雷達(dá)接收機(jī)脈沖靈敏度測(cè)試

(陸軍工程大學(xué)石家莊校區(qū)，石家莊 050003)

0 引言

接收機(jī)是雷達(dá)裝備重要分系統(tǒng)，其主要完成微弱的目標(biāo)回波信號(hào)的功率放大和頻率變換(通常為下變頻)。根據(jù)雷達(dá)方程，接收機(jī)能夠識(shí)別的最小信號(hào)功率直接影響雷達(dá)的作用距離。雷達(dá)能夠正常工作時(shí)的最小輸入信號(hào)功率即為接收機(jī)靈敏度，雷達(dá)接收機(jī)的靈敏度通常用最小可檢測(cè)信號(hào)功率來(lái)表示。當(dāng)接收機(jī)的輸入回波信號(hào)大于某一電平，接收機(jī)就能正常接收而在輸出端檢測(cè)出這一信號(hào)，如果信號(hào)功率低于此值，信號(hào)將被淹沒在噪聲之中，不能可靠地檢測(cè)出來(lái)。因此雷達(dá)接收機(jī)的靈敏度受噪聲電平的限制[1]。對(duì)雷達(dá)裝備靈敏度進(jìn)行測(cè)量能有效掌握接收機(jī)工作狀態(tài)，保證雷達(dá)正常工作，保持相關(guān)部隊(duì)?wèi)?zhàn)斗力。

雷達(dá)接收機(jī)靈敏度，按靈敏度定義分為實(shí)際靈敏度和臨界靈敏度，按信號(hào)調(diào)制形式分為連續(xù)波靈敏度和脈沖靈敏度。針對(duì)不同雷達(dá)體制要選擇合適的測(cè)量指標(biāo)才能準(zhǔn)確反映接收機(jī)實(shí)際特性。目前，傳統(tǒng)測(cè)量方法為連續(xù)波靈敏度測(cè)量，針對(duì)的對(duì)象為非相參體制雷達(dá)接收機(jī)，且通常為連續(xù)波模式；近年來(lái)，全相參脈沖體制雷達(dá)裝備逐漸成為雷達(dá)裝備的主流，而接收機(jī)脈沖靈敏度測(cè)試也逐漸替代連續(xù)波靈敏度測(cè)量。

1 實(shí)際靈敏度與臨界靈敏度

雷達(dá)是基于信噪比的目標(biāo)檢測(cè)裝備，能夠被雷達(dá)實(shí)際識(shí)別的最小回波信號(hào)功率稱之為實(shí)際靈敏度，即為了接收機(jī)輸出端的信號(hào)噪聲功率比為正常接收所必須的數(shù)值時(shí)，天線上信號(hào)源電動(dòng)勢(shì)的最小有效值Esmin或信號(hào)源的額定功率Psmin。從信噪比角度分析，所謂“正常接收”是指終端設(shè)備以一定的概率發(fā)現(xiàn)目標(biāo)和滿足測(cè)定目標(biāo)坐標(biāo)的精度。要能正常接收，則接收機(jī)輸出端信號(hào)噪聲功率的比值(So/No)必須不小于一定的數(shù)值[5]。

Pi=kT0BRI·F·M

(1)

式中,K=1×10-23為玻爾茲曼常數(shù)；T0=290 K；BRI表示接收機(jī)高、中頻部分的總通頻帶，F(xiàn)表示接收機(jī)的噪聲系數(shù)[2]，M為識(shí)別系數(shù)。

實(shí)際靈敏度與輸出信號(hào)的信噪比相關(guān)，不同雷達(dá)操作手判斷的標(biāo)準(zhǔn)不一，因此其為接收機(jī)靈敏度的非客觀表達(dá)。

國(guó)軍標(biāo)[3]定義接收機(jī)線性輸出端的信號(hào)噪聲之比等于1，也即實(shí)際靈敏度表達(dá)式中識(shí)別系數(shù)等于1時(shí)的信號(hào)功率大小為臨界靈敏度，其表達(dá)式如下：

Pi=KT0BRIF

(2)

