黃坤超

(中國(guó)西南電子技術(shù)研究所, 成都610036)

1 引 言

脈沖多普勒(Pulse Doppler,PD)雷達(dá)是利用多普勒效應(yīng)探測(cè)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的全相參脈沖雷達(dá)。由于其超強(qiáng)的雜波抑制產(chǎn)生能力,尤其針對(duì)固定目標(biāo)或低速目標(biāo),20 世紀(jì)以來(lái),全球許多研發(fā)生產(chǎn)機(jī)載雷達(dá)的企業(yè)越來(lái)越多地采用PD 雷達(dá)體制。隨著技術(shù)的發(fā)展突破,PD 雷達(dá)系統(tǒng)功能指標(biāo)日益強(qiáng)大復(fù)雜,系統(tǒng)各部分調(diào)試工作量和難度隨之越來(lái)越大,外場(chǎng)實(shí)驗(yàn)成本也相應(yīng)增加。雷達(dá)信號(hào)模擬器作為PD 雷達(dá)研制和調(diào)試的必備工具,其重要性不言而喻。雷達(dá)信號(hào)模擬器作為模擬技術(shù)與雷達(dá)技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物,它通過(guò)模擬的方法產(chǎn)生雷達(dá)回波信號(hào),以便在實(shí)際雷達(dá)系統(tǒng)前端不具備的條件下對(duì)雷達(dá)系統(tǒng)后級(jí)進(jìn)行調(diào)試[1]。它的重要作用是對(duì)雷達(dá)數(shù)字信號(hào)處理機(jī)進(jìn)行調(diào)試,其本身的實(shí)現(xiàn)也在隨著數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的發(fā)展大量采用數(shù)字技術(shù)。脈沖多普勒體制由于其較強(qiáng)的雜波抑制能力而廣泛應(yīng)用于各種類型的雷達(dá),但是在脈沖多普勒體制雷達(dá)模擬器中雜波的因素需要重點(diǎn)考慮,正是因?yàn)槊}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(yàn)證脈沖多普勒雷達(dá)的目標(biāo)檢測(cè)、虛警處理等性能。所以回波模擬器的雜波特性是PD 雷達(dá)回波模擬器很重要的需求。同時(shí),由于PD 雷達(dá)要求脈沖信號(hào)全相參,PD 雷達(dá)采用相參處理來(lái)抑制主瓣雜波,以提高目標(biāo)的檢測(cè)能力和輔助進(jìn)行目標(biāo)識(shí)別或分類,所以對(duì)脈沖信號(hào)的相參分析也是PD 雷達(dá)的重要工作。

長(zhǎng)期以來(lái),在PD 雷達(dá)的研發(fā)設(shè)計(jì)生產(chǎn)中,回波模擬器設(shè)計(jì)制作復(fù)雜,相參分析耗費(fèi)時(shí)間長(zhǎng),這些困擾研發(fā)測(cè)試人員太多精力。筆者根據(jù)多年研究經(jīng)驗(yàn),結(jié)合測(cè)試技術(shù)的發(fā)展和新式測(cè)量?jī)x器的推出,經(jīng)過(guò)多次實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,總結(jié)出一種基于電子測(cè)量?jī)x器AWG/RTSA 的簡(jiǎn)單方法,可一定程度提高PD 雷達(dá)研發(fā)生產(chǎn)效率。

2 PD 雷達(dá)的回波特點(diǎn)以及雜波信號(hào)模擬

2.1 PD 雷達(dá)回波特點(diǎn)

PD 雷達(dá)回波不但有運(yùn)動(dòng)的目標(biāo)回波,而且復(fù)雜的雜波特性是PD 雷達(dá)的特點(diǎn),由于PD 雷達(dá)多為對(duì)地照射,所以來(lái)自地面和固定地面等物體的回波功率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于目標(biāo)的回波功率[2]。來(lái)自各種散射體的雜波回波對(duì)PD 雷達(dá)的設(shè)計(jì)影響很大,同樣也會(huì)影響對(duì)點(diǎn)目標(biāo)的檢測(cè)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(dá)通常所使用的天線具有一個(gè)高增益的主波束,所以當(dāng)雷達(dá)俯視時(shí),主波束雜波是雷達(dá)處理的最大信號(hào)。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(gè)較小的頻段內(nèi)[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(yuǎn)小于主波束雜波,但卻覆蓋了很寬的頻段。來(lái)自雷達(dá)正下方地面的副瓣雜波(高度線雜波)常常較大,這是因?yàn)榈孛嬖诖笕肷溆嘟菚r(shí)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(guò)接收機(jī)噪聲電平,目標(biāo)的測(cè)距性能都將下降。

