基于声体波延迟线的雷达抗地杂波改善因子测试方法

周文佳，慕德俊

（西北工业大学，陕西 西安 710100）

基于声体波延迟线的雷达抗地杂波改善因子测试方法

周文佳，慕德俊

（西北工业大学，陕西 西安 710100）

提出了一种基于声体波微波延迟线和上下变频技术模拟固定地物回波信号的雷达抗地杂波改善因子测试方法，以其设计并制作了用于雷达抗地杂波改善因子测试的目标模拟器。给出了传统抗地杂波改善因子测试方法和目标模拟器测试方法在两个典型雷达上进行的静、动态抗地杂波改善因子对比测试实例。结果表明使用目标模拟器的测试方法可以满足测试精度要求，且与传统测试方法相比，具有适用范围广，对测试场地、设备要求低，操作简便等优点。

抗地杂波改善因子；雷达；声体波微波延迟线；声传播损耗；相位噪声；检测概率

在地面雷达系统中，抗地杂波改善因子（以下简称改善因子）是一项重要的指标，它表征了一个系统在强地杂波背景中检测动目标的能力。

严格的改善因子测试是一项比较复杂的工作，对场地和设备条件要求比较高。首先要求在测试场地附近要有铁塔等比较孤立的地物。近年很多雷达生产厂家原先测试场周边的测试铁塔都被建筑物遮挡了，不得不花大量的经费和时间租用专用测试场地进行测试。其次，对于复杂波形体制的雷达，还需要专门研制可以模拟该雷达复杂波形的高频模拟信号源或购买价格昂贵的可编程矢量微波信号源，并且这些设备除了要在前期对需要模拟的各种复杂波形进行事先编程存储外，实际使用时还需要另外的脉冲同步设备和相位同步设备来配合使用，操作比较繁琐。

本文提出了一种用声体波微波延迟线和上下变频技术模拟固定地物回波信号的改善因子测试新方法，根据该方法制作了用于雷达抗地杂波改善因子测试的目标模拟器，其不需要专用的测试铁塔和昂贵的矢量微波信号源，也不需要连接定时和相位同步设备。在两个典型雷达型号产品上进行的动、静态改善因子测试结果表明，相比传统的测试方法，这种新方法不仅能够满足测试精度，还具有适用范围广，对测试场地和测试设备要求低，操作简便等优点。

1 改善因子的传统测试方法

在雷达系统中抗地杂波改善因子是指动目标接收通道滤波器输出的动目标信号功率与地杂波功率之比，除以输入端的动目标信号功率与杂波功率之比所得的商[1]。

式中：I为改善因子；S0为输出端目标信号功率；C0为输出端的杂波功率；N0为输出端的噪声功率；Si为输入端目标信号功率；Ci为输入端的杂波功率；Ni为输入端的噪声的功率。

国军标GJB-887推荐的典型的改善因子测试方法（简化）是：首先选择一个孤立地物（通常是测试铁塔）；用高频信号源产生动目标模拟信号。在被测试雷达的动目标检测通道前端，比较地物产生的地杂波信号与高频信号源产生动目标模拟信号的幅度，并通过调节高频信号源输出电平，使两个信号的幅度相等；然后在动目标检测通道后端，观察地杂波信号与动目标模拟信号的幅度，并通过降低高频信号源输出，使动目标检测通道后地杂波信号与动目标模拟信号的幅度相等。此时高频信号源输出电平的变化量就是改善因子的测试值。

改善因子的测试分为静态测试和动态测试。天线波束固定指向被测地杂波时测得的改善因子为静态改善因子，常用于跟踪雷达。天线波束以正常工作转速扫描被测地杂波时测得的改善因子为动态改善因子，常用于搜索雷达。

随着雷达动目标检测能力的不断提升，改善因子指标也不断提高，现代雷达又普遍采用复杂波形体制，改善因子测试困难的问题越来越突出，需要一种测试简便、精度满足要求的测试设备和方法。

2 基于声体波延迟线的改善因子测试方法

近年来，人们开始尝试用微波延迟技术产生模拟的地杂波和动目标回波，用于改善因子的测试。其中声体波微波延迟线（以下简称声体波延迟线）是一种体积小、质量小、稳定性好、无色散的微波延迟器件[2-3]。将声体波延迟线的微波延迟特性应用在雷达系统中，可以模拟固定地物产生的雷达回波，用于雷达的距离零点的标定和相关项目的检测。但由于声体波延迟线的工作频率不够高，高频率下延迟时间也不够长，且只能模拟固定目标产生的回波，因此不能直接用于雷达改善因子的测试。

