雷達(dá)的應(yīng)用、配置以及基于散射參數(shù)的脈沖測(cè)量

當(dāng)代社會(huì)對(duì)雷達(dá)的需求給雷達(dá)設(shè)計(jì)師及測(cè)試工程師帶來(lái)了諸多挑戰(zhàn)。為了滿足不斷涌現(xiàn)的各種新需求，可滿足不同應(yīng)用的多用途/功能/模式自適應(yīng)雷達(dá)應(yīng)運(yùn)而生。先進(jìn)的雷達(dá)系統(tǒng)必須具備更高的精確度，從而可以測(cè)量更窄的脈沖寬度，達(dá)到更高的分辨率，以便對(duì)脈內(nèi)行為(包括一個(gè)脈沖壓縮信號(hào)內(nèi)的上升/下降邊緣效應(yīng)或波形)進(jìn)行檢測(cè)。為充分了解現(xiàn)代雷達(dá)的復(fù)雜設(shè)計(jì)，最好先回顧一下雷達(dá)系統(tǒng)和脈沖測(cè)量的基本原理。

本白皮書(shū)介紹了雷達(dá)系統(tǒng)的常見(jiàn)應(yīng)用與類型，雷達(dá)系統(tǒng)的關(guān)鍵要素及典型測(cè)試參數(shù)，以及三種常用的基于散射參數(shù)的脈沖測(cè)量方法。

雷達(dá)方程式

雷達(dá)是無(wú)線電偵測(cè)及測(cè)距的簡(jiǎn)稱，其基本原理如下：當(dāng)電磁波按照已知的功率及頻率向特定方向傳播時(shí)，遇到目標(biāo)后會(huì)發(fā)生反射，即部分電磁波信號(hào)被目標(biāo)反射回來(lái)，而被反射回來(lái)的電磁波信號(hào)則可以通過(guò)接收設(shè)備進(jìn)行測(cè)量。接收信號(hào)的功率(Pr)或雷達(dá)發(fā)射器與目標(biāo)之間的距離(R)可以通過(guò)以下雷達(dá)方程式計(jì)算出來(lái)：

其中：

Pr = 接收信號(hào)的功率;

R = 雷達(dá)發(fā)射器與目標(biāo)之間的距離;

Pt = 發(fā)射信號(hào)的功率;

G = 雷達(dá)天線增益;

σ = 目標(biāo)的雷達(dá)截面;

Ae = 有效的天線孔徑;

λ = 發(fā)射信號(hào)的波長(zhǎng)。

除了測(cè)量距離，還能通過(guò)更改雷達(dá)系統(tǒng)參數(shù)來(lái)測(cè)量目標(biāo)的其他信息，如速度和方向等。例如，采用高定向天線掃描某區(qū)域可以測(cè)量目標(biāo)的方位角和高度，再通過(guò)這兩個(gè)參數(shù)就可以確定目標(biāo)的方向，而通過(guò)測(cè)量接收信號(hào)的頻移則可以確定目標(biāo)的速度。

基于用途的雷達(dá)分類

測(cè)量目標(biāo)距離是多數(shù)雷達(dá)系統(tǒng)的基本功能之一。然而，雷達(dá)系統(tǒng)的技術(shù)水平，包括制造工藝、所用的信號(hào)、獲取信息的范圍及所獲信息在各種應(yīng)用中的用途等，已經(jīng)有了顯著進(jìn)步。雷達(dá)廣泛用于軍事和民用領(lǐng)域，具體用途包括(圖1)：

圖1：雷達(dá)用途廣泛(由雷神公司提供)。

· 監(jiān)視(例如威脅識(shí)別、運(yùn)動(dòng)物體探測(cè)或近炸引信制造);

· 探測(cè)與跟蹤(例如目標(biāo)識(shí)別與追蹤或海上救援);

· 導(dǎo)航(例如汽車防撞或空中交通管制);

· 高清成像(例如地形地貌測(cè)繪或著陸導(dǎo)航);

