引言

許多行業(yè)包括商業(yè)、工業(yè)和國防領(lǐng)域都有大量雷達系統(tǒng)在應(yīng)用。雷達技術(shù)的應(yīng)用包括汽車防撞雷達、氣象雷達、空中交通管制（ATC） 雷達，以及國防應(yīng)用中的早期預(yù)警雷達和導彈跟蹤雷達。雷達的最終用途決定它的物理尺寸、工作頻率、波形、發(fā)射功率、天線孔徑和許多其他獨特的參數(shù)。每項系統(tǒng)參數(shù)和每個部件都將被測試以確保雷達性能。

雷達系統(tǒng)使用者更關(guān)注功能測試，即目標探測和跟蹤。進行功能測試時，必須產(chǎn)生可以覆蓋全部無模糊距離、全部無模糊徑向速度、全部方位角和俯仰角的具有不同雷達散射截面（RCS） 的雷達目標，以確保雷達系統(tǒng)的精度、分辨率、成功檢測率和虛警率滿足系統(tǒng)要求。外場測試可能非常費時、復(fù)雜和費用高昂，并會涉及難以實現(xiàn)的可重復(fù)條件。例如，為了測試戰(zhàn)斗機機載雷達在特定條件和距離的性能，需要部署一些人工目標用于被戰(zhàn)斗機雷達探測和跟蹤。通過對比人工目標的全球定位系統(tǒng)（GPS） 坐標數(shù)據(jù)與相應(yīng)雷達探測數(shù)據(jù)以檢驗雷達性能。

因為雷達系統(tǒng)尚在開發(fā)期間定期進行外場測試費用可能過高，另一種方法是建立真實雷達測試模擬，包括許多不同類型目標和場景模擬。雷達目標生成能夠測試包括射頻的整個雷達功能，不需要昂貴的外場測試。雷達目標生成器引入具有時間延遲、多普勒頻移和衰減的目標。目標生成器的幾種技術(shù)已經(jīng)具備，如同軸延遲線（Coaxial Delay Lines， CDL）、光纖延遲線（Fiber Optical Delay Lines， FODL） 或射頻數(shù)字存儲設(shè)備（Digital Radio Frequency Memory， DRFM）?，F(xiàn)在，也可以使用商用化（Commercial Off-The-Shelf， COTS） 的測量設(shè)備。

雷達目標生成器的性能和能力以及它們測試雷達系統(tǒng)的可用性是關(guān)鍵，這主要取決于幾個技術(shù)參數(shù)。本文介紹不同雷達目標生成器的架構(gòu)，闡明適合雷達系統(tǒng)性能測試的目標生成器的設(shè)計要求和準則，同時給出測量結(jié)果舉例。

雷達測試

在雷達系統(tǒng)投入使用并移交給使用者之前，必須先進行幾個不同層次的測量任務(wù)。在研究和開發(fā)期間，執(zhí)行主要硬件部件測試和測量。這些測試大多集中在發(fā)射機和接收機上，僅部分內(nèi)容涉及信號處理或系統(tǒng)功能。

測試和測量行業(yè)提供各種雷達測試設(shè)備。這類設(shè)備重點關(guān)注雷達的參數(shù)性能，可以在開發(fā)和生過產(chǎn)程中測量頻譜純度、發(fā)射功率或靈敏度。這僅測試了雷達部分性能，但如信號探測這種重要功能從來沒有在閉環(huán)運行中完整測試過。

要測試整個雷達系統(tǒng)（包含基帶和射頻） 并確保所有單元功能符合技術(shù)規(guī)格、滿足用戶要求，必須執(zhí)行更多的測試，

必須通過進一步的測試和監(jiān)控功能以實現(xiàn)參數(shù)測量。例如，內(nèi)置測試設(shè)備（Built-In Test Equipment， BITE） 能夠監(jiān)控某些硬件部件和功能。雖然 BITE 能夠提供雷達的合格或不合格評估，但是它對獲得雷達性能信息不是必須的。如果雷達沒有探測到目標，使用者怎么能知道雷達是否工作正常？