通過(guò)脈沖多普勒體制,可以在頻譜上將目標(biāo)回波落在無(wú)雜波區(qū),PD 雷達(dá)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(luò)由脈沖的形狀決定。對(duì)常用的矩形脈沖而言, 其頻譜的包絡(luò)是(sin x)/x 。固定目標(biāo)的接收頻譜譜線有正比于雷達(dá)平臺(tái)和目標(biāo)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(dá)波長(zhǎng),VR為雷達(dá)平臺(tái)的速度, ψ0為速度矢量和目標(biāo)視線之間的夾角。

雜波的模擬是PD 雷達(dá)回波模擬的重點(diǎn),來(lái)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(zhǎng)、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(guān),每一因素均會(huì)對(duì)其結(jié)果數(shù)據(jù)帶來(lái)直接影響。

2.2 PD雷達(dá)回波模擬難點(diǎn)

根據(jù)雜波噪聲比計(jì)算公式為

式中,Pav為平均發(fā)射功率, λ為工作波長(zhǎng), 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(duì)地雜波進(jìn)行模擬,但是對(duì)這種具有一定概率分布的相關(guān)序列的調(diào)制過(guò)程直接模擬有比較大的計(jì)算量,所以如何快速準(zhǔn)確地模擬雷達(dá)雜波在雷達(dá)信號(hào)模擬器的設(shè)計(jì)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(shí)地將雜波類型和特點(diǎn)模擬出來(lái),將無(wú)法驗(yàn)證雷達(dá)處理機(jī)將雜波和目標(biāo)分離的性能。

傳統(tǒng)的雷達(dá)回波模擬器的實(shí)現(xiàn)方式有多種。一種可以通過(guò)硬件的方式進(jìn)行設(shè)計(jì),但是通用性會(huì)較差。另一種方式是存儲(chǔ)轉(zhuǎn)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(jìn)行信號(hào)采集,然后經(jīng)過(guò)信號(hào)的處理,再用DA 將信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)出去,適合實(shí)時(shí)性比較強(qiáng)的回波模擬[6],但是由于處理能力有限,限制了對(duì)復(fù)雜電磁環(huán)境的模擬能力,不適合PD 雷達(dá)的模擬。第三個(gè)常用的方法是通過(guò)DA 的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)波形的編輯輸出,并通過(guò)變頻和放大模塊最后實(shí)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(fù)雜。

2.3 基于AWG 的PD 雷達(dá)回波模擬方法

多年來(lái),如何保質(zhì)高效地進(jìn)行PD 雷達(dá)回波模擬一直是PD 雷達(dá)研制的難點(diǎn),業(yè)界不斷地在完善上述常規(guī)方法,同時(shí)各頂尖測(cè)試儀器廠家也在不斷努力研究開(kāi)發(fā)新型高端電子測(cè)量?jī)x器以滿足用戶的需求。隨著儀器技術(shù)的發(fā)展,相關(guān)儀器廠家推出了一種高性能的任意波信號(hào)發(fā)生器(AWG),根據(jù)其功能原理結(jié)合本人多年的研究經(jīng)驗(yàn),經(jīng)過(guò)多次的測(cè)試和驗(yàn)證,總結(jié)出一種基于AWG 的PD 雷達(dá)回波模擬儀器模擬簡(jiǎn)單方法。

基于PD 雷達(dá)回波信號(hào)的特點(diǎn),這是一種基于高性能任意波信號(hào)發(fā)生器的PD 雷達(dá)回波模擬方法,目前有一款雙通道超寬帶任意波信號(hào)發(fā)生器,可以產(chǎn)生單通道4.8 GHz(雙通道復(fù)用下達(dá)9.6 GHz)的信號(hào),或I、Q 兩路各4.8 GHz的基帶信號(hào),可以直接產(chǎn)生信號(hào)的射頻(9.6 GHz或以下)、中頻和基帶信號(hào)。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(xiě)好的數(shù)據(jù)通過(guò)DA轉(zhuǎn)換,并通過(guò)濾波和放大后輸出,其特點(diǎn)在于高速的DA和方便的操作性更容易對(duì)復(fù)雜的電磁環(huán)境和雜波進(jìn)行模擬。新型AWG 配合其自帶的RFexpress 軟件可以方便地實(shí)現(xiàn)對(duì)PD 雷達(dá)信號(hào)雜波的設(shè)置,只需要進(jìn)行一些簡(jiǎn)單的設(shè)置就可以將雜波的模型構(gòu)建出來(lái),從而生成現(xiàn)實(shí)信號(hào)。圖2 為AWG 回波信號(hào)設(shè)置界面。