· 天氣情況跟蹤(例如暴風(fēng)雨避險(xiǎn)或風(fēng)廓線數(shù)據(jù)獲取)。

以下是一些使用不同類型信號(hào)的常見(jiàn)雷達(dá)系統(tǒng)(圖2)：

圖2：雷達(dá)根據(jù)具體用途而采用相應(yīng)的信號(hào)。

· CW(多普勒)雷達(dá)：這種雷達(dá)系統(tǒng)按照恒定的頻率傳輸連續(xù)波信號(hào)。接收信號(hào)發(fā)生了多普勒頻移，而多普勒頻移可用于確定目標(biāo)的速度。警方經(jīng)常使用這種雷達(dá)系統(tǒng)對(duì)交通情況進(jìn)行監(jiān)控。

· FMCW雷達(dá)：這種雷達(dá)系統(tǒng)對(duì)CW信號(hào)進(jìn)行調(diào)頻，以生成定時(shí)基準(zhǔn)。用戶可以根據(jù)定時(shí)基準(zhǔn)確定目標(biāo)的距離及速度。基于CW的雷達(dá)(與脈沖雷達(dá)系統(tǒng)相比)有一個(gè)顯著優(yōu)勢(shì)，即它們能夠提供連續(xù)的探測(cè)結(jié)果。航空器通常會(huì)安裝這種雷達(dá)系統(tǒng)，以便在著陸過(guò)程中準(zhǔn)確測(cè)量高度。

· 脈沖雷達(dá)：這是一種基本(非相干)的脈沖雷達(dá)系統(tǒng)，它們通過(guò)測(cè)量發(fā)射脈沖與接收脈沖之間的時(shí)間間隔來(lái)計(jì)算目標(biāo)的距離和方向。由于脈沖之間的相位雜亂無(wú)章，因此脈沖雷達(dá)系統(tǒng)屬于非相干雷達(dá)系統(tǒng)。這種雷達(dá)系統(tǒng)多用于遠(yuǎn)距離空中監(jiān)控。

· 脈沖多普勒雷達(dá)：這是一種相干雷達(dá)系統(tǒng)，可根據(jù)接收脈沖之間的相位差異測(cè)量目標(biāo)的距離、方向以及速度。脈沖多普勒雷達(dá)系統(tǒng)一般采用高脈沖重復(fù)率(PRR)，因而能更準(zhǔn)確地測(cè)量徑向速度，但在測(cè)量距離時(shí)準(zhǔn)確性較低。這種雷達(dá)系統(tǒng)常用于探測(cè)移動(dòng)目標(biāo)，同時(shí)抑制靜止雜波，在天氣監(jiān)測(cè)應(yīng)用中非常有效。

· 動(dòng)目標(biāo)顯示(MTI)雷達(dá)：這種雷達(dá)也使用多普勒頻率將動(dòng)目標(biāo)回波與靜止物體及雜波區(qū)分開(kāi)來(lái)。MTI雷達(dá)的波形為一連串低PRR脈沖，這種波形能夠避免距離模糊，但無(wú)法準(zhǔn)確測(cè)算目標(biāo)的速度。這類雷達(dá)常用于地對(duì)空搜索和監(jiān)控。

· 脈沖壓縮雷達(dá)：窄脈沖信號(hào)可以達(dá)到更好的距離分辨率，但測(cè)距有限。寬脈沖信號(hào)含有更多能量，測(cè)距更長(zhǎng)，但分辨率不佳。脈沖壓縮則結(jié)合了寬脈沖的功率優(yōu)勢(shì)與短脈沖的分辨率優(yōu)勢(shì)。通過(guò)調(diào)節(jié)發(fā)射信號(hào)的頻率(例如線性調(diào)頻)或相位(例如使用巴克碼)，可以按照調(diào)節(jié)信號(hào)寬度的倒數(shù)在接收器上對(duì)寬脈沖進(jìn)行壓縮(圖3)。很多天氣監(jiān)測(cè)系統(tǒng)都已經(jīng)采用脈沖壓縮雷達(dá)。

