雷達的應用、配置以及基於散射參數的脈衝測量

當代社會對雷達的需求給雷達設計師及測試工程師帶來了諸多挑戰。為了滿足不斷湧現的各種新需求，可滿足不同應用的多用途/功能/模式自適應雷達應運而生。先進的雷達系統必須具備更高的精確度，從而可以測量更窄的脈衝寬度，達到更高的解析度，以便對脈內行為(包括一個脈衝壓縮信號內的上升/下降邊緣效應或波形)進行檢測。為充分了解現代雷達的複雜設計，最好先回顧一下雷達系統和脈衝測量的基本原理。

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/201610/308826.htm

本白皮書介紹了雷達系統的常見應用與類型，雷達系統的關鍵要素及典型測試參數，以及三種常用的基於散射參數的脈衝測量方法。

雷達方程式

雷達是無線電偵測及測距的簡稱，其基本原理如下：當電磁波按照已知的功率及頻率向特定方向傳播時，遇到目標後會發生反射，即部分電磁波信號被目標反射回來，而被反射回來的電磁波信號則可以通過接收設備進行測量。接收信號的功率(Pr)或雷達發射器與目標之間的距離(R)可以通過以下雷達方程式計算出來：

其中：

Pr = 接收信號的功率;

R = 雷達發射器與目標之間的距離;

Pt = 發射信號的功率;

G = 雷達天線增益;

σ = 目標的雷達截面;

Ae = 有效的天線孔徑;

λ = 發射信號的波長。

除了測量距離，還能通過更改雷達系統參數來測量目標的其他信息，如速度和方向等。例如，採用高定向天線掃描某區域可以測量目標的方位角和高度，再通過這兩個參數就可以確定目標的方向，而通過測量接收信號的頻移則可以確定目標的速度。

基於用途的雷達分類

測量目標距離是多數雷達系統的基本功能之一。然而，雷達系統的技術水平，包括製造工藝、所用的信號、獲取信息的範圍及所獲信息在各種應用中的用途等，已經有了顯著進步。雷達廣泛用於軍事和民用領域，具體用途包括(圖1)：

圖1：雷達用途廣泛(由雷神公司提供)。

· 監視(例如威脅識別、運動物體探測或近炸引信製造);

· 探測與跟蹤(例如目標識別與追蹤或海上救援);

· 導航(例如汽車防撞或空中交通管制);

· 高清成像(例如地形地貌測繪或著陸導航);

· 天氣情況跟蹤(例如暴風雨避險或風廓線數據獲取)。

以下是一些使用不同類型信號的常見雷達系統(圖2)：

圖2：雷達根據具體用途而採用相應的信號。

· CW(都卜勒)雷達：這種雷達系統按照恆定的頻率傳輸連續波信號。接收信號發生了都卜勒頻移，而都卜勒頻移可用於確定目標的速度。警方經常使用這種雷達系統對交通情況進行監控。

· FMCW雷達：這種雷達系統對CW信號進行調頻，以生成定時基準。用戶可以根據定時基準確定目標的距離及速度。基於CW的雷達(與脈衝雷達系統相比)有一個顯著優勢，即它們能夠提供連續的探測結果。航空器通常會安裝這種雷達系統，以便在著陸過程中準確測量高度。

· 脈衝雷達：這是一種基本(非相干)的脈衝雷達系統，它們通過測量發射脈衝與接收脈衝之間的時間間隔來計算目標的距離和方向。由於脈衝之間的相位雜亂無章，因此脈衝雷達系統屬於非相干雷達系統。這種雷達系統多用於遠距離空中監控。

· 脈衝都卜勒雷達：這是一種相干雷達系統，可根據接收脈衝之間的相位差異測量目標的距離、方向以及速度。脈衝都卜勒雷達系統一般採用高脈衝重複率(PRR)，因而能更準確地測量徑向速度，但在測量距離時準確性較低。這種雷達系統常用於探測移動目標，同時抑制靜止雜波，在天氣監測應用中非常有效。

