電子戰(zhàn)信息。