雷达模拟器(雷达目标模拟器，评估雷达性能（附下载）)

雷达系统广泛应用于工业、商业和国防领域，应用范围从诸如汽车避碰，天气预报和空中交通管制(ATC)等商业应用到诸如用于预警和导弹跟踪等国防系统。

雷达功能用途决定了它的物理尺寸、工作频率、波形、发射功率、天线孔径等许多参数。雷达在研制和生产时必须对每个参数和部件进行测试，以确保正常运行。

雷达系统操作员对功能测试感兴趣，即目标检测和跟踪功能测试。为了获得雷达的精度、分辨力、检测概率和虚警率，必须在整个不模糊距离内产生雷达目标，还需要产生不模糊的径向速度、方位角和仰角以及不同的雷达散射截面(RCS)。

在现场测试可能是极其耗时、复杂和昂贵的，而且很难获得可重复的测试条件。例如，在一个测试场进行战斗机上的雷达测试时，通常通过部署人造目标用于雷达探测和追踪，将目标的全球定位系统(GPS)坐标与采集的雷达数据进行比较，从而验证雷达的性能。

由于成本问题在现场进行定期测试是难实现的。除了现场测试，另一种方法是建立“真实”雷达模拟，包括许多不同类型的目标和场景。产生雷达目标可以测试包括射频在内的雷达功能，而无需现场测试费用。

雷达目标模拟器可以引入时间延迟、多普勒频移和衰减。雷达目标模拟可以使用以下几种目标模拟器来实现，包括同轴延迟线(CDL)、光纤延迟线(FODL)和数字射频存储(DRFM)，并且使用货架式(COTS)测量设备构建目标模拟系统已成为一种趋势。

测试雷达系统性能的雷达目标模拟器的性能取决于多个技术参数。本文解释了不同的目标生成器结构，阐明了性能需求和设计标准，这些标准偏爱一种方法而不赞成另一种方法，并展示了使用COTS构建测雷达测量系统。

雷达测试

在雷达系统投入使用之前，必须进行许多测量，主要进行了硬件部件测试，包括研发，其中大部分都集中在发射机和接收机，较少强调信号处理和系统功能。

因此，雷达在研发过程中只进行了部分测试，而一些重要的功能，如信号检测，从未在闭环操作中进行过完全的测试。评估整个系统(射频和基带)，并确保所有要素都符合具体要求和客户需求，需要进行许多额外的测试，如图1所示。

参数测量必须进行测试试验，以评估系统的功能。内置测试设备(BITE)监控一些硬件组件和功能。然而BITE能够提供失效检测，但它的设计不一定是为了提供雷达性能的信息。

例如，如果雷达没有探测到目标，操作者如何知道雷达没有正常工作为了解决这一问题，可以使用拖曳球进行实地测试，以提高雷达的基线能力，并评估整个雷达处理链路。但是，现场测试不会专门测试处理能力。

因此，有些雷达具有数字注入能力，可以将场景加载到雷达处理器以测试处理器。如前所述，现场测试费用昂贵，几乎无法重复测试，而且某些目标的可用性有限。

由于这些原因，雷达目标模拟器被用来替换一些现场测试，使测试重复性好，节省了时间，降低了成本，并可通过注入目标对整个处理链路进行测试。雷达目标模拟器的技术要求对目标生成系统的基本结构提出了挑战。

虽然经济优势倾向于实验室测试，但雷达系统的功能性能必须通过实验室和现场测试环境来验证。此外，由于雷达系统增加了电子保护功能，这些新的系统功能可能需要新的测试方法。

测试和测量(T&M)工业提供各种类型的雷达测试设备，可用于开发和生产。这些研究重点是雷达参数性能测试，如测量频谱纯度、发射功率和灵敏度等。

雷达目标模拟器

雷达目标模拟器对雷达信号进行时延(距离)、多普勒频移(径向速度)和衰减。实际雷达信号被接收、操纵和转发。其他系统中有雷达波形的存储和波形触发回放。

雷达目标模拟器的结构决定了测试不同功能级别的性能和功能。一些能够为某一雷达系统在专用频带中生成单个目标,而有些系统则能覆盖较宽的频段，并提供复杂的目标场景模拟。也有专门的雷达目标模拟器采用专用的频段，例如测试汽车雷达传感器。

雷达目标模拟器的性能和功能及其对雷达系统的测试能力取决于多种经济技术参数。除了效率和成本之外，下列技术参数是很重要的：

★触发式或者连续式工作；

★复现真实环境场景和感兴趣测试的灵活性。

雷达系统的工作频率覆盖一个很宽的频段范围：远程监视雷达工作在HF或者L波段，ATC雷达工作在S波段，舰载监视雷达工作在X波段，汽车雷达传感器则工作在K波段和W波段。

