雷达的应用、配置以及基于散射参数的脉冲测量

        当代社会对雷达的需求给雷达设计师及测试工程师带来了诸多挑战。为了满足不断涌现的各种新需求，可满足不同应用的多用途/功能/模式自适应雷达应运而生。先进的雷达系统必须具备更高的精确度，从而可以测量更窄的脉冲宽度，达到更高的分辨率，以便对脉内行为(包括一个脉冲压缩信号内的上升/下降边缘效应或波形)进行检测。为充分了解现代雷达的复杂设计，最好先回顾一下雷达系统和脉冲测量的基本原理。
本白皮书介绍了雷达系统的常见应用与类型，雷达系统的关键要素及典型测试参数，以及三种常用的基于散射参数的脉冲测量方法。
雷达方程式
雷达是无线电侦测及测距的简称，其基本原理如下：当电磁波按照已知的功率及频率向特定方向传播时，遇到目标后会发生反射，即部分电磁波信号被目标反射回来，而被反射回来的电磁波信号则可以通过接收设备进行测量。接收信号的功率(Pr)或雷达发射器与目标之间的距离(R)可以通过以下雷达方程式计算出来：



其中：
Pr = 接收信号的功率；
R = 雷达发射器与目标之间的距离；
Pt = 发射信号的功率；
G = 雷达天线增益；
σ = 目标的雷达截面；
Ae = 有效的天线孔径；
λ = 发射信号的波长。
除了测量距离，还能通过更改雷达系统参数来测量目标的其他信息，如速度和方向等。例如，采用高定向天线扫描某区域可以测量目标的方位角和高度，再通过这两个参数就可以确定目标的方向，而通过测量接收信号的频移则可以确定目标的速度。


       
基于用途的雷达分类
测量目标距离是多数雷达系统的基本功能之一。然而，雷达系统的技术水平，包括制造工艺、所用的信号、获取信息的范围及所获信息在各种应用中的用途等，已经有了显著进步。雷达广泛用于军事和民用领域，具体用途包括(图1)：


图1：雷达用途广泛(由雷神公司提供)。

· 监视(例如威胁识别、运动物体探测或近炸引信制造)；
· 探测与跟踪(例如目标识别与追踪或海上救援)；
· 导航(例如汽车防撞或空中交通管制)；
· 高清成像(例如地形地貌测绘或着陆导航)；
· 天气情况跟踪(例如暴风雨避险或风廓线数据获取)。
以下是一些使用不同类型信号的常见雷达系统(图2)：


图2：雷达根据具体用途而采用相应的信号。

· CW(多普勒)雷达：这种雷达系统按照恒定的频率传输连续波信号。接收信号发生了多普勒频移，而多普勒频移可用于确定目标的速度。警方经常使用这种雷达系统对交通情况进行监控。
· FMCW雷达：这种雷达系统对CW信号进行调频，以生成定时基准。用户可以根据定时基准确定目标的距离及速度。基于CW的雷达(与脉冲雷达系统相比)有一个显著优势，即它们能够提供连续的探测结果。航空器通常会安装这种雷达系统，以便在着陆过程中准确测量高度。
· 脉冲雷达：这是一种基本(非相干)的脉冲雷达系统，它们通过测量发射脉冲与接收脉冲之间的时间间隔来计算目标的距离和方向。由于脉冲之间的相位杂乱无章，因此脉冲雷达系统属于非相干雷达系统。这种雷达系统多用于远距离空中监控。
· 脉冲多普勒雷达：这是一种相干雷达系统，可根据接收脉冲之间的相位差异测量目标的距离、方向以及速度。脉冲多普勒雷达系统一般采用高脉冲重复率(PRR)，因而能更准确地测量径向速度，但在测量距离时准确性较低。这种雷达系统常用于探测移动目标，同时抑制静止杂波，在天气监测应用中非常有效。
· 动目标显示(MTI)雷达：这种雷达也使用多普勒频率将动目标回波与静止物体及杂波区分开来。MTI雷达的波形为一连串低PRR脉冲，这种波形能够避免距离模糊，但无法准确测算目标的速度。这类雷达常用于地对空搜索和监控。
· 脉冲压缩雷达：窄脉冲信号可以达到更好的距离分辨率，但测距有限。宽脉冲信号含有更多能量，测距更长，但分辨率不佳。脉冲压缩则结合了宽脉冲的功率优势与短脉冲的分辨率优势。通过调节发射信号的频率(例如线性调频)或相位(例如使用巴克码)，可以按照调节信号宽度的倒数在接收器上对宽脉冲进行压缩(图3)。很多天气监测系统都已经采用脉冲压缩雷达。


