雷達接收機脈沖靈敏度測試

(陸軍工程大學石家莊校區，石家莊 050003)

0 引言

接收機是雷達裝備重要分系統，其主要完成微弱的目標回波信號的功率放大和頻率變換(通常為下變頻)。根據雷達方程，接收機能夠識別的最小信號功率直接影響雷達的作用距離。雷達能夠正常工作時的最小輸入信號功率即為接收機靈敏度，雷達接收機的靈敏度通常用最小可檢測信號功率來表示。當接收機的輸入回波信號大于某一電平，接收機就能正常接收而在輸出端檢測出這一信號，如果信號功率低于此值，信號將被淹沒在噪聲之中，不能可靠地檢測出來。因此雷達接收機的靈敏度受噪聲電平的限制[1]。對雷達裝備靈敏度進行測量能有效掌握接收機工作狀態，保證雷達正常工作，保持相關部隊戰斗力。

雷達接收機靈敏度，按靈敏度定義分為實際靈敏度和臨界靈敏度，按信號調制形式分為連續波靈敏度和脈沖靈敏度。針對不同雷達體制要選擇合適的測量指標才能準確反映接收機實際特性。目前，傳統測量方法為連續波靈敏度測量，針對的對象為非相參體制雷達接收機，且通常為連續波模式；近年來，全相參脈沖體制雷達裝備逐漸成為雷達裝備的主流，而接收機脈沖靈敏度測試也逐漸替代連續波靈敏度測量。

1 實際靈敏度與臨界靈敏度

雷達是基于信噪比的目標檢測裝備，能夠被雷達實際識別的最小回波信號功率稱之為實際靈敏度，即為了接收機輸出端的信號噪聲功率比為正常接收所必須的數值時，天線上信號源電動勢的最小有效值Esmin或信號源的額定功率Psmin。從信噪比角度分析，所謂“正常接收”是指終端設備以一定的概率發現目標和滿足測定目標坐標的精度。要能正常接收，則接收機輸出端信號噪聲功率的比值(So/No)必須不小于一定的數值[5]。

Pi=kT0BRI·F·M

(1)

式中,K=1×10-23為玻爾茲曼常數；T0=290 K；BRI表示接收機高、中頻部分的總通頻帶，F表示接收機的噪聲系數[2]，M為識別系數。

實際靈敏度與輸出信號的信噪比相關，不同雷達操作手判斷的標準不一，因此其為接收機靈敏度的非客觀表達。

國軍標[3]定義接收機線性輸出端的信號噪聲之比等于1，也即實際靈敏度表達式中識別系數等于1時的信號功率大小為臨界靈敏度，其表達式如下：

Pi=KT0BRIF

(2)

顯然臨界靈敏度數值不受操作手水平的影響，其為接收機靈敏度的客觀表達。

雷達接收機輸入端的最小可分辨功率通常只有微微瓦數量級(10-12～10-14W)，如此微弱的微波信號，用功率計測量是十分困難的，在工程上接收機靈敏度的測量不是直接測量接收機輸入端的最小可分辨功率，而是采用已知功率標準信號源，經過精密衰減后加入接收機的輸入端，保證輸出端信噪比為1∶1，此時信號源輸出的信號功率即為接收機的臨界靈敏度。

2 非相參雷達連續波靈敏度測試

臨界靈敏度表示接收機輸出端信噪比為1∶1時的輸入信號功率，根據定義非相參雷達連續波靈敏度通常采用等幅信號測試法，測量原理如圖1所示[8]。

圖1 非相參雷達接收機連續波臨界靈敏度測試框圖

靈敏度測試關注的為接收機的線性部分，標準信號源用于產生符合接收機正常工作時功率、頻率射頻微波信號；檢波器用于完成沒有視頻輸出端口的接收機輸出信號的包絡檢波，輸出視頻信號；指示器用于指示檢波器輸出的視頻信號，察看噪聲電平與模擬回波信號經接收機變換后的輸出。

標準信號源置于單頻、等幅輸出工作狀態，并調整其頻率到接收機中心工作頻率上，首先關閉標準信號源射頻輸出，調整接收機增益于適當位置，使指示器得到的噪聲電平指示值為A1；將標準信號源輸出一定的功率，并微調其頻率使指示值最大；調節信號發生器的輸出，使接收機輸出的噪聲電平指示值為A2，且使A2/A1的比值等效于功率比為2的數值；此時加到接收機輸入端的信號功率，即為雷達接收機靈敏度值。

連續波靈敏度測試時，輸入到接收機射頻輸入端的信號為連續波，但對于大多數工作于脈沖狀態下的接收機，連續波狀態沒有體現出接收機應有的工作狀態，尤其在輸入射頻信號帶寬、存續時間特性與接收機脈沖工作狀態要求明顯不符，難以反映脈沖雷達接收機實際工作狀態下的靈敏度。

