雷達、電子戰和電子情報測試：確定共同的測試挑戰

隨著雷達系統的發展(通常指軍用雷達)，雷達信號包含的電子情報(ELINT)具有重要價值，可以幫助我們應對雷達載體(艦船、飛機和導彈)可能帶來的潛在威脅。由此推動了電子戰(EW)—雷達相關技術的發展。

不考慮系統復雜性，雷達、電子戰和電子情報系統面臨著許多共同的測試挑戰。

雷達基礎—設計權衡

大部分雷達使用射頻能量脈沖探測目標。脈沖以接近光速的速度發射至目標，有時該速度表示為“雷達英里”，即12.36μs/英里。初級雷達系統中，射頻信號由目標反彈并返回至雷達，雷達將測量發送脈沖和接收回波之間的延遲。二次雷達與之類似，但使用置于目標上的應答機重新發射已接收的脈沖，以增加回波能量，并且通常會添加一些數據。

雷達脈沖通常是脈沖調制射頻載波形式的射頻能量猝發。雷達脈沖的重要特性包括脈寬(PW)、脈沖重復頻率(PRF)或脈沖重復間隔(PRI)、平均功率脈沖接通和平均信號功率。設計雷達系統時，脈寬是衡量雷達性能的關鍵參數。

圖1：雷達脈沖術語和權衡。

初級雷達在發射脈沖到接收回波過程中面臨信號嚴重損耗的問題。發射信號必須在未經過放大的情況下由目標反彈并傳輸回接收機。克服信號損耗的一個方法是發射更長的脈沖，并整合接收回波中的總能量。

雷達“分辨率”也是一個與脈寬相關的重要特征。探測小尺寸物體的能力可以讓雷達提供更詳細的目標信息。可以提供1米解析分辨率的雷達能夠提供更多信息，以描述正在接近的目標。100米的分辨率可能無法區分密集的多個小目標和大目標。如果雷達脈寬較長，鄰近目標的回波可能會同時反彈并在傳輸過程中疊加。然后，雷達將顯示一個大目標，而非多個相鄰的小目標。因此，為了獲得最佳的雷達分辨率，雷達設計需采用較窄的脈寬。

由上可知，最佳距離和分辨率相互矛盾。最大距離意味著使用長脈沖，最佳分辨率要求使用短脈沖。為解決距離與分辨率優化問題，許多雷達系統采用了脈沖壓縮或調制技術。理論上，線性調頻是用于創建和解壓的簡單調制。使用線性斜坡電壓對雷達脈沖進行調頻(FM)可以創建線性調頻脈沖。然后，線性調頻脈沖被發射出去，就像發射未經壓縮脈沖一樣。

脈沖壓縮或調制可以提供明確的優勢。脈沖重復頻率可以幫助您了解這些優勢。脈沖重復頻率取決于雷達的測距能力。在之前發射的脈沖返回前發出新脈沖將導致模糊的回波響應。通常，發射脈沖，等待所有可能的回波響應都已接收，然后發送新的脈沖。提供明確的距離響應將確定連續脈沖之間的脈沖重復間隔或脈沖重復頻率。但是，較低的脈沖重復頻率在許多情況下會降低雷達的整體性能。例如，在跟蹤一架快速移動的飛行器時，為了獲得更高的顯示屏更新速度，雷達需要采用更高的脈沖重復頻率。此時，雷達的脈沖重復頻率將允許模糊響應，以確保更新速率。去除關注距離以外回波雜波的一個方法是使用時間或距離選通。該方法將打開或關閉雷達接收機，忽略十分接近或超出關注距離的目標回波。

如前所述，脈沖壓縮可用于消除連續脈沖之間的不確定性。為每個脈沖分別添加數字調制可確保相鄰脈沖具有獨特的編碼。使用雙相位編碼鍵控等數字調制技術編碼脈沖，以便使用脈沖的獨特編碼作為分離工具，精確并輕松測量每個脈沖的回波延遲。

多數雷達的另一個重要特性在于測量移動目標多普勒頻移的能力。測量射頻載波頻率變化或隨時間變化的相移可支持部分雷達準確確定目標的移動速度。

除了收集雷達及其承載平臺的電子情報信息之外，了解雷達相關知識可以改善并指導電子戰技術。例如，合成回波碼型并將其廣播至早期預警雷達接收機，以顯示某處并非實際存在的資產。現代雷達和電子戰測試挑戰

現代雷達系統測試帶來了獨特的測試測量設備需求。測試中會面臨一些共同的挑戰。寬帶寬對許多雷達信號來說十分必要。線性調頻或調制脈沖要求GHz的帶寬，需要寬帶測試設備資源。

超低相位噪聲是對雷達測試設備的另一個普遍要求。使用多普勒頻移信息的雷達通常測量相移隨時間變化的速率，因為雷達脈沖的長度不足以積分頻率差周期。精確測量相變時必須保持非常低的相位噪聲，對測試儀器的相位噪聲性能提出了嚴格要求。同樣，動態范圍也是雷達測試系統面臨的一大挑戰。通常，雷達信號從發射到接收會經歷嚴重的路徑損耗。

使用壓縮脈沖以改善分辨率并獲得明確的距離具有諸多優勢，但這通常需要合成復雜的測試波形。為測速雷達添加多普勒頻移的需要將進一步提升對測試設備的要求。雷達系統設計人員面臨的另一項挑戰在于軟件定義雷達系統的普遍使用。許多現代雷達不僅需要傳統模擬射頻制式的測試信號和測量，還需要數字制式的測試信號和測量。多制式測試將帶來數字信號測量和模擬測量平衡的問題。

