雷达、电子战和电子情报测试：确定共同的测试挑战 价值, 电子战

Bazinga

无线探测和测距(RA-DAR)系统，如今称为雷达系统，已成为军事和民用领域中广泛使用的必需设备。目前，针对不同应用的雷达设计数量众多。扫描雷达、移动目标指示器(MTI)、多普勒气象雷达、制导导弹导引头、相控阵早期预警系统、探地雷达、合成孔径卫星探测雷达、航空雷达高度计、汽车防撞雷达、飞行器雷达以及其他众多特定用途的雷达，描绘了当今雷达行业持续发展的前景。
随着雷达系统的发展(通常指军用雷达)，雷达信号包含的电子情报(ELINT)具有重要价值，可以帮助我们应对雷达载体(舰船、飞机和导弹)可能带来的潜在威胁。由此推动了电子战(EW)—雷达相关技术的发展。

不考虑系统复杂性，雷达、电子战和电子情报系统面临着许多共同的测试挑战。

雷达基础—设计权衡

大部分雷达使用射频能量脉冲探测目标。脉冲以接近光速的速度发射至目标，有时该速度表示为“雷达英里”，即12.36μs/英里。初级雷达系统中，射频信号由目标反弹并返回至雷达，雷达将测量发送脉冲和接收回波之间的延迟。二次雷达与之类似，但使用置于目标上的应答机重新发射已接收的脉冲，以增加回波能量，并且通常会添加一些数据。

雷达脉冲通常是脉冲调制射频载波形式的射频能量猝发。雷达脉冲的重要特性包括脉宽(PW)、脉冲重复频率(PRF)或脉冲重复间隔(PRI)、平均功率脉冲接通和平均信号功率。设计雷达系统时，脉宽是衡量雷达性能的关键参数。


图1：雷达脉冲术语和权衡。
初级雷达在发射脉冲到接收回波过程中面临信号严重损耗的问题。发射信号必须在未经过放大的情况下由目标反弹并传输回接收机。克服信号损耗的一个方法是发射更长的脉冲，并整合接收回波中的总能量。

雷达“分辨率”也是一个与脉宽相关的重要特征。探测小尺寸物体的能力可以让雷达提供更详细的目标信息。可以提供1米解析分辨率的雷达能够提供更多信息，以描述正在接近的目标。100米的分辨率可能无法区分密集的多个小目标和大目标。如果雷达脉宽较长，邻近目标的回波可能会同时反弹并在传输过程中叠加。然后，雷达将显示一个大目标，而非多个相邻的小目标。因此，为了获得最佳的雷达分辨率，雷达设计需采用较窄的脉宽。

由上可知，最佳距离和分辨率相互矛盾。最大距离意味着使用长脉冲，最佳分辨率要求使用短脉冲。为解决距离与分辨率优化问题，许多雷达系统采用了脉冲压缩或调制技术。理论上，线性调频是用于创建和解压的简单调制。使用线性斜坡电压对雷达脉冲进行调频(FM)可以创建线性调频脉冲。然后，线性调频脉冲被发射出去，就像发射未经压缩脉冲一样。

脉冲压缩或调制可以提供明确的优势。脉冲重复频率可以帮助您了解这些优势。脉冲重复频率取决于雷达的测距能力。在之前发射的脉冲返回前发出新脉冲将导致模糊的回波响应。通常，发射脉冲，等待所有可能的回波响应都已接收，然后发送新的脉冲。提供明确的距离响应将确定连续脉冲之间的脉冲重复间隔或脉冲重复频率。但是，较低的脉冲重复频率在许多情况下会降低雷达的整体性能。例如，在跟踪一架快速移动的飞行器时，为了获得更高的显示屏更新速度，雷达需要采用更高的脉冲重复频率。此时，雷达的脉冲重复频率将允许模糊响应，以确保更新速率。去除关注距离以外回波杂波的一个方法是使用时间或距离选通。该方法将打开或关闭雷达接收机，忽略十分接近或超出关注距离的目标回波。

如前所述，脉冲压缩可用于消除连续脉冲之间的不确定性。为每个脉冲分别添加数字调制可确保相邻脉冲具有独特的编码。使用双相位编码键控等数字调制技术编码脉冲，以便使用脉冲的独特编码作为分离工具，精确并轻松测量每个脉冲的回波延迟。

多数雷达的另一个重要特性在于测量移动目标多普勒频移的能力。测量射频载波频率变化或随时间变化的相移可支持部分雷达准确确定目标的移动速度。

除了收集雷达及其承载平台的电子情报信息之外，了解雷达相关知识可以改善并指导电子战技术。例如，合成回波码型并将其广播至早期预警雷达接收机，以显示某处并非实际存在的资产。
现代雷达和电子战测试挑战

现代雷达系统测试带来了独特的测试测量设备需求。测试中会面临一些共同的挑战。宽带宽对许多雷达信号来说十分必要。线性调频或调制脉冲要求GHz的带宽，需要宽带测试设备资源。

超低相位噪声是对雷达测试设备的另一个普遍要求。使用多普勒频移信息的雷达通常测量相移随时间变化的速率，因为雷达脉冲的长度不足以积分频率差周期。精确测量相变时必须保持非常低的相位噪声，对测试仪器的相位噪声性能提出了严格要求。同样，动态范围也是雷达测试系统面临的一大挑战。通常，雷达信号从发射到接收会经历严重的路径损耗。