其次，新型雷達通常采用全相參體制以保證雷達抗干擾效果，采用圖1方法進行測量時，信號源與雷達之間沒有實現相位同步，無法實現全相參體制的雷達接收機靈敏度測量。

另外，新型雷達裝備生產廠家通常在履歷書中給出脈沖靈敏度指標，針對以上情況，在雷達裝備接收機中脈沖靈敏度測試需求越來越明顯。

3 全相參雷達脈沖靈敏度測試

3.1 測試原理

新型雷達裝備通常工作于相參體制下的脈沖狀態，同時為了保證接收機的安全，本振信號也常工作于脈沖狀態，從接收機靈敏度的角度，接收機脈沖靈敏度更能準確地表達接收機接收微弱信號的能力。全相參脈沖體制雷達接收機脈沖靈敏度測試原理框圖如圖2所示[9]。

圖2 全相參接收機脈沖靈敏度測試框圖

微波信號源的工作狀態受到外部輸入控制信號脈沖同步、脈沖調制和相參基準的控制，脈沖同步主要實現微波信號源脈沖輸出延時時間控制，即雷達主觸發脈沖作為微波信號源的同步信號，在信號源中可設置延遲時間，從而模擬不同距離上目標的回波信號；脈沖調制實現微波信號源的脈沖狀態輸出，即將微波信號源設置在脈沖工作狀態，從而滿足雷達脈沖目標回波的模擬；相參基準控制微波信號源輸出微波射頻信號的起始相位，使得輸出微波信號與雷達不同重復周期主脈沖之間相位差固定，從而實現信號源輸出微波信號與雷達信號相參，此時微波信號源和雷達裝備構成一個完整的相參系統，實現全相參體制雷達回波的相參控制。與雷達接收機相參的微波射頻脈沖信號送入接收機，經接收機放大、混頻等處理后，經檢波器得到視頻信號，送脈沖示波器上進行輸出指示。

首先把微波信號源的輸出調至零，再調節接收機的增益控制，使接收機輸出端的噪聲電平符合雷達技術要求所規定的數值A1；其次，調節微波信號源的輸出電平，使信號和噪聲疊加后在示波器上顯示的數值為A2，且使A2/A1的比值等效于功率比為1。此時微波信號源的輸出電平即為接收機的脈沖靈敏度。

圖2所示的脈沖靈敏度框圖為信號源品質較好，功率穩定度、頻率穩定度、最小輸出功率準確度較高時的測試方案，當信號源品質一般則在連續波微波信號源與接收機射頻輸入之間串一高精度無源步進衰減器，信號源輸出固定功率為Pr射頻信號，調整精密衰減器衰減量為使示波器上的信號電平與噪聲電平相當，記衰減量為A，在不考慮通道衰減的情況下接收機的靈敏度計算公式為：

Psmin=Pr+A

(3)

3.2 測試實例

3.2.1 測試系統組成

某型雷達裝備接收機采用二次混頻全相參體制，工作在X波段，分為高頻接收機和中視頻接收機兩個部分。高頻接收機經一本振和二本振完成二次混頻下變頻，輸出固定中心頻率的中頻信號，其中一本振為掃頻本振其頻率隨射頻工作頻率變化而變化，二本振為固定頻率單頻信號。中視頻接收機完成中頻信號的功率放大和正交I、Q雙路鑒相。射頻回波信號經定向耦合器主通道進入接收機，接收機處理回波信號輸出I、Q兩路視頻信號，雷達系統同時提供10 MHz相參基準、發射觸發脈沖信號，包含測試激勵信號源和數字脈沖示波器指示器的測試系統基本框圖如圖 3所示。

圖3 全相參接收機脈沖靈敏度測試框圖

相參基準信號為該雷達裝備整機相位基準，其由10 MHz高穩定度晶振產生。發射觸發脈沖為雷達裝備的一個處理周期的時間零點，用以控制射頻回波脈沖時間延遲。

一本振為掃頻本振、二本振為固定頻率信號，設置8257D微波信號源工作頻率時，需根據雷達工作頻點計算一本振頻率，根據計算出的射頻回波頻率，從而保證高頻接收機輸出的中頻信號頻率保持固定。計算公式如下：

fr=f1+f2+fI

(4)

其中:fr為模擬射頻頻率；f1為雷達當前一本振工作頻點；f2為二本振頻點；fI為高頻接收機輸出中心頻率。

測試激勵器采用安捷倫8257D模擬信號源[6]，其工作頻率范圍為250 kHz～26.5 GHz，頻率分辨率0.001 Hz，可列表和步進掃描頻率和幅度，脈沖周期、脈寬和脈沖延時可調節。可提供連續波、掃描信號、模擬調制和數字調制四種基本工作模式，與全相參體制雷達脈沖靈敏度測試相關的功能包括：(1)支持外部提供的脈沖信號，作為脈沖或觸發輸入使用；(2)容納>-3 dBm 的外部時基參考輸入信號電平輸入，信號源檢測到存在有效的參考頻率信號后，自動從內部參考頻率操作切換到外部參考頻率操作；(3)支持外部觸發，輸出脈沖延遲可控功能。

