基于AWG/RTSA 的PD 雷達信號模擬和相參分析方法

黃坤超

(中國西南電子技術研究所, 成都610036)

1 引 言

脈沖多普勒(Pulse Doppler,PD)雷達是利用多普勒效應探測運動目標的全相參脈沖雷達。由于其超強的雜波抑制產(chǎn)生能力,尤其針對固定目標或低速目標,20 世紀以來,全球許多研發(fā)生產(chǎn)機載雷達的企業(yè)越來越多地采用PD 雷達體制。隨著技術的發(fā)展突破,PD 雷達系統(tǒng)功能指標日益強大復雜,系統(tǒng)各部分調試工作量和難度隨之越來越大,外場實驗成本也相應增加。雷達信號模擬器作為PD 雷達研制和調試的必備工具,其重要性不言而喻。雷達信號模擬器作為模擬技術與雷達技術相結合的產(chǎn)物,它通過模擬的方法產(chǎn)生雷達回波信號,以便在實際雷達系統(tǒng)前端不具備的條件下對雷達系統(tǒng)后級進行調試[1]。它的重要作用是對雷達數(shù)字信號處理機進行調試,其本身的實現(xiàn)也在隨著數(shù)字信號處理技術的發(fā)展大量采用數(shù)字技術。脈沖多普勒體制由于其較強的雜波抑制能力而廣泛應用于各種類型的雷達,但是在脈沖多普勒體制雷達模擬器中雜波的因素需要重點考慮,正是因為脈沖多普勒體制的雜波抑制特性,所以回波模擬器模擬雜波才能驗證脈沖多普勒雷達的目標檢測、虛警處理等性能。所以回波模擬器的雜波特性是PD 雷達回波模擬器很重要的需求。同時,由于PD 雷達要求脈沖信號全相參,PD 雷達采用相參處理來抑制主瓣雜波,以提高目標的檢測能力和輔助進行目標識別或分類,所以對脈沖信號的相參分析也是PD 雷達的重要工作。

長期以來,在PD 雷達的研發(fā)設計生產(chǎn)中,回波模擬器設計制作復雜,相參分析耗費時間長,這些困擾研發(fā)測試人員太多精力。筆者根據(jù)多年研究經(jīng)驗,結合測試技術的發(fā)展和新式測量儀器的推出,經(jīng)過多次實驗驗證,總結出一種基于電子測量儀器AWG/RTSA 的簡單方法,可一定程度提高PD 雷達研發(fā)生產(chǎn)效率。

2 PD 雷達的回波特點以及雜波信號模擬

2.1 PD 雷達回波特點

PD 雷達回波不但有運動的目標回波,而且復雜的雜波特性是PD 雷達的特點,由于PD 雷達多為對地照射,所以來自地面和固定地面等物體的回波功率遠遠大于目標的回波功率[2]。來自各種散射體的雜波回波對PD 雷達的設計影響很大,同樣也會影響對點目標的檢測概率。這些雜波散射體包括地貌(地面和水面)、雨、雪和箔條。由于PD 雷達通常所使用的天線具有一個高增益的主波束,所以當雷達俯視時,主波束雜波是雷達處理的最大信號。窄波束將主波束雜波的頻率范圍限制在多普勒頻譜的一個較小的頻段內[3]。天線方向圖的其他部分由副瓣組成,產(chǎn)生副瓣雜波。這些雜波通常遠小于主波束雜波,但卻覆蓋了很寬的頻段。來自雷達正下方地面的副瓣雜波(高度線雜波)常常較大,這是因為地面在大入射余角時的反射系數(shù)大,地面的幾何面積較大和地面的距離近。在副瓣雜波區(qū)中,只要雜波接近或是超過接收機噪聲電平,目標的測距性能都將下降。

通過脈沖多普勒體制,可以在頻譜上將目標回波落在無雜波區(qū),PD 雷達的發(fā)射頻譜由位于載頻f0和邊帶頻率f0±ifR上的若干離散譜線組成。其中fR為PRF, i 為整數(shù)。頻譜的包絡由脈沖的形狀決定。對常用的矩形脈沖而言, 其頻譜的包絡是(sin x)/x 。固定目標的接收頻譜譜線有正比于雷達平臺和目標之間視線或徑向速度的多普勒頻移[4]。電磁波往返的多普勒頻移為

