基于聲體波延遲線的雷達抗地雜波改善因子測試方法

周文佳，慕德俊

（西北工業大學，陜西 西安 710100）

基于聲體波延遲線的雷達抗地雜波改善因子測試方法

周文佳，慕德俊

（西北工業大學，陜西 西安 710100）

提出了一種基于聲體波微波延遲線和上下變頻技術模擬固定地物回波信號的雷達抗地雜波改善因子測試方法，以其設計并制作了用于雷達抗地雜波改善因子測試的目標模擬器。給出了傳統抗地雜波改善因子測試方法和目標模擬器測試方法在兩個典型雷達上進行的靜、動態抗地雜波改善因子對比測試實例。結果表明使用目標模擬器的測試方法可以滿足測試精度要求，且與傳統測試方法相比，具有適用范圍廣，對測試場地、設備要求低，操作簡便等優點。

抗地雜波改善因子；雷達；聲體波微波延遲線；聲傳播損耗；相位噪聲；檢測概率

在地面雷達系統中，抗地雜波改善因子（以下簡稱改善因子）是一項重要的指標，它表征了一個系統在強地雜波背景中檢測動目標的能力。

嚴格的改善因子測試是一項比較復雜的工作，對場地和設備條件要求比較高。首先要求在測試場地附近要有鐵塔等比較孤立的地物。近年很多雷達生產廠家原先測試場周邊的測試鐵塔都被建筑物遮擋了，不得不花大量的經費和時間租用專用測試場地進行測試。其次，對于復雜波形體制的雷達，還需要專門研制可以模擬該雷達復雜波形的高頻模擬信號源或購買價格昂貴的可編程矢量微波信號源，并且這些設備除了要在前期對需要模擬的各種復雜波形進行事先編程存儲外，實際使用時還需要另外的脈沖同步設備和相位同步設備來配合使用，操作比較繁瑣。

本文提出了一種用聲體波微波延遲線和上下變頻技術模擬固定地物回波信號的改善因子測試新方法，根據該方法制作了用于雷達抗地雜波改善因子測試的目標模擬器，其不需要專用的測試鐵塔和昂貴的矢量微波信號源，也不需要連接定時和相位同步設備。在兩個典型雷達型號產品上進行的動、靜態改善因子測試結果表明，相比傳統的測試方法，這種新方法不僅能夠滿足測試精度，還具有適用范圍廣，對測試場地和測試設備要求低，操作簡便等優點。

1 改善因子的傳統測試方法

在雷達系統中抗地雜波改善因子是指動目標接收通道濾波器輸出的動目標信號功率與地雜波功率之比，除以輸入端的動目標信號功率與雜波功率之比所得的商[1]。

式中：I為改善因子；S0為輸出端目標信號功率；C0為輸出端的雜波功率；N0為輸出端的噪聲功率；Si為輸入端目標信號功率；Ci為輸入端的雜波功率；Ni為輸入端的噪聲的功率。

國軍標GJB-887推薦的典型的改善因子測試方法（簡化）是：首先選擇一個孤立地物（通常是測試鐵塔）；用高頻信號源產生動目標模擬信號。在被測試雷達的動目標檢測通道前端，比較地物產生的地雜波信號與高頻信號源產生動目標模擬信號的幅度，并通過調節高頻信號源輸出電平，使兩個信號的幅度相等；然后在動目標檢測通道后端，觀察地雜波信號與動目標模擬信號的幅度，并通過降低高頻信號源輸出，使動目標檢測通道后地雜波信號與動目標模擬信號的幅度相等。此時高頻信號源輸出電平的變化量就是改善因子的測試值。

改善因子的測試分為靜態測試和動態測試。天線波束固定指向被測地雜波時測得的改善因子為靜態改善因子，常用于跟蹤雷達。天線波束以正常工作轉速掃描被測地雜波時測得的改善因子為動態改善因子，常用于搜索雷達。

隨著雷達動目標檢測能力的不斷提升，改善因子指標也不斷提高，現代雷達又普遍采用復雜波形體制，改善因子測試困難的問題越來越突出，需要一種測試簡便、精度滿足要求的測試設備和方法。

