關於脈壓雷達系統的介紹和分析

當今，脈衝雷達系統頻繁使用脈衝壓縮技術。該技術能將出色的距離解析度與低峰值功率電平下的長探測距離相結合。為此，發射脈衝通過脈內調製擴展發射信號的帶寬和時間。而在雷達接收機中使用匹配濾波器壓縮接收到的回波信號，並按脈衝壓縮比值提高接收信號的峰值（參見圖 1）。這鐘方法可以按壓縮比值提高雷達時間解析度與距離解析度。這也降低了雷達對高脈衝峰值功率電平需求，進而減少使用高功率放大器並降低了供電的複雜性。

圖 1  使用數字脈衝壓縮濾波器的雷達系統

但增加脈寬會使雷達作用盲區範圍增加，並且影響都卜勒效應下的測距精度。此外，雷達系統中的信號處理單元變得更為複雜。依賴不同的脈衝調製方式，壓縮脈衝不僅有一個窄的時間峰（即主瓣），而且出現一些旁瓣（又稱為時域旁瓣或距離旁瓣）。這些可能引發虛警或者顯示成「虛假」的目標反射。儘管有這些缺點，但脈壓技術利大於弊，如今被廣泛使用。

典型的傳輸信號類型包括線性調頻（LFM，或稱線性調頻脈衝）、非線性調頻、二相編碼信號和多相位編碼脈衝信號。比如，使用巴克碼的二進位移相鍵控 (BPSK) 就屬於二相編碼信號。儘管業界現已開發出更為複雜的脈壓技術，但線性調頻和巴克碼仍在廣泛使用。就純粹的線性調頻而言，壓縮脈衝顯示 sin(×)/× 響應，其最高時域旁瓣的電平理論上應比主瓣電平低 13.2 dB。此比率也稱為峰值旁瓣電平比 (PSL)。峰值旁瓣電平比代表雷達系統辨別鄰近大小目標的能力。圖 2所示為線性調頻脈衝寬度約為38MHz的線性調頻壓縮脈衝波形，以及脈間頻率和相位特徵。

圖 2 線性調頻壓縮脈衝。相關振幅窗口顯示峰值旁瓣比峰值低 13 dB

幅度加權又稱為加窗，可以將峰值旁瓣電平比降至所需的電平，但信噪比會降低。在此情況下，因回波信號和理想的 Tx 波形之間存在相關性，在接收機數位訊號處理時會使用到匹配濾波器。通常，頻域乘法運算較時域上的卷積運算更有效率。首先對接收信號進行快速傅立葉變換 (FFT)，然後乘以參考線性調頻脈衝，最後通過快速傅立葉逆變換將信號變換回時域。眾所周知，加窗廣泛應用於快速傅立葉變換信號處理。常用的加窗函數是漢明窗、布萊克曼窗和布萊克曼哈裡斯窗。

表 1 對這些函數的特徵進行了對比。圖 3 也顯示38MHz的線性調頻信號，在使用布萊克曼哈裡斯窗後，其峰值旁瓣電平比降了–47dB。

測量挑戰
雷達使用脈衝壓縮後，僅衡量脈寬或上升和下降時間，已經無法充分對雷達性能進行測量評估。任何與理想線性調頻信號頻率偏差、Tx通道失配反射、相位和幅度失真或調製器誤差都將影響雷達的性能，如距離解析度和測距精度。這些影響可能導致壓縮脈衝的主瓣變寬或者增加旁瓣電平和額外的旁瓣，超出容許閾值。

由於脈內添加了線性調頻、二進位移相鍵控和多相位編碼碼調製方式，工程師可能傾向於將其視為通信信號並應用用於測量通信信號質量的矢量幅度誤差 (EVM) 指標進行度量。但是，矢量幅度誤差不能直觀的轉變成雷達的性能參數，如空間解析度或虛警率。要評估脈衝壓縮雷達的性能，直接分析主、旁瓣行為的做法不失為一個好選擇。

為了診斷系統性能下降的根源，需要在系統信號調理的各個點進行測試。而使用參考目標，只觀察雷達接收器最終的處理輸出是不夠的。必須使用測量儀器（通常為信號分析儀）進行標準脈衝分析，但這也還是不夠。信號分析儀還必須分析使用適合的匹配濾波器和應用相關計算來分析傳輸信號，模擬理想雷達接收器運作方式。

經過了脈衝壓縮計算後，顯示時域的壓縮脈衝曲線（參見圖 2 和圖 3）。脈衝響應（主瓣）變寬導致距離解析度變差，以及旁瓣電平和峰值旁瓣電平比都是很容易觀測到。此外，也可顯示脈寬內的頻率誤差和相位誤差曲線。如果發射信號為線性調頻信號，則可以通過頻率誤差直接度量頻率斜率的線性度。

