雷达原理及测试方案

1雷达原理及测试方案1雷达组成和测量原理雷达(Radar)是RadioDetectionandRanging的缩写，原意“无线电探测和测距”，即用无线电方法发现目标并测定它们在空间的位置。现代雷达的任务不仅是测量目标的距离、方位和仰角，而且还包括测量目标速度，以及从目标回波中获取更多有关目标的信息。1.1雷达组成图1雷达简单组成框图图2雷达主要组成框图雷达主要由天线、发射机、接收机、信号处理和显示设备组成，基本组成框图如图1所示。通常雷达工作频率范围为2MHz～35GHz，其中超视距雷达工作频率为2～30MHz，工作频率为100～1000MHz范围一般为远程警戒雷达，工作频率为1～4GHz范围一般为中程雷达，工作频率在4GHz以上一般为近程雷达。老式雷达发射波形简单，通常为脉冲宽度为τ、重复频率为Tτ的高频脉冲串。天线采2用机械天线，接收信号处理非常简单。这种雷达存在的问题是抗干扰能力非常差，无法在复杂环境下使用。由于航空、航天技术的飞速发展，飞机、导弹、人造卫星及宇宙飞船等采用雷达作为探测和控制手段，对雷达提出了高精度、远距离、高分辨力及多目标测量要求，新一代雷达对雷达原有技术作了相当大的改进，其中频率捷变和线性相位信号、采用编码扩频的低截获概率雷达技术、动态目标显示和脉冲多普勒技术是非常重要的新技术。表1雷达频率分段波段名称频率分配雷达频段HF2～30超视距雷达VHF/UHF100～1000MHz420~450MHz890~940MHz远程雷达L1～2GHz1.215~1.4GHz中程雷达S2～4GHz2.3~2.5GHz2.7~3.7GHz中/近程雷达C4～8GHz5.25~5.925GHz近程雷达X8～12GHz13.4~14GHz15.7~17.7GHz近程雷达Ku12～18GHz13.4~14GHz15.7~17.7GHzK18~27GHz24.05~24.25GHzKa27~40GHz33.4~36GHz1.2雷达测量原理1)目标斜距的测量图3雷达接收时域波形在雷达系统测试中需要测试雷达到目标的距离和目标速度，雷达到目标的距离是由电磁波从发射到接收所需的时间来确定，雷达接收波形参见图3，雷达到达目标的距离R为：R＝0.5×c×tr式（2）式中c=3×108m/s，tr为来回传播时间2)目标角位置的测量目标角指方位角或仰角，这两个角位置基本上是利用天线的方向性来实现。雷达天线将电磁能汇集在窄波束内，当天线对准目标时，回波信号最强。3回波的角位置还可以用测量两个分离接收天线收到信号的相位差来决定。3)相对速度的测量图4多普勒雷达回波信号频谱由于多普勒效应，从运动目标反射回来的回波信号频率与发射信号频率相比，增加了一个多普勒频率偏移成分，图4是多普勒雷达回波信号频谱。测量回波信号的多普勒频移，可得到目标速度信息Vr：Vr＝0.5×fd/λ式（3）式中为fd为多普勒频移，λ为雷达信号波长。目标面对雷达飞行，多普勒频率为正，当目标背向雷达飞行，多普勒频率为负。UHF频段fd为多普勒频移在10Hz～100Hz范围，HF频段多普勒频移1Hz～10Hz，我们可以估算UHF频段多普勒雷达频率准确度约在10－8～10－9，HF频段多普勒雷达频率准确度约在10－7～10－8，此时AWG需要外接标频。4)目标尺寸和形状当雷达测量具有足够高的分辨率，可以提供目标尺寸的测量。当雷达和目标有相对运动时，可以利用多普勒效应切向距维的分辨率。此外，比较目标对不同极化波的散射场，可以提供目标形状不对称性的量度。复杂目标的回波振幅随时间会变化，1.3雷达探测能力――基本雷达方程雷达能在多远距离上发现目标，由雷达方程来回答。雷达方程将雷达作用距离和雷达发射、接收、天线和环境等因素连续起来。雷达能探测最远距离Rmax如下：Rmax＝(PtGAeσ/(16π2Smin))1/4式中Pt为发射机功率，G为天线增益，Ae为天线有效接收面积，σ为雷达回波功率截面积，Smin为雷达最小可探测信号。雷达方程可以正确反映雷达各参数对其检测能力影响的程度，不能充分反映实际雷达的性能。因为许多影响作用距离的环境和实际因素在方程中没有包括。