式中,λ為雷達波長,VR為雷達平臺的速度, ψ0為速度矢量和目標視線之間的夾角。

雜波的模擬是PD 雷達回波模擬的重點,來自距離R 處,增量面積為d A 的單塊雜波區(qū)的雜波噪聲比為C/N,其與平均發(fā)射功率的工作波長、雜波區(qū)方向的發(fā)射增益GT、接收增益GR、系統(tǒng)噪聲溫度等因素相關,每一因素均會對其結果數(shù)據(jù)帶來直接影響。

2.2 PD雷達回波模擬難點

根據(jù)雜波噪聲比計算公式為

式中,Pav為平均發(fā)射功率, λ為工作波長, σ0為雜波后向散射系數(shù),Lc為雜波損耗因子, GT為雜波區(qū)方向的發(fā)射增益,GR為雜波區(qū)方向的接收增益, k 為玻耳茲曼常數(shù), Ts為系統(tǒng)噪聲溫度,Bn為多普勒濾波器帶寬。

可以對地雜波進行模擬,但是對這種具有一定概率分布的相關序列的調制過程直接模擬有比較大的計算量,所以如何快速準確地模擬雷達雜波在雷達信號模擬器的設計中是十分重要的[5]。要模擬的雜波有很多,有主瓣雜波和副瓣雜波,如果不能真實地將雜波類型和特點模擬出來,將無法驗證雷達處理機將雜波和目標分離的性能。

傳統(tǒng)的雷達回波模擬器的實現(xiàn)方式有多種。一種可以通過硬件的方式進行設計,但是通用性會較差。另一種方式是存儲轉發(fā)方式的回波模擬,該方式是現(xiàn)在比較通用的一種方式,其原理是先用AD采集卡進行信號采集,然后經(jīng)過信號的處理,再用DA 將信號轉發(fā)出去,適合實時性比較強的回波模擬[6],但是由于處理能力有限,限制了對復雜電磁環(huán)境的模擬能力,不適合PD 雷達的模擬。第三個常用的方法是通過DA 的方式來實現(xiàn)波形的編輯輸出,并通過變頻和放大模塊最后實現(xiàn)波形輸出,該方式的回波模擬器的通用性不好,受限于DA 的速度,編輯波形工作復雜。

2.3 基于AWG 的PD 雷達回波模擬方法

多年來,如何保質高效地進行PD 雷達回波模擬一直是PD 雷達研制的難點,業(yè)界不斷地在完善上述常規(guī)方法,同時各頂尖測試儀器廠家也在不斷努力研究開發(fā)新型高端電子測量儀器以滿足用戶的需求。隨著儀器技術的發(fā)展,相關儀器廠家推出了一種高性能的任意波信號發(fā)生器(AWG),根據(jù)其功能原理結合本人多年的研究經(jīng)驗,經(jīng)過多次的測試和驗證,總結出一種基于AWG 的PD 雷達回波模擬儀器模擬簡單方法。

基于PD 雷達回波信號的特點,這是一種基于高性能任意波信號發(fā)生器的PD 雷達回波模擬方法,目前有一款雙通道超寬帶任意波信號發(fā)生器,可以產(chǎn)生單通道4.8 GHz(雙通道復用下達9.6 GHz)的信號,或I、Q 兩路各4.8 GHz的基帶信號,可以直接產(chǎn)生信號的射頻(9.6 GHz或以下)、中頻和基帶信號。圖1 為AWG 的原理框圖。

圖1 AWG 原理框圖Fig.1 Principle diagram of AWG

AWG 的工作原理也是將寫好的數(shù)據(jù)通過DA轉換,并通過濾波和放大后輸出,其特點在于高速的DA和方便的操作性更容易對復雜的電磁環(huán)境和雜波進行模擬。新型AWG 配合其自帶的RFexpress 軟件可以方便地實現(xiàn)對PD 雷達信號雜波的設置,只需要進行一些簡單的設置就可以將雜波的模型構建出來,從而生成現(xiàn)實信號。圖2 為AWG 回波信號設置界面。

圖2 AWG 回波信號設置界面Fig.2 Interface of AWG echo signal setting

AWG 可以方便地設置回波信號的相參性與否,按照回波特性的分類可以分成脈沖包絡參數(shù)設置(PRF、PW、SCR 等)、PRI 的參差設置、脈沖壓縮方式的設置(如線性調頻、巴克碼等)捷變頻設置、脈沖不平衡設置、多路徑設置、天線參數(shù)設置、雜波(Clutter)參數(shù)設置。除此之外,還可以進行I、Q 不平衡的設定,以及附加干擾信號的設定、發(fā)射機S 參數(shù)的設置。圖3 為雜波設置界面。

