雷达/电子战测试
雷达/电子战测试

雷达/电子战测试

利用提供精确分析、干净信号源和高分辨率测量的解决方案,时刻了解雷达和电子战的新技术发展。

雷达和电子战技术的全面、快速进步,促进了测试与测量解决方案的快速发展,使其成为推动新系统设计的核心动力。

常见雷达类型

连续波与调频连续波雷达
固定频率的连续波(CW型)雷达系统可用于测量速度。但是,它不能提供任何距离信息。天线发射某一固定频率的信号。在移动目标(例如汽车)上反射回来的信号产生了多普勒频移。也就是说会在略微偏移的频率上接收到反射信号。通过比较收发信号的频率,我们可以确定目标的径向速度(而不是距离)。基于这个原理,一个典型的应用是交通监测雷达。
雷达移动传感器也是基于相同的原理,但由于可能存在变化的干扰环境,它们还必须具有能够检测缓慢变化场强的能力。
交警使用的超速检测雷达(speed traps)也是采用这种技术。如果一个特定距离的目标超速了,摄影机就拍下照片。
军事上的应用:
连续波雷达也用于目标雷达波束照射。这是一个简明应用:利用一个目标跟踪雷达,雷达波束保持在目标上。制导的防空导弹就是利用此目标的反射。
连续波雷达比较难以被探测到,因此,它们归类为低截获概率雷达。
连续波雷达很适合检测低空飞行的飞机,这些飞机试图通过贴近地面的飞行来克服敌方的防卫。脉冲雷达很难区分地面回波和低空飞机的反射波。连续波雷达克服了这一点,因为它可以忽略那些缓慢变化的地面回波而只对移动目标的反射信号进行精准定位。捕获的信息可再传送给协同作业的脉冲雷达进行进一步的分析和处理。

调频连续波雷达
连续波雷达系统的缺点是由于缺少一个时间参考因而不能用来测量距离。然而, 可以利用“调频连续波”雷达产生时间参考来测量静止目标的距离。此方法的原理是:发送一频率呈周期性变化的信号。当接收到回波信号时,就会得到一个类似脉冲雷达的延迟。可以通过比较收发信号的频率来确定延时从而得到距离。可以采用更加复杂的调频模式(如噪声雷达),使得在相同的重复周期内得到最大的无模糊测量距离。然而,最简单的情况是采用基本的锯齿波或三角波调频,这只能得到相对比较小的无模糊测量距离。
此类测距原理有以下应用:例如,在飞机上测量高度(无线高度表)或用地面跟踪雷达来保持固定的离地高度。相比脉冲测量雷达而言,它的优点是可提供连续的测量结果(相对于各种脉冲重复频率下的离散时刻)。
调频连续波雷达也常用于另一些民用的测距应用,如物位指示器。

简单的脉冲和脉冲多普勒雷达
一个简单的脉冲雷达系统只能通过测量脉冲发送和接收的时间差来提供被测目标的距离信息,它不能确定目标的速度。脉冲宽度决定了空间分辨率。

接收脉冲时,每个瞬间旋转天线指向特定的辐射方向,因此可得到方向信息(方位角φ)。
此类(非相干)雷达设备的主要测试包括:距离精度和分辨率,接收机自动增益控制(AGC)处理时间、峰值功率、频率稳定度,本振相位噪声以及所有的脉冲参数。

脉冲多普勒雷达
除了提供目标距离信息(以及方向信息),脉冲多普勒雷达还提供目标径向速度信息,雷达发射机和接收机相参工作时,速度信息就可以从脉冲和脉冲之间的相位变化中获得。通常使用I/Q解调的方式。为了避免距离和速度模糊,新的脉冲多普勒雷达根据需要采用变脉冲重频(PRF)的技术,脉冲重复频率变化范围一般从几百Hz到500 KHz。
另外,更为先进的脉冲多普勒雷达系统采用一种“交错”的脉冲重频(PRF),即根据探测过程需要,交替变换脉冲重频。要获得脉冲多普勒系统高的性能,需要非常低的本振(LO)相位噪声,低的接收机噪声,低的I/Q增益相位不平衡度(以避免虚假的目标信息)。

脉冲压缩雷达

传统的脉冲雷达和脉冲多普勒雷达,为了获得高的距离分辨率,需要发射非常短的脉冲,但短脉冲意味着发射的信号能量低,作用距离减小。增加脉冲功率,可以增加作用距离,但发射功率的提高,是很有限的,而且成本会很高。远的作用距离和高距离分辨率之间在实现中存在矛盾。

