頻率步進雷達系統的仿真與測試

2017-06-28 by:CAE仿真在線來源:互聯網

任何雷達接收機接收到的回波信號都包含目標回波和背景雜波。要在包含背景雜波的環境中探測目標,雷達系統必須具有遠距離和寬范圍的分辨能力。過去一般使用短脈沖波形和寬帶調頻脈沖來實現這一目標。不過,這種方法需要采用非常復雜的系統體系結構,而且由于用到寬帶接收機,所以實施成本較高。另一種方法是采用頻率步進雷達(SFR),它能夠在不增加系統復雜程度的同時分辨遠距離目標,在無損測試和地面搜索應用中表現出色。

SFR可以在頻域中合成頻率步進脈沖回波,以獲得更寬的信號帶寬;使用跳頻實現高分辨率和高信噪比。憑借高分辨率和低成本的優勢,頻率步進雷達現已廣泛應用于商業與航空航天/國防(A/D)領域。不過,受地面、建筑物和植物等物體反射的背景雜波的影響,很難對SRF接收機性能進行準確的分析。因此,仿真變得尤為重要。它可幫助設計人員精確設計、驗證和測試真實環境中的SFR系統,因此,它是設計人員不可或缺的重要工具。

了解 SFR

為了更好地了解SFR為什么能提供如此先進的能力,我們首先以圖1(最左側圖像)所示的脈沖雷達波形為例進行說明。

圖1:左側是脈沖雷達波形,右側的圖像為SFR波形

假定脈寬為τ,信號帶寬為f0 = 1/τ,那么根據下式可計算出距離分辨率Rs:

Rs = c/2f0

其中,c 等于光速。

假設脈寬τ=0.25us,脈沖重復間隔T=10us,那么距離分辨率Rs=37.5m。要實現小于1m的分辨率,根據式1可知,必須減小脈寬,比如T=3.9ns。由此得到的距離分辨率將為0.58m,在不改變4MHz信號帶寬的情況下,新系統帶寬將比原始系統帶寬寬250ns/3.9ns=64倍。

為了實現0.58m的高分辨率,同時不縮短脈沖持續時間,可以使用SFR。如圖1所示,頻率步進雷達以固定的脈沖重復頻率(而非固定的雷達頻率)發射N個脈沖序列。與脈沖信號不同,頻率步進波形序列中的所有脈沖都具有相同的脈寬和持續時間,但載波頻率不同。該頻率可通過f_i=f_0+N×dF計算得出,其中 dF 指頻率增加量,表明使用了跳頻和時分。

假設使用N次步進的頻率,脈寬和脈沖重復仍然是τ=0.25us和 T=10us,其N=64,與前面的例子一樣,dF=4MHz,那么得到的距離分辨率帶寬結果將為:

Rs = 0.58m

從結果中顯然可以看出,SFR具有較高的距離分辨率(小于1m)。另外,它不必縮小分辨率,因而適合此情景中的脈沖雷達。

SFR設計與測試平臺

在SFR雷達中,雜波將會干擾目標探測,增加發現實際數量目標的難度,甚至使雷達無法探測到較小目標。能夠在雜波條件下分析目標探測的封閉式分析解決方案極其罕見。由于對這些類型的情景進行分析極為重要,所以仿真成為關鍵,就像使用平臺解決方案仿真真實環境中的SFR系統一樣。該平臺還可用于對SFR系統進行驗證和測試。配有測試環境的仿真平臺必須包含回波信號雷達橫截面(RCS)和背景雜波,

為了更好地了解如何使用這種平臺來設計、驗證和測試SFR系統,下面提供了一個SFR設計模板。工程師可以為自有系統定制SFR設計模板,然后在平臺中運行仿真,以測試設計的性能。當設計仿真與測試設備結合使用時,仿真平臺也可充當測試平臺,對SFR元器件硬件進行測試。例如在設計SFR系統在地面雜波背景下探測兩個目標回波時,可使用該平臺進行仿真和硬件測試。

以圖2所示的基本SFR設計為例。在信號發生器中,SFR信號源后面是射頻調制器,因此使用兩個目標模型和一個雜波模型。在SFR接收機輸入端,接收到的信號包括目標回波和雜波。

圖2:使用Agilent SystemVue電子系統級設計平臺執行此SFR仿真實例

如圖3所示,在SFR輸入端測量接收到的信號。請注意:圖3C的頻率與時間圖與預期的SFR信號(使用上述載波頻率計算方法)一致。展開相位也符合預期。此外,仿真顯示SFR接收機運行良好。

圖3:接收機輸入端測得的已接收頻率步進

雷達信號的頻譜(A)、反映目標回波隨機特性

以及雜波特性的波形幅度(B)、已接收信號的跳頻(C)和擴展相位(D)

圖4顯示,使用這個高分辨率頻率步進雷達設計,我們可以輕松探測兩個緊鄰的目標。要使用脈沖雷達探測同樣兩個目標,脈寬必須至少增加8倍,導致系統成本大幅增加。

圖4:使用高分辨率頻率步進雷達設計探測

兩個相鄰的目標

SFR 系統測試

一旦建立好復制實際 SFR 系統的仿真模型,就可將其用于實際條件下(包含RCS 和背景雜波)的測試。此外,仿真平臺除了可用于設計高分辨率SFR系統之外,還可用于執行硬件接收機測試。執行此項測試需要使用SFR信號發生器。接收到的信號包含目標回波以及背景雜波和噪聲等環境信號。

首先使用圖2中的設計生成測試信號,其中包含兩個相鄰目標回波和雜波。然后將該信號下載到矢量信號發生器中,上變頻到射頻頻率。接著,使用信號分析儀對SFR接收機輸入端進行測量,根據測得的數據,使用信號分析軟件對測試信號進行驗證。

SFR發射機測試需要使用SFR接收機。SFR接收機可由仿真平臺創建。使用運行矢量信號分析軟件的矢量信號分析儀來測量信號。然后將接收到的信號從信號分析儀下載到EDA軟件中進行解調、檢波,還原成原始的目標信號。使用創建的SFR軟件接收機和圖5中的測試裝置可對實際接收的SFR信號進行測試。

圖5:用于SFR發射機和接收機硬件測試的測試裝置

結論

平臺解決方案可仿真實際環境中的系統,是工程師設計、驗證和測試現代雷達系統的最佳工具。特別是在使用高分辨率頻率步進雷達系統探測雜波環境中的目標時(封閉式解決方案此時很難獲得滿意的分析結果),它更具有重要作用。仿真平臺適用于SFR系統的設計和測試。在SFR系統測試中,可使用仿真的軟件接收機進行發射機元器件測試,而使用仿真的軟件發射機進行接收機元器件測試。

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