因此，雷达目标模拟器应覆盖宽频段。目标模拟器的带宽还必须真实地再现雷达发射信号的带宽，因为带宽决定了雷达距离分辨率和频率捷变雷达的捷变带宽。

信号保真度和相位噪声也很重要。信号保真度差会使转发信号失真。雷达只有在相位噪声低的情况下，才能检测出慢动目标，如果目标模拟器具有较高的相位噪声，就可能限制其评估雷达实际性能的能力。

为了模拟延迟和多普勒，大多数现代雷达目标模拟器都采用了数字化，雷达信号被捕获、数字化、处理、转换成模拟信号，然后用衰减器转发。

有效位元数(ENOB)和无杂散动态范围(SFDR)的是表征模拟数字转换器(ADC)性能的两个重要指标，也是雷达目标模拟器精确采集雷达信号和再现雷达回波的重要性能参数。

其他参数，如最小和最大范围、目标数目或测试场景，主要取决于雷达目标模拟器的信号处理性能、体系结构和基带处理能力。

目前，雷达工程师使用下列类型的雷达目标模拟器：

光纤延迟线(FODL)

使用FODLS来测试雷达系统已经有几十年了，测量相位噪声和模拟可重复的信号用于户外距离测试。这些小的、相对灵活的和相参的系统将RF信号转换为光信号，用定义长度的光纤线路将其延迟，将其重新转换为RF并将其重发到雷达(见图2)。有些系统还能够引入多普勒频移。

光纤中光信号的相位速度约为5µs/km，损耗约为0.5dB/km。因此，FODL具有了非常好的距离间隔，即在经过适当的切割能够实现皮秒级的间隔。FODL具有非常高带宽，多模光纤的带宽主要受模色散的限制，其带宽在1GHz/km范围内。

在单模光纤中带宽受物质色散的限制，对于色散很低的波长，带宽可达100GHz/km。动态范围受限于低RF下的量子噪声和高RF下的非线性过程，随着信号带宽的增加线性减小。

随着多普勒频移的增加，无杂散动态范围取决于额外的因素，通常减少几十dB。虽然多普勒频移可以调制RF信号，但是光纤延迟的长度(即距离)是恒定的，无法产生真实感的运动目标。

FODLS有几个优点。它们具有恒定的延迟与频率，具有很强的抗振动性和抗电磁干扰能力，而且光纤不辐射能量。仿真重复性好，系统成本低，节省了时间等都是其优点。

当需要良好的载波相位噪声性能，例如固定目标压制测试时，FODLS是个很好的选择。然而，FODLS的缺点就是不能产生时变距离多普勒目标，也不能提供连续的距离设置或任意信号衰减和增益。

数字储频(DRFM)

DRFM以数字方式操纵雷达信号，如图3所示。DRFM将接收到的RF信号进行下变频、滤波和数字化。数据被存储和(/或)修改，然后重新转换为模拟信号和使用与用于下变频相同的本机振荡器(LO)上变频为RF。最后进行射频的放大和转发。

ALQ-165机载自卫干扰机(ASPJ)是第一批设计的DRFM系统之一，阿维拉通用电气从1979年4月开始研发，最初覆盖0.7至18GHz，后来覆盖1到35GHz，平均成本为127万美元。

其DRFM的技术性能规范和成本很少公开，根据现有的信息，一个DRFM模块的成本按其性能从15万美元到70万美元不等。DRFMS可覆盖40GHz，提供12位数字化，瞬时带宽为1.4GHz，SFDR为-65dBc，最小延迟为90ns。然而，由于技术上的限制，这些性能参数不能在一个DRFM系统同时实现。例如，大多数宽带DRFMS的信号保真度较低，使用的比特数不足12位。

最小延迟主要受ADC和DAC的限制，它们需要几个周期才能将模拟信号转换为数字，反之亦然，延迟也取决于带宽和比特数。获得雷达回波信号的信号处理会增加许多处理周期，典型的最小延迟现在从100ns以下到1µs以下不等。

对于DRFM系统，重要的是要知道模拟射频信号是如何在数字域中表示的：位数、幅值和相位，这些决定了信号的保真度。另一个关键参数是SFDR，因为雷达可能试图区分目标和电子对抗(ECM)信号。SFDR将受到ENOB、元件的非线性和噪声限制。