脉冲压缩体制利用脉冲内的调制,很大程度上解决了作用距离和距离分辨率之间矛盾。充分利用了宽脉冲提供的大的作用距离和短脉冲提供的高的分辨率分别带来的好处。并可以使用低的脉冲功率。

通过调制脉冲,在脉冲之间建立时间上的参考,和调频连续波(FMCW)的情况类似。常用的调制方式:

  •  线性调频
  •  非线性调频
  •  脉冲相位编码
  •  多相调制和时-频编码调制

尽管脉冲压缩雷达具有低脉冲功率时获得远的作用距离和高的分辨率的优点,但也存在一个明显的不足,最短的作用距离受到脉冲宽度的限制,在脉冲发射时间,接收机是阻塞的。在空中交通管制的应用中,由于脉冲压缩雷达这一主要不足,往往采用两种技术,远距离时采用调频脉冲,而近距离时则采用非常短的脉冲,而近距离时,不需要大的发射功率。

  • 线性调频应用最广泛;
  • 非线性调频尽管有许多优点,但迄今用的很少;
  • 脉冲相位编码应用非常广泛,尤其长度为11和13码元的巴克码(Barker)调制;
  • 先进的军用雷达系统中,特殊编码的多相调制的脉冲压缩技术的应用正逐步增加。

相控阵雷达
和反射天线只有一个辐射单元不同, 相控阵雷达天线具有几百甚至几千个独立的辐射单元。馈送到每个辐射单元信号的幅度、相位可以分别独立控制,从而可以获得任何所需要的辐射方向形状(方向图)。实际应用中,方向辐射可以在±60°范围内调整。与传统机械扫描天线不同,相控阵天线方向图的调整通过改变各单元馈电幅度和相位实现,所需时间非常短,几乎没有延时。

相控阵造价非常高,主要应用于军事领域和合成孔径雷达(SAR)的卫星应用。
有源相控阵(ASEA)每个辐射单元都有独立的发射/接收模块(T/R),而无源相控阵(PESA)则使用共同的RF信号,每个单元通过移相器进行调整。
对ASEA而言,不同T/R模块的幅相一致性非常重要,需要精确测试和测量。

雷达系统和部件的典型测试

发射机测试
使用功率计测量输出功率
发射机的输出功率是评估雷达系统性能的关键指标之一,我们必须要进行准确测试,常用简便的方法就是使用功率计进行测量。
由于雷达系统的发射功率很高(脉冲功率电平可能达到几千瓦或几兆瓦),测量时我们需要使用定向耦合器和衰减器,以确保测量仪器设备的安全。
有许多名词术语用来描述发射机的功率特性,如图10和图11所示。平均功率是指整个脉冲周期内的积分结果(脉冲重复时间=脉冲打开时间+脉冲关断时间)。对于可变的脉冲宽度或脉冲重复频率(PRF)而言,积分时间必须是整个周期的整数倍。

对于任何雷达系统而言,脉冲功率指标是最重要的。因此我们就有必要研究各个脉冲的特性。尤其对于变脉宽(或变PRF)先进雷达系统而言,脉冲特性指标尤为重要,我们需要分析脉冲波形(包括上升沿陡峭程度、过冲、脉冲沉降等)。适合这类测试的仪器设备有:宽带功率计,如具有多功能的R&S NRP-Z81功率计;零SPAN模式下有很宽中频带宽的频谱仪,相对于功率计而言,它可以获得更加灵活的测量参数。

使用频谱分析仪测量脉冲功率和频谱
频谱仪的优点在于可以测量频域下的功率分量。下图给出了一个例子,关于检测雷达发射机脉冲谱的对称性。如果发射机的脉冲谱不对称,将会产生杂散发射,会导致雷达系统的性能下降。
用频谱仪对脉冲信号(尤其是低占空比的脉冲信号,这类脉冲通常用于雷达系统)进行测量时,我们需要了解各种相关的设置,如 RBW(分辨率带宽)、扫描时间等,以获得正确的测量结果。

使用频谱分析仪进行零扫宽测量
频谱仪除了能够进行频域测量之外,也可以用零频跨进行时域测量。在零频跨模式下,频谱仪作为一台接收机,频率扫描和分辨率带宽固定不变,显示结果类似于示波器,它显示的是时域信号的包络。