顯然臨界靈敏度數(shù)值不受操作手水平的影響，其為接收機(jī)靈敏度的客觀表達(dá)。

雷達(dá)接收機(jī)輸入端的最小可分辨功率通常只有微微瓦數(shù)量級(jí)(10-12～10-14W)，如此微弱的微波信號(hào)，用功率計(jì)測(cè)量是十分困難的，在工程上接收機(jī)靈敏度的測(cè)量不是直接測(cè)量接收機(jī)輸入端的最小可分辨功率，而是采用已知功率標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)源，經(jīng)過(guò)精密衰減后加入接收機(jī)的輸入端，保證輸出端信噪比為1∶1，此時(shí)信號(hào)源輸出的信號(hào)功率即為接收機(jī)的臨界靈敏度。

2 非相參雷達(dá)連續(xù)波靈敏度測(cè)試

臨界靈敏度表示接收機(jī)輸出端信噪比為1∶1時(shí)的輸入信號(hào)功率，根據(jù)定義非相參雷達(dá)連續(xù)波靈敏度通常采用等幅信號(hào)測(cè)試法，測(cè)量原理如圖1所示[8]。

圖1 非相參雷達(dá)接收機(jī)連續(xù)波臨界靈敏度測(cè)試框圖

靈敏度測(cè)試關(guān)注的為接收機(jī)的線性部分，標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)源用于產(chǎn)生符合接收機(jī)正常工作時(shí)功率、頻率射頻微波信號(hào)；檢波器用于完成沒有視頻輸出端口的接收機(jī)輸出信號(hào)的包絡(luò)檢波，輸出視頻信號(hào)；指示器用于指示檢波器輸出的視頻信號(hào)，察看噪聲電平與模擬回波信號(hào)經(jīng)接收機(jī)變換后的輸出。

標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)源置于單頻、等幅輸出工作狀態(tài)，并調(diào)整其頻率到接收機(jī)中心工作頻率上，首先關(guān)閉標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)源射頻輸出，調(diào)整接收機(jī)增益于適當(dāng)位置，使指示器得到的噪聲電平指示值為A1；將標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)源輸出一定的功率，并微調(diào)其頻率使指示值最大；調(diào)節(jié)信號(hào)發(fā)生器的輸出，使接收機(jī)輸出的噪聲電平指示值為A2，且使A2/A1的比值等效于功率比為2的數(shù)值；此時(shí)加到接收機(jī)輸入端的信號(hào)功率，即為雷達(dá)接收機(jī)靈敏度值。

連續(xù)波靈敏度測(cè)試時(shí)，輸入到接收機(jī)射頻輸入端的信號(hào)為連續(xù)波，但對(duì)于大多數(shù)工作于脈沖狀態(tài)下的接收機(jī)，連續(xù)波狀態(tài)沒有體現(xiàn)出接收機(jī)應(yīng)有的工作狀態(tài)，尤其在輸入射頻信號(hào)帶寬、存續(xù)時(shí)間特性與接收機(jī)脈沖工作狀態(tài)要求明顯不符，難以反映脈沖雷達(dá)接收機(jī)實(shí)際工作狀態(tài)下的靈敏度。

其次，新型雷達(dá)通常采用全相參體制以保證雷達(dá)抗干擾效果，采用圖1方法進(jìn)行測(cè)量時(shí)，信號(hào)源與雷達(dá)之間沒有實(shí)現(xiàn)相位同步，無(wú)法實(shí)現(xiàn)全相參體制的雷達(dá)接收機(jī)靈敏度測(cè)量。

另外，新型雷達(dá)裝備生產(chǎn)廠家通常在履歷書中給出脈沖靈敏度指標(biāo)，針對(duì)以上情況，在雷達(dá)裝備接收機(jī)中脈沖靈敏度測(cè)試需求越來(lái)越明顯。

3 全相參雷達(dá)脈沖靈敏度測(cè)試

3.1 測(cè)試原理

新型雷達(dá)裝備通常工作于相參體制下的脈沖狀態(tài)，同時(shí)為了保證接收機(jī)的安全，本振信號(hào)也常工作于脈沖狀態(tài)，從接收機(jī)靈敏度的角度，接收機(jī)脈沖靈敏度更能準(zhǔn)確地表達(dá)接收機(jī)接收微弱信號(hào)的能力。全相參脈沖體制雷達(dá)接收機(jī)脈沖靈敏度測(cè)試原理框圖如圖2所示[9]。