因此，可采用拖拽球的外場測試，來設(shè)定雷達能力基線和測試整個雷達處理鏈，但是不能測試處理能力。有些雷達有數(shù)字輸入接口，可將場景輸入雷達處理器。外場測試給出有關(guān)雷達性能和功能符合技術(shù)規(guī)格情況的全面結(jié)果，而數(shù)字輸入測試能夠測試雷達處理器能力。如前所述，外場測試費用昂貴，幾乎不可重復(fù)且受制于某些目標的可用性。由于這些原因，雷達目標生成器用于替代某些外場測試，并使測試可重復(fù)進行；它們節(jié)省了時間和費用，通過注入雷達目標，可測試整個處理鏈。

這些需求轉(zhuǎn)化為對雷達目標生成器的技術(shù)要求，并對目標生成系統(tǒng)的基礎(chǔ)架構(gòu)提出挑戰(zhàn)。盡管一些經(jīng)濟上的優(yōu)勢傾向于實驗室測試系統(tǒng)，而非外場測試，雷達系統(tǒng)的功能性能驗證必須通過綜合使用實驗室測試和外場測試來實現(xiàn)。此外，由于雷達系統(tǒng)在設(shè)計中添加了電子防護防護（Electronic ProtecTIon， EP） 功能，這些新的系統(tǒng)要求可能需要新的測試方法。

雷達目標生成器

達目標生成器對雷達信號運用時間延遲（作用距離）、多普勒頻移（徑向速度） 和衰減。它接收、處理和重新發(fā)射實際雷達信號。其他系統(tǒng)能存儲的雷達波形，同過觸發(fā)進行波形回放。各種雷達目標生成器有非常不同的性能，測試不同層次的功能；一些生成器僅在專用頻段為非常特殊的雷達系統(tǒng)生成單一目標，而其他生成器覆蓋很寬的頻譜，提供復(fù)雜的目標場景模擬。也有特定的雷達目標生成器只工作于專用頻段，例如用于測試汽車雷達傳感器的頻段［8］。

雷達目標生成器的性能和能力，以及測試雷達系統(tǒng)的能力取決于幾個經(jīng)濟和技術(shù)參數(shù)。拋開效率和成本，需要考慮下述技術(shù)參數(shù)：

? 系統(tǒng)架構(gòu)

? 頻率覆蓋范圍和帶寬

? 相位噪聲性能、信號失真、雜散輻射和回波信號整體質(zhì)量

? 數(shù)字化性能、采樣率和量化采樣有效位數(shù)

? 最大多普勒頻移、多普勒步長

? 最大作用距離、最小作用距離、距離步長

? 觸發(fā)和 / 或連續(xù)操作

? 重現(xiàn)真實環(huán)境場景的靈活性和測試感興趣項目的可能性

雷達系統(tǒng)的工作頻率在非常寬的頻段范圍上變化。從工作在 HF 或 L 波段的遠程監(jiān)視雷達，S 波段的 ATC 雷達，X 波段的海上監(jiān)視雷達，一直到 K/W 波段的汽車雷達傳感器。因此，雷達目標生成器需要覆蓋極寬的頻譜。

帶寬決定雷達中的距離分辨率或頻率捷變雷達的運行。更大帶寬不僅提供更高的距離分辨率，頻率捷變雷達系統(tǒng)也需要高帶寬。因此，目標生成器的帶寬必須至少覆蓋忠實再現(xiàn)波形需要的帶寬。

相位噪聲性能和信號保真度非常重要，因為性能不佳或信號保真度下降會引起重發(fā)信號失真或產(chǎn)生額外相位噪聲。例如，只有在良好的相位性能條件下，雷達才能探測到緩慢移動的目標。如果目標生成器有高附加相位噪聲，此雷達目標生成器可能限制測試雷達真實性能的能力。

為了模擬延遲和多普勒，在大多數(shù)現(xiàn)代雷達目標生成器中數(shù)字化是必不可少的。雷達信號被捕獲、數(shù)字化、處理、轉(zhuǎn)換成模擬信號并經(jīng)適當衰減后被重新發(fā)射。有效位數(shù)（EffecTIve Number Of Bits， ENOB） 和無雜散動態(tài)范圍（Spurious-Free Dynamic Range， SFDR） 是定量評價模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC） 質(zhì)量的指標。它對于接收輸入雷達信號和再現(xiàn)雷達回波信號極為重要。

其他技術(shù)參數(shù)，如最小 / 最大距離或多普勒、目標或測試場景數(shù)量，主要取決于雷達目標生成器的信號處理性能、架構(gòu)和基帶處理能力。