图3：脉冲压缩结合了宽脉冲的功率优势与短脉冲的分辨率优势。



       
基于天线配置的雷达分类
雷达系统可能会使用天线列阵，有时甚至会使用成千上万的天线元素。因此，依据天线配置，雷达系统可分为以下几种类型：
· 单站雷达：在这种雷达系统中，发射器和接收器采用时域多路复用技术，从而共用天线。
· 双站雷达：如果雷达系统的发射天线和接收天线分开部署(通常相距较远或偏置角较大)，则属于双站雷达系统。双站雷达系统多用于探测隐形目标，即那些为了防止向发射器所在方向反射雷达信号而使用隐形技术的目标。
· 机械扫描雷达：在最初的雷达设计中，通过转动雷达天线可形成天线辐射图形。在这种雷达系统中，一旦发射器发生单点故障，可能会导致机械系统失能，所以它们通常更重、更容易发生故障。
· 相控阵雷达：在这种雷达系统中，通过精确控制每个天线元素的相位和振幅，可以控制或塑造天线阵列的整个波束图形。由于相位阵列天线的单个或多个元素失效不会导致雷达系统整体失能，因此这种设计方案的可靠性更高。
· 无源相控阵雷达(PESA)：一般来说，这种雷达系统先从单一信号源获取信号，再将获取的信号分解为上百个通道(每个通道终结于一个单独的天线)，并在部分通道中应用选定的时延衰减。
· 有源相控阵雷达(AESA)：在这种雷达系统中，天线阵列的每个元素都有独立的发射/接收组件(TRM)(图4)。这种配置大大提高了有源相控阵雷达系统的灵活性，使其能够同时在多个频率上运行并生成多种波束图形，从而完成不同的探测任务等。有源相控阵雷达是目前最先进战斗机的基线装备。


图4：这一海基X波段(SBX)导弹防御有源相控阵雷达具有45056个收发组件，最大探测距离可达到4800公里。



       
雷达系统的要素及其对系统性能的影响
上文对雷达方程式、信号类型以及天线配置进行介绍时，提到雷达系统中很多的元素。表1总结了雷达系统的一些要素以及它们对系统性能的影响。



测试雷达
鉴于自身所扮演的角色，雷达系统必须按照预定目标运行，否则可能会造成严重的后果。因此，雷达系统必须经过严格测试。其中，检验射频链(图5)的性能是雷达测试的重要组成部分。测试工作可以针对子系统(例如有源相控阵雷达的收发组件)或射频链中的特定元件(例如发射器的功率放大器或接收器的低噪声放大器)进行。


图5：有源相控阵雷达系统的简化框图。

典型测试中包含的测量项目如下：





       
脉冲测量类型
在雷达应用中，采用了很多常见的基于散射参数的测量类型及脉冲成形测量技术。本节将讨论其中三种最常用的测量方法。
脉冲内定点测量
脉冲内定点测量对在脉冲内任一时间点的散射参数数据进行了量化。这类测量采用频率或功率扫描技术，并在测量后按要求进行绘图。当需要避免可能发生的脉冲边缘效应时，这种测量方法较为适用。例如，放大器通常在脉冲开始时起到稳定作用。
对于脉冲内定点测量来说，必须经过长时间的测量才能获取到数据，同时用户需对同步脉冲指定相应的间隔，即T0(图6)。该时间间隔一般通过时延(T1)和所需的测量时间窗口宽度来量化。通过调整测量时间窗口启动时间的时延(T1)，可以避免初始效应，如放大器稳定时间等。可以使用以下方程式来确定最小测量时间窗口：
TMW≥1/IFBW


