雷達(dá)測(cè)量與信號(hào)分析基礎(chǔ)——第二部分

雷達(dá)測(cè)量任務(wù)的生命周期

雷達(dá)測(cè)量所需的參數(shù)會(huì)因具體任務(wù)和待測(cè)雷達(dá)的類型而有很大差異。但無論您是從事雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和組件選型，還是評(píng)估已部署的雷達(dá)，準(zhǔn)確快速的測(cè)量能力都至關(guān)重要。

在進(jìn)行雷達(dá)設(shè)計(jì)驗(yàn)證時(shí)，需要確保發(fā)射信號(hào)正確，接收機(jī)能夠響應(yīng)并檢測(cè)到正確的信號(hào)，并且發(fā)射機(jī)沒有發(fā)出雜散信號(hào)。意外輸出可能包括與所需脈沖相關(guān)的非預(yù)期信號(hào)（例如諧波、次諧波和鏡像混合產(chǎn)物），以及與所需脈沖無關(guān)的雜散輸出，例如內(nèi)部本振輻射、數(shù)字時(shí)鐘耦合、射頻電路中的雜散振蕩、脈沖誤差等等。

cs> 可能還需要提及附近其他信號(hào)（例如 Wi-Fi、蜂窩基站等）在目標(biāo)頻段內(nèi)的干擾（環(huán)境因素）。

在現(xiàn)代軟件雷達(dá)領(lǐng)域，調(diào)制脈沖、線性調(diào)頻信號(hào)和其他波形通常并非由傳統(tǒng)的模擬電路生成，而是由數(shù)字信號(hào)處理器(DSP) 和直接數(shù)字合成 (DDS) 技術(shù)生成。這些數(shù)字技術(shù)直接在中頻 (IF) 或射頻 (RF) 頻率下生成復(fù)雜的信號(hào)。只有當(dāng)合成的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)通過數(shù)模轉(zhuǎn)換器 (D/A) 時(shí)，這些信號(hào)才會(huì)變成模擬信號(hào)。

在數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）內(nèi)部，一些細(xì)微的軟件代碼錯(cuò)誤和數(shù)值誤差，例如濾波器常數(shù)選擇不當(dāng)、數(shù)值舍入誤差或溢出誤差，都可能產(chǎn)生持續(xù)時(shí)間極短的干擾信號(hào)，這些信號(hào)可能與預(yù)期輸出幾乎沒有關(guān)系。單個(gè)DSP錯(cuò)誤就可能導(dǎo)致瞬時(shí)射頻輸出錯(cuò)誤或毛刺。這些問題在經(jīng)過濾波、放大和傳輸后，會(huì)造成嚴(yán)重的干擾。

雜散輻射還會(huì)干擾部署區(qū)域內(nèi)的其他射頻業(yè)務(wù)，如果它們與特定的發(fā)射機(jī)設(shè)計(jì)相關(guān)，通常會(huì)產(chǎn)生獨(dú)特的特征信號(hào)。寬帶雷達(dá)也可能將輻射“泄漏”到周圍頻譜中，造成超出指定頻譜范圍的意外干擾。

生產(chǎn)測(cè)試

生產(chǎn)測(cè)試旨在驗(yàn)證每個(gè)制造的產(chǎn)品是否符合其規(guī)格。測(cè)試任務(wù)包括對(duì)組件進(jìn)行調(diào)諧和校準(zhǔn)，以及對(duì)模擬模塊、線性器和放大器組件進(jìn)行補(bǔ)償和校準(zhǔn)。測(cè)試結(jié)果必須準(zhǔn)確且可重復(fù)，以確保最終產(chǎn)品能夠按預(yù)期運(yùn)行。由于組件和子系統(tǒng)供應(yīng)商會(huì)對(duì)其工藝進(jìn)行更改，因此需要在整個(gè)產(chǎn)品生命周期內(nèi)持續(xù)驗(yàn)證其性能，且測(cè)試內(nèi)容不得改變。

自動(dòng)化測(cè)試降低了操作人員出錯(cuò)的概率，而操作人員出錯(cuò)是手動(dòng)測(cè)試流程和手動(dòng)操作測(cè)試設(shè)備的一大弊端。通過自動(dòng)化，即使生產(chǎn)人員發(fā)生變更，測(cè)試結(jié)果也能得到復(fù)現(xiàn)。此外，培訓(xùn)需求也能顯著降低。

信號(hào)監(jiān)測(cè)