2 基于聲體波延遲線的改善因子測試方法

近年來，人們開始嘗試用微波延遲技術產生模擬的地雜波和動目標回波，用于改善因子的測試。其中聲體波微波延遲線（以下簡稱聲體波延遲線）是一種體積小、質量小、穩定性好、無色散的微波延遲器件[2-3]。將聲體波延遲線的微波延遲特性應用在雷達系統中，可以模擬固定地物產生的雷達回波，用于雷達的距離零點的標定和相關項目的檢測。但由于聲體波延遲線的工作頻率不夠高，高頻率下延遲時間也不夠長，且只能模擬固定目標產生的回波，因此不能直接用于雷達改善因子的測試。

為了擴寬聲體波延遲線的工作頻率范圍，延長聲體波延遲線的延遲時間，可以采用上下變頻技術，用下變頻器、聲體波微波延遲線、放大器、上變頻器和微波頻率源等一起構成微波延時電路，并用其產生的模擬固定地物和動目標回波進行改善因子測試。

2.1 微波延時電路

微波延時電路的工作原理是將輸入的微波信號下變頻到聲體波延遲線工作的頻率，然后經過聲體波延遲線延時，再經過上變頻器變頻到與輸入微波信號完全一致（也可以根據需要有差別）的頻率上。微波延時電路的組成原理如圖1所示。

圖1 微波延時電路的組成原理框圖Fig.1 Composition principles of microwave delay circuit

設微波輸入信號為fRFin，微波頻率源給下變頻器提供的本振信號為fLO1，下變頻器的輸出信號為fIF，根據下變頻器的工作原理，有公式

設微波頻率源給上變頻器提供的本振信號為fLO2，上變頻器的輸出信號為fRFout，根據上變頻器的工作原理有公式

將公式(2)代入公式(3)，則有公式

從圖1和公式(2)可以看出，下變頻器的輸出信號fIF就是聲體波延時線的輸入信號。當輸入的微波信號fRFin頻率改變時，只要跟隨著改變微波頻率源給下變頻器的本振信號fLO1的頻率，就可以保證下變頻器的輸出信號fIF頻率不變，這樣就可以在輸入微波信號fRFin很大的頻率范圍內，始終保持聲體波延遲線工作在最佳頻率上，大幅度擴展了聲體波微波延遲線的工作頻率范圍。

從公式(4)可以看出，如果fLO1=fLO2，則fRFout=fRFin。即如果微波頻率源給下變頻器和上變頻器提供的本振信號fLO1和fLO2頻率相等，則微波延遲電路輸出信號的頻率就會與輸入信號的頻率完全一致。因此，只需要微波頻率源給下變頻器和上變頻器提供的本振信號為同一個的信號（如圖1中開關轉到“固定”位置），這時上變頻器輸出的信號與原輸入的微波信號的頻率相等，并有確定的相位關系，所產生的就是模擬固定地物回波信號。

從公式(4)還可以看出，如果fLO2不等于fLO1，則fRFout與fRFin之間就存在一個頻率差fLO2-fLO1，該頻率差就相當于目標徑向運動速度產生的多普勒頻率。因此，如果微波頻率源分別給下變頻器和上變頻器提供兩個本振信號（如圖1中開關K轉到“活動”位置）。所模擬的就是活動目標回波信號。通過改變微波頻率源給上變頻器提供的本振信號fLO2的頻率，就可以得到測試所需的具有不同多普勒頻率的動目標回波信號。

2.2 聲體波目標模擬器

在微波延時電路的基礎上，設計的聲體波雷達目標模擬器（以下簡稱聲體波目標模擬器）其主要由天線、微波延遲模塊、微波頻率源、可變衰減器和電源等組成。聲體波目標模擬器的組成框圖如圖2所示。

圖2 聲體波目標模擬器組成框圖Fig.2 Frame of body acoustic wave target simulator

為了縮小體積、減少干擾、便于調試和維修，將微波延時電路中的聲體波延遲線和變頻部分組裝在一個模塊（微波延遲模塊）中，微波頻率源及控制電路組裝在另一個模塊（微波頻率源模塊）中。