1.4雷达分类军用雷达主要分类：雷达种类特点应用预警雷达(超远程雷达)数千公里，精度不高发现洲际导弹和战略轰炸机搜索和警戒雷达600km以上，精度不高搜索飞机4引导指挥雷达(机场调度、监视雷达)多批次目标检测，目标三坐标，目标精度要求较高对歼击机引导和指挥作战，火控雷达几十公里，精度很高控制火炮(地空导弹)对空瞄准制导雷达精度较高、多批次目标跟踪测量飞机或导弹运动轨迹，控制导弹攻击战场监视雷达发现坦克、车辆、人等运动目标机载截击雷达精度高测量和攻击敌机机载护尾雷达精度低发现尾部有无敌机机载导航雷达精度较高显示地面图象，用于全天候导航无线电高度仪连续波调频雷达测量飞机离开地面或海面距离2雷达新技术由于航空、航天技术的飞速发展，飞机、导弹、人造卫星及宇宙飞船等采用雷达作为探测和控制手段，对雷达提出了高精度、远距离、高分辨力及多目标测量要求，新一代雷达对雷达原有技术作了相当大的改进，主要体现在：a)锁相技术和高稳定振荡器；b)频率捷变和线性相位；c)采用编码扩频的低截获概率雷达技术；d)动态目标显示和脉冲多普勒技术；e)电扫描与相控阵；f)数字信号处理与高速信号处理芯片；g)超高速集成电路与专用集成电路。一般雷达测试除进行频率、功率、相位噪声、噪声系数等常规测试外，但是这样测试都只是在较低层次上进行射频、微波部件测试，同时提供测试用雷达信号形式非常简单，不能满足复杂雷达信号测试需求。更为重要的是，雷达在实际工作过程中接收到的信号并不是纯净的发射回波，它包含各种杂波和多普勒效应，特别是在地形复杂或海面各种时，接收机接收到的杂波比需要探测的物体回波大的多，而这一切目前没有通用测量设备来生成雷达接收机所接收到的实际波形。因此各个雷达研制单位投入大量人力、物力研制各种雷达模拟器，但这些模拟器往往受各种设计因素影响，只是实际雷达波形的简化，并只考虑到典型的应用，对复杂的应用环境无法模拟。这样无法及时发现雷达研制和使用过程中问题和隐患。因此我们需要寻找一种新的手段模拟实际环境下的雷达信号，Tektronix的AWG、WCA、TDS8000、TLA5是解决这一问题的有利工具。3雷达主要指标3.1雷达主要战术技术指标1)观察空域2)观察时间与数据率3)测量精度4)分辨率5)抗干扰能力6)观察与跟踪的目标数7)数据的录取与传输能力8)工作可靠性与可维修性9)工作环境条件10)抗核爆炸和抗轰炸能力11)机动性能3.2雷达的主要技术指标1)天馈线性能2)雷达信号形式3)发射机性能4)接收机性能5)测角方程6)雷达信号处理7)雷达数据处理能力3.3雷达发射机主要指标1)工作频率2)输出功率3)发射机效率4)信号稳定度或频谱纯度3.4雷达接收机主要指标1)灵敏度2)工作频带宽度63)动态范围4)中频的选择和滤波特性5)工作稳定性和频率稳定性6)抗干扰能力4雷达的信号形式按雷达信号脉冲形式可分为连续波雷达和脉冲雷达，绝大多数雷达为脉冲雷达。按不同信号调制形式分为脉冲压缩雷达、噪声雷达和频率捷变雷达等。按信号瞬时带宽，雷达可分为窄带雷达和宽带雷达。雷达常用信号形式雷达信号时域波形雷达信号频谱7雷达信号频谱不同参数频谱典型C波段本振相位噪声84建议的Tektronix雷达测试解决方案4.1TDS8000和TDS7000用于时域波形脉冲信号时域波形FFT分析TDS8000与Agilent86100比较TDS800086100AD采样分辨率14bit12bit时间间隔准确度21ps/d8ps+0.001%≤20ps/d1ps+1%8ps+0.1%4.2AWG用于信号模拟（略）4.3WCA用于矢量分析WCA380与Agilent89610WCA330/38089600系列通道/频段多通道（RF、I/Q、基带）WCA330：DC～3GHzWCA380：DC～8GHz89641A:DC~6GHz单通道89640A:DC~2.7GHz单通道89610A:DC~40MHz单通道(可选双通道)AD采样分辨率14bit25.6Msps12bit40.96*2Msps12bit100或95Msps9线性调频矢量图CW调制矢量图4.4DSP软硬件调试（逻辑分析仪）Tektronix与Agilent逻辑分析仪支持DSP比较TektronixAgilentTI320C2X,320C3X,320C4X,320C5X,320C62XX,6701、6711320C2X,320C3X,320C4X,320C5X,320C62XXADADSP210204.5高速数字电路调试（AWG、DG、示波器）