圖3：脈沖壓縮結(jié)合了寬脈沖的功率優(yōu)勢(shì)與短脈沖的分辨率優(yōu)勢(shì)。

基于天線配置的雷達(dá)分類

雷達(dá)系統(tǒng)可能會(huì)使用天線列陣，有時(shí)甚至?xí)褂贸汕先f(wàn)的天線元素。因此，依據(jù)天線配置，雷達(dá)系統(tǒng)可分為以下幾種類型：

· 單站雷達(dá)：在這種雷達(dá)系統(tǒng)中，發(fā)射器和接收器采用時(shí)域多路復(fù)用技術(shù)，從而共用天線。

· 雙站雷達(dá)：如果雷達(dá)系統(tǒng)的發(fā)射天線和接收天線分開(kāi)部署(通常相距較遠(yuǎn)或偏置角較大)，則屬于雙站雷達(dá)系統(tǒng)。雙站雷達(dá)系統(tǒng)多用于探測(cè)隱形目標(biāo)，即那些為了防止向發(fā)射器所在方向反射雷達(dá)信號(hào)而使用隱形技術(shù)的目標(biāo)。

· 機(jī)械掃描雷達(dá)：在最初的雷達(dá)設(shè)計(jì)中，通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)雷達(dá)天線可形成天線輻射圖形。在這種雷達(dá)系統(tǒng)中，一旦發(fā)射器發(fā)生單點(diǎn)故障，可能會(huì)導(dǎo)致機(jī)械系統(tǒng)失能，所以它們通常更重、更容易發(fā)生故障。

· 相控陣?yán)走_(dá)：在這種雷達(dá)系統(tǒng)中，通過(guò)精確控制每個(gè)天線元素的相位和振幅，可以控制或塑造天線陣列的整個(gè)波束圖形。由于相位陣列天線的單個(gè)或多個(gè)元素失效不會(huì)導(dǎo)致雷達(dá)系統(tǒng)整體失能，因此這種設(shè)計(jì)方案的可靠性更高。

· 無(wú)源相控陣?yán)走_(dá)(PESA)：一般來(lái)說(shuō)，這種雷達(dá)系統(tǒng)先從單一信號(hào)源獲取信號(hào)，再將獲取的信號(hào)分解為上百個(gè)通道(每個(gè)通道終結(jié)于一個(gè)單獨(dú)的天線)，并在部分通道中應(yīng)用選定的時(shí)延衰減。

· 有源相控陣?yán)走_(dá)(AESA)：在這種雷達(dá)系統(tǒng)中，天線陣列的每個(gè)元素都有獨(dú)立的發(fā)射/接收組件(TRM)(圖4)。這種配置大大提高了有源相控陣?yán)走_(dá)系統(tǒng)的靈活性，使其能夠同時(shí)在多個(gè)頻率上運(yùn)行并生成多種波束圖形，從而完成不同的探測(cè)任務(wù)等。有源相控陣?yán)走_(dá)是目前最先進(jìn)戰(zhàn)斗機(jī)的基線裝備。

圖4：這一?；鵛波段(SBX)導(dǎo)彈防御有源相控陣?yán)走_(dá)具有45056個(gè)收發(fā)組件，最大探測(cè)距離可達(dá)到4800公里。

雷達(dá)系統(tǒng)的要素及其對(duì)系統(tǒng)性能的影響

上文對(duì)雷達(dá)方程式、信號(hào)類型以及天線配置進(jìn)行介紹時(shí)，提到雷達(dá)系統(tǒng)中很多的元素。表1總結(jié)了雷達(dá)系統(tǒng)的一些要素以及它們對(duì)系統(tǒng)性能的影響。

測(cè)試?yán)走_(dá)

