關(guān)于脈壓雷達(dá)系統(tǒng)的介紹和分析

當(dāng)今，脈沖雷達(dá)系統(tǒng)頻繁使用脈沖壓縮技術(shù)。該技術(shù)能將出色的距離分辨率與低峰值功率電平下的長(zhǎng)探測(cè)距離相結(jié)合。為此，發(fā)射脈沖通過(guò)脈內(nèi)調(diào)制擴(kuò)展發(fā)射信號(hào)的帶寬和時(shí)間。而在雷達(dá)接收機(jī)中使用匹配濾波器壓縮接收到的回波信號(hào)，并按脈沖壓縮比值提高接收信號(hào)的峰值（參見(jiàn)圖 1）。這鐘方法可以按壓縮比值提高雷達(dá)時(shí)間分辨率與距離分辨率。這也降低了雷達(dá)對(duì)高脈沖峰值功率電平需求，進(jìn)而減少使用高功率放大器并降低了供電的復(fù)雜性。

圖 1 使用數(shù)字脈沖壓縮濾波器的雷達(dá)系統(tǒng)

但增加脈寬會(huì)使雷達(dá)作用盲區(qū)范圍增加，并且影響多普勒效應(yīng)下的測(cè)距精度。此外，雷達(dá)系統(tǒng)中的信號(hào)處理單元變得更為復(fù)雜。依賴不同的脈沖調(diào)制方式，壓縮脈沖不僅有一個(gè)窄的時(shí)間峰（即主瓣），而且出現(xiàn)一些旁瓣（又稱為時(shí)域旁瓣或距離旁瓣）。這些可能引發(fā)虛警或者顯示成“虛假”的目標(biāo)反射。盡管有這些缺點(diǎn)，但脈壓技術(shù)利大于弊，如今被廣泛使用。

典型的傳輸信號(hào)類型包括線性調(diào)頻（LFM，或稱線性調(diào)頻脈沖）、非線性調(diào)頻、二相編碼信號(hào)和多相位編碼脈沖信號(hào)。比如，使用巴克碼的二進(jìn)制移相鍵控 (BPSK) 就屬于二相編碼信號(hào)。盡管業(yè)界現(xiàn)已開(kāi)發(fā)出更為復(fù)雜的脈壓技術(shù)，但線性調(diào)頻和巴克碼仍在廣泛使用。就純粹的線性調(diào)頻而言，壓縮脈沖顯示 sin(×)/× 響應(yīng)，其最高時(shí)域旁瓣的電平理論上應(yīng)比主瓣電平低 13.2 dB。此比率也稱為峰值旁瓣電平比 (PSL)。峰值旁瓣電平比代表雷達(dá)系統(tǒng)辨別鄰近大小目標(biāo)的能力。圖 2所示為線性調(diào)頻脈沖寬度約為38MHz的線性調(diào)頻壓縮脈沖波形，以及脈間頻率和相位特征。

圖 2 線性調(diào)頻壓縮脈沖。相關(guān)振幅窗口顯示峰值旁瓣比峰值低 13 dB

幅度加權(quán)又稱為加窗，可以將峰值旁瓣電平比降至所需的電平，但信噪比會(huì)降低。在此情況下，因回波信號(hào)和理想的 Tx 波形之間存在相關(guān)性，在接收機(jī)數(shù)字信號(hào)處理時(shí)會(huì)使用到匹配濾波器。通常，頻域乘法運(yùn)算較時(shí)域上的卷積運(yùn)算更有效率。首先對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行快速傅里葉變換 (FFT)，然后乘以參考線性調(diào)頻脈沖，最后通過(guò)快速傅里葉逆變換將信號(hào)變換回時(shí)域。眾所周知，加窗廣泛應(yīng)用于快速傅里葉變換信號(hào)處理。常用的加窗函數(shù)是漢明窗、布萊克曼窗和布萊克曼哈里斯窗。

表 1 對(duì)這些函數(shù)的特征進(jìn)行了對(duì)比。圖 3 也顯示38MHz的線性調(diào)頻信號(hào)，在使用布萊克曼哈里斯窗后，其峰值旁瓣電平比降了–47dB。

測(cè)量挑戰(zhàn)
雷達(dá)使用脈沖壓縮后，僅衡量脈寬或上升和下降時(shí)間，已經(jīng)無(wú)法充分對(duì)雷達(dá)性能進(jìn)行測(cè)量評(píng)估。任何與理想線性調(diào)頻信號(hào)頻率偏差、Tx通道失配反射、相位和幅度失真或調(diào)制器誤差都將影響雷達(dá)的性能，如距離分辨率和測(cè)距精度。這些影響可能導(dǎo)致壓縮脈沖的主瓣變寬或者增加旁瓣電平和額外的旁瓣，超出容許閾值。

