AWG模拟复杂雷达信号

euvis

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。
复杂雷达信号模拟的必要性
为了增加抗干扰能力和环境适应能力，现代年代采用了相对复杂信号，加强数字信号处理功能。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这些信号，用于雷达接收测试。因此各个雷达研制单位投入大量人力、物力研制各种雷达信号模拟器，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，无法模拟复杂应用环境下的雷达信号，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。
我们通过分析实际环境中复杂雷达波形，结合对EUVIS的任意波形发生器（以下简称AWG）的研究，通过分析和试验确定AWG是解决这一问题的有利工具。
AWG性能与基本雷达波形产生
AWG的主要由高速DAC、波形存储器、采样时钟、地址发生器和多种辅助电路组成，其工作原理是通过编辑器或外部计算机将要产生的多路信号波形数字化后存入波形存贮器。AWG通过地址发生器改变波形存贮器的地址，顺序扫过波形存贮器的地址直到波形段的末段。每个地址中的数据被送到高速D/A，高速D/A的输出波形通过低通滤波器后送到放大器输出。各种AWG的主要性能参见表1，它们均具有序列功能，适合产生复杂的信号。
雷达信号的技术指标主要有频率分辨率、信号最高分辨率、信号带宽、无寄生动态范围（SFDR）和信号捷变时间等。
不同型号AWG可以直接产生80MHz~2GHz频率的信号，带宽最大达到2GHz，可以直接满足超视距雷达、VHF/UHF、L波段雷达和宽带捷变频雷达信号生成需要。对于更高频率雷达测试，一种方法直接通过AWG产生中频信号，对下变频之后的接收机进行测试；二是采用上变频方式将AWG生成的信号变频到微波频段进行测试。
AWG的频率为10－6，它可以锁定外部10MHz标频，提高输出信号频率准确度，模拟高频率准确度的雷达信号；同时可以通过施加外部主时钟来提高信号相位噪声。在对接收机和后续信号处理模块进行测试时，往往需要与外信号同步或产生同步信号，AWG的Mark标记功能和外部事件输入功能可完成该任务。当同步信号施加到AWG外部事件触发输入，可将AWG输出信号与外同步信号同步；而AWG在输出信号同时，对每通道的2个Mark标记进行操作，可输出同步信号，达到输出同步信号的目的。
一般雷达采用脉冲信号，信号频率分辨率fb与采样速率fs和内存长度L不存在严格的数学关系，但连续波雷达与通信信号模拟一样，信号分辨率fb必须满足以下关系：
fb＝fs/L 式（1）
AWG垂直分辨率分别为8～16bit，可以生成各种质量的信号，其SFDR一般为50～70dB，足以模拟雷达回波信号；与雷达发射信号不同，雷达回波存在多个信号，因此用AWG模拟时需产生多个信号，信号之间存在互调产物，典型值为－40～－60dB，可以满足绝大多数信号质量的要求。
AWG除本身提供的编辑工具外，具有IEEE488、10/100Base-T接口，具有标准的PC系统，非常方便与其它系统进行接口，并能接受其它系统的数据进行输出，扩展使用范围。
雷达信号模拟
雷达信号出于反侦察、抗干扰的需要，许多雷达都可以改变信号调制波形和参数，如信号载频、脉冲重频、脉冲波形等。目前宽带雷达采用了频率捷变、宽脉冲线性调频和相位编码脉冲等技术，波形复杂，这些波形都可以采用AWG实现。
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
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。
AWG模拟多普勒雷达回波可以按以下公式生成：
W1=Asin(2πfo×t) 式（4）
W2=Asin(2π(fo+ fd)×t) 式（5）
式中W1为发射信号泄漏，W2为回波信号，AWG采用序列功能从时域连接W1 和W1波形，并增加适当噪声，即生成多普勒雷达回波信号。
2 脉冲压缩信号、扩频信号和频率捷变信号产生
为提高雷达的抗反辐射能力，需采用低截获概率的信号，即宽带扩频信号。对直扩信号产生，AWG产生较跳频信号更为容易。对二进制直接扩频信号，载波频率只在两个频率中变化，因此只要AWG采用序列方式，按规定的伪随机码来变化载波频率，即可实现二进制直扩信号。对多进制扩频，载波频率只在多个频率中变化，AWG同样按规定的伪随机码来变化多个载波频率，即可实现多进制直扩信号。
由于AWG信号输出无锁相环路，采用DAC直接将数字信号转换成模拟信号，不存在锁相环路需要稳定的问题，因此AWG频率转换非常快，各种AWG的频率转换时间见表3，其中AWG710，采样速率4GHz，能模拟非常细腻的雷达频率捷变过程，非常合适模拟捷变频雷达信号。实际生成频率捷变信号的工作量主要体现在多个不同载频信号生成和频率捷变序列转换成AWG的序列表。
3复杂信号（回波、杂波）产生和多目标信号模拟
当探测低空目标时，雷达势必会接收到强地面/海面反射的背景杂波，为了探测巡航导弹和雷达截面积小的飞行目标，必须要求雷达有很高的杂波可见度。杂波可见度是描述脉冲多普勒雷达或动目标显示雷达检测地杂波目标能力的一个品质系数。
4多束波形雷达模拟
为了满足引导雷达分辨率和测高精度要求，多波束雷达采用多个波束（6～12个），增加设备和提高复杂性，其组成见图8。与平面雷达一样，多波束雷达的数据率在时间上没有损失，即解决了测高，又保持了高数据率的矛盾。发射时多个喇叭天线以同相不等功率方式馈电，多个堆积波束在空间形成余割平方型发射波瓣。接收时回波经过多路接收机接收，经信号变换和检测后，对多个波束同时进行幅度比较来测高，形成目标点数据和进行航迹相关处理。
多波束体制允许系统以宽带、捷变频方式工作，因为多波束体制的波束形成和扫描与信号形式无关，两者独立可控，发射波形灵活可变，因此抗干扰能力强。模拟该种波需多

PETERZHAO2010

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