今天的雷達工程師使用下列不同種類的雷達目標生成器。

光纖延遲線（FDOL）

在雷達系統(tǒng)測試和測量中使用光纖延遲線（FODL） 已經(jīng)有幾十年了，例如，用于測量雷達系統(tǒng)的相位噪聲，以及為無線電系統(tǒng)和雷達系統(tǒng)的戶外距離測試模擬可重復(fù)性信號。這些相對靈活、相位相干的小型系統(tǒng)將雷達的射頻信號轉(zhuǎn)換成光信號并借助一定長度的光纖線對其進行延遲，然后再將經(jīng)過延遲的光信號重新轉(zhuǎn)換成射頻并發(fā)射給雷達。一些系統(tǒng)能夠引入多普勒頻移。

光纖中光信號的相速率大約為 5 μs/km，同時損耗在 0.5 dB/km 量級。因此，能夠?qū)崿F(xiàn)皮秒（ps） 量級非常細微的距離范圍。光纖延遲線的帶寬非常高。它主要受限于多模光纖的模態(tài)色散，在 GHz/km 范圍。在單模光纖中調(diào)制帶寬受限于材料的色散，對于有非常低色散的波長，調(diào)制帶寬可達 100 GHz/km ［1］。在低射頻頻段動態(tài)范圍受限于量子噪聲，而在高射頻頻段受限于非線性過程［3］，并隨著信號帶寬增加線性降低［1］。一旦加入多普勒頻率，無雜散動態(tài)范圍取決于其他參數(shù)，并且常常會有數(shù)十分貝的減小。雖然可將多普勒頻移調(diào)制到射頻信號上，光纖延遲（距離） 長度是恒定的，不能實際生成移動目標。

光纖延遲線有多個優(yōu)點。它的延遲不隨頻率變化，對振動不敏感，能夠在很大程度上屏蔽電磁干擾，此外光纖延遲不輻射能量。而且，可重復(fù)模擬、低系統(tǒng)成本和節(jié)約時間更是重要優(yōu)勢。需要極高近載波相位噪聲性能的測試，如固定目標抑制（Fixed Target Suppression， FTS） 測試，能夠通過光纖延遲線很好地實現(xiàn)。然而，光纖延遲線不能生成時變距離 - 多普勒目標，也不能提供連續(xù)距離設(shè)置或任意信號衰減和增益。

射頻數(shù)字存儲設(shè)備（DRFM）

在測試和測量中射頻數(shù)字存儲設(shè)備可用于雷達目標模擬。這類系統(tǒng)以數(shù)字方式處理雷達信號。射頻數(shù)字存儲設(shè)備下變頻、濾波和數(shù)字化收到的射頻信號。數(shù)字化的信號接著被保存和 / 或修改。然后此數(shù)字信號被重新轉(zhuǎn)換成模擬信號，并使用下變頻時相同的本振（LO）混頻到射頻頻率。信號經(jīng)過放大后被重新發(fā)射出去，這就是整個信號處理鏈條。

護干擾機（Airborne Self-ProtecTIon Jammer， ASPJ），由它引申出 Joint Vision 2010。它的研發(fā)始于 1979 年；然而在 1992 年項目被叫停［6］。ASPJ 能夠覆蓋從 0.7 GHz 到 18 GHz 的頻段，后來演變?yōu)閺?1 GHz 到 35 GHz。單臺設(shè)備平均造價 1.27 百萬美元［4］。

目前可得到的有關(guān)射頻數(shù)字存儲設(shè)備的商業(yè)和公開信息顯示，這些系統(tǒng)可以覆蓋高達 40 GHz 的頻率范圍，瞬時帶寬高達 1.4 GHz、數(shù)字化位數(shù)為 12 位、最小延遲為 90 ns、無雜散輻射動態(tài)范圍為 65 dBc。然而，受技術(shù)能力限制，這些技術(shù)數(shù)據(jù)很難在單臺 DRFM 中同時實現(xiàn)。例如，大多數(shù)寬帶 DRFMs 都大大降低了信號保真度，使用的數(shù)字化遠低于 12 位，或者干脆僅為研究目的建造。

引入的最小延遲主要受限于模數(shù)轉(zhuǎn)換（ADC） 和數(shù)模轉(zhuǎn)換（DAC） 數(shù)模或模數(shù)轉(zhuǎn)換需要一定的周期并取決于帶寬和位數(shù)。此外，信號處理導致雷達回波信號需增加大量處理周期?，F(xiàn)今典型的最小距離延遲范圍從低于 100 ns 到低于 1 μs。

