频率步进雷达系统的仿真与测试

频率步进雷达系统的仿真与测试任何雷达接收机接收到的回波信号都包含目标回波和背景杂波。要在包含背景杂波的环境中探测目标，雷达系统必须具有远距离和宽范围的分辨能力。过去一般使用短脉冲波形和宽带调频脉冲来实现这一目标。不过，这种方法需要采用非常复杂的系统体系结构，而且由于用到宽带接收机，所以实施成本较高。另一种方法是采用频率步进雷达（SFR），它能够在不增加系统复杂程度的同时分辨远距离目标，在无损测试和地面搜索应用中表现出色。SFR可以在频域中合成频率步进脉冲回波，以获得更宽的信号带宽；使用跳频实现高分辨率和高信噪比。凭借高分辨率和低成本的优势，频率步进雷达现已广泛应用于商业与航空航天/国防（A/D）领域。不过，受地面、建筑物和植物等物体反射的背景杂波的影响，很难对SRF接收机性能进行准确的分析。因此，仿真变得尤为重要。它可帮助设计人员精确设计、验证和测试真实环境中的SFR系统，因此，它是设计人员不可或缺的重要工具。了解SFR为了更好地了解SFR为什么能提供如此先进的能力，我们首先以图1（最左侧图像）所示的脉冲雷达波形为例进行说明。图1：左侧是脉冲雷达波形，右侧的图像为SFR波形。假定脉宽为τ，信号带宽为f0=1/τ，那么根据下式可计算出距离分辨率Rs：

Rs=c/2f0其中，c等于光速。假设脉宽τ=0.25us，脉冲重复间隔T=10us，那么距离分辨率Rs=37.5m。要实现小于1m的分辨率，根据式（1）可知，必须减小脉宽，比如T=3.9ns。由此得到的距离分辨率将为0.58m，在不改变4MHz信号带宽的情况下，新系统带宽将比原始系统带宽宽250ns/3.9ns=64倍。为了实现0.58m的高分辨率，同时不缩短脉冲持续时间，可以使用SFR。如图1所示，频率步进雷达以固定的脉冲重复频率（而非固定的雷达频率）发射N个脉冲序列。与脉冲信号不同，频率步进波形序列中的所有脉冲都具有相同的脉宽和持续时间，但载波频率不同。该频率可通过fi=f0+N×dF计算得出，其中dF指频率增加量，表明使用了跳频和时分。假设使用N次步进的频率，脉宽和脉冲重复仍然是τ=0.25us和T=10us，其N=64，与前面的例子一样，dF=4MHz，那么得到的距离分辨率带宽结果将为：

从结果中显然可以看出，SFR具有较高的距离分辨率（小于1m）。另外，它不必缩小分辨率，因而适合此情景中的脉冲雷达。SFR设计与测试平台在SFR雷达中，杂波将会干扰目标探测，增加发现实际数量目标的难度，甚至使雷达无法探测到较小目标。能够在杂波条件下分析目标探测的封闭式分析解决方案极其罕见。由于对这些类型的情景进行分析极为重要，所以仿真成为关键，就像使用平台解决方案仿真真实环境中的SFR系统一样。该平台还可用于对SFR系统进行验证和测试。配有测试环境的仿真平台必须包含回波信号雷达横截面（RCS）和背景杂波，为了更好地了解如何使用这种平台来设计、验证和测试SFR系统，下面提供了一个SFR设计模板。工程师可以为自有系统定制SFR设计模板，然后在平台中运行仿真，以测试设计的性能。当设计仿真与测试设备结合使用时，仿真平台也可充当测试平台，对SFR元器件硬件进行测试。例如在设计SFR系统在地面杂波背景下探测两个目标回波时，可使用该平台进行仿真和硬件测试。仿真SFR系统以图2所示的基本SFR设计为例。在信号发生器中，SFR信号源后面是射频调制器，因此使用两个目标模型和一个杂波模型。在SFR接收机输入端，接收到的信号包括目标回波和杂波。图2：使用AgilentSystemVue电子系统级设计平台执行此SFR仿真实例。如图3所示，在SFR输入端测量接收到的信号。请注意：图3C的频率与时间图与预期的SFR信号（使用上述载波频率计算方法）一致。展开相位也符合预期。此外，仿真显示SFR接收机运行良好。图3：接收机输入端测得的已接收频率步进雷达信号的频谱（A）、反映目标回波随机特性以及杂波特性的波形幅度（B）、已接收信号的跳频（C）和扩展相位（D）。图4显示，使用这个高分辨率频率步进雷达设计，我们可以轻松探测两个紧邻的目标。要使用脉冲雷达探测同样两个目标，脉宽必须至少增加8倍，导致系统成本大幅增加。图4：使用高分辨率频率步进雷达设计探测两个相邻的目标。SFR系统测试一旦建立好复制实际SFR系统的仿真模型，就可将其用于实际条件下（包含RCS和背景杂波）的测试。此外，仿真平台除了可用于设计高分辨率SFR系统之外，还可用于执行硬件接收机测试。执行此项测试需要使用SFR信号发生器。接收到的信号包含目标回波以及背景杂波和噪声等环境信号。首先使用图2中的设计生成测试信号，其中包含两个相邻目标回波和杂波。然后将该信号下载到矢量信号发生器中，上变频到射频频率。接着，使用信号分析仪对SFR接收机输入端进行测量，根据测得的数据，使用信号分析软件对测试信号进行验证。SFR发射机测试需要使用SFR接收机。SFR接收机可由仿真平台创建。使用运行矢量信号分析软件的矢量信号分析仪来测量信号。然后将接收到的信号从信号分析仪下载到EDA软件中进行解调、检波，还原成原始的目标信号。使用创建的SFR软件接收机和图5中的测试装置可对实际接收的SFR信号进行测试。图5：用于SFR发射机和接收机硬件测试的测试装置。结论平台解决方案可仿真实际环境中的系统，是工程师设计、验证和测试现代雷达系统的最佳工具。特别是在使用高分辨率频率步进雷达