圖2 全相參接收機(jī)脈沖靈敏度測(cè)試框圖

微波信號(hào)源的工作狀態(tài)受到外部輸入控制信號(hào)脈沖同步、脈沖調(diào)制和相參基準(zhǔn)的控制，脈沖同步主要實(shí)現(xiàn)微波信號(hào)源脈沖輸出延時(shí)時(shí)間控制，即雷達(dá)主觸發(fā)脈沖作為微波信號(hào)源的同步信號(hào)，在信號(hào)源中可設(shè)置延遲時(shí)間，從而模擬不同距離上目標(biāo)的回波信號(hào)；脈沖調(diào)制實(shí)現(xiàn)微波信號(hào)源的脈沖狀態(tài)輸出，即將微波信號(hào)源設(shè)置在脈沖工作狀態(tài)，從而滿足雷達(dá)脈沖目標(biāo)回波的模擬；相參基準(zhǔn)控制微波信號(hào)源輸出微波射頻信號(hào)的起始相位，使得輸出微波信號(hào)與雷達(dá)不同重復(fù)周期主脈沖之間相位差固定，從而實(shí)現(xiàn)信號(hào)源輸出微波信號(hào)與雷達(dá)信號(hào)相參，此時(shí)微波信號(hào)源和雷達(dá)裝備構(gòu)成一個(gè)完整的相參系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)全相參體制雷達(dá)回波的相參控制。與雷達(dá)接收機(jī)相參的微波射頻脈沖信號(hào)送入接收機(jī)，經(jīng)接收機(jī)放大、混頻等處理后，經(jīng)檢波器得到視頻信號(hào)，送脈沖示波器上進(jìn)行輸出指示。

首先把微波信號(hào)源的輸出調(diào)至零，再調(diào)節(jié)接收機(jī)的增益控制，使接收機(jī)輸出端的噪聲電平符合雷達(dá)技術(shù)要求所規(guī)定的數(shù)值A(chǔ)1；其次，調(diào)節(jié)微波信號(hào)源的輸出電平，使信號(hào)和噪聲疊加后在示波器上顯示的數(shù)值為A2，且使A2/A1的比值等效于功率比為1。此時(shí)微波信號(hào)源的輸出電平即為接收機(jī)的脈沖靈敏度。

圖2所示的脈沖靈敏度框圖為信號(hào)源品質(zhì)較好，功率穩(wěn)定度、頻率穩(wěn)定度、最小輸出功率準(zhǔn)確度較高時(shí)的測(cè)試方案，當(dāng)信號(hào)源品質(zhì)一般則在連續(xù)波微波信號(hào)源與接收機(jī)射頻輸入之間串一高精度無(wú)源步進(jìn)衰減器，信號(hào)源輸出固定功率為Pr射頻信號(hào)，調(diào)整精密衰減器衰減量為使示波器上的信號(hào)電平與噪聲電平相當(dāng)，記衰減量為A，在不考慮通道衰減的情況下接收機(jī)的靈敏度計(jì)算公式為：

Psmin=Pr+A

(3)

3.2 測(cè)試實(shí)例

3.2.1 測(cè)試系統(tǒng)組成

某型雷達(dá)裝備接收機(jī)采用二次混頻全相參體制，工作在X波段，分為高頻接收機(jī)和中視頻接收機(jī)兩個(gè)部分。高頻接收機(jī)經(jīng)一本振和二本振完成二次混頻下變頻，輸出固定中心頻率的中頻信號(hào)，其中一本振為掃頻本振其頻率隨射頻工作頻率變化而變化，二本振為固定頻率單頻信號(hào)。中視頻接收機(jī)完成中頻信號(hào)的功率放大和正交I、Q雙路鑒相。射頻回波信號(hào)經(jīng)定向耦合器主通道進(jìn)入接收機(jī)，接收機(jī)處理回波信號(hào)輸出I、Q兩路視頻信號(hào)，雷達(dá)系統(tǒng)同時(shí)提供10 MHz相參基準(zhǔn)、發(fā)射觸發(fā)脈沖信號(hào)，包含測(cè)試激勵(lì)信號(hào)源和數(shù)字脈沖示波器指示器的測(cè)試系統(tǒng)基本框圖如圖 3所示。

圖3 全相參接收機(jī)脈沖靈敏度測(cè)試框圖

相參基準(zhǔn)信號(hào)為該雷達(dá)裝備整機(jī)相位基準(zhǔn)，其由10 MHz高穩(wěn)定度晶振產(chǎn)生。發(fā)射觸發(fā)脈沖為雷達(dá)裝備的一個(gè)處理周期的時(shí)間零點(diǎn)，用以控制射頻回波脈沖時(shí)間延遲。