測試指示器采用RIGOL DS1102E 100M數字脈沖示波器，其能有效顯示接收機輸出的I路或Q路視頻輸出信號，同時具備光標、自動測量和雙通道對比等功能。

3.2.2 測試過程

基于8257D微波信號源[7]和數字示波器的全相參體制雷達脈沖靈敏度測試流程及各階段的狀態判斷準則如圖4所示。主要步驟與要求如下：(1)根據全相參雷達脈沖靈敏度測試要求連接線路，這一過程中要注意選擇接頭形式、長度、適應頻率范圍(如X波段)合適的電纜，并記錄射頻連接電纜的衰減量；(2)安捷倫8257D和數字示波器加電，此時微波信號源8257D界面上顯示“EXT REF”,表示外部參考”，按雷達接收機工作頻率點設置輸出頻率，輸出功率設置在接收機正常工作范圍，即能夠在示波器上正常判斷回波的功率幅度；(3)設置脈沖觸發，按8257D上軟鍵“Pulse>Pulse Source>Int Triggered”選擇外觸發模式；(4)設置脈沖寬度與延時，按軟鍵“Pulse Width>1.5>usec，按Pulse Delay>40>usec”；(5)微波信號源輸出功率保持不變，微調8257D輸出頻率，使示波器上回波最大，從而保證微波信號源輸出射頻頻率與接收機工作中心頻率對準；(6)減小信號源功率，直到示波器回波信號與噪聲電平1:1，此時微波信號源輸出功率即為被測接收機的脈沖靈敏度。

圖4 脈沖靈敏度測試流程及各階段儀器狀態

測試過程中需要注意的問題主要包括：1)目標回波判定，雷達接收機工作時通常會受到外界電磁波的干擾，如何判斷示波器上顯示的回波信號是由8257D產生的模擬回波是至關重要的問題。可采用兩種方法一是只改變信號源輸出信號的延遲，回波距離主脈沖的距離隨著延遲的增大而增大，減小而減小；

雷達工作在某一頻點，按式設置8257D工作射頻頻率，在數字示波器上觀察中視頻接收機輸出波形如圖 5所示。

圖5 雷達工作在任意頻點時Q路輸出波形

可以看出，示波器中顯示了一個周期的信號，且顯示了兩種不同幅值的信號，一種是幅值較大的脈沖，另一種是幅值較小的脈沖。兩個等幅且幅度較大的脈沖為雷達主觸發脈沖，二者之間的時長為雷達脈沖重復周期；中間幅度較小的脈沖應該為模擬回波信號，但需要進一步確認。

上面提到幅值較小信號初步判定為射頻回波信號，需要通過控制變量進行驗證，當只改變信號源輸出信號的延遲或功率的前提下，對比并觀察現象。

將信號的延時分別設置為20、80微秒，觀察現象。

從圖 6可以明顯看出，當信號的延時改變時，回波距離主脈沖的距離也在增大。

圖6 不同延時下Q路輸出波形

另一種方法可通過改變信號源輸出信號的功率，通過改變功率，觀察中視頻接收機輸出信號幅度大小是否改變進行判斷，如所示。

8257D微波信號源輸出信號頻率不變，信號功率幅度分別設置為-35、-40 dBm，觀察現象。

從圖7可以明顯看出，當信號的功率改變時，回波信號的幅值是不同的，功率值越大，幅度越大。

圖7 不同功率下Q路輸出波形

通過控制兩個不同的變量，觀察現象，總結規律，可以得出以下結論：幅值較小的脈沖信號確實是信號源射頻模擬的目標回波。

2)測試數據處理，被測接收機輸入端有一個40 dB的定向耦合器、同時輸入射頻電纜有一定的衰減，這些因素均要考慮，具體的計算公式如下：

Smin=L1+L2+L3

(5)

其中:Smin為接收機脈沖信號靈敏度,單位：dBm；L1為信號源輸出功率指示值，單位：dBm；L2為雷達接收機輸入定向耦合器的耦合度,單位：dB；L3為專用測試電纜損耗單位：dB。

3.2.3 實驗結果分析

雷達接收機處于正常工作狀態，被測裝備接收機有32個工作頻點，選擇其中五個進行測試，得到的結果見表1。裝備脈沖靈敏度戰技指標為≤-105 dBm，可以看出測試結果符合裝備要求，表明了測試方法的有效性。

表1 接收機靈敏度數據處理表

L1為信號源輸出功率(dBm)；L2為定向耦合器(dB)；L3為射頻傳輸電纜損耗(dB)；Smin為靈敏度(dBm)。

4 結論

全相參體制脈沖雷達靈敏度是新型全相參脈沖體制雷達接收機的重要指標之一，對其進行準確測試是保證接收機正常工作的重要環節。本文介紹了該指標的測試基本原理，結合某型接收機進行了測試實例分析，給出測試組成的框圖、分析了測試過程和測試實施中的注意事項、判斷準則以及數據處理方法。其對新型雷達接收機靈敏度測試具有較強的參考意義。