为了扩宽声体波延迟线的工作频率范围，延长声体波延迟线的延迟时间，可以采用上下变频技术，用下变频器、声体波微波延迟线、放大器、上变频器和微波频率源等一起构成微波延时电路，并用其产生的模拟固定地物和动目标回波进行改善因子测试。

2.1 微波延时电路

微波延时电路的工作原理是将输入的微波信号下变频到声体波延迟线工作的频率，然后经过声体波延迟线延时，再经过上变频器变频到与输入微波信号完全一致（也可以根据需要有差别）的频率上。微波延时电路的组成原理如图1所示。

图1 微波延时电路的组成原理框图Fig.1 Composition principles of microwave delay circuit

设微波输入信号为fRFin，微波频率源给下变频器提供的本振信号为fLO1，下变频器的输出信号为fIF，根据下变频器的工作原理，有公式

设微波频率源给上变频器提供的本振信号为fLO2，上变频器的输出信号为fRFout，根据上变频器的工作原理有公式

将公式(2)代入公式(3)，则有公式

从图1和公式(2)可以看出，下变频器的输出信号fIF就是声体波延时线的输入信号。当输入的微波信号fRFin频率改变时，只要跟随着改变微波频率源给下变频器的本振信号fLO1的频率，就可以保证下变频器的输出信号fIF频率不变，这样就可以在输入微波信号fRFin很大的频率范围内，始终保持声体波延迟线工作在最佳频率上，大幅度扩展了声体波微波延迟线的工作频率范围。

从公式(4)可以看出，如果fLO1=fLO2，则fRFout=fRFin。即如果微波频率源给下变频器和上变频器提供的本振信号fLO1和fLO2频率相等，则微波延迟电路输出信号的频率就会与输入信号的频率完全一致。因此，只需要微波频率源给下变频器和上变频器提供的本振信号为同一个的信号（如图1中开关转到“固定”位置），这时上变频器输出的信号与原输入的微波信号的频率相等，并有确定的相位关系，所产生的就是模拟固定地物回波信号。

从公式(4)还可以看出，如果fLO2不等于fLO1，则fRFout与fRFin之间就存在一个频率差fLO2-fLO1，该频率差就相当于目标径向运动速度产生的多普勒频率。因此，如果微波频率源分别给下变频器和上变频器提供两个本振信号（如图1中开关K转到“活动”位置）。所模拟的就是活动目标回波信号。通过改变微波频率源给上变频器提供的本振信号fLO2的频率，就可以得到测试所需的具有不同多普勒频率的动目标回波信号。

2.2 声体波目标模拟器

在微波延时电路的基础上，设计的声体波雷达目标模拟器（以下简称声体波目标模拟器）其主要由天线、微波延迟模块、微波频率源、可变衰减器和电源等组成。声体波目标模拟器的组成框图如图2所示。

图2 声体波目标模拟器组成框图Fig.2 Frame of body acoustic wave target simulator

为了缩小体积、减少干扰、便于调试和维修，将微波延时电路中的声体波延迟线和变频部分组装在一个模块（微波延迟模块）中，微波频率源及控制电路组装在另一个模块（微波频率源模块）中。

天线采用收发双天线的方式，因为如果采用收发共用天线，就需要用到环行器，而环行器的带宽有限，不能在大的频带范围内使用。另外，采用收发双天线的方式，也有利于在一些特定的雷达系统中，使用微波同轴电缆直接从雷达馈线系统的发射支路的定向耦合器取信号，并将延时后的模拟信号从馈线系统的接收支路定向耦合器灌入接收系统。

微波可变衰减器可以调节声体波目标模拟器输出的固定目标回波和活动目标回波的功率电平，并且其输出功率电平的变化量可以通过可变衰减器的刻度读出，因此可以用其进行雷达改善因子的测试。

2.3 改善因子测试需要考虑的问题

由于用声体波目标模拟器可以模拟固定地物和活动目标产生的回波，因此，理论上可以用其进行改善因子测试。但实际产品设计时，还需要考虑许多问题。

2.3.1 声体波延迟线插入损耗控制

要用声体波目标模拟器进行改善因子测试，就需要声体波目标模拟器产生的模拟固定目标信号的信噪比要足够高。否则会影响到所模拟目标的真实程度，并影响改善因子的测试精度。因为噪声信号就相当于在固定目标的信号上叠加了动目标的成分。