鑒于自身所扮演的角色，雷達(dá)系統(tǒng)必須按照預(yù)定目標(biāo)運(yùn)行，否則可能會(huì)造成嚴(yán)重的后果。因此，雷達(dá)系統(tǒng)必須經(jīng)過(guò)嚴(yán)格測(cè)試。其中，檢驗(yàn)射頻鏈(圖5)的性能是雷達(dá)測(cè)試的重要組成部分。測(cè)試工作可以針對(duì)子系統(tǒng)(例如有源相控陣?yán)走_(dá)的收發(fā)組件)或射頻鏈中的特定元件(例如發(fā)射器的功率放大器或接收器的低噪聲放大器)進(jìn)行。

圖5：有源相控陣?yán)走_(dá)系統(tǒng)的簡(jiǎn)化框圖。

典型測(cè)試中包含的測(cè)量項(xiàng)目如下：

脈沖測(cè)量類型

在雷達(dá)應(yīng)用中，采用了很多常見(jiàn)的基于散射參數(shù)的測(cè)量類型及脈沖成形測(cè)量技術(shù)。本節(jié)將討論其中三種最常用的測(cè)量方法。

脈沖內(nèi)定點(diǎn)測(cè)量

脈沖內(nèi)定點(diǎn)測(cè)量對(duì)在脈沖內(nèi)任一時(shí)間點(diǎn)的散射參數(shù)數(shù)據(jù)進(jìn)行了量化。這類測(cè)量采用頻率或功率掃描技術(shù)，并在測(cè)量后按要求進(jìn)行繪圖。當(dāng)需要避免可能發(fā)生的脈沖邊緣效應(yīng)時(shí)，這種測(cè)量方法較為適用。例如，放大器通常在脈沖開(kāi)始時(shí)起到穩(wěn)定作用。

對(duì)于脈沖內(nèi)定點(diǎn)測(cè)量來(lái)說(shuō)，必須經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的測(cè)量才能獲取到數(shù)據(jù)，同時(shí)用戶需對(duì)同步脈沖指定相應(yīng)的間隔，即T0(圖6)。該時(shí)間間隔一般通過(guò)時(shí)延(T1)和所需的測(cè)量時(shí)間窗口寬度來(lái)量化。通過(guò)調(diào)整測(cè)量時(shí)間窗口啟動(dòng)時(shí)間的時(shí)延(T1)，可以避免初始效應(yīng)，如放大器穩(wěn)定時(shí)間等?？梢允褂靡韵路匠淌絹?lái)確定最小測(cè)量時(shí)間窗口：

TMW≥1/IFBW

圖6：脈沖內(nèi)定點(diǎn)測(cè)量對(duì)在脈沖內(nèi)任一時(shí)間點(diǎn)的散射參數(shù)數(shù)據(jù)進(jìn)行了量化。

如果使用安立(Anritsu)MS4640B矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀選件035和042(PulseView)，其200MHz的中頻帶寬(IFBW)可以形成5ns的最小測(cè)量時(shí)間窗口(TMW)。

如果需要額外的動(dòng)態(tài)量程，可為此指定一個(gè)平均水平，從而通過(guò)多個(gè)脈沖對(duì)同一時(shí)間間隔進(jìn)行分析，依據(jù)同一個(gè)相干時(shí)鐘對(duì)結(jié)果進(jìn)行抽樣，并保持相位信息。

在無(wú)需對(duì)脈沖的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和脈沖之間的差異進(jìn)行分析，而只需在整體上對(duì)脈沖進(jìn)行測(cè)量時(shí)，這種測(cè)量方式較為適用。

脈沖成形測(cè)量

脈沖成形測(cè)量關(guān)注脈沖內(nèi)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)(圖7)。脈沖成形測(cè)量在時(shí)域中進(jìn)行，期間頻率和功率保持不變。這種測(cè)量方法多用于確定脈沖的特征，如過(guò)沖/下沖、波形頂降及邊緣響應(yīng)(例如上升/下降時(shí)間)。

圖7：脈沖成形測(cè)量關(guān)注脈沖內(nèi)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，如過(guò)沖/下沖、波形頂降及邊緣響應(yīng)。