· 動目標顯示(MTI)雷達：這種雷達也使用都卜勒頻率將動目標回波與靜止物體及雜波區分開來。MTI雷達的波形為一連串低PRR脈衝，這種波形能夠避免距離模糊，但無法準確測算目標的速度。這類雷達常用於地對空搜索和監控。

· 脈衝壓縮雷達：窄脈衝信號可以達到更好的距離解析度，但測距有限。寬脈衝信號含有更多能量，測距更長，但解析度不佳。脈衝壓縮則結合了寬脈衝的功率優勢與短脈衝的解析度優勢。通過調節發射信號的頻率(例如線性調頻)或相位(例如使用巴克碼)，可以按照調節信號寬度的倒數在接收器上對寬脈衝進行壓縮(圖3)。很多天氣監測系統都已經採用脈衝壓縮雷達。

圖3：脈衝壓縮結合了寬脈衝的功率優勢與短脈衝的解析度優勢。

基於天線配置的雷達分類

雷達系統可能會使用天線列陣，有時甚至會使用成千上萬的天線元素。因此，依據天線配置，雷達系統可分為以下幾種類型：

· 單站雷達：在這種雷達系統中，發射器和接收器採用時域多路復用技術，從而共用天線。

· 雙站雷達：如果雷達系統的發射天線和接收天線分開部署(通常相距較遠或偏置角較大)，則屬於雙站雷達系統。雙站雷達系統多用於探測隱形目標，即那些為了防止向發射器所在方向反射雷達信號而使用隱形技術的目標。

· 機械掃描雷達：在最初的雷達設計中，通過轉動雷達天線可形成天線輻射圖形。在這種雷達系統中，一旦發射器發生單點故障，可能會導致機械系統失能，所以它們通常更重、更容易發生故障。

· 相控陣雷達：在這種雷達系統中，通過精確控制每個天線元素的相位和振幅，可以控制或塑造天線陣列的整個波束圖形。由於相位陣列天線的單個或多個元素失效不會導致雷達系統整體失能，因此這種設計方案的可靠性更高。

· 無源相控陣雷達(PESA)：一般來說，這種雷達系統先從單一信號源獲取信號，再將獲取的信號分解為上百個通道(每個通道終結於一個單獨的天線)，並在部分通道中應用選定的時延衰減。

· 有源相控陣雷達(AESA)：在這種雷達系統中，天線陣列的每個元素都有獨立的發射/接收組件(TRM)(圖4)。這種配置大大提高了有源相控陣雷達系統的靈活性，使其能夠同時在多個頻率上運行並生成多種波束圖形，從而完成不同的探測任務等。有源相控陣雷達是目前最先進戰鬥機的基線裝備。

圖4：這一海基X波段(SBX)飛彈防禦有源相控陣雷達具有45056個收發組件，最大探測距離可達到4800公裡。

雷達系統的要素及其對系統性能的影響

上文對雷達方程式、信號類型以及天線配置進行介紹時，提到雷達系統中很多的元素。表1總結了雷達系統的一些要素以及它們對系統性能的影響。

測試雷達

鑑於自身所扮演的角色，雷達系統必須按照預定目標運行，否則可能會造成嚴重的後果。因此，雷達系統必須經過嚴格測試。其中，檢驗射頻鏈(圖5)的性能是雷達測試的重要組成部分。測試工作可以針對子系統(例如有源相控陣雷達的收發組件)或射頻鏈中的特定元件(例如發射器的功率放大器或接收器的低噪聲放大器)進行。

圖5：有源相控陣雷達系統的簡化框圖。

典型測試中包含的測量項目如下：

脈衝測量類型

在雷達應用中，採用了很多常見的基於散射參數的測量類型及脈衝成形測量技術。本節將討論其中三種最常用的測量方法。

脈衝內定點測量

脈衝內定點測量對在脈衝內任一時間點的散射參數數據進行了量化。這類測量採用頻率或功率掃描技術，並在測量後按要求進行繪圖。當需要避免可能發生的脈衝邊緣效應時，這種測量方法較為適用。例如，放大器通常在脈衝開始時起到穩定作用。

