雷達目標模擬器，評估雷達性能

雷達系統廣泛應用於工業、商業和國防領域，應用範圍從諸如汽車避碰，天氣預報和空中交通管制(ATC)等商業應用到諸如用於預警和導彈跟蹤等國防系統。

雷達功能用途決定了它的物理尺寸、工作頻率、波形、發射功率、天線孔徑等許多參數。雷達在研製和生產時必須對每個參數和部件進行測試，以確保正常運行。

雷達系統操作員對功能測試感興趣，即目標檢測和跟蹤功能測試。為了獲得雷達的精度、分辨力、檢測概率和虛警率，必須在整個不模糊距離內產生雷達目標，還需要產生不模糊的徑向速度、方位角和仰角以及不同的雷達散射截面(RCS)。

在現場測試可能是極其耗時、複雜和昂貴的，而且很難獲得可重複的測試條件。例如，在一個測試場進行戰鬥機上的雷達測試時，通常通過部署人造目標用於雷達探測和追蹤，將目標的全球定位系統(GPS)坐標與採集的雷達數據進行比較，從而驗證雷達的性能。

由於成本問題在現場進行定期測試是難實現的。除了現場測試，另一種方法是建立「真實」雷達模擬，包括許多不同類型的目標和場景。產生雷達目標可以測試包括射頻在內的雷達功能，而無需現場測試費用。

雷達目標模擬器可以引入時間延遲、多普勒頻移和衰減。雷達目標模擬可以使用以下幾種目標模擬器來實現，包括同軸延遲線(CDL)、光纖延遲線(FODL)和數字射頻存儲(DRFM)，並且使用貨架式(COTS)測量設備構建目標模擬系統已成為一種趨勢。

測試雷達系統性能的雷達目標模擬器的性能取決於多個技術參數。本文解釋了不同的目標生成器結構，闡明了性能需求和設計標準，這些標準偏愛一種方法而不贊成另一種方法，並展示了使用COTS構建測雷達測量系統。

雷達測試

在雷達系統投入使用之前，必須進行許多測量，主要進行了硬體部件測試，包括研發，其中大部分都集中在發射機和接收機，較少強調信號處理和系統功能。

因此，雷達在研發過程中只進行了部分測試，而一些重要的功能，如信號檢測，從未在閉環操作中進行過完全的測試。評估整個系統(射頻和基帶)，並確保所有要素都符合具體要求和客戶需求，需要進行許多額外的測試，如圖1所示。

參數測量必須進行測試試驗，以評估系統的功能。內置測試設備(BITE)監控一些硬體組件和功能。然而BITE能夠提供失效檢測，但它的設計不一定是為了提供雷達性能的信息。

例如，如果雷達沒有探測到目標，操作者如何知道雷達沒有正常工作？為了解決這一問題，可以使用拖曳球進行實地測試，以提高雷達的基線能力，並評估整個雷達處理鏈路。但是，現場測試不會專門測試處理能力。

因此，有些雷達具有數字注入能力，可以將場景載入到雷達處理器以測試處理器。如前所述，現場測試費用昂貴，幾乎無法重複測試，而且某些目標的可用性有限。

由於這些原因，雷達目標模擬器被用來替換一些現場測試，使測試重複性好，節省了時間，降低了成本，並可通過注入目標對整個處理鏈路進行測試。雷達目標模擬器的技術要求對目標生成系統的基本結構提出了挑戰。

雖然經濟優勢傾向於實驗室測試，但雷達系統的功能性能必須通過實驗室和現場測試環境來驗證。此外，由於雷達系統增加了電子保護功能，這些新的系統功能可能需要新的測試方法。

測試和測量(T&M)工業提供各種類型的雷達測試設備，可用於開發和生產。這些研究重點是雷達參數性能測試，如測量頻譜純度、發射功率和靈敏度等。

雷達目標模擬器

雷達目標模擬器對雷達信號進行時延(距離)、多普勒頻移(徑向速度)和衰減。實際雷達信號被接收、操縱和轉發。其他系統中有雷達波形的存儲和波形觸發回放。

雷達目標模擬器的結構決定了測試不同功能級別的性能和功能。一些能夠為某一雷達系統在專用頻帶中生成單個目標,而有些系統則能覆蓋較寬的頻段，並提供複雜的目標場景模擬。也有專門的雷達目標模擬器採用專用的頻段，例如測試汽車雷達感測器。

雷達目標模擬器的性能和功能及其對雷達系統的測試能力取決於多種經濟技術參數。除了效率和成本之外，下列技術參數是很重要的：

★觸髮式或者連續式工作；

★復現真實環境場景和感興趣測試的靈活性。

雷達系統的工作頻率覆蓋一個很寬的頻段範圍：遠程監視雷達工作在HF或者L波段，ATC雷達工作在S波段，艦載監視雷達工作在X波段，汽車雷達感測器則工作在K波段和W波段。