由于脈內(nèi)添加了線性調(diào)頻、二進(jìn)制移相鍵控和多相位編碼碼調(diào)制方式，工程師可能傾向于將其視為通信信號(hào)并應(yīng)用用于測(cè)量通信信號(hào)質(zhì)量的矢量幅度誤差 (EVM) 指標(biāo)進(jìn)行度量。但是，矢量幅度誤差不能直觀的轉(zhuǎn)變成雷達(dá)的性能參數(shù)，如空間分辨率或虛警率。要評(píng)估脈沖壓縮雷達(dá)的性能，直接分析主、旁瓣行為的做法不失為一個(gè)好選擇。

為了診斷系統(tǒng)性能下降的根源，需要在系統(tǒng)信號(hào)調(diào)理的各個(gè)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)試。而使用參考目標(biāo)，只觀察雷達(dá)接收器最終的處理輸出是不夠的。必須使用測(cè)量?jī)x器（通常為信號(hào)分析儀）進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)脈沖分析，但這也還是不夠。信號(hào)分析儀還必須分析使用適合的匹配濾波器和應(yīng)用相關(guān)計(jì)算來(lái)分析傳輸信號(hào)，模擬理想雷達(dá)接收器運(yùn)作方式。

經(jīng)過(guò)了脈沖壓縮計(jì)算后，顯示時(shí)域的壓縮脈沖曲線（參見(jiàn)圖 2 和圖 3）。脈沖響應(yīng)（主瓣）變寬導(dǎo)致距離分辨率變差，以及旁瓣電平和峰值旁瓣電平比都是很容易觀測(cè)到。此外，也可顯示脈寬內(nèi)的頻率誤差和相位誤差曲線。如果發(fā)射信號(hào)為線性調(diào)頻信號(hào)，則可以通過(guò)頻率誤差直接度量頻率斜率的線性度。

圖 3 在接收處理過(guò)程中應(yīng)用加窗，將旁瓣電平降至峰值以下 57 dB

還有許多其他參數(shù)用于測(cè)量脈壓信號(hào)的特性。對(duì)于主瓣，這些參數(shù)是主瓣寬度 (3 dB)、主瓣功率、相位和頻率以及壓縮比。重要的旁瓣測(cè)量參數(shù)是PSL(峰值旁瓣電平比)、積分旁瓣電平和旁瓣延時(shí)，即主瓣和最近的旁瓣之間的時(shí)間間隔。主瓣寬度和旁瓣延時(shí)是影響可用空間分辨率的重要系統(tǒng)參數(shù)。脈沖壓縮分析功能提供了簡(jiǎn)單快速的測(cè)試手段，在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中可實(shí)際評(píng)估系統(tǒng)的可用空間分辨率。鑒于可測(cè)量的參數(shù)數(shù)目眾多，應(yīng)能選擇對(duì)測(cè)量任務(wù)最為重要的參數(shù)進(jìn)行顯示。為此，用戶可在測(cè)試結(jié)果表格中任意配置想顯示的測(cè)試結(jié)果參數(shù)。圖 2 和圖 3 圖示了信號(hào)分析儀如何借助脈沖測(cè)量應(yīng)用和時(shí)域旁瓣分析功能執(zhí)行此類分析，圖中已經(jīng)配置結(jié)果表格，僅顯示最重要的脈壓參數(shù)。該儀器還提供各項(xiàng)參數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)偏差等統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，使其可以評(píng)估雷達(dá)信號(hào)的穩(wěn)定性以及測(cè)量的可重復(fù)性。

除了相關(guān)計(jì)算功能外，測(cè)試還需考慮信號(hào)分析儀的分析帶寬或瞬時(shí)帶寬。信號(hào)分析儀的帶寬需覆蓋雷達(dá)發(fā)射信號(hào)調(diào)制帶寬。如果是捷變頻雷達(dá)，則分析儀的帶寬還應(yīng)覆蓋頻率捷變的整個(gè)頻段。有些信號(hào)與頻譜分析儀可覆蓋高達(dá)500MHz的瞬時(shí)帶寬，且使用其寬帶中頻輸出并使用高性能示波器將輸出寬帶中頻轉(zhuǎn)化為數(shù)字I/Q，可實(shí)現(xiàn)高達(dá)2GHz的瞬時(shí)帶寬。在此情況下，分析儀比須補(bǔ)償整個(gè)測(cè)量鏈的幅度和群延時(shí)失真對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響。操作者無(wú)需分別操作信號(hào)分析儀和示波器，只需單獨(dú)操作信號(hào)分析儀即可得到測(cè)試結(jié)果。