天線采用收發雙天線的方式，因為如果采用收發共用天線，就需要用到環行器，而環行器的帶寬有限，不能在大的頻帶范圍內使用。另外，采用收發雙天線的方式，也有利于在一些特定的雷達系統中，使用微波同軸電纜直接從雷達饋線系統的發射支路的定向耦合器取信號，并將延時后的模擬信號從饋線系統的接收支路定向耦合器灌入接收系統。

微波可變衰減器可以調節聲體波目標模擬器輸出的固定目標回波和活動目標回波的功率電平，并且其輸出功率電平的變化量可以通過可變衰減器的刻度讀出，因此可以用其進行雷達改善因子的測試。

2.3 改善因子測試需要考慮的問題

由于用聲體波目標模擬器可以模擬固定地物和活動目標產生的回波，因此，理論上可以用其進行改善因子測試。但實際產品設計時，還需要考慮許多問題。

2.3.1 聲體波延遲線插入損耗控制

要用聲體波目標模擬器進行改善因子測試，就需要聲體波目標模擬器產生的模擬固定目標信號的信噪比要足夠高。否則會影響到所模擬目標的真實程度，并影響改善因子的測試精度。因為噪聲信號就相當于在固定目標的信號上疊加了動目標的成分。

為了保證模擬固定目標信號的信噪比，應盡量降低聲體波延遲線的插入損耗。

聲體波微波延遲線的插入損耗包括輸入輸出換能器的結合層損耗、反射損耗、轉換損耗、衍射損耗和聲傳播損耗。

結合層損耗可以通過選用與傳聲介質聲阻抗相匹配的金屬材料作為底電極來降低結合層損耗。

反射損耗是由于壓電薄膜換能器阻抗與外部接入系統的阻抗不匹配造成的，需要采用匹配網絡來使換能器匹配于系統，減小反射損耗。

衍射損耗可以在設計時使歸一化延遲時間處于菲涅爾區，避免產生衍射損耗。

聲傳播損耗與所選用的介質材料、延遲時間和工作頻率有關[4]。它們之間的關系如公式

式中：Lt為聲傳播損耗；α為傳聲介質的傳播損耗因子；f為工作頻率；T為延遲時間。

由公式(5)可以看出延遲時間越長，工作頻率越高，聲傳播損耗就會越大。因此聲體波延遲線的工作頻率不能過高，延遲時間不能過長。

2.3.2 聲體波延遲線延遲時間選擇

雷達系統內部都有防止近距離目標造成接收機飽和的近程增益控制電路[5]（STC電路），它將近距離目標產生的回波大幅度衰減。而改善因子測試時需要模擬回波的幅度必須滿足測試指標的要求。為了減少近程增益控制電路對模擬回波信號的衰減，微波延時電路的延時時間應該足夠避開雷達近程增益控制電路的影響。但由公式（5）可知，聲體波延遲線的延遲時間越長聲傳播損耗就會越大，因此聲體波延遲線的延遲時間也不能太長。

由于本方案設計的目標模擬器將用于多個雷達型號產品的測試，經過綜合考慮，選擇聲體波延遲線的延遲時間為20 μs（相當于3公里處目標產生的回波），可以滿足幾種以上雷達的測試需求。

2.3.3 聲體波延遲線工作頻率選擇

由公式（5）可知，聲體波延遲線的聲傳播損耗與工作頻率平方成正比，工作頻率越高，聲傳播損耗就會越大。但是，工作頻率不能選得過低，過低的工作頻率會影響聲體波延遲線的帶寬指標，不利于微波延遲電路的后續使用。

上一節中延遲時間已經被限定為20 μs，考慮到整個聲體波延遲線插入損耗的設計余量，本方案選定聲體波延遲線的工作頻率為1.5 GHz。在此頻率下，可以保證整個20 μs延遲線的插入損耗小50 dB，工作帶寬可達200 MHz。