一本振為掃頻本振、二本振為固定頻率信號(hào)，設(shè)置8257D微波信號(hào)源工作頻率時(shí)，需根據(jù)雷達(dá)工作頻點(diǎn)計(jì)算一本振頻率，根據(jù)計(jì)算出的射頻回波頻率，從而保證高頻接收機(jī)輸出的中頻信號(hào)頻率保持固定。計(jì)算公式如下：

fr=f1+f2+fI

(4)

其中:fr為模擬射頻頻率；f1為雷達(dá)當(dāng)前一本振工作頻點(diǎn)；f2為二本振頻點(diǎn)；fI為高頻接收機(jī)輸出中心頻率。

測(cè)試激勵(lì)器采用安捷倫8257D模擬信號(hào)源[6]，其工作頻率范圍為250 kHz～26.5 GHz，頻率分辨率0.001 Hz，可列表和步進(jìn)掃描頻率和幅度，脈沖周期、脈寬和脈沖延時(shí)可調(diào)節(jié)。可提供連續(xù)波、掃描信號(hào)、模擬調(diào)制和數(shù)字調(diào)制四種基本工作模式，與全相參體制雷達(dá)脈沖靈敏度測(cè)試相關(guān)的功能包括：(1)支持外部提供的脈沖信號(hào)，作為脈沖或觸發(fā)輸入使用；(2)容納>-3 dBm 的外部時(shí)基參考輸入信號(hào)電平輸入，信號(hào)源檢測(cè)到存在有效的參考頻率信號(hào)后，自動(dòng)從內(nèi)部參考頻率操作切換到外部參考頻率操作；(3)支持外部觸發(fā)，輸出脈沖延遲可控功能。

測(cè)試指示器采用RIGOL DS1102E 100M數(shù)字脈沖示波器，其能有效顯示接收機(jī)輸出的I路或Q路視頻輸出信號(hào)，同時(shí)具備光標(biāo)、自動(dòng)測(cè)量和雙通道對(duì)比等功能。

3.2.2 測(cè)試過(guò)程

基于8257D微波信號(hào)源[7]和數(shù)字示波器的全相參體制雷達(dá)脈沖靈敏度測(cè)試流程及各階段的狀態(tài)判斷準(zhǔn)則如圖4所示。主要步驟與要求如下：(1)根據(jù)全相參雷達(dá)脈沖靈敏度測(cè)試要求連接線路，這一過(guò)程中要注意選擇接頭形式、長(zhǎng)度、適應(yīng)頻率范圍(如X波段)合適的電纜，并記錄射頻連接電纜的衰減量；(2)安捷倫8257D和數(shù)字示波器加電，此時(shí)微波信號(hào)源8257D界面上顯示“EXT REF”,表示外部參考”，按雷達(dá)接收機(jī)工作頻率點(diǎn)設(shè)置輸出頻率，輸出功率設(shè)置在接收機(jī)正常工作范圍，即能夠在示波器上正常判斷回波的功率幅度；(3)設(shè)置脈沖觸發(fā)，按8257D上軟鍵“Pulse>Pulse Source>Int Triggered”選擇外觸發(fā)模式；(4)設(shè)置脈沖寬度與延時(shí)，按軟鍵“Pulse Width>1.5>usec，按Pulse Delay>40>usec”；(5)微波信號(hào)源輸出功率保持不變，微調(diào)8257D輸出頻率，使示波器上回波最大，從而保證微波信號(hào)源輸出射頻頻率與接收機(jī)工作中心頻率對(duì)準(zhǔn)；(6)減小信號(hào)源功率，直到示波器回波信號(hào)與噪聲電平1:1，此時(shí)微波信號(hào)源輸出功率即為被測(cè)接收機(jī)的脈沖靈敏度。

圖4 脈沖靈敏度測(cè)試流程及各階段儀器狀態(tài)

測(cè)試過(guò)程中需要注意的問(wèn)題主要包括：1)目標(biāo)回波判定，雷達(dá)接收機(jī)工作時(shí)通常會(huì)受到外界電磁波的干擾，如何判斷示波器上顯示的回波信號(hào)是由8257D產(chǎn)生的模擬回波是至關(guān)重要的問(wèn)題。可采用兩種方法一是只改變信號(hào)源輸出信號(hào)的延遲，回波距離主脈沖的距離隨著延遲的增大而增大，減小而減?。?/p>

