透過簡單易用的量測解決方案,可協助使用者降低產品風險及成本、提高系統效能,並可依照需求進行客製。本文探討可在單一架構中建立更完善跨域模型的替代模擬解決方案,讓工程師全面掌握現代雷達系統的效能。

艱巨挑戰:提高準確度並降低成本

移動式雷達的量測干擾,為雷達設計工程師和業者帶來艱巨的挑戰。簡單地說,在雷達系統中出現任何形式的干擾,導致接收器充斥許多不相關且干擾的雜訊或錯誤資訊。充斥過多無用資料的結果,導致工程師無法分析和量測所需的資料。而雷達系統則因為收到大量不相關的資訊而過度運作,甚至可能根本無法收集到重要資料。為了妥善解決移動式雷達的量測問題,最理想的方法就是建立情境模擬技術。

情境架構模擬

使用模擬技術有助於消除干擾,確保準確的量測結果。工程師可輕鬆實現‘情境架構模擬’(SFS)技術,藉以排除測試時所遭遇的困難。SFS技術為使用者提供了解決方案,克服移動式雷達在效能量測過程中所面臨的問題。如此不僅可減少開支,同時還可成功地提升準確度及效率。工程師可建立任何情境模型、進行量測和準確理解,以確保雷達系統在實際情境應用中表現優越的效能。情境架構模擬的優點包括:

  • 可任意建構不同系統模型,包括單基地(monostatic)地面系統、複合式多基地(multistatic)系統以及相位陣列系統
  • 支援移動式雷達傳輸和接收平台及移動目標
  • 消除現場測試成本、提升效率以及縮短測試時間

設計挑戰

設計先進雷達系統是一大挑戰,有鑑於操作環境的複雜性,這些系統已無法僅使用傳統的RF設計,而必須推出更多基頻訊號處理和數位訊號處理(DSP)功能。在模擬複雜操作環境的同時,還必須考慮到基頻、DSP、射頻(RF)和天線系統之間互動的能力,是目前系統級工程方法面臨的真正挑戰。

此外,重要的是新系統提供操作差異化以及快速部署優勢的能力。除了提供策略方面的優點,還帶來經濟上的優勢,讓企業得以快速部署系統,並發揮其最大潛在效能和性能。

雷達設計工程師需要一款有能力因應複雜操作環境的平台,以測試雷達接收器處理演算法。透過模擬可達到這些要求,並可在實驗室中進行測試。現場測試的龐大開支對於企業來說是一大負擔。善用模擬,不僅可得到最準確的結果,同時還能以最經濟有效的方式確保資料準確性。

解決方案:情境架構模擬

為了深入瞭解建置模擬技術的重要性,本文將簡要說明其運作原理。由於雷達的類型不同、數目也不一致,因此必須借助一種通用的模擬工具以精確模擬所有情境。標準化模擬係透過基本假設來涵蓋各種雷達測試。也就是說,不管是什麼類型的雷達,訊號總是從某些雷達系統發送出去,並經由自身或是其它雷達系統接收。SFS技術就是這類標準化模擬技術之一。

SFS設計

在設定測試裝置的模擬架構時,必須考慮三個層:軌跡層、天線層,以及訊號層(參見圖1)。 __軌跡層:__確定所有接收器與發射器的3D位置、速度與加速度空間;使用雷達平台模型和雷達目標軌跡模型來計算軌跡。 __天線層:__追蹤旋轉姿態(俯仰、偏航、滾動)和波束成形方向;計算天線架構的方位角及目標仰角,求出最終天線增益。 __訊號層:__測量傳統基頻訊號處理路徑(MATLAB、HDL、RF模型);天線和發射/接收鏈(Tx/Rx)導致訊號延遲、衰減與放大

20160922 Keysight TA31P1 圖1:使用SystemVue軟體進行情境架構模擬的示意圖。模擬時可完整複製任何雷達使用情境,省去了昂貴的現場測試成本

雷達系統所接收到的訊號包括來自發射器的訊號、目標反射的回波或目標不同部位的散射訊號。發射器和目標之間的距離,以及目標和接收器之間的距離,決定每個回波樣本的延遲值,這最終決定了振幅衰減和都普勒(Doppler)效應。除了上述的參數之外,發射器和目標之間的位置以及天線主波瓣相對於天線載波的方向,決定了發射器的天線增益。這同樣適用於接收器的天線增益。有了這一基本架構,工程師現在可以模擬任意數量的雷達系統。