信號(hào)監(jiān)測(cè)面臨著不同的挑戰(zhàn)。信號(hào)監(jiān)測(cè)無需驗(yàn)證特定規(guī)范，而是更側(cè)重于識(shí)別周圍區(qū)域可能存在的或極少出現(xiàn)的信號(hào)。這類干擾信號(hào)會(huì)干擾雷達(dá)或降低其效能。在搜索脈沖信號(hào)或干擾信號(hào)時(shí)，射頻分析儀在信號(hào)出現(xiàn)時(shí)不應(yīng)出現(xiàn)“閃爍”。在進(jìn)行分析之前，必須先發(fā)現(xiàn)、觸發(fā)并捕獲這些不常見信號(hào)或信號(hào)的瞬態(tài)特性。

干擾不僅可能表現(xiàn)為不常發(fā)生的問題，還可能表現(xiàn)為多個(gè)信號(hào)有意或無意地爭(zhēng)奪同一頻譜。使用傳統(tǒng)測(cè)試設(shè)備很難發(fā)現(xiàn)這種重疊信號(hào)。

基本射頻脈沖雷達(dá)信號(hào)

一個(gè)簡(jiǎn)單的脈沖可以是短暫開啟后立即關(guān)閉的單一頻率信號(hào)。信號(hào)從發(fā)射天線發(fā)出，經(jīng)目標(biāo)反射后返回雷達(dá)。脈沖返回所需的時(shí)間代表了距離，即到目標(biāo)的距離。示波器可以顯示發(fā)射脈沖的時(shí)域電壓波形，其中包括下圖所示的射頻脈沖的所有周期。

射頻檢測(cè)器可以用來繪制脈沖包絡(luò)線，而不是單個(gè)周期。這使得觸發(fā)更加容易。矢量信號(hào)分析儀(VSA) 或零跨度頻譜分析儀可以顯示幅度隨時(shí)間的變化。這相當(dāng)于使用射頻檢測(cè)器。下圖屏幕截圖中的下方曲線是頻譜分析儀檢測(cè)到的單個(gè)射頻脈沖的包絡(luò)線，該脈沖的波形如下所示。

頻譜分析儀還可以顯示脈沖的頻譜。上圖所示的是經(jīng)典的sin(x)/x（讀作“sin x/x”）脈沖頻譜圖。電壓頻譜分析儀 (VSA) 可以使用快速傅里葉變換 (FFT) 或其他離散時(shí)間頻率變換 (DTFT) 方法來繪制單個(gè)脈沖的頻譜圖。掃頻頻譜分析儀必須處于“最大軌跡保持”模式，或者必須以足夠慢的速度掃描，以確保屏幕上每個(gè)位置至少出現(xiàn)一個(gè)脈沖，從而提供完整的頻譜視圖。如果沒有額外的頻率處理軟件，示波器只能提供電壓波形。

發(fā)射器測(cè)試

現(xiàn)代雷達(dá)通常在易于處理的中頻(IF) 頻段產(chǎn)生脈沖，然后將中頻頻率轉(zhuǎn)換為最終的連續(xù)波 (CW) 頻率，最后放大到所需的高功率。在測(cè)試中頻系統(tǒng)的上變頻器或功率放大器時(shí)，除了脈沖分析儀之外，還需要雷達(dá)脈沖發(fā)生器。

有多種方法可用于生成雷達(dá)脈沖。任意函數(shù)發(fā)生器(AFG)、任意波形發(fā)生器(AWG)以及用于生成所需脈沖的軟件，可以利用直接合成法生成頻率高達(dá)10 GHz 及以上的基帶、中頻、射頻或微波信號(hào)。測(cè)試波形可以導(dǎo)入到發(fā)生器中，進(jìn)行合成和回放。在模擬發(fā)射機(jī)組件的選擇和驗(yàn)證過程中，通常需要生成信號(hào)，以測(cè)試設(shè)計(jì)和制造工藝的裕量。

接收器測(cè)試

當(dāng)配套發(fā)射機(jī)尚未可用時(shí)，測(cè)試?yán)走_(dá)系統(tǒng)的接收機(jī)部分需要脈沖發(fā)生設(shè)備。然而，使用配套發(fā)射機(jī)可能無法驗(yàn)證接收機(jī)在不同信號(hào)條件下的性能。這就需要一種能夠向生成的脈沖中添加干擾和失真的脈沖發(fā)生器。常見的干擾包括信道內(nèi)和信道外信號(hào)以及噪聲，用于測(cè)試接收機(jī)的靈敏度降低或阻塞效應(yīng)。這將有助于驗(yàn)證接收機(jī)的功能極限。能夠?qū)?shù)字波形的任何部分進(jìn)行任意變化的波形發(fā)生器可以滿足這一需求。