频率步进雷达(SFR)设计与测试
2022-08-08

  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。

频率步进雷达系统的仿真与测试

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:

  Rs = c/2f0

  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:

  Rs = 0.58m

  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。

频率步进雷达系统的仿真与测试

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。

频率步进雷达系统的仿真与测试

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。

频率步进雷达系统的仿真与测试

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。

频率步进雷达系统的仿真与测试

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。

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