频率步进雷达系统的仿真与测试

admin

任何雷达接收机接收到的回波信号都包含目标回波和背景杂波。要在包含背景杂波的环境中探测目标，雷达系统必须具有远距离和宽范围的分辨能力。过去一般使用 短脉冲波形和宽带调频脉冲来实现这一目标。不过，这种方法需要采用非常复杂的系统体系结构，而且由于用到宽带接收机，所以实施成本较高。另一种方法是采用 频率步进雷达(SFR)，它能够在不增加系统复杂程度的同时分辨远距离目标，在无损测试和地面搜索应用中表现出色。
         
        SFR可以在频域中合成频率步进脉冲回波，以获得更宽的信号带宽；使用跳频实现高分辨率和高信噪比。凭借高分辨率和低成本的优势，频率步进雷达现已广泛应用于商业与航空航天/国防(A/D)领域。不过，受地面、建筑物和植物等物体反射的背景杂波的影响，很难对SRF接收机性能进行准确的分析。因此，仿真变得尤为重要。它可帮助设计人员精确设计、验证和测试真实环境中的SFR系统，因此，它是设计人员不可或缺的重要工具。
         
        了解 SFR
        为了更好地了解SFR为什么能提供如此先进的能力，我们首先以图1(最左侧图像)所示的脉冲雷达波形为例进行说明。

       
        图1：左侧是脉冲雷达波形，右侧的图像为SFR波形。

         

        假定脉宽为τ，信号带宽为f0 = 1/τ，那么根据下式可计算出距离分辨率Rs

       

        其中，c 等于光速。
         
        假设脉宽τ=0.25us，脉冲重复间隔T=10us，那么距离分辨率Rs=37.5m。要实现小于1m的分辨率，根据式(1)可知，必须减小脉宽，比如 T=3.9ns。由此得到的距离分辨率将为0.58m，在不改变4MHz信号带宽的情况下，新系统带宽将比原始系统带宽宽250ns/3.9ns=64 倍。
         
        为了实现0.58m的高分辨率，同时不缩短脉冲持续时间，可以使用SFR。如图1所示，频率步进雷达以固定的脉冲重复频 率(而非固定的雷达频率)发射N个脉冲序列。与脉冲信号不同，频率步进波形序列中的所有脉冲都具有相同的脉宽和持续时间，但载波频率不同。该频率可通过 f_i=f_0+N×dF计算得出，其中 dF 指频率增加量，表明使用了跳频和时分。
         
        假设使用N次步进的频率，脉宽和脉冲重复仍然是τ=0.25us和 T=10us，其N=64，与前面的例子一样，dF=4MHz，那么得到的距离分辨率带宽结果将为

       

         

        从结果中显然可以看出，SFR具有较高的距离分辨率(小于1m)。另外，它不必缩小分辨率，因而适合此情景中的脉冲雷达。
         
        SFR设计与测试平台
        在SFR雷达中，杂波将会干扰目标探测，增加发现实际数量目标的难度，甚至使雷达无法探测到较小目标。能够在杂波条件下分析目标探测的封闭式分析解决方案极 其罕见。由于对这些类型的情景进行分析极为重要，所以仿真成为关键，就像使用平台解决方案仿真真实环境中的SFR系统一样。该平台还可用于对SFR系统进 行验证和测试。配有测试环境的仿真平台必须包含回波信号雷达横截面(RCS)和背景杂波，
         
        为了更好地了解如何使用这种平台来 设计、验证和测试SFR系统，下面提供了一个SFR设计模板。工程师可以为自有系统定制SFR设计模板，然后在平台中运行仿真，以测试设计的性能。当设计 仿真与测试设备结合使用时，仿真平台也可充当测试平台，对SFR元器件硬件进行测试。例如在设计SFR系统在地面杂波背景下探测两个目标回波时，可使用该 平台进行仿真和硬件测试。
         
        仿真SFR系统
        以图2所示的基本SFR设计为例。在信号发生器中，SFR信号源后面是射频调制器，因此使用两个目标模型和一个杂波模型。在SFR接收机输入端，接收到的信号包括目标回波和杂波。
         

       
        图2：使用Agilent SystemVue电子系统级设计平台执行此SFR仿真实例。

         

         
        如图3所示，在SFR输入端测量接收到的信号。请注意：图3C的频率与时间图与预期的SFR信号(使用上述载波频率计算方法)一致。展开相位也符合预期。此外，仿真显示SFR接收机运行良好。

       
        图3：接收机输入端测得的已接收频率步进雷达信号的频谱(A)、反映目标回波随机特性以及杂波特性的波形幅度(B)、已接收信号的跳频(C)和扩展相位(D)。

         

        图4显示，使用这个高分辨率频率步进雷达设计，我们可以轻松探测两个紧邻的目标。要使用脉冲雷达探测同样两个目标，脉宽必须至少增加8倍，导致系统成本大幅增加。
         

       
        图4：使用高分辨率频率步进雷达设计探测两个相邻的目标。

         

        SFR 系统测试
        一旦建立好复制实际 SFR 系统的仿真模型，就可将其用于实际条件下(包含RCS 和背景杂波)的测试。此外，仿真平台除了可用于设计高分辨率SFR系统之外，还可用于执行硬件接收机测试。执行此项测试需要使用SFR信号发生器。接收到 的信号包含目标回波以及背景杂波和噪声等环境信号。
         
        首先使用图2中的设计生成测试信号，其中包含两个相邻目标回波和杂波。然后将该信号下载到矢量信号发生器中，上变频到射频频率。接着，使用信号分析仪对SFR接收机输入端进行测量，根据测得的数据，使用信号分析软件对测试信号进行验证。
         
        SFR 发射机测试需要使用SFR接收机。SFR接收机可由仿真平台创建。使用运行矢量信号分析软件的矢量信号分析仪来测量信号。然后将接收到的信号从信号分析仪 下载到EDA软件中进行解调、检波，还原成原始的目标信号。使用创建的SFR软件接收机和图5中的测试装置可对实际接收的SFR信号进行测试。

       
        图5：用于SFR发射机和接收机硬件测试的测试装置。

         

        结论
        平台解决方案可仿真实际环境中的系统，是工程师设计、验证和测试现代雷达系统的最佳工具。特别是在使用高分辨率频率步进雷达系统探测杂波环境中的目标时(封 闭式解决方案此时很难获得满意的分析结果)，它更具有重要作用。仿真平台适用于SFR系统的设计和测试。在SFR系统测试中，可使用仿真的软件接收机进行 发射机元器件测试，而使用仿真的软件发射机进行接收机元器件测试。