在射頻數(shù)字存儲設(shè)備中，重要的是要知道模擬射頻信號在數(shù)字域中如何表示（幅度、相位、I/Q） 以及量化位數(shù)，因為正是這些因素主要決定了信號保真度。由于雷達可以嘗試區(qū)分目標信號和電子對抗（Electronic Counter Measure， ECM） 信號，Electronic Counter Measure 的另一個關(guān)鍵點是無雜散動態(tài)范圍（SFDR） （由 ADC 表征）。無雜散動態(tài)范圍取決于有效比特位數(shù)（ENOB） 以及部件的非線性和噪聲。

雖然帶有相干目標回波返回的高信號保真度射頻數(shù)字存儲設(shè)備或許適合雷達測試，但它可能無法通過良好的用戶界面來產(chǎn)生各種條件和場景雷達目標。這類非常專業(yè)的設(shè)備常常價格不菲，并且由于靈活性受到限制而不能全面測試雷達性能。DRFM 的技術(shù)性能規(guī)格和確切成本很難從商業(yè)市場上獲得。按照美國國防部（DoD） 估計，單個射頻數(shù)字存儲設(shè)備模塊價格從 15 萬美元到 70 萬美元，具體取決于它的性能［5］。

商用化（COTS） 測試和測量設(shè)備

商用化測試和測量設(shè)備如今也能生成雷達目標，基本上采用射頻數(shù)字存儲設(shè)備所用類似的方式，通過射頻下變頻、基帶數(shù)字處理和射頻上變頻。

該雷達目標生成器由使用商用化測試和測量設(shè)備的接收機（射頻信號分析儀） 和發(fā)射機（射頻信號發(fā)生器） 構(gòu)成，它們通常用作分析或生成射頻信號的獨立設(shè)備。當組合使用時，這兩種儀器可作為雷達目標生成器工作。

商用化雷達目標生成系統(tǒng)工作在 100 kHz 到 40 GHz 頻率范圍，在規(guī)定的頻段以高達 160 MHz 的帶寬接收任何類型的射頻雷達信號，并將信號轉(zhuǎn)換成同相和正交相移數(shù)據(jù)（I/Q 數(shù)據(jù)）。I/Q 數(shù)據(jù)傳送到信號發(fā)生器的基帶輸入端，在基帶，按照用戶指定值添加時間延遲、多普勒頻移和衰減。然后，由信號發(fā)生器將雷達回波信號重新發(fā)射到雷達。

這類測量設(shè)備的一個優(yōu)點是優(yōu)異的射頻性能，這適合在研究、開發(fā)或生產(chǎn)期間進行額外的雷達參數(shù)測試。這種靈活、模塊化的方法使得矢量信號發(fā)生器或信號和頻譜分析儀還可用于其他的測試環(huán)境中。

測量

為了演示這種雷達目標生成器，需要使用軟件定義雷達（Software Defined Radar， SDR） 和 MATLAB?信號處理軟件。在此演示系統(tǒng)中，使用有多目標分辨能力的波形和商用化測試設(shè)備組成的雷達目標生成器來分析軟件定義雷達的性能。

雷達目標生成器生成單目標并在軟件定義雷達（它充當被測雷達） 中觀察。被測雷達的 MATLAB?圖形用戶界面（GUI）包括頻譜、距離 - 多普勒地圖和目標列表。可觀察到單個局部最大值，它的功率大于恒虛警率（Constant False Alarm Rate， CFAR） 門限值。通過測量差頻可確定距離和徑向速度。在雷達目標生成器中，生成距離 R1 = 2000 m，多普勒頻移 vr1=–25 m/s。這是由該雷達精確測量得到的。

商用化測試設(shè)備組成的雷達目標生成器能夠用不同距離 - 多普勒單元生成多達 20 個目標。此信號生成器也有多個射頻信號輸出口，從而也能夠測試雷達抗干擾特性，例如測試雷達與 LTE（Long Term EvoluTIon）或其它無線業(yè)務(wù)共存［2］。