圖2 AWG 回波信號(hào)設(shè)置界面Fig.2 Interface of AWG echo signal setting

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

圖3 雜波設(shè)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(gè)用簡(jiǎn)單的填入式方法實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜的雜波參數(shù)設(shè)置的回波模擬器,實(shí)際上這是建立了一個(gè)回波的模型,通過(guò)設(shè)置參數(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)回波模型的建立。在設(shè)置界面里,可是設(shè)置時(shí)域參數(shù)和頻域參數(shù)。首先可以設(shè)置信雜比(SCR),用dB 數(shù)表示。雜波的寬度可以在持續(xù)時(shí)間(Duration)選項(xiàng)里設(shè)置。一般地,在雜波參數(shù)的概率密度統(tǒng)計(jì)模型(Statistical Profile)中,概率密度函數(shù)(PDF)和功率譜兩個(gè)參數(shù)是用來(lái)描述雜波變化規(guī)律的。首先,雜波產(chǎn)生的機(jī)理與雜波的PDF 有關(guān), 因此地雜波、海雜波、氣象雜波的回波特點(diǎn)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(dá)與雜波的相對(duì)運(yùn)動(dòng)和雷達(dá)系統(tǒng)的參數(shù)則決定了雜波的功率譜。這里, 雷達(dá)與雜波的相對(duì)速度決定了雜波譜的中心頻率;雷達(dá)與雜波的相對(duì)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(dá)系統(tǒng)參數(shù)有關(guān), 如天線波束形狀的調(diào)制、本振頻率的抖動(dòng)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(shè)置項(xiàng)(Power Spectral Density)里面選高斯,高斯帶寬(Gaussian Bandwidth)設(shè)置里面可以設(shè)置合適的帶寬。在雜波頻率偏置(Clutter Frequency Offset)設(shè)置里,可以設(shè)置目標(biāo)回波信號(hào)的頻譜與雜波頻譜的頻率間隔,這個(gè)間隔可以調(diào)節(jié)。

對(duì)于PD 雷達(dá),尤其是機(jī)載多功能多任務(wù)的雷達(dá)來(lái)說(shuō),不同的照射方向會(huì)使用不同的脈沖波形,這種變化的脈沖雷達(dá)波形可以通過(guò)AWG 的簡(jiǎn)單脈沖組功能設(shè)置就可以實(shí)現(xiàn)。

3 基于RTSA 的PD 雷達(dá)相參分析方法

PD 雷達(dá)一般采用相參處理來(lái)抑制主瓣雜波,以提高目標(biāo)的檢測(cè)能力和輔助進(jìn)行目標(biāo)識(shí)別或分類,所以相參脈沖串的相參性測(cè)量一直是PD 雷達(dá)最為關(guān)注的測(cè)量項(xiàng)目。同樣,根據(jù)實(shí)時(shí)頻譜技術(shù)的應(yīng)用和高性能實(shí)時(shí)頻譜分析儀的問(wèn)世,我們可以方便地利用實(shí)時(shí)頻譜分析儀(RTSA)來(lái)實(shí)現(xiàn)脈沖串的相參性分析。圖4 顯示的就是實(shí)時(shí)頻譜儀采集的雷達(dá)回波信號(hào)并進(jìn)行雷達(dá)參數(shù)的分析。

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

在進(jìn)行測(cè)量之前需要針對(duì)被測(cè)信號(hào)對(duì)實(shí)時(shí)頻譜儀進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)置:如采樣率、濾波器帶寬和類型、Holdoff 時(shí)間以及選擇雷達(dá)信號(hào)的類型等,這些設(shè)置的選擇會(huì)影響到測(cè)量結(jié)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(gè)被確定為參考脈沖,認(rèn)為其相位差為0°,后面的脈沖的相位差值都是和它進(jìn)行比較所得到的結(jié)果。同時(shí),該分析條件還可以對(duì)測(cè)量所得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析和趨勢(shì)圖分析,如圖4 中左上的窗口。