因此，雷達目標模擬器應覆蓋寬頻段。目標模擬器的帶寬還必須真實地再現雷達發射信號的帶寬，因為帶寬決定了雷達距離解析度和頻率捷變雷達的捷變帶寬。

信號保真度和相位雜訊也很重要。信號保真度差會使轉發信號失真。雷達只有在相位雜訊低的情況下，才能檢測出慢動目標，如果目標模擬器具有較高的相位雜訊，就可能限制其評估雷達實際性能的能力。

為了模擬延遲和多普勒，大多數現代雷達目標模擬器都採用了數字化，雷達信號被捕獲、數字化、處理、轉換成模擬信號，然後用衰減器轉發。

有效位元數(ENOB)和無雜散動態範圍(SFDR)的是表徵模擬數字轉換器(ADC)性能的兩個重要指標，也是雷達目標模擬器精確採集雷達信號和再現雷達回波的重要性能參數。

其他參數，如最小和最大範圍、目標數目或測試場景，主要取決於雷達目標模擬器的信號處理性能、體系結構和基帶處理能力。

目前，雷達工程師使用下列類型的雷達目標模擬器：

光纖延遲線(FODL)

使用FODLS來測試雷達系統已經有幾十年了，測量相位雜訊和模擬可重複的信號用於戶外距離測試。這些小的、相對靈活的和相參的系統將RF信號轉換為光信號，用定義長度的光纖線路將其延遲，將其重新轉換為RF並將其重發到雷達(見圖2)。有些系統還能夠引入多普勒頻移。

光纖中光信號的相位速度約為5μs/km，損耗約為0.5dB/km。因此，FODL具有了非常好的距離間隔，即在經過適當的切割能夠實現皮秒級的間隔。FODL具有非常高帶寬，多模光纖的帶寬主要受模色散的限制，其帶寬在1GHz/km範圍內。

在單模光纖中帶寬受物質色散的限制，對於色散很低的波長，帶寬可達100GHz/km。動態範圍受限於低RF下的量子雜訊和高RF下的非線性過程，隨著信號帶寬的增加線性減小。

隨著多普勒頻移的增加，無雜散動態範圍取決於額外的因素，通常減少幾十dB。雖然多普勒頻移可以調製RF信號，但是光纖延遲的長度(即距離)是恆定的，無法產生真實感的運動目標。

FODLS有幾個優點。它們具有恆定的延遲與頻率，具有很強的抗振動性和抗電磁干擾能力，而且光纖不輻射能量。模擬重複性好，系統成本低，節省了時間等都是其優點。

當需要良好的載波相位雜訊性能，例如固定目標壓制測試時，FODLS是個很好的選擇。然而，FODLS的缺點就是不能產生時變距離多普勒目標，也不能提供連續的距離設置或任意信號衰減和增益。

數字儲頻(DRFM)

DRFM以數字方式操縱雷達信號，如圖3所示。DRFM將接收到的RF信號進行下變頻、濾波和數字化。數據被存儲和(/或)修改，然後重新轉換為模擬信號和使用與用於下變頻相同的本機振蕩器(LO)上變頻為RF。最後進行射頻的放大和轉發。

ALQ-165機載自衛干擾機(ASPJ)是第一批設計的DRFM系統之一，阿維拉通用電氣從1979年4月開始研發，最初覆蓋0.7至18GHz，後來覆蓋1到35GHz，平均成本為127萬美元。

其DRFM的技術性能規範和成本很少公開，根據現有的信息，一個DRFM模塊的成本按其性能從15萬美元到70萬美元不等。DRFMS可覆蓋40GHz，提供12位數字化，瞬時帶寬為1.4GHz，SFDR為-65dBc，最小延遲為90ns。然而，由於技術上的限制，這些性能參數不能在一個DRFM系統同時實現。例如，大多數寬頻DRFMS的信號保真度較低，使用的比特數不足12位。

最小延遲主要受ADC和DAC的限制，它們需要幾個周期才能將模擬信號轉換為數字，反之亦然，延遲也取決於帶寬和比特數。獲得雷達回波信號的信號處理會增加許多處理周期，典型的最小延遲現在從100ns以下到1μs以下不等。

對於DRFM系統，重要的是要知道模擬射頻信號是如何在數字域中表示的：位數、幅值和相位，這些決定了信號的保真度。另一個關鍵參數是SFDR，因為雷達可能試圖區分目標和電子對抗(ECM)信號。SFDR將受到ENOB、元件的非線性和雜訊限制。