2.3.4 頻率源相位噪聲的控制

微波延遲電路在整個變頻過程中，頻率源的相位噪聲會直接影響到信號的還原質量，從而影響到改善因子的測試精度。

為了既保證改善因子的測試精度，又考慮到微波頻率源在各工作頻段可以比較容易達到的相位噪聲水平，本方案要求頻率源在各頻段內的相位噪聲必須滿足國軍標推薦的要求，如表1。

表1 微波頻率源相位噪聲指標要求Tab.1 Phase noise index of microwave frequency source

2.3.5 電源紋波的控制

由于電源的紋波會影響微波延時電路的相位噪聲，因此需要對電源的紋波進行嚴格控制。本方案中目標模擬器的供電采用整流電源和電池雙供電方式。在進行改善因子測試時，需采用電池供電。

2.4 測試精度分析

2.4.1 影響改善因子測試精度的因素

雷達系統的改善因子與天線掃描、發射接收系統的穩定度、接收機的動態等多種因素有關。系統總的改善因子指標要受各分項改善因子指標共同限制[6]。其關系如公式

式中：I為系統總的改善因子；I1、I2、I3等為各分項改善因子。由公式（6）可以看出，系統總的改善因子I的值總是小于任一分項改善因子。

用聲體波目標模擬器產生改善因子測試用的固定地物回波，就相當對于在被測試雷達系統中增加了一個分項改善因子Is的環節，如公式

從公式（7）可以看出聲體波目標模擬器分項的改善因子Is越大，對被測試雷達系統的總改善因子I的影響就越小。因此，要保證改善因子的測試精度，就需要聲體波目標模擬器分項的改善因子Is足夠大。而影響聲體波目標模擬器改善因子Is的主要因素是聲體波目標模擬器的穩定性，包括電路的噪聲、動態范圍、頻率源的穩定性、電源的紋波等。

2.4.2 保證改善因子測試精度的措施

聲體波目標模擬器的穩定度，主要通過對微波延遲模塊各環節工作點、插入損耗和放大量的匹配設計，以及對微波頻率源的相位噪聲和電源的紋波控制來保證，并可以通過相位噪聲指標來體現。相位噪聲與改善因子之間存在對應關系[6]如公式

式中：k是與雷達信號處理方式有關的系數；SΔΦ為相位噪聲功率譜密度；fm為相位噪聲對載頻的調制頻率（偏離載頻的頻率）；T為雷達發射脈沖重復周期；t為發射脈沖與回波脈沖之間的時間。

理論上只要知道聲體波目標模擬器的相位噪聲水平，就可以知道模擬器的分項改善因子的值Is，也就可以知道該模擬器對被測試雷達系統的改善因子I產生了多大的影響。但是由公式（8）中可以看出，相位噪聲與改善因子的關系與被測試雷達的體制和參數有關，無法給出適合于各種雷達的統一對應關系。為了保證被測試雷達系統的改善因子測試精度，可以根據實際經驗和聲體波目標模擬器設計能夠達到的相位噪聲水平，給出一個遠高于改善因子測試要求的相位噪聲指標，使聲體波目標模擬器分項改善因子Is遠大于被測試雷達的改善因子指標要求，就可以保證被測試雷達的改善因子測試精度要求。

本方案中，要求聲體波目標模擬器的相位噪聲要比被測試雷達的改善因子指標大40 dB以上。

聲體波目標模擬器相位噪聲測試方法見圖3。

圖3 聲體波目標模擬器相位噪聲測試框圖Fig.3 Phase noise test frame of body acoustic wave target simulator

在聲體波目標模擬器的輸入端，用微波信號源輸入連續波信號，該輸入信號的相位噪聲指標應遠大于聲體波目標模擬器相位噪聲要求的指標（要求大10 dB以上）。在聲體波目標模擬器的輸出端，用頻譜分析儀測試輸出信號的相位噪聲。