图6：脉冲内定点测量对在脉冲内任一时间点的散射参数数据进行了量化。

如果使用安立(Anritsu)MS4640B矢量网络分析仪选件035和042(PulseView)，其200MHz的中频带宽(IFBW)可以形成5ns的最小测量时间窗口(TMW)。
如果需要额外的动态量程，可为此指定一个平均水平，从而通过多个脉冲对同一时间间隔进行分析，依据同一个相干时钟对结果进行抽样，并保持相位信息。
在无需对脉冲的内部结构和脉冲之间的差异进行分析，而只需在整体上对脉冲进行测量时，这种测量方式较为适用。


       
脉冲成形测量
脉冲成形测量关注脉冲内的数据结构(图7)。脉冲成形测量在时域中进行，期间频率和功率保持不变。这种测量方法多用于确定脉冲的特征，如过冲/下冲、波形顶降及边缘响应(例如上升/下降时间)。


图7：脉冲成形测量关注脉冲内的数据结构，如过冲/下冲、波形顶降及边缘响应。

为了具体体现成形脉冲的特征，需设定起始时间(Tstart)、终止时间(Tstop)以及与同步脉冲相关的多个时间点，即T0(图8)。必要时，测量工作可以在世界时与协调世界时之差(DUT)期间且在出现物理脉冲之前开始，在DUT之后结束。测量时间窗口宽度已被指定，同时也可以在多脉冲之间取平均值。就脉冲内定点测量而言，其所允许的测量时间窗口宽度范围较大。


图8：为了具体体现成形脉冲的特征，需设定起始时间、终止时间以及与同步脉冲相关的多个时间点。

在脉冲成形测量中，脉冲之间的差异往往不易察觉，因此测量结果可能是多个脉冲的平均值。然而，人们可以对测量过程进行设计，从某个绝对开始时间观察脉冲的行为，同时不取平均值，从而观察脉冲行为的整个演变过程。获得测量数据后，通常会根据数据与时间的对应关系绘制图形，因此还可以利用多种渠道或设置进行更复杂的测量。
脉冲到脉冲测量
脉冲到脉冲测量就是对脉冲流内各脉冲之间的差异进行量化的过程。该测量也在时域中进行，期间频率和功率保持不变。这种测量方法多用于确定脉冲特征是否会随着时间的推移而发生变化。例如，高功率放大器可能会产生热效应，而这会引起增益差异或相位差异。
图9显示了针对三个脉冲的脉冲到脉冲测量。在测量过程中，通过同步脉冲(T0)设定了相应的时延(T1)，并对每个脉冲进行单独处理。


图9：脉冲到脉冲测量就是对脉冲流内各脉冲之间的差异进行量化，以了解高功率放大器产生的热效应的过程。

在上文提到的几种测量方法中，可用的测量时间窗口宽度和脉冲宽度范围较广，只要不超过记录的最大宽度即可。其中，MS4640B矢量网络分析仪上记录的最大测量时间窗口宽度为0.5s。由此，即使是较宽或重复率较低的脉冲也能测量。另外，人们可以利用多种渠道或设置，通过循环使用各种频率/功率进行测量。


       
总结
现代雷达系统对测量准确度的要求越来高。现代测试方案要摒弃和突破脉冲测量中常见的折中和局限。安立MS4640B矢量网络分析仪采用了高速数字转换器架构，其分辨率和计时精度达到了业内最高水平。欲了解有关脉冲测量测试摒弃折中的更多信息，请参见安立公司白皮书(11410-00709)—《摒弃和突破脉冲测量测试方案中的折中和局限》。欲了解有关MS4640B高速架构的更多信息，请参见安立公司白皮书(11410-00711A)—《VNA高速架构提高了雷达脉冲测量的定时分辨率与精度》。
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