频谱仪的动态范围远远优于示波器。频谱分析仪(如FSU)提供了各种触发功能(视频触发、中频功率触发、外部触发等);同时还可以设置触发时间偏置,这样可以在合适的位置显示稳定的结果。许多重要的脉冲参数,如上升时间、下降时间、脉冲沉降、脉宽变化等参数在零频跨模式下可以很方便测试。
非常关键的一点,分辨率带宽内要包含绝大部分信号功率,应遵从下式:

脉冲宽度>2/RBW

若要测量脉冲信号的上升沿时间和下降沿时间,频谱仪的设置时间必须要小,应遵从下式:

脉冲上升时间>>0.7/RBW

R&S FSW频谱仪的最大分辨率带宽为80MHz,足够满足大部分雷达测试,可以精确测量脉冲宽度小至100ns的峰值功率。
配置了选件后,R&S FSW的测量带宽能够扩展到8300MHz,这样可以测量脉冲宽度远小于30nS的信号峰值功率。

使用频谱分析仪和解调选件测试脉冲压缩雷达系统
R&S FSW可以通过选件完成对脉冲压缩雷达系统的功能检查。因此可以检查使用线性或非线性FM技术的雷达发射机。也可以用PM解调模式分析Barker码相位调制的相位特性。

雷达组件测试

为了确保雷达系统性能优异,构成该系统的各个模块和部件都需要进行分析和优化。这些包括雷达接收机中放大器的噪声系数测量,振荡器的相位噪声测量,替代其部件和组件以发现雷达系统中的故障,无源部件的衰减测试,有源部件的S参数测试(甚至在脉冲工作条件下测量),等等。雷达天线的优化需要特别的注意,因为天线需要进行近场或远场的复杂测量。而目标反射特性作为雷达反射截面的一部分进行测试。

产生和加载复杂雷达信号

可采用不同的方法加载数据到R&S 矢量信号源或R&S I/Q调制源。

  1. R&S脉冲序列产生软件,轻松产生各种脉内复杂调制信号,同时可以直接传送到R&S信号源中
  2. ARB Toolbox转换已有的I/Q信号为R&S 波形格式,并传送到R&S信号源中。
  3. R&S Matlab转换工具盒可通过GPIB或TCP/IP连接加载从MATLAB 产生的IQ信号到R&S信号源中。

天线测试(近场,远场)

对于雷达系统而言,天线性能是至关重要的。天线的增益指标直接影响雷达的作用范围,其它重要的指标包括:极化、发射和接收天线的匹配、波束宽度、瞄准角偏差(实测的主辐射方向与理想的主辐射方向的偏差)、副瓣抑制、前后比等。
天线测量可以用近场和远场两种方式进行,各有优缺点。
远场测量相对简单快捷,但是需要一个很大的场地;近场测量需要复杂的计算,相对远场测试而言更加耗时,但是对场地的需求很小。

典型近场测量方案

对于远场方案而言测试需要更大的场地和很长的测试电缆,在有些情况下测试配置也相当复杂。同样,远场方案也采用外部混频器的方式将高频信号下变频到中频。可以分别在被测天线和耦合探头近端连接一台微波信号源,其中一台微波源用于给被测天线提供尽量大的发射信号,另外一台微波源用于给耦合探头的近端混频器提供尽量大的本振信号。在参考混频器的本振输入之前加了一个放大器,确保其获得足够的本振输入电平。

远场测试的典型原理框图

雷达截面测试

目标的雷达截面积(RCS)是指其在不同方向角下的雷达反射特性。对于军用飞机而言,其对雷达探测信号的低反射特性显得非常重要,以确保其尽量不被敌人雷达发现。因此,我们需要分析不同方向角下的目标反射特性,尤其在各种军用飞行器开发的过程中,雷达散射截面积测量是非常重要的。

下图给出了一个飞行器的雷达截面积测试的基本配置框图(同时并行接收同极化和交叉极化两路信号,发射天线的极化可能是水平极化或垂直极化),R&S 网络分析仪同时并行测量两个极化的接收信号(从目标反射回来的),同时它还可以给发射天线提供信号源,在两个发射天线和ZVA端口之间连接了一个PIN开关,用于将信号切换给垂直极化天线或水平极化天线。