2.5 聲體波目標模擬器改善因子測試方法

用聲體波目標模擬器進行不同收發形式的改善因子測試的框圖如圖4和圖5所示。

圖4 采用天線收發的改善因子測試框圖Fig.4 Improvement factor test frame with antenna

圖5 采用微波電纜收發的改善因子測試框圖Fig.5 Improvement factor test frame with microwave cable

用聲體波目標模擬器進行改善因子測試的方法與國軍標GJB——887推薦的方法基本相同，只是用聲體波目標模擬器產生的模擬固定地物回波代替了測試鐵塔等固定地物產生的回波，用聲體波目標模擬器產生的模擬活動目標回波代替了高頻信號源產生的活動目標回波。聲體波目標模擬器只需架設在雷達附近數十米處（所需要的距離只要達到雷達天線遠場條件即可），或用微波電纜直接與雷達收發系統相連接，且不需要脈沖和相位同步設備，對測試場地要求很低。設備關系簡單，操作非常方便。

由于聲體波目標模擬器可以產生各種多普勒頻率的回波，因此聲體波目標模擬器還可以模擬云雨等產生的氣象回波，并用其進行雷達抗氣象雜波改善因子的測試。測試原理和方法與抗地雜波改善因子的測試基本相同。

3 實際對比測試

在某型跟蹤雷達、某型搜索雷達和某型偵察雷達上，使用聲體波目標模擬器與在某基地的測試鐵塔進行了靜態改善因子對比測試和動態改善因子對比測試。其中利用測試鐵塔進行某搜索雷達動態改善因子測試的框圖如圖6。

圖6 某雷達利用地物進行動態改善因子測試框圖Fig.6 Dynamic improvement factor test frame of the radar with the feature

該型雷達采用復雜波形信號形式，需要使用矢量微波信號源編程產生與該雷達波形編碼一致的微波信號。為了保證矢量微波信號源產生的微波信號與被測試雷達的頻率一致，需要在雷達頻率綜合器中引出了10 MHz基準信號來同步矢量微波信號源的頻率。另外，為了能使矢量微波信號源產生的模擬動目標信號能夠置于鐵塔回波附近無雜波處。需要用脈沖信號源控制模擬動目標信號的位置。

利用地物進行動態改善因子測試的方法為（簡化）：雷達天線掃描，尋找一個檢測概率接近50%的孤立地物目標，然后停止掃描，手動使天線指向該目標，并用示波器記錄此時該地物回波的輸出電平L1；雷達關發射機，調節微波信號源輸出頻率使其與雷達的工作頻率相差一個多普勒頻率fd；調節信號源輸出電平，使其在示波器上記錄的輸出電平與鐵塔回波的輸出電平L1相等，記錄此時的微波信號源輸出電平Lfo；降低微波信號源輸出電平，使其處于檢測概率接近50%狀態，在示波器上記錄此時微波信號源的輸出電平Lfd；設置不同的多普勒頻率進行多次測試，取得平均值Lfdav。則該搜索雷達動態改善因子=Lfo-Lfdav。

該方法最大的問題是尋找一個檢測概率接近50%的孤立地物目標非常困難，需要通過選擇雷達陣地的位置來滿足測試要求。

使用聲體波目標模擬器進行動態改善因子測試框圖如圖7。

Radar anti-ground clutter improvement factor test method based on body acoustic wave microwave delay line

ZHOU Wenjia, MU Dejun
(Northwestern Polytechnical University, Xi’an 710100, China)

A radar system anti-ground clutter improvement factor test method based on body acoustic wave microwave delay line and frequency conversion technology simulating fixation clutter was presented, and a target simulator was designed and fabricated by using this method. Static and dynamic anti-ground clutter improvement factor comparison tests were given by traditional test way and target simulator method in two typical radars. Results show that the test method by using the target semulator can meet accuracy requirement. Comparing with the traditional test way, it has advantages such as wide scope, low requirement of test site and equipment, and easy operation.

anti-ground clutter improvement factor; radar; body acoustic wave microwave delay line; acoustic propagation lose; phase noise; detection probability

10.14106/j.cnki.1001-2028.2016.08.013

TN955+.3

:A

:1001-2028（2016）08-0055-05

2016-07-01

：周文佳

周文佳（1986-），女，山東威海人，博士研究生，研究方向為無線自組織網絡和雷達組網，E-mail: zhouwj1986@163.com 。

時間：2016-08-03 22:36

： http://www.cnki.net/kcms/detail/51.1241.TN.20160803.2236.013.html