全面的系統測試通常是雷達、電子情報和電子戰設備面臨的一個重要問題，測試資產的成本通常是問題的關鍵。例如，，仿真多普勒頻移、雜波以及其他信號元素以測試艦載火控雷達，可能需要一艘艦船和多架測試飛機。使用此類測試平臺精確測試目標定位的性能需要高達數萬美元/小時的成本。

最后，許多雷達使用相控陣天線系統。這些天線系統擁有眾多天線端口，采用波前到達時間控制天線波束，需要測試信號和測量提供多通道相位相干和相位可調信號源或分析儀。所謂的多通道陣列測試系統將為雷達測試工程師帶來非常棘手的挑戰。

雷達系統設計和制造過程經常需要微波信號發生器。測試源通常用于穩定本地振蕩器(STALO)替代、相干振蕩器(COHO)測試以及雷達脈沖與回波合成等應用。雷達測試的一個關鍵問題是生成可以精確描繪雷達接收信號類型的回波。假設某一刻雷達發射脈沖，回波到達時間將同時確定。實驗室或制造環境中很難仿真來自50英里外且具有微波延遲結構的回波。作為替代方案，現代信號發生器和任意波形發生器使用數字技術合成帶有適當延遲和路徑失真的回波，可以精確描述相距50英里的目標。同樣，電子情報/電子戰設備需要能夠仿真真實信號和威脅的測試信號源。

共同的測試挑戰

任意波形發生器和信號源

微波任意波形發生器(AWG)引發了雷達系統測試的變革，能夠提供方便的雷達信號仿真方法。使用任意波形發生器可以輕松合成離散分布的雷達發射機和目標，以仿真數百立方英里的雷達檢測范圍。任意波形發生器的真正優勢在于合成幾乎所有存儲器中已編程波形的能力。但是，任意波形發生器存在很多限制。

此前，帶寬是限制任意波形發生器的關鍵因素，但新款發生器能夠滿足大多數應用的帶寬要求。1.25GSa/s和4GSa/s的采樣率能夠提供500MHz和接近2GHz的無混疊帶寬。使用組合和轉換技術可以獲得更寬的無混疊帶寬。

選擇任意波形發生器時更需要關注的因素可能在于信號源的無雜散動態范圍(SFDR)。信號源的數模轉換器(DAC)是否具有足夠位數的分辨率以充分表現需要的信號？并且，變頻至微波頻率時無雜散動態范圍是否能夠保持？理論上，一位分辨率對應6.02dB的無雜散動態范圍。

圖2：在這個具有雜波模型的情境中，Agilent SystemVue軟件用于分析脈沖多普勒目標回波。集成于SystemVue的MATLAB支持以3D形式顯示結果。

除了位數和無雜散動態范圍的固有采樣功能損耗外，上變頻至微波頻率將帶來一系列問題，阻礙有用信號的創建。雷達、電子戰和電子情報合成接收機通常具有超過75dB的無雜散動態范圍，十分靈敏。雷達信號的路徑損耗通常是大多數通信信號的兩倍(即使通信信號的傳輸距離是雷達信號往返路程的兩倍)，因此需要大功率雷達發射機和十分靈敏的接收機。因此，許多雷達系統具有嚴苛的動態范圍要求。通常，大部分雷達系統在S頻段或X頻段運行，需要借助基帶任意波形發生器的數模轉換器完成上變頻。

上變頻不可以通過信號源內部完成，也不可以使用獨立器件外部實現。簡單來講，使用混頻器和一組配有固定本地振蕩器(LO)的濾波器可以輕松將信號上變頻至所需頻段。實際上，本地振蕩器諧波和雜散通常與需要的信號結合，會形成帶內雜散信號，嚴重縮減無雜散動態范圍。

由于當前最佳任意波形發生器具有超過75dB的無雜散動態范圍，多數測試專家發現，如果信號帶寬低于2GHz，添加外部上變頻器并不經濟，購買具有內置任意波形發生器和上變頻硬件的微波信號源更合適，對于關注相位噪聲的測量應用尤其如此。

選擇帶有任意波形功能的信號源時，存儲器配置是一項重要參數。任意波形發生器播放存儲器中的數字數據以創建模擬波形。存儲器結構以及排序和回放選件不會加強或限制發生器的功用。

如前所述，取決于雷達的應用領域，雷達脈沖可具有廣泛的脈寬、脈沖重復頻率和調制類型。系統診斷將進一步增加測試雷達脈沖合成的復雜性。測試速度測量功能是否需要多普勒頻移或脈沖間相移？測試電子情報系統的目的是根據天線掃描碼型確定脈沖源？所有這些因素都會影響波形數字合成軟件生成的脈沖碼型。鑒于制造商采用壓縮技術來改善分辨率和增大探測距離，同時降低模糊性，雷達脈沖分析面臨的挑戰日趨嚴峻，對分析設備提出了獨特要求：更寬的帶寬和更復雜多域顯示。壓縮脈沖調制分析變得越來越必要，軟件定義雷達體系結構逐步成為雷達行業的趨勢，穩定且靈活的數字實現迅速替代傳統模擬中頻和基帶信號處理技術。此外，隨著雷達信號制式和存取由基帶轉變為射頻，雷達測試挑戰更為棘手。

雷達、電子戰和電子情報工程師需要進行廣泛的日常測量。如前文所述，脈寬和脈沖重復頻率或脈沖重復間隔可提供關于雷達系統分辨率和測量距離的重要信息，以及潛在的重要情報信息。自動測量這些參數能夠大幅提高雷達診斷速度，同時提供豐富的電子戰信息。