對於脈衝內定點測量來說，必須經過長時間的測量才能獲取到數據，同時用戶需對同步脈衝指定相應的間隔，即T0(圖6)。該時間間隔一般通過時延(T1)和所需的測量時間窗口寬度來量化。通過調整測量時間窗口啟動時間的時延(T1)，可以避免初始效應，如放大器穩定時間等。可以使用以下方程式來確定最小測量時間窗口：

TMW≥1/IFBW

圖6：脈衝內定點測量對在脈衝內任一時間點的散射參數數據進行了量化。

如果使用安立(Anritsu)MS4640B矢量網絡分析儀選件035和042(PulseView)，其200MHz的中頻帶寬(IFBW)可以形成5ns的最小測量時間窗口(TMW)。

如果需要額外的動態量程，可為此指定一個平均水平，從而通過多個脈衝對同一時間間隔進行分析，依據同一個相干時鐘對結果進行抽樣，並保持相位信息。

在無需對脈衝的內部結構和脈衝之間的差異進行分析，而只需在整體上對脈衝進行測量時，這種測量方式較為適用。

脈衝成形測量

脈衝成形測量關注脈衝內的數據結構(圖7)。脈衝成形測量在時域中進行，期間頻率和功率保持不變。這種測量方法多用於確定脈衝的特徵，如過衝/下衝、波形頂降及邊緣響應(例如上升/下降時間)。

圖7：脈衝成形測量關注脈衝內的數據結構，如過衝/下衝、波形頂降及邊緣響應。

為了具體體現成形脈衝的特徵，需設定起始時間(Tstart)、終止時間(Tstop)以及與同步脈衝相關的多個時間點，即T0(圖8)。必要時，測量工作可以在世界時與協調世界時之差(DUT)期間且在出現物理脈衝之前開始，在DUT之後結束。測量時間窗口寬度已被指定，同時也可以在多脈衝之間取平均值。就脈衝內定點測量而言，其所允許的測量時間窗口寬度範圍較大。

圖8：為了具體體現成形脈衝的特徵，需設定起始時間、終止時間以及與同步脈衝相關的多個時間點。

在脈衝成形測量中，脈衝之間的差異往往不易察覺，因此測量結果可能是多個脈衝的平均值。然而，人們可以對測量過程進行設計，從某個絕對開始時間觀察脈衝的行為，同時不取平均值，從而觀察脈衝行為的整個演變過程。獲得測量數據後，通常會根據數據與時間的對應關係繪製圖形，因此還可以利用多種渠道或設置進行更複雜的測量。

脈衝到脈衝測量

脈衝到脈衝測量就是對脈衝流內各脈衝之間的差異進行量化的過程。該測量也在時域中進行，期間頻率和功率保持不變。這種測量方法多用於確定脈衝特徵是否會隨著時間的推移而發生變化。例如，高功率放大器可能會產生熱效應，而這會引起增益差異或相位差異。

圖9顯示了針對三個脈衝的脈衝到脈衝測量。在測量過程中，通過同步脈衝(T0)設定了相應的時延(T1)，並對每個脈衝進行單獨處理。

圖9：脈衝到脈衝測量就是對脈衝流內各脈衝之間的差異進行量化，以了解高功率放大器產生的熱效應的過程。

在上文提到的幾種測量方法中，可用的測量時間窗口寬度和脈衝寬度範圍較廣，只要不超過記錄的最大寬度即可。其中，MS4640B矢量網絡分析儀上記錄的最大測量時間窗口寬度為0.5s。由此，即使是較寬或重複率較低的脈衝也能測量。另外，人們可以利用多種渠道或設置，通過循環使用各種頻率/功率進行測量。

總結

現代雷達系統對測量準確度的要求越來高。現代測試方案要摒棄和突破脈衝測量中常見的折中和局限。安立MS4640B矢量網絡分析儀採用了高速數字轉換器架構，其解析度和計時精度達到了業內最高水平。欲了解有關脈衝測量測試摒棄折中的更多信息，請參見安立公司白皮書(11410-00709)—《摒棄和突破脈衝測量測試方案中的折中和局限》。欲了解有關MS4640B高速架構的更多信息，請參見安立公司白皮書(11410-00711A)—《VNA高速架構提高了雷達脈衝測量的定時解析度與精度》。

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