雷達(dá)工作在某一頻點(diǎn)，按式設(shè)置8257D工作射頻頻率，在數(shù)字示波器上觀察中視頻接收機(jī)輸出波形如圖 5所示。

圖5 雷達(dá)工作在任意頻點(diǎn)時(shí)Q路輸出波形

可以看出，示波器中顯示了一個(gè)周期的信號(hào)，且顯示了兩種不同幅值的信號(hào)，一種是幅值較大的脈沖，另一種是幅值較小的脈沖。兩個(gè)等幅且幅度較大的脈沖為雷達(dá)主觸發(fā)脈沖，二者之間的時(shí)長(zhǎng)為雷達(dá)脈沖重復(fù)周期；中間幅度較小的脈沖應(yīng)該為模擬回波信號(hào)，但需要進(jìn)一步確認(rèn)。

上面提到幅值較小信號(hào)初步判定為射頻回波信號(hào)，需要通過(guò)控制變量進(jìn)行驗(yàn)證，當(dāng)只改變信號(hào)源輸出信號(hào)的延遲或功率的前提下，對(duì)比并觀察現(xiàn)象。

將信號(hào)的延時(shí)分別設(shè)置為20、80微秒，觀察現(xiàn)象。

從圖 6可以明顯看出，當(dāng)信號(hào)的延時(shí)改變時(shí)，回波距離主脈沖的距離也在增大。

圖6 不同延時(shí)下Q路輸出波形

另一種方法可通過(guò)改變信號(hào)源輸出信號(hào)的功率，通過(guò)改變功率，觀察中視頻接收機(jī)輸出信號(hào)幅度大小是否改變進(jìn)行判斷，如所示。

8257D微波信號(hào)源輸出信號(hào)頻率不變，信號(hào)功率幅度分別設(shè)置為-35、-40 dBm，觀察現(xiàn)象。

從圖7可以明顯看出，當(dāng)信號(hào)的功率改變時(shí)，回波信號(hào)的幅值是不同的，功率值越大，幅度越大。

圖7 不同功率下Q路輸出波形

通過(guò)控制兩個(gè)不同的變量，觀察現(xiàn)象，總結(jié)規(guī)律，可以得出以下結(jié)論：幅值較小的脈沖信號(hào)確實(shí)是信號(hào)源射頻模擬的目標(biāo)回波。

2)測(cè)試數(shù)據(jù)處理，被測(cè)接收機(jī)輸入端有一個(gè)40 dB的定向耦合器、同時(shí)輸入射頻電纜有一定的衰減，這些因素均要考慮，具體的計(jì)算公式如下：

Smin=L1+L2+L3

(5)

其中:Smin為接收機(jī)脈沖信號(hào)靈敏度,單位：dBm；L1為信號(hào)源輸出功率指示值，單位：dBm；L2為雷達(dá)接收機(jī)輸入定向耦合器的耦合度,單位：dB；L3為專用測(cè)試電纜損耗單位：dB。

3.2.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

雷達(dá)接收機(jī)處于正常工作狀態(tài)，被測(cè)裝備接收機(jī)有32個(gè)工作頻點(diǎn)，選擇其中五個(gè)進(jìn)行測(cè)試，得到的結(jié)果見表1。裝備脈沖靈敏度戰(zhàn)技指標(biāo)為≤-105 dBm，可以看出測(cè)試結(jié)果符合裝備要求，表明了測(cè)試方法的有效性。

表1 接收機(jī)靈敏度數(shù)據(jù)處理表

L1為信號(hào)源輸出功率(dBm)；L2為定向耦合器(dB)；L3為射頻傳輸電纜損耗(dB)；Smin為靈敏度(dBm)。

4 結(jié)論

全相參體制脈沖雷達(dá)靈敏度是新型全相參脈沖體制雷達(dá)接收機(jī)的重要指標(biāo)之一，對(duì)其進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)試是保證接收機(jī)正常工作的重要環(huán)節(jié)。本文介紹了該指標(biāo)的測(cè)試基本原理，結(jié)合某型接收機(jī)進(jìn)行了測(cè)試實(shí)例分析，給出測(cè)試組成的框圖、分析了測(cè)試過(guò)程和測(cè)試實(shí)施中的注意事項(xiàng)、判斷準(zhǔn)則以及數(shù)據(jù)處理方法。其對(duì)新型雷達(dá)接收機(jī)靈敏度測(cè)試具有較強(qiáng)的參考意義。