為了具體體現(xiàn)成形脈沖的特征，需設(shè)定起始時(shí)間(Tstart)、終止時(shí)間(Tstop)以及與同步脈沖相關(guān)的多個(gè)時(shí)間點(diǎn)，即T0(圖8)。必要時(shí)，測(cè)量工作可以在世界時(shí)與協(xié)調(diào)世界時(shí)之差(DUT)期間且在出現(xiàn)物理脈沖之前開(kāi)始，在DUT之后結(jié)束。測(cè)量時(shí)間窗口寬度已被指定，同時(shí)也可以在多脈沖之間取平均值。就脈沖內(nèi)定點(diǎn)測(cè)量而言，其所允許的測(cè)量時(shí)間窗口寬度范圍較大。

圖8：為了具體體現(xiàn)成形脈沖的特征，需設(shè)定起始時(shí)間、終止時(shí)間以及與同步脈沖相關(guān)的多個(gè)時(shí)間點(diǎn)。

在脈沖成形測(cè)量中，脈沖之間的差異往往不易察覺(jué)，因此測(cè)量結(jié)果可能是多個(gè)脈沖的平均值。然而，人們可以對(duì)測(cè)量過(guò)程進(jìn)行設(shè)計(jì)，從某個(gè)絕對(duì)開(kāi)始時(shí)間觀察脈沖的行為，同時(shí)不取平均值，從而觀察脈沖行為的整個(gè)演變過(guò)程。獲得測(cè)量數(shù)據(jù)后，通常會(huì)根據(jù)數(shù)據(jù)與時(shí)間的對(duì)應(yīng)關(guān)系繪制圖形，因此還可以利用多種渠道或設(shè)置進(jìn)行更復(fù)雜的測(cè)量。

脈沖到脈沖測(cè)量

脈沖到脈沖測(cè)量就是對(duì)脈沖流內(nèi)各脈沖之間的差異進(jìn)行量化的過(guò)程。該測(cè)量也在時(shí)域中進(jìn)行，期間頻率和功率保持不變。這種測(cè)量方法多用于確定脈沖特征是否會(huì)隨著時(shí)間的推移而發(fā)生變化。例如，高功率放大器可能會(huì)產(chǎn)生熱效應(yīng)，而這會(huì)引起增益差異或相位差異。

圖9顯示了針對(duì)三個(gè)脈沖的脈沖到脈沖測(cè)量。在測(cè)量過(guò)程中，通過(guò)同步脈沖(T0)設(shè)定了相應(yīng)的時(shí)延(T1)，并對(duì)每個(gè)脈沖進(jìn)行單獨(dú)處理。

圖9：脈沖到脈沖測(cè)量就是對(duì)脈沖流內(nèi)各脈沖之間的差異進(jìn)行量化，以了解高功率放大器產(chǎn)生的熱效應(yīng)的過(guò)程。

在上文提到的幾種測(cè)量方法中，可用的測(cè)量時(shí)間窗口寬度和脈沖寬度范圍較廣，只要不超過(guò)記錄的最大寬度即可。其中，MS4640B矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀上記錄的最大測(cè)量時(shí)間窗口寬度為0.5s。由此，即使是較寬或重復(fù)率較低的脈沖也能測(cè)量。另外，人們可以利用多種渠道或設(shè)置，通過(guò)循環(huán)使用各種頻率/功率進(jìn)行測(cè)量。

總結(jié)

現(xiàn)代雷達(dá)系統(tǒng)對(duì)測(cè)量準(zhǔn)確度的要求越來(lái)高?，F(xiàn)代測(cè)試方案要摒棄和突破脈沖測(cè)量中常見(jiàn)的折中和局限。安立MS4640B矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀采用了高速數(shù)字轉(zhuǎn)換器架構(gòu)，其分辨率和計(jì)時(shí)精度達(dá)到了業(yè)內(nèi)最高水平。欲了解有關(guān)脈沖測(cè)量測(cè)試摒棄折中的更多信息，請(qǐng)參見(jiàn)安立公司白皮書(shū)(11410-00709)—《摒棄和突破脈沖測(cè)量測(cè)試方案中的折中和局限》。欲了解有關(guān)MS4640B高速架構(gòu)的更多信息，請(qǐng)參見(jiàn)安立公司白皮書(shū)(11410-00711A)—《VNA高速架構(gòu)提高了雷達(dá)脈沖測(cè)量的定時(shí)分辨率與精度》。