相參技術(shù)是抑制海、地固定雜波、箔條等體分布慢動(dòng)雜波和提取運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的最有效的技術(shù)措施,對(duì)提高雷達(dá)低空探測(cè)能力和提高機(jī)載雷達(dá)下視工作有重要的作用,已在現(xiàn)代雷達(dá)中廣泛使用[7]。實(shí)時(shí)頻譜儀的相參測(cè)試解決了以往無(wú)法直接對(duì)相參信號(hào)進(jìn)行測(cè)量的難題,大大提高了雷達(dá)研發(fā)工程師對(duì)雷達(dá)系統(tǒng)相參性的評(píng)估能力。

4 總 結(jié)

PD 雷達(dá)的回波模擬和相參分析是PD 雷達(dá)測(cè)試和驗(yàn)證中必須要做的事情,其復(fù)雜性和難度直接關(guān)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(hào)和雜波信號(hào)的方法,方便地實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜回波的模擬。同時(shí),還介紹了一種實(shí)現(xiàn)相參測(cè)量的簡(jiǎn)單方法,借助RTSA 可以方便地測(cè)量PD 雷達(dá)脈沖串的相參性。這些都是得益于現(xiàn)代測(cè)量?jī)x器任意波信號(hào)發(fā)生器和實(shí)時(shí)頻譜分析儀的快速發(fā)展,也是筆者多年的研發(fā)測(cè)試經(jīng)驗(yàn)總結(jié),希望能供業(yè)界參考。

[1] 任麗香, 龍騰.一種通用雷達(dá)信號(hào)模擬器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J] .現(xiàn)代雷達(dá),1998,20(6):52-58.

REN Li-xiang, LONG Teng.Design and Realization of a General Radar Signal Simulator[J] .Modern Radar, 1998, 20(6):52-58.(in Chinese)

[2] 郭琰, 張曄,仲偉志.脈沖多普勒雷達(dá)地雜波仿真與系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)[ J] .電子測(cè)量技術(shù),2008,31(4):21-24.

GUO Yan, ZHANG Ye, ZHONG Wei -zhi.Ground clutter simulation of pulse doppler radar and hardware implementation of the simulator[ J] .Electronic Measurement Technology,2008, 31(4):21-24.(in Chinese)

[3] 席愛(ài)民.脈沖多普勒雷達(dá)信號(hào)特征分析及其干擾方法研究[J] .艦船電子對(duì)抗,2005,28(4):8-13,24.

XI Ai -min.Signal Characteristic Analysis and Jamming Method Study of PD Radar[ J] .Shipboard Electronic Countermeasure,2005, 28(4):8-13,24.(in Chinese)

[4] 李紀(jì).通用雷達(dá)視頻模擬平臺(tái)設(shè)計(jì)和線性調(diào)頻雷達(dá)視頻目標(biāo)模擬信號(hào)產(chǎn)生[D] .長(zhǎng)沙:國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué),2002.

LI Ji.General Radar Video Simulation Platform Design and Linear Frequency Modulation Radar Video Object Simulation Signal Generation[ D] .Changsha:National University of Defense Technology,2002.(in Chinese)

[5] 法銳.通用雷達(dá)目標(biāo)模擬器[D] .南京:南京理工大學(xué),2003.

FA Rui.General Radar Target Simulatior[D] .Nanjing:Nanjing University of Science and Technology,2003.(in Chinese)

[6] 劉育才, 陳伯孝,郭淑婷.某PD 雷達(dá)信號(hào)處理機(jī)的設(shè)計(jì)[J] .火控雷達(dá)技術(shù),2008,37(3):83-87.

LIU Yu-cai, CHEN Bai-xiao,GUO Shu-ting.Design of a PD Radar Signal Processor[ J] .Fire Control Radar Technology,2008,37(3):83-87.(in Chinese)

[7] 張鵬.脈沖雷達(dá)的相參測(cè)量[J] .現(xiàn)代雷達(dá),2008,30(1):

97-99.ZHANG Peng.Coherent Measurement of Pu lse Radar[ J] .Modern Radar,2008,30(1):97-99.(in Chinese)