现代雷达系统极为复杂,包含精密的架构,更牵涉多项工程领域的尖端科技。在这些复杂多元的环境中,要精准地侦测移动中的目标实属不易,因为环境中的有害干扰会严重影响量测结果的准确性。善用仿真技术,可提升设计价值、缩短开发时间,更可避免不必要的现场测试,进而节省时间和金钱。

透过简单易用的量测解决方案,可协助用户降低产品风险及成本、提高系统效能,并可依照需求进行客制。本文探讨可在单一架构中建立更完善跨域模型的替代仿真解决方案,让工程师全面掌握现代雷达系统的效能。

艰巨挑战:提高准确度并降低成本

移动式雷达的量测干扰,为雷达设计工程师和业者带来艰巨的挑战。简单地说,在雷达系统中出现任何形式的干扰,导致接收器充斥许多不相关且干扰的噪声或错误信息。充斥过多无用数据的结果,导致工程师无法分析和量测所需的数据。而雷达系统则因为收到大量不相关的信息而过度运作,甚至可能根本无法收集到重要数据。为了妥善解决移动式雷达的量测问题,最理想的方法就是建立情境模拟技术。

情境架构模拟

使用模拟技术有助于消除干扰,确保准确的量测结果。工程师可轻松实现‘情境架构模拟’(SFS)技术,藉以排除测试时所遭遇的困难。SFS技术为使用者提供了解决方案,克服移动式雷达在效能量测过程中所面临的问题。如此不仅可减少开支,同时还可成功地提升准确度及效率。工程师可建立任何情境模型、进行量测和准确理解,以确保雷达系统在实际情境应用中表现优越的效能。情境架构模拟的优点包括:

  • 可任意建构不同系统模型,包括单基地(monostatic)地面系统、复合式多基地(multistatic)系统以及相位数组系统
  • 支持移动式雷达传输和接收平台及移动目标
  • 消除现场测试成本、提升效率以及缩短测试时间

设计挑战

设计先进雷达系统是一大挑战,有鉴于操作环境的复杂性,这些系统已无法仅使用传统的RF设计,而必须推出更多基带信号处理和数字信号处理(DSP)功能。在模拟复杂操作环境的同时,还必须考虑到基带、DSP、射频(RF)和天线系统之间互动的能力,是目前系统级工程方法面临的真正挑战。

此外,重要的是新系统提供操作差异化以及快速部署优势的能力。除了提供策略方面的优点,还带来经济上的优势,让企业得以快速部署系统,并发挥其最大潜在效能和性能。

雷达设计工程师需要一款有能力因应复杂操作环境的平台,以测试雷达接收器处理算法。透过模拟可达到这些要求,并可在实验室中进行测试。现场测试的庞大开支对于企业来说是一大负担。善用模拟,不仅可得到最准确的结果,同时还能以最经济有效的方式确保数据准确性。

解决方案:情境架构模拟

为了深入了解建置模拟技术的重要性,本文将简要说明其运作原理。由于雷达的类型不同、数目也不一致,因此必须借助一种通用的模拟工具以精确模拟所有情境。标准化模拟系透过基本假设来涵盖各种雷达测试。也就是说,不管是什么类型的雷达,信号总是从某些雷达系统发送出去,并经由自身或是其它雷达系统接收。SFS技术就是这类标准化模拟技术之一。

SFS设计

在设定测试装置的仿真架构时,必须考虑三个层:轨迹层、天线层,以及信号层(参见图1)。 轨迹层:确定所有接收器与发射器的3D位置、速度与加速度空间;使用雷达平台模型和雷达目标轨迹模型来计算轨迹。 天线层:追踪旋转姿态(俯仰、偏航、滚动)和波束成形方向;计算天线架构的方位角及目标仰角,求出最终天线增益。信号层:测量传统基带信号处理路径(MATLAB、HDL、RF模型);天线和发射/接收链(Tx/Rx)导致信号延迟、衰减与放大 20160922 Keysight TA31P1 图1:使用SystemVue软件进行情境架构仿真的示意图。模拟时可完整复制任何雷达使用情境,省去了昂贵的现场测试成本

雷达系统所接收到的信号包括来自发射器的信号、目标反射的回波或目标不同部位的散射信号。发射器和目标之间的距离,以及目标和接收器之间的距离,决定每个回波样本的延迟值,这最终决定了振幅衰减和都普勒(Doppler)效应。除了上述的参数之外,发射器和目标之间的位置以及天线主波瓣相对于天线载波的方向,决定了发射器的天线增益。这同样适用于接收器的天线增益。有了这一基本架构,工程师现在可以仿真任意数量的雷达系统。