雖然具有相干目標回波的高信號保真度DRFMS可適用於雷達測試，但使用具有特定用戶界面的DRFM在進行多種信號條件和場景效果雷達測試方面會有一定的局限性。這種專用設備往往價格昂貴，而且在雷達功能參數測試的靈活性方面表現一般。

COTS測量測試設備

Commercial Off-the-Shelf, COTS通過射頻下變頻、基帶數字信號處理和射頻上變頻，COTS測試和測量設備也能夠以與DRFMS類似的方式產生雷達目標。射頻信號分析儀和射頻信號發生器通常單獨使用時，這兩種儀器在一起使用時可以作為雷達目標模擬器。

這種雷達目標模擬器使用信號分析儀作為接收機，信號發生器作為發射機。如圖4所示，COTS系統工作於100kHz至40GHz之間，並將處理在這個頻率範圍內任何類型的射頻雷達信號，高達160MHz的帶寬。

信號分析器將輸入的雷達信號轉換為同相和正交相位(I/Q)數據，I/Q數據被傳輸到信號發生器的基帶輸入，在信號發生器中根據用戶定義在信號中加人時間延遲、多普勒頻移和衰減等信息，產生雷達回波信號。然後，通過信號發生器將雷達回波信號發射回雷達。

使用COTS測量設備的一個優點是其優異的射頻性能，適用於研發或生產過程中的附加參數雷達測試。靈活的模塊化組合允許矢量信號發生器、信號頻譜分析儀用於其他測試或專用的現場安裝。

COTS雷達目標模擬器演示

使用MATLAB信號處理的軟體定義雷達(SDR)可以演示COTS雷達目標模擬器的能力。雷達目標模擬器產一個距離為2000米，速度為-25米/秒的目標，SDR對該目標進行探測。該雷達的MATLAB圖形用戶界面(GUI)(見圖5)顯示了頻譜(上圖)、距離多普勒圖(中圖)和目標列表(下圖)。

頻譜圖顯示單個局部極大值，其功率高於恆虛警率(CFAR)閾值。通過測量差頻，計算距離和徑向速度，與雷達目標生成器創建的目標匹配。COTS雷達目標模擬器可以在不同距離多普勒單元中產生多達20個目標。

該信號發生器還具有多個射頻源，在存在干擾的情況下(如蜂窩電話或其他移動通信服務)測試雷達，圖6顯示了第二個調頻連續波信號的相同雷達目標信號，低噪音明顯較高。雖然雷達回波信號仍然可以視覺觀察，但CFAR閾值太高，無法進行自動檢測。

除了測試雷達的功能性能外，COTS目標模擬器還可以幫助評估雷達中的現代電子對抗措施，例如檢測作為干擾器的DRFM。相位調製的雷達波形，如巴克碼，可以用來測試雷達信號處理的性能。巴克碼在雷達目標模擬器中被發射和延遲。

雷達有一個非常特殊的基帶波形，雷達接收機可以檢測回波的保真度，並利用相關係數來檢測回波的保真度，無論回波是虛擬的還是真實的。不相關信號可能來自ECM系統，因為重採樣的速率不同、ADC有效位數少、目標模擬器中的相位雜訊或放大器失真。

依賴於DRFM產生的回波信號保真度很可能與實際目標不同。聚焦於電子戰保護的雷達處理過程可以檢測回波的保真度差異。圖7顯示測量開始時的巴克碼雷達信號，相應的雷達回波信號衰減約50分貝，延遲40微秒。

下圖顯示經過相關濾波器處理的回波信號。圖8顯示了可能發生在DRFM中的以不同採樣率處理的回波信號。不同的信號保真度導致了回波信號會發生劇烈的變化。

結論

雷達系統的可靠性要求非常高，這使測試和測量變得非常重要。本文提出了幾種不同的雷達目標生成方法測試整個雷達系統，包括天線、發射機、接收機和信號處理。比較技術性能和經濟因素，一個完美的平衡將讓許多現場測試進入實驗室，從而降低軟體和硬體測試的成本。

目標模擬器的射頻性能必須優於雷達的性能，並能提供一系列測試方案。FODLS仍然被使用，但缺乏靈活性，例如生成距離多普勒相關雷達目標。DRFM克服了這一缺點，並為產生雷達回波信號提供了額外的選擇。

然而，DRFM是一種專用的解決方案，可能成本很高，而且不設計的與測試設備一樣靈活。COTS測試和測量設備提供了廣泛的測試解決方案，能夠完成從信號和組件測試和分析到雷達目標生成等多種任務。

這類設備它具有模塊化、多用途、靈活等特點，既可作為雷達目標模擬器，又可實現實驗室的其他功能。這些不同的雷達目標生成方法有其各自的優點，但它們都將部分現場測試引入實驗室，降低了測試複雜度，降低了成本，並且提供可重複性和自動化的測試能力。

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