虽然具有相干目标回波的高信号保真度DRFMS可适用于雷达测试，但使用具有特定用户界面的DRFM在进行多种信号条件和场景效果雷达测试方面会有一定的局限性。这种专用设备往往价格昂贵，而且在雷达功能参数测试的灵活性方面表现一般。

COTS测量测试设备

Commercial Off-the-Shelf, COTS通过射频下变频、基带数字信号处理和射频上变频，COTS测试和测量设备也能够以与DRFMS类似的方式产生雷达目标。射频信号分析仪和射频信号发生器通常单独使用时，这两种仪器在一起使用时可以作为雷达目标模拟器。

这种雷达目标模拟器使用信号分析仪作为接收机，信号发生器作为发射机。如图4所示，COTS系统工作于100kHz至40GHz之间，并将处理在这个频率范围内任何类型的射频雷达信号，高达160MHz的带宽。

信号分析器将输入的雷达信号转换为同相和正交相位(I/Q)数据，I/Q数据被传输到信号发生器的基带输入，在信号发生器中根据用户定义在信号中加人时间延迟、多普勒频移和衰减等信息，产生雷达回波信号。然后，通过信号发生器将雷达回波信号发射回雷达。

使用COTS测量设备的一个优点是其优异的射频性能，适用于研发或生产过程中的附加参数雷达测试。灵活的模块化组合允许矢量信号发生器、信号频谱分析仪用于其他测试或专用的现场安装。

COTS雷达目标模拟器演示

使用MATLAB信号处理的软件定义雷达(SDR)可以演示COTS雷达目标模拟器的能力。雷达目标模拟器产一个距离为2000米，速度为-25米/秒的目标，SDR对该目标进行探测。该雷达的MATLAB图形用户界面(GUI)(见图5)显示了频谱(上图)、距离多普勒图(中图)和目标列表(下图)。

频谱图显示单个局部极大值，其功率高于恒虚警率(CFAR)阈值。通过测量差频，计算距离和径向速度，与雷达目标生成器创建的目标匹配。COTS雷达目标模拟器可以在不同距离多普勒单元中产生多达20个目标。

该信号发生器还具有多个射频源，在存在干扰的情况下(如蜂窝电话或其他移动通信服务)测试雷达，图6显示了第二个调频连续波信号的相同雷达目标信号，低噪音明显较高。虽然雷达回波信号仍然可以视觉观察，但CFAR阈值太高，无法进行自动检测。

除了测试雷达的功能性能外，COTS目标模拟器还可以帮助评估雷达中的现代电子对抗措施，例如检测作为干扰器的DRFM。相位调制的雷达波形，如巴克码，可以用来测试雷达信号处理的性能。巴克码在雷达目标模拟器中被发射和延迟。

雷达有一个非常特殊的基带波形，雷达接收机可以检测回波的保真度，并利用相关系数来检测回波的保真度，无论回波是虚拟的还是真实的。不相关信号可能来自ECM系统，因为重采样的速率不同、ADC有效位数少、目标模拟器中的相位噪声或放大器失真。

依赖于DRFM产生的回波信号保真度很可能与实际目标不同。聚焦于电子战保护的雷达处理过程可以检测回波的保真度差异。图7显示测量开始时的巴克码雷达信号，相应的雷达回波信号衰减约50分贝，延迟40微秒。

下图显示经过相关滤波器处理的回波信号。图8显示了可能发生在DRFM中的以不同采样率处理的回波信号。不同的信号保真度导致了回波信号会发生剧烈的变化。

结论

雷达系统的可靠性要求非常高，这使测试和测量变得非常重要。本文提出了几种不同的雷达目标生成方法测试整个雷达系统，包括天线、发射机、接收机和信号处理。比较技术性能和经济因素，一个完美的平衡将让许多现场测试进入实验室，从而降低软件和硬件测试的成本。

目标模拟器的射频性能必须优于雷达的性能，并能提供一系列测试方案。FODLS仍然被使用，但缺乏灵活性，例如生成距离多普勒相关雷达目标。DRFM克服了这一缺点，并为产生雷达回波信号提供了额外的选择。

然而，DRFM是一种专用的解决方案，可能成本很高，而且不设计的与测试设备一样灵活。COTS测试和测量设备提供了广泛的测试解决方案，能够完成从信号和组件测试和分析到雷达目标生成等多种任务。

这类设备它具有模块化、多用途、灵活等特点，既可作为雷达目标模拟器，又可实现实验室的其他功能。这些不同的雷达目标生成方法有其各自的优点，但它们都将部分现场测试引入实验室，降低了测试复杂度，降低了成本，并且提供可重复性和自动化的测试能力。