量测

建立了各个不同的仿真层之后,工程师可以开始执行多种不同类型的先进雷达量测,从基本的频谱或信噪比(SNR),到侦测概率和假警报机率量测。图2显示若干不同类型的仿真图,工程师可产生各种详细的模拟视图。 20160922 Keysight TA31P2 图2:SystemVue模拟支持多种先进量测,包含侦测和假警报机率。透过这个程序,用户可解读任何干扰,以便成功地移除数据和结果中的干扰。

至此已清楚说明基本系统的设置以及此仿真方法的功能,接下来将以具体案例说明这种情境模拟可用于排除移动式雷达量测的有关难题。

克服干扰问题:建立仿真模型

只要将SFS的功能应用于实际模型,即可了解该技术的优点。例如处于下视(Lookdown)模式的空载雷达,周遭充满地表杂波,而操作人员希望模拟一个移动式平台,以便透过它来追踪移动目标。

在此情境中,如欲全面且准确地仿真设置,工程师必须考虑到诸多层面,包括地表杂波、目标雷达截面积(RCS),以及对手威胁使用的各种干扰/欺骗技术。进行量测时会有很多干扰存在。移动式雷达量测面临的主要问题就是杂波。地表杂波基本上指的是任何存在于陆地和海洋的地域杂波,它同时也是空载雷达处在下视模式时经常碰到的问题。为了充份解读杂波以及所有其他形式的干扰,必须精确地执行以下几种量测作业,以获得准确的结果:

  • 侦测概率的波形与频谱计算
  • 绘制距离都普勒平面(Range-Doppler Plane)的3D图
  • 估算距离和都普勒效应

建置模拟环境

设定模拟环境的第一步,是建构前面讨论的三个阶层。此平台的建置,系假设飞机以固定速度VT飞行,其初始位置LLA为经度R、纬度R和高度R。利用雷达平台发射器(Tx)模型,我们可以在图3所示的轨迹层定义发射器(Tx)和接收器(Rx)平台。目标模型也可以如法炮制。目标位置和速度可以用雷达目标模型进行设置。如果用户想要量测大量的目标物,这个模型也允许定义在同一目标多个部位的杂波。 20160922 Keysight TA31P3 图3:轨迹层和天线层设置

一旦信号层设置完成,如图4所示,接着就要考虑物理层设置。线性调频(LFM)信号是默认使用选项。也可以选用自定义波形,例如非线性调频(NLFM)或编码信号。在‘RF发射器’参数底下,有若干选项可用以产生数据,包含模拟/数字与跨域仿真结果。多种相位数组模型备选。各种侦测环境,例如目标雷达截面积(RCS)、杂波、干扰/欺骗都能在模拟时加以考虑。雷达信号处理算法,像是MTI或MTD,可用于模拟雷达接收器。 20160922 Keysight TA31P4 图4:信号层设置

结果

在这些层全数建立完成后,工程师可建立各种不同的量测,包括图5显示的量测,以便分析情境中的不同元素。综上所述,只要设置这三个层,即可形成物理层,并考虑侦测环境(杂波),即可执行适当的量测。所有形式的干扰均可解析,并精准地在此系统架构下仿真。这种可简化空载雷达量测作业的简易途径,不仅显示其功能强大,而且简便易用。这个例子可以模拟任意数量、各种类型的雷达情境;情境架构仿真的通用质量适用于测试各种雷达信号和操作情况。在基本架构实现之后,软件便可涵盖任何环境干扰并进行估算,进而获得精确的结果。

雷达情境模拟为设计和测试带来了重大挑战,特别是针对空载雷达。如今,透过这种新型的模拟途径可成功克服这些挑战。 20160922 Keysight TA31P5 图5:在建置平台后,使用者可调整和量测任何形式的干扰

为了节省开发时间与降低成本,最大关键在于模拟不同的雷达情境。这些情境可包括雷达信号产生与处理,环境效应、仿真平台和目标硬件特定参数。模拟全面部署环境的能力,带来了卓越的开发速度,并赋予各种雷达系统快速开发原型的能力。同时,藉由将测试从现场移进实验室,不仅省下时间和金钱,更提高了量测的准确度。

本文授权编译自EE Times,版权所有,谢绝转载

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