使用压缩脉冲以改善分辨率并获得明确的距离具有诸多优势，但这通常需要合成复杂的测试波形。为测速雷达添加多普勒频移的需要将进一步提升对测试设备的要求。雷达系统设计人员面临的另一项挑战在于软件定义雷达系统的普遍使用。许多现代雷达不仅需要传统模拟射频制式的测试信号和测量，还需要数字制式的测试信号和测量。多制式测试将带来数字信号测量和模拟测量平衡的问题。

全面的系统测试通常是雷达、电子情报和电子战设备面临的一个重要问题，测试资产的成本通常是问题的关键。例如，，仿真多普勒频移、杂波以及其他信号元素以测试舰载火控雷达，可能需要一艘舰船和多架测试飞机。使用此类测试平台精确测试目标定位的性能需要高达数万美元/小时的成本。

最后，许多雷达使用相控阵天线系统。这些天线系统拥有众多天线端口，采用波前到达时间控制天线波束，需要测试信号和测量提供多通道相位相干和相位可调信号源或分析仪。所谓的多通道阵列测试系统将为雷达测试工程师带来非常棘手的挑战。

雷达系统设计和制造过程经常需要微波信号发生器。测试源通常用于稳定本地振荡器(STALO)替代、相干振荡器(COHO)测试以及雷达脉冲与回波合成等应用。雷达测试的一个关键问题是生成可以精确描绘雷达接收信号类型的回波。假设某一刻雷达发射脉冲，回波到达时间将同时确定。实验室或制造环境中很难仿真来自50英里外且具有微波延迟结构的回波。作为替代方案，现代信号发生器和任意波形发生器使用数字技术合成带有适当延迟和路径失真的回波，可以精确描述相距50英里的目标。同样，电子情报/电子战设备需要能够仿真真实信号和威胁的测试信号源。
共同的测试挑战

任意波形发生器和信号源

微波任意波形发生器(AWG)引发了雷达系统测试的变革，能够提供方便的雷达信号仿真方法。使用任意波形发生器可以轻松合成离散分布的雷达发射机和目标，以仿真数百立方英里的雷达检测范围。任意波形发生器的真正优势在于合成几乎所有存储器中已编程波形的能力。但是，任意波形发生器存在很多限制。

此前，带宽是限制任意波形发生器的关键因素，但新款发生器能够满足大多数应用的带宽要求。1.25GSa/s和4GSa/s的采样率能够提供500MHz和接近2GHz的无混叠带宽。使用组合和转换技术可以获得更宽的无混叠带宽。

选择任意波形发生器时更需要关注的因素可能在于信号源的无杂散动态范围(SFDR)。信号源的数模转换器(DAC)是否具有足够位数的分辨率以充分表现需要的信号？并且，变频至微波频率时无杂散动态范围是否能够保持？理论上，一位分辨率对应6.02dB的无杂散动态范围。


图2：在这个具有杂波模型的情境中，Agilent SystemVue软件用于分析脉冲多普勒目标回波。集成于SystemVue的MATLAB支持以3D形式显示结果。

除了位数和无杂散动态范围的固有采样功能损耗外，上变频至微波频率将带来一系列问题，阻碍有用信号的创建。雷达、电子战和电子情报合成接收机通常具有超过75dB的无杂散动态范围，十分灵敏。雷达信号的路径损耗通常是大多数通信信号的两倍(即使通信信号的传输距离是雷达信号往返路程的两倍)，因此需要大功率雷达发射机和十分灵敏的接收机。因此，许多雷达系统具有严苛的动态范围要求。通常，大部分雷达系统在S频段或X频段运行，需要借助基带任意波形发生器的数模转换器完成上变频。

上变频不可以通过信号源内部完成，也不可以使用独立器件外部实现。简单来讲，使用混频器和一组配有固定本地振荡器(LO)的滤波器可以轻松将信号上变频至所需频段。实际上，本地振荡器谐波和杂散通常与需要的信号结合，会形成带内杂散信号，严重缩减无杂散动态范围。

由于当前最佳任意波形发生器具有超过75dB的无杂散动态范围，多数测试专家发现，如果信号带宽低于2GHz，添加外部上变频器并不经济，购买具有内置任意波形发生器和上变频硬件的微波信号源更合适，对于关注相位噪声的测量应用尤其如此。

选择带有任意波形功能的信号源时，存储器配置是一项重要参数。任意波形发生器播放存储器中的数字数据以创建模拟波形。存储器结构以及排序和回放选件不会加强或限制发生器的功用。

如前所述，取决于雷达的应用领域，雷达脉冲可具有广泛的脉宽、脉冲重复频率和调制类型。系统诊断将进一步增加测试雷达脉冲合成的复杂性。测试速度测量功能是否需要多普勒频移或脉冲间相移？测试电子情报系统的目的是根据天线扫描码型确定脉冲源？所有这些因素都会影响波形数字合成软件生成的脉冲码型。

鉴于制造商采用压缩技术来改善分辨率和增大探测距离，同时降低模糊性，雷达脉冲分析面临的挑战日趋严峻，对分析设备提出了独特要求：更宽的带宽和更复杂多域显示。压缩脉冲调制分析变得越来越必要，软件定义雷达体系结构逐步成为雷达行业的趋势，稳定且灵活的数字实现迅速替代传统模拟中频和基带信号处理技术。此外，随着雷达信号制式和存取由基带转变为射频，雷达测试挑战更为棘手。

雷达、电子战和电子情报工程师需要进行广泛的日常测量。如前文所述，脉宽和脉冲重复频率或脉冲重复间隔可提供关于雷达系统分辨率和测量距离的重要信息，以及潜在的重要情报信息。自动测量这些参数能够大幅提高雷达诊断速度，同时提供丰富的电子战信息。