VectorStar系列是安立公司的高階矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀系列產(chǎn)品，可在當(dāng)代工作平臺(tái)上提供最出色的整體性能。其中，MS4640B系列的性能最強(qiáng)，可提供70kHz~70GHz的頻率覆蓋范圍。對(duì)于寬帶應(yīng)用，ME7838A系列可為單個(gè)1mm同軸測(cè)試端口提供70kHz~110GHz的超寬頻率覆蓋范圍。對(duì)于多端口應(yīng)用，MN469xB系列可支持4端口測(cè)量，此外支持12端口測(cè)量的VectorStar系統(tǒng)所能覆蓋的最高頻率達(dá)70GHz。而SM6430 VectorStar非線性系統(tǒng)則是最完善的高性能非線性分析系統(tǒng)，能夠通過(guò)多條路徑靈活升級(jí)。

安立MS4640B矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀提供的性能更強(qiáng)，它有助于器件建模工程師實(shí)現(xiàn)精確可靠的器件建模;有助于RD工程師盡量擴(kuò)大其產(chǎn)品設(shè)計(jì)的動(dòng)態(tài)范圍，研發(fā)出最先進(jìn)的設(shè)備,還有助于制造工程師在保證精準(zhǔn)度的情況下最大程度地提高生產(chǎn)效率。

安立MS4640B矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀在單臺(tái)儀器中可提供從70kHz~70GHz的最寬頻率覆蓋范圍。能覆蓋高達(dá)70GHz的頻率固然令人贊嘆，但低頻端額外帶來(lái)的二十倍頻程更令人激動(dòng)，因?yàn)橛辛怂涂梢栽诓皇褂蒙漕l網(wǎng)絡(luò)分析儀的情況下更好地完成組件建模。MS4640B矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀不僅具備出色的原始性能，而且當(dāng)工作頻率為70GHz時(shí),其動(dòng)態(tài)范圍可達(dá)到業(yè)界領(lǐng)先的100dB，因此該儀器能以最穩(wěn)定、準(zhǔn)確的方式完成最具難度的測(cè)量工作。

當(dāng)使用該儀器以業(yè)內(nèi)最快的速度(20微秒/點(diǎn))進(jìn)行綜合掃描時(shí)，其靈敏度可達(dá)到80dB。此外，無(wú)論是在當(dāng)前還是在未來(lái)很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)，與市場(chǎng)上的同類產(chǎn)品相比，這種矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的測(cè)量結(jié)果最為精準(zhǔn)和全面。

安立矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀旨在成為理想的微波矢量網(wǎng)絡(luò)分析平臺(tái)。它基于開(kāi)放的Windows架構(gòu)，能與多種設(shè)備相連接，擁有直觀的界面，并且具備無(wú)限潛能，如在單渠道模式下可支持100,001個(gè)測(cè)量點(diǎn)。不僅如此，它還提供業(yè)界首個(gè)標(biāo)準(zhǔn)3年保修服務(wù)，加上響應(yīng)迅速的銷售和技術(shù)支持隊(duì)伍，MS4640B是工程師最明智的選擇。

帶有選件035和042(PulseView)的安立MS4640B矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀具備生成和測(cè)量脈沖信號(hào)的功能。該儀器所配備的四個(gè)內(nèi)部信號(hào)發(fā)生器能生成單線態(tài)、雙線態(tài)、三線態(tài)、四線態(tài)/猝發(fā)脈沖信號(hào)。安立MS4640B矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀支持多種脈沖測(cè)量方式，如脈沖成形測(cè)量、脈沖內(nèi)定點(diǎn)測(cè)量和脈沖到脈沖測(cè)量等。