時(shí)域旁瓣分析基于理想發(fā)射波形（又稱為參考信號(hào)）和被測(cè)發(fā)射信號(hào)之間的相關(guān)計(jì)算，所以用戶首先應(yīng)該選擇并創(chuàng)建一個(gè)參考信號(hào)。對(duì)于常見(jiàn)的線性調(diào)頻、非線性調(diào)頻、使用巴克碼的二進(jìn)制移相鍵控或嵌入式巴克碼應(yīng)無(wú)需借助其他工具創(chuàng)建參考信號(hào)；信號(hào)分析儀內(nèi)部可直接定義此參考信號(hào)。圖 4 顯示可以如何定義此類參考信號(hào)（在圖4中為多項(xiàng)式調(diào)頻信號(hào)）。對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)線性調(diào)頻信號(hào)，應(yīng)可選擇使用不同的加窗，如漢明窗、漢寧窗、布萊克曼哈里斯窗、高斯窗或切比雪夫窗。目前業(yè)界普遍使用復(fù)雜度高于線性調(diào)頻脈沖或巴克碼的發(fā)射波形。其中許多波形都是專有或保密的，原因很簡(jiǎn)單：

圖 4 設(shè)置包含多項(xiàng)式系數(shù)的線性與非線性調(diào)頻信號(hào)的參考波形（匹配濾波器）。

如果編碼泄露，則干擾機(jī)可輕松調(diào)制待壓縮的干擾信號(hào)（模仿雷達(dá)發(fā)射信號(hào)）增加雷達(dá)虛警率?？紤]到發(fā)射波形的機(jī)密性，帶時(shí)域旁瓣分析功能的分析儀必須能夠加載特定波形作為用戶參考波形，如用戶I/Q 數(shù)據(jù)。

R&S FSW所提供工具輕松將MATLAB 格式I/Q數(shù)據(jù)文件轉(zhuǎn)換為儀表參考信號(hào)數(shù)據(jù)格式。更方便的方式為由分析儀直接捕捉理想的發(fā)射信號(hào)作為參考信號(hào)。儀表也提供了可視化的功能方便用戶觀測(cè)導(dǎo)入 I/Q 數(shù)據(jù)或捕捉信號(hào)是否正確（包括幅度、頻率或自動(dòng)相關(guān)）。該技術(shù)也可以對(duì)比不同信號(hào)處理階段的信號(hào)，從中找出系統(tǒng)性能降級(jí)的原因。

通過(guò)時(shí)域旁瓣分析功能，用戶只需顯示相關(guān)計(jì)算后的相關(guān)脈沖曲線（如有必要，也可增加顯示頻率和相位誤差），然后調(diào)整表格結(jié)果以提供期望的測(cè)試參數(shù)。由濾波器、放大器或其他雷達(dá)發(fā)射機(jī)部件對(duì)系統(tǒng)性能的影響就很容易判斷。圖 5a 和圖 5b 顯示 I/Q 調(diào)制器增益不平衡如何將峰值旁瓣電平比從 -50 dB 降為 -45 dB。而與此同時(shí)積分旁瓣電平如何在不受干擾的情況下的 -40 dB，進(jìn)一步降到-33 dB。I/Q 調(diào)制器原點(diǎn)偏移還導(dǎo)致峰值旁瓣電平比從 -50 dB 降到 -43 dB（參見(jiàn)圖 5c）。各種電路的非理性特性對(duì)系統(tǒng)的影響可通過(guò)脈沖響應(yīng)來(lái)辨別，如圖 5b 和圖 5c 所示的相關(guān)脈沖幅度。

圖 5 理想 I/Q 調(diào)制(a) 的加窗線性調(diào)頻信號(hào)，以及I/Q調(diào)制器增益不平衡 (b) 和 I/Q 調(diào)制原點(diǎn)偏移 (c)

盡管時(shí)域旁瓣測(cè)量很重要，更為常見(jiàn)的脈沖參數(shù)（脈寬、脈沖重復(fù)間隔 (PRI)、上升和下降時(shí)間、功率、脈頂傾斜、過(guò)沖、振鈴或脈間相位）及相關(guān)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)也提供其他重要信息。因此，可分析雷達(dá)信號(hào)的通用測(cè)量?jī)x器應(yīng)提供時(shí)域旁瓣測(cè)量和綜合脈沖分參數(shù)分析功能。由于雷達(dá)性能取決于振蕩器的穩(wěn)定性（通常描述為相位噪聲），測(cè)量?jī)x器應(yīng)準(zhǔn)確測(cè)量振蕩器穩(wěn)定性。高級(jí)信號(hào)分析儀具備相位噪聲測(cè)量功能并提供精密的脈沖分析，包括時(shí)域旁瓣測(cè)量，適用于各類雷達(dá)系統(tǒng)。為滿足嚴(yán)苛的頻率穩(wěn)定性分析的要求，通常使用專門(mén)的相位噪聲分析儀來(lái)測(cè)量相位噪聲。

最新的相位噪聲分析儀的測(cè)量功能將能分析脈沖信號(hào)的相位噪聲同時(shí)也能實(shí)現(xiàn)脈沖參數(shù)自動(dòng)分析功能。