除了測試雷達的功能性能，商用化測試設(shè)備組成的目標生成器也可以幫助評估雷達中的現(xiàn)代電子防護措施。這可能是必須的，例如，2014 年年中，在歐洲，當幾架飛機突然從空中交通管制雷達屏幕上消失時［7］。這或許是檢測到存在被用作電子對抗的射頻數(shù)字存儲設(shè)備的一個例子。

在下面的情況，相位調(diào)制雷達波，如巴克碼，可用于測試雷達信號處理的性能。在雷達目標模擬器中，發(fā)射并延遲巴克碼。此雷達波有非常特殊的基帶波形，雷達接收機能夠使用相關(guān)濾波器檢測回波信號的保真度，識別返回的回波是虛擬的還是真實的。產(chǎn)生不相關(guān)信號的原因可能有：存在以不同速率重復(fù)采樣的電子對抗（ECM）系統(tǒng)，從模擬到數(shù)字轉(zhuǎn)換中有效位過少，相位噪聲或目標模擬器的放大器失真。生成的回波信號保真度很可能不同于來自真實目標的回波信號保真度，取決于射頻數(shù)字存儲設(shè)備。專注于電子防護的雷達處理可檢測出不同保真度的回波差異。這種測量也可以用上述雷達目標生成器進行評估。

總結(jié)

雷達系統(tǒng)的期望可靠性要求極高，這就說明了為什么這些測試和測量非常重要。有幾種使用雷達目標生成器測試整個雷達系統(tǒng)的方法，從天線、發(fā)射機和接收機，一直到信號處理。本文介紹了這些方法并解釋了它們的關(guān)鍵經(jīng)濟和技術(shù)性能指標。

目標生成器的射頻性能必須優(yōu)于被測雷達，它應(yīng)能提供各種測試場景配置。完美的性能平衡將許多外場測試帶進實驗室，降低了軟件和硬件測試成本。光纖延遲線今天仍然在雷達測試中使用，但是在測試和測量中靈活性顯得不夠，例如在生成距離 - 多普勒相關(guān)目標時。射頻數(shù)字存儲設(shè)備能克服這個缺點并提供額外的解決方案，尤其是當涉及生成雷達回波信號時。然而，射頻數(shù)字存儲設(shè)備是非常專業(yè)的解決方案，可能非常昂貴，并且不一定被設(shè)計成用于測試的有靈活接口的設(shè)備。相比較而言，商用化測試和測量設(shè)備提供各種各樣的測試解決方案，從信號和部件測試或分析，到雷達目標生成。測量設(shè)備的多用途優(yōu)點和靈活、模塊化方法（也可以用作雷達目標生成器）增加了這類在測試實驗室使用的設(shè)備的靈活性和有效性。

不同的雷達目標生成器方法都有它們各自的優(yōu)勢，但是它們都將部分外場測試帶進實驗室從而降低了測試復(fù)雜性，通過提供高重復(fù)性減少了成本，并且改善了自動測試能力。

參考文獻

［1］ K.P. Jackson et. al.， “Optical Fiber Delay-Line Signal Processing”， IEEE Transactions on MicrowaveTheory and Techniques， Vol. MTT-33， No. 3， pp. 193-210， March 1985

［2］ Heuel， S.; Roessler， A.， “Co-existence Tests for S-Band Radar and LTE Networks”， Microwave Journal - Military Microwaves， August 2014.

［3］ K. Ogawa， “Considerations for single mode fiber systems”， Bell Syst. Tech. J.， Vol. 61， pp. 1919-1931， 1982

［4］ “AN/ALQ-165 Airborne Self-Protection Jammer （ASPJ）”， retrieved from www.dote.osd.mil， October 2014

［5］ Small Business Innovation Research （SBIR）， Navy， Topic N131-006， Acquisition Program， “Direct Digital Radio Frequency （RF） Conversion Digital Radio Frequency Memory （DRFM）”， 2013

［6］ N. Friedman， “The Naval Institute Guide to World Naval Weapons Systems”， 1997-1998 38

［7］ Reuters， “Jets vanishing from Europe radar linked to war games”， retrieved from http://www.reuters.com/article/2014/06/13/us-europe-airplanes-safety-idUSKBN0EO1CW20140613， November 2014

［8］ “Rohde & Schwarz enables comprehensive automotive radar tests with target simulator and FM CW signal analysis”，press release retrieved from www.rohde-schwarz.com/ad/press/automotive， October 2014

審核編輯黃昊宇