圖3 雜波設置界面Fig.3 Interface of clutter setting

如果按照公式編輯雜波,是比較麻煩的事情,AWG 是唯一一個用簡單的填入式方法實現(xiàn)了復雜的雜波參數(shù)設置的回波模擬器,實際上這是建立了一個回波的模型,通過設置參數(shù)實現(xiàn)對回波模型的建立。在設置界面里,可是設置時域參數(shù)和頻域參數(shù)。首先可以設置信雜比(SCR),用dB 數(shù)表示。雜波的寬度可以在持續(xù)時間(Duration)選項里設置。一般地,在雜波參數(shù)的概率密度統(tǒng)計模型(Statistical Profile)中,概率密度函數(shù)(PDF)和功率譜兩個參數(shù)是用來描述雜波變化規(guī)律的。首先,雜波產(chǎn)生的機理與雜波的PDF 有關, 因此地雜波、海雜波、氣象雜波的回波特點各不相同。通常海雜波服從正態(tài)分布,氣象雜波服從瑞利分布, 地雜波則服從韋伯分布。另一方面,雷達與雜波的相對運動和雷達系統(tǒng)的參數(shù)則決定了雜波的功率譜。這里, 雷達與雜波的相對速度決定了雜波譜的中心頻率;雷達與雜波的相對加速度則決定了雜波譜展寬的程度。此外,雜波譜的展寬還與雷達系統(tǒng)參數(shù)有關, 如天線波束形狀的調制、本振頻率的抖動等。雜波譜的形狀則一般采用高斯函數(shù)型, 所以在功率譜密度設置項(Power Spectral Density)里面選高斯,高斯帶寬(Gaussian Bandwidth)設置里面可以設置合適的帶寬。在雜波頻率偏置(Clutter Frequency Offset)設置里,可以設置目標回波信號的頻譜與雜波頻譜的頻率間隔,這個間隔可以調節(jié)。

對于PD 雷達,尤其是機載多功能多任務的雷達來說,不同的照射方向會使用不同的脈沖波形,這種變化的脈沖雷達波形可以通過AWG 的簡單脈沖組功能設置就可以實現(xiàn)。

3 基于RTSA 的PD 雷達相參分析方法

PD 雷達一般采用相參處理來抑制主瓣雜波,以提高目標的檢測能力和輔助進行目標識別或分類,所以相參脈沖串的相參性測量一直是PD 雷達最為關注的測量項目。同樣,根據(jù)實時頻譜技術的應用和高性能實時頻譜分析儀的問世,我們可以方便地利用實時頻譜分析儀(RTSA)來實現(xiàn)脈沖串的相參性分析。圖4 顯示的就是實時頻譜儀采集的雷達回波信號并進行雷達參數(shù)的分析。

圖4 雷達回波信號頻譜和參數(shù)分析Fig.4 Echo signal spectrum and parameter analysis

在進行測量之前需要針對被測信號對實時頻譜儀進行相應的設置:如采樣率、濾波器帶寬和類型、Holdoff 時間以及選擇雷達信號的類型等,這些設置的選擇會影響到測量結果的正確性和精度。從圖4中可以看到,被選擇分析的脈沖的第一個被確定為參考脈沖,認為其相位差為0°,后面的脈沖的相位差值都是和它進行比較所得到的結果。同時,該分析條件還可以對測量所得到的數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析和趨勢圖分析,如圖4 中左上的窗口。

相參技術是抑制海、地固定雜波、箔條等體分布慢動雜波和提取運動目標的最有效的技術措施,對提高雷達低空探測能力和提高機載雷達下視工作有重要的作用,已在現(xiàn)代雷達中廣泛使用[7]。實時頻譜儀的相參測試解決了以往無法直接對相參信號進行測量的難題,大大提高了雷達研發(fā)工程師對雷達系統(tǒng)相參性的評估能力。

4 總 結

PD 雷達的回波模擬和相參分析是PD 雷達測試和驗證中必須要做的事情,其復雜性和難度直接關系到研發(fā)生產(chǎn)的效率。本文介紹了AWG 方法產(chǎn)生回波信號和雜波信號的方法,方便地實現(xiàn)了復雜回波的模擬。同時,還介紹了一種實現(xiàn)相參測量的簡單方法,借助RTSA 可以方便地測量PD 雷達脈沖串的相參性。這些都是得益于現(xiàn)代測量儀器任意波信號發(fā)生器和實時頻譜分析儀的快速發(fā)展,也是筆者多年的研發(fā)測試經(jīng)驗總結,希望能供業(yè)界參考。

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