为了保证模拟固定目标信号的信噪比，应尽量降低声体波延迟线的插入损耗。

声体波微波延迟线的插入损耗包括输入输出换能器的结合层损耗、反射损耗、转换损耗、衍射损耗和声传播损耗。

结合层损耗可以通过选用与传声介质声阻抗相匹配的金属材料作为底电极来降低结合层损耗。

反射损耗是由于压电薄膜换能器阻抗与外部接入系统的阻抗不匹配造成的，需要采用匹配网络来使换能器匹配于系统，减小反射损耗。

衍射损耗可以在设计时使归一化延迟时间处于菲涅尔区，避免产生衍射损耗。

声传播损耗与所选用的介质材料、延迟时间和工作频率有关[4]。它们之间的关系如公式

式中：Lt为声传播损耗；α为传声介质的传播损耗因子；f为工作频率；T为延迟时间。

由公式(5)可以看出延迟时间越长，工作频率越高，声传播损耗就会越大。因此声体波延迟线的工作频率不能过高，延迟时间不能过长。

2.3.2 声体波延迟线延迟时间选择

雷达系统内部都有防止近距离目标造成接收机饱和的近程增益控制电路[5]（STC电路），它将近距离目标产生的回波大幅度衰减。而改善因子测试时需要模拟回波的幅度必须满足测试指标的要求。为了减少近程增益控制电路对模拟回波信号的衰减，微波延时电路的延时时间应该足够避开雷达近程增益控制电路的影响。但由公式（5）可知，声体波延迟线的延迟时间越长声传播损耗就会越大，因此声体波延迟线的延迟时间也不能太长。

由于本方案设计的目标模拟器将用于多个雷达型号产品的测试，经过综合考虑，选择声体波延迟线的延迟时间为20 μs（相当于3公里处目标产生的回波），可以满足几种以上雷达的测试需求。

2.3.3 声体波延迟线工作频率选择

由公式（5）可知，声体波延迟线的声传播损耗与工作频率平方成正比，工作频率越高，声传播损耗就会越大。但是，工作频率不能选得过低，过低的工作频率会影响声体波延迟线的带宽指标，不利于微波延迟电路的后续使用。

上一节中延迟时间已经被限定为20 μs，考虑到整个声体波延迟线插入损耗的设计余量，本方案选定声体波延迟线的工作频率为1.5 GHz。在此频率下，可以保证整个20 μs延迟线的插入损耗小50 dB，工作带宽可达200 MHz。

2.3.4 频率源相位噪声的控制

微波延迟电路在整个变频过程中，频率源的相位噪声会直接影响到信号的还原质量，从而影响到改善因子的测试精度。

为了既保证改善因子的测试精度，又考虑到微波频率源在各工作频段可以比较容易达到的相位噪声水平，本方案要求频率源在各频段内的相位噪声必须满足国军标推荐的要求，如表1。

表1 微波频率源相位噪声指标要求Tab.1 Phase noise index of microwave frequency source

2.3.5 电源纹波的控制

由于电源的纹波会影响微波延时电路的相位噪声，因此需要对电源的纹波进行严格控制。本方案中目标模拟器的供电采用整流电源和电池双供电方式。在进行改善因子测试时，需采用电池供电。

2.4 测试精度分析

2.4.1 影响改善因子测试精度的因素

雷达系统的改善因子与天线扫描、发射接收系统的稳定度、接收机的动态等多种因素有关。系统总的改善因子指标要受各分项改善因子指标共同限制[6]。其关系如公式

式中：I为系统总的改善因子；I1、I2、I3等为各分项改善因子。由公式（6）可以看出，系统总的改善因子I的值总是小于任一分项改善因子。

用声体波目标模拟器产生改善因子测试用的固定地物回波，就相当对于在被测试雷达系统中增加了一个分项改善因子Is的环节，如公式

从公式（7）可以看出声体波目标模拟器分项的改善因子Is越大，对被测试雷达系统的总改善因子I的影响就越小。因此，要保证改善因子的测试精度，就需要声体波目标模拟器分项的改善因子Is足够大。而影响声体波目标模拟器改善因子Is的主要因素是声体波目标模拟器的稳定性，包括电路的噪声、动态范围、频率源的稳定性、电源的纹波等。

2.4.2 保证改善因子测试精度的措施

声体波目标模拟器的稳定度，主要通过对微波延迟模块各环节工作点、插入损耗和放大量的匹配设计，以及对微波频率源的相位噪声和电源的纹波控制来保证，并可以通过相位噪声指标来体现。相位噪声与改善因子之间存在对应关系[6]如公式

式中：k是与雷达信号处理方式有关的系数；SΔΦ为相位噪声功率谱密度；fm为相位噪声对载频的调制频率（偏离载频的频率）；T为雷达发射脉冲重复周期；t为发射脉冲与回波脉冲之间的时间。