量測

建立了各個不同的模擬層之後,工程師可以開始執行多種不同類型的先進雷達量測,從基本的頻譜或訊雜比(SNR),到偵測概率和假警報機率量測。圖2顯示若干不同類型的模擬圖,工程師可產生各種詳細的模擬視圖。

20160922 Keysight TA31P2 圖2:SystemVue模擬支援多種先進量測,包含偵測和假警報機率。透過這個程式,使用者可解讀任何干擾,以便成功地移除資料和結果中的干擾。

至此已清楚說明基本系統的設置以及此模擬方法的功能,接下來將以具體案例說明這種情境模擬可用於排除移動式雷達量測的有關難題。

克服干擾問題:建立模擬模型

只要將SFS的功能應用於實際模型,即可瞭解該技術的優點。例如處於下視(Lookdown)模式的空載雷達,周遭充滿地表雜波,而操作人員希望模擬一個移動式平台,以便透過它來追蹤移動目標。

在此情境中,如欲全面且準確地模擬設置,工程師必須考慮到諸多層面,包括地表雜波、目標雷達截面積(RCS),以及對手威脅使用的各種干擾/欺騙技術。進行量測時會有很多干擾存在。移動式雷達量測面臨的主要問題就是雜波。地表雜波基本上指的是任何存在於陸地和海洋的地域雜波,它同時也是空載雷達處在下視模式時經常碰到的問題。為了充份解讀雜波以及所有其他形式的干擾,必須精確地執行以下幾種量測作業,以獲得準確的結果:

  • 偵測概率的波形與頻譜計算
  • 繪製距離都普勒平面(Range-Doppler Plane)的3D圖
  • 估算距離和都普勒效應

建置模擬環境

設定模擬環境的第一步,是建構前面討論的三個階層。此平台的建置,係假設飛機以固定速度VT飛行,其初始位置LLA為經度R、緯度R和高度R。利用雷達平台發射器(Tx)模型,我們可以在圖3所示的軌跡層定義發射器(Tx)和接收器(Rx)平台。目標模型也可以如法炮製。目標位置和速度可以用雷達目標模型進行設置。如果使用者想要量測大量的目標物,這個模型也允許定義在同一目標多個部位的雜波。

20160922 Keysight TA31P3 圖3:軌跡層和天線層設置

一旦訊號層設置完成,如圖4所示,接著就要考慮實體層設置。線性調頻(LFM)訊號是預設使用選項。也可以選用自定義波形,例如非線性調頻(NLFM)或編碼訊號。在‘RF發射器’參數底下,有若干選項可用以產生資料,包含類比/數位與跨域模擬結果。多種相位陣列模型備選。各種偵測環境,例如目標雷達截面積(RCS)、雜波、干擾/欺騙都能在模擬時加以考慮。雷達訊號處理演算法,像是MTI或MTD,可用於模擬雷達接收器。

20160922 Keysight TA31P4 圖4:訊號層設置

結果

在這些層全數建立完成後,工程師可建立各種不同的量測,包括圖5顯示的量測,以便分析情境中的不同元素。綜上所述,只要設置這三個層,即可形成實體層,並考慮偵測環境(雜波),即可執行適當的量測。所有形式的干擾均可解析,並精準地在此系統架構下模擬。這種可簡化空載雷達量測作業的簡易途徑,不僅顯示其功能強大,而且簡便易用。這個例子可以模擬任意數量、各種類型的雷達情境;情境架構模擬的通用品質適用於測試各種雷達訊號和操作情況。在基本架構實現之後,軟體便可涵蓋任何環境干擾並進行估算,進而獲得精確的結果。

雷達情境模擬為設計和測試帶來了重大挑戰,特別是針對空載雷達。如今,透過這種新型的模擬途徑可成功克服這些挑戰。

20160922 Keysight TA31P5 圖5:在建置平台後,使用者可調整和量測任何形式的干擾

為了節省開發時間與降低成本,最大關鍵在於模擬不同的雷達情境。這些情境可包括雷達訊號產生與處理,環境效應、模擬平台和目標硬體特定參數。模擬全面部署環境的能力,帶來了卓越的開發速度,並賦予各種雷達系統快速開發原型的能力。同時,藉由將測試從現場移進實驗室,不僅省下時間和金錢,更提高了量測的準確度。