圖 3 在接收處理過程中應用加窗，將旁瓣電平降至峰值以下 57 dB

還有許多其他參數用於測量脈壓信號的特性。對於主瓣，這些參數是主瓣寬度 (3 dB)、主瓣功率、相位和頻率以及壓縮比。重要的旁瓣測量參數是PSL(峰值旁瓣電平比)、積分旁瓣電平和旁瓣延時，即主瓣和最近的旁瓣之間的時間間隔。主瓣寬度和旁瓣延時是影響可用空間解析度的重要系統參數。脈衝壓縮分析功能提供了簡單快速的測試手段，在現場應用中可實際評估系統的可用空間解析度。鑑於可測量的參數數目眾多，應能選擇對測量任務最為重要的參數進行顯示。為此，用戶可在測試結果表格中任意配置想顯示的測試結果參數。圖 2 和圖 3 圖示了信號分析儀如何藉助脈衝測量應用和時域旁瓣分析功能執行此類分析，圖中已經配置結果表格，僅顯示最重要的脈壓參數。該儀器還提供各項參數的標準偏差等統計數據，使其可以評估雷達信號的穩定性以及測量的可重複性。 

除了相關計算功能外，測試還需考慮信號分析儀的分析帶寬或瞬時帶寬。信號分析儀的帶寬需覆蓋雷達發射信號調製帶寬。如果是捷變頻雷達，則分析儀的帶寬還應覆蓋頻率捷變的整個頻段。有些信號與頻譜分析儀可覆蓋高達500MHz的瞬時帶寬，且使用其寬帶中頻輸出並使用高性能示波器將輸出寬帶中頻轉化為數字I/Q，可實現高達2GHz的瞬時帶寬。在此情況下，分析儀比須補償整個測量鏈的幅度和群延時失真對測試結果的影響。操作者無需分別操作信號分析儀和示波器，只需單獨操作信號分析儀即可得到測試結果。

時域旁瓣分析基於理想發射波形（又稱為參考信號）和被測發射信號之間的相關計算，所以用戶首先應該選擇並創建一個參考信號。對於常見的線性調頻、非線性調頻、使用巴克碼的二進位移相鍵控或嵌入式巴克碼應無需藉助其他工具創建參考信號；信號分析儀內部可直接定義此參考信號。圖 4 顯示可以如何定義此類參考信號（在圖4中為多項式調頻信號）。對於標準線性調頻信號，應可選擇使用不同的加窗，如漢明窗、漢寧窗、布萊克曼哈裡斯窗、高斯窗或切比雪夫窗。目前業界普遍使用複雜度高於線性調頻脈衝或巴克碼的發射波形。其中許多波形都是專有或保密的，原因很簡單：

圖 4  設置包含多項式係數的線性與非線性調頻信號的參考波形（匹配濾波器）。 

如果編碼洩露，則幹擾機可輕鬆調製待壓縮的幹擾信號（模仿雷達發射信號）增加雷達虛警率。考慮到發射波形的機密性，帶時域旁瓣分析功能的分析儀必須能夠加載特定波形作為用戶參考波形，如用戶I/Q 數據。

R&S FSW所提供工具輕鬆將MATLAB 格式I/Q數據文件轉換為儀表參考信號數據格式。更方便的方式為由分析儀直接捕捉理想的發射信號作為參考信號。儀表也提供了可視化的功能方便用戶觀測導入 I/Q 數據或捕捉信號是否正確（包括幅度、頻率或自動相關）。該技術也可以對比不同信號處理階段的信號，從中找出系統性能降級的原因。

通過時域旁瓣分析功能，用戶只需顯示相關計算後的相關脈衝曲線（如有必要，也可增加顯示頻率和相位誤差），然後調整表格結果以提供期望的測試參數。由濾波器、放大器或其他雷達發射機部件對系統性能的影響就很容易判斷。圖 5a 和圖 5b 顯示 I/Q 調製器增益不平衡如何將峰值旁瓣電平比從 -50 dB 降為 -45 dB。而與此同時積分旁瓣電平如何在不受幹擾的情況下的 -40 dB，進一步降到-33 dB。I/Q 調製器原點偏移還導致峰值旁瓣電平比從 -50 dB 降到 -43 dB（參見圖 5c）。各種電路的非理性特性對系統的影響可通過脈衝響應來辨別，如圖 5b 和圖 5c 所示的相關脈衝幅度。

圖 5 理想 I/Q 調製(a) 的加窗線性調頻信號，以及I/Q調製器增益不平衡 (b) 和 I/Q 調製原點偏移 (c)

儘管時域旁瓣測量很重要，更為常見的脈衝參數（脈寬、脈衝重複間隔 (PRI)、上升和下降時間、功率、脈頂傾斜、過衝、振鈴或脈間相位）及相關統計數據也提供其他重要信息。因此，可分析雷達信號的通用測量儀器應提供時域旁瓣測量和綜合脈衝分參數分析功能。由於雷達性能取決于振蕩器的穩定性（通常描述為相位噪聲），測量儀器應準確測量振蕩器穩定性。高級信號分析儀具備相位噪聲測量功能並提供精密的脈衝分析，包括時域旁瓣測量，適用於各類雷達系統。為滿足嚴苛的頻率穩定性分析的要求，通常使用專門的相位噪聲分析儀來測量相位噪聲。

最新的相位噪聲分析儀的測量功能將能分析脈衝信號的相位噪聲同時也能實現脈衝參數自動分析功能。

打開APP閱讀更多精彩內容

聲明：本文內容及配圖由入駐作者撰寫或者入駐合作網站授權轉載。文章觀點僅代表作者本人，不代表電子發燒友網立場。文章及其配圖僅供工程師學習之用，如有內容圖片侵權或者其他問題，請聯繫本站作侵刪。 侵權投訴