理论上只要知道声体波目标模拟器的相位噪声水平，就可以知道模拟器的分项改善因子的值Is，也就可以知道该模拟器对被测试雷达系统的改善因子I产生了多大的影响。但是由公式（8）中可以看出，相位噪声与改善因子的关系与被测试雷达的体制和参数有关，无法给出适合于各种雷达的统一对应关系。为了保证被测试雷达系统的改善因子测试精度，可以根据实际经验和声体波目标模拟器设计能够达到的相位噪声水平，给出一个远高于改善因子测试要求的相位噪声指标，使声体波目标模拟器分项改善因子Is远大于被测试雷达的改善因子指标要求，就可以保证被测试雷达的改善因子测试精度要求。

本方案中，要求声体波目标模拟器的相位噪声要比被测试雷达的改善因子指标大40 dB以上。

声体波目标模拟器相位噪声测试方法见图3。

图3 声体波目标模拟器相位噪声测试框图Fig.3 Phase noise test frame of body acoustic wave target simulator

在声体波目标模拟器的输入端，用微波信号源输入连续波信号，该输入信号的相位噪声指标应远大于声体波目标模拟器相位噪声要求的指标（要求大10 dB以上）。在声体波目标模拟器的输出端，用频谱分析仪测试输出信号的相位噪声。

2.5 声体波目标模拟器改善因子测试方法

用声体波目标模拟器进行不同收发形式的改善因子测试的框图如图4和图5所示。

图4 采用天线收发的改善因子测试框图Fig.4 Improvement factor test frame with antenna

图5 采用微波电缆收发的改善因子测试框图Fig.5 Improvement factor test frame with microwave cable

用声体波目标模拟器进行改善因子测试的方法与国军标GJB——887推荐的方法基本相同，只是用声体波目标模拟器产生的模拟固定地物回波代替了测试铁塔等固定地物产生的回波，用声体波目标模拟器产生的模拟活动目标回波代替了高频信号源产生的活动目标回波。声体波目标模拟器只需架设在雷达附近数十米处（所需要的距离只要达到雷达天线远场条件即可），或用微波电缆直接与雷达收发系统相连接，且不需要脉冲和相位同步设备，对测试场地要求很低。设备关系简单，操作非常方便。

由于声体波目标模拟器可以产生各种多普勒频率的回波，因此声体波目标模拟器还可以模拟云雨等产生的气象回波，并用其进行雷达抗气象杂波改善因子的测试。测试原理和方法与抗地杂波改善因子的测试基本相同。

3 实际对比测试

在某型跟踪雷达、某型搜索雷达和某型侦察雷达上，使用声体波目标模拟器与在某基地的测试铁塔进行了静态改善因子对比测试和动态改善因子对比测试。其中利用测试铁塔进行某搜索雷达动态改善因子测试的框图如图6。

图6 某雷达利用地物进行动态改善因子测试框图Fig.6 Dynamic improvement factor test frame of the radar with the feature

该型雷达采用复杂波形信号形式，需要使用矢量微波信号源编程产生与该雷达波形编码一致的微波信号。为了保证矢量微波信号源产生的微波信号与被测试雷达的频率一致，需要在雷达频率综合器中引出了10 MHz基准信号来同步矢量微波信号源的频率。另外，为了能使矢量微波信号源产生的模拟动目标信号能够置于铁塔回波附近无杂波处。需要用脉冲信号源控制模拟动目标信号的位置。

利用地物进行动态改善因子测试的方法为（简化）：雷达天线扫描，寻找一个检测概率接近50%的孤立地物目标，然后停止扫描，手动使天线指向该目标，并用示波器记录此时该地物回波的输出电平L1；雷达关发射机，调节微波信号源输出频率使其与雷达的工作频率相差一个多普勒频率fd；调节信号源输出电平，使其在示波器上记录的输出电平与铁塔回波的输出电平L1相等，记录此时的微波信号源输出电平Lfo；降低微波信号源输出电平，使其处于检测概率接近50%状态，在示波器上记录此时微波信号源的输出电平Lfd；设置不同的多普勒频率进行多次测试，取得平均值Lfdav。则该搜索雷达动态改善因子=Lfo-Lfdav。

该方法最大的问题是寻找一个检测概率接近50%的孤立地物目标非常困难，需要通过选择雷达阵地的位置来满足测试要求。

使用声体波目标模拟器进行动态改善因子测试框图如图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，山东威海人，博士研究生，研究方向为无线自组织网络和雷达组网，E-mail: zhouwj1986@163.com 。

时间：2016-08-03 22:36

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