实时频谱仪在雷达对抗中的应用

1. 雷达对抗测试概述

　　现在战争被专家称为电子战（EW）,而雷达对抗和雷达战是电子战中的重要部分，可常规雷达的体制一般为连续波雷达和简单的脉冲调制雷达，但是随着雷达信号侦察与反侦察，干扰与干扰，对抗与反对抗，现代雷达的体制也在不断发展，其雷达新技术新体制主要有：单脉冲雷达，频率捷变雷达，相位扩频编码雷达，超低旁瓣以及相控阵雷达等。还有毫米波雷达，合成孔径雷达，等离子雷达也是最近比较流行的雷达发展方向。在技术上的主要发展方向是多极化，超宽带，灵活的脉内调制，所以脉冲内部的调制越来越复杂，幅度，频率，相位都成为了变量，而脉内跳频和脉间的捷变频也用在了现代的雷达体制上面，这些新技术的运用，也使得工程师在雷达系统的研发、联调，以及雷达信号的侦察上面带来很大的挑战。在本文中，我们会论述如何使用实施频谱仪对复杂的脉冲进行实时捕获和全面分析。

2. 雷达信号的捕获

　　雷达信号的分类识别是电子干扰的一个重要方面,它利用检测设备截获敌方雷达信号来识别和分析它的信号特征以便干扰。雷达信号包络在信号变化时呈现出不同的瞬态信息,这些瞬态信息可用作雷达信号的识别依据,例如信号上升沿、下降沿的变化,顶部起伏,每个尖峰的位置,尖峰的相对幅度, 尖峰数, 脉宽和脉内调制信息。在电子侦察中,各种信号的密度越来越高, 调制方式越来越多样化,在没有任何先验先知的情况下,这种非合作信号的识别变得非常困难, 例如，在某一个特定战争环境通过对战区电子战的电磁信号测试，发现信号环境密度高达每秒120万～150万个脉冲。此外，通常在电磁辐射信号中，雷达信号和通信信号及其他各种电信号混杂在一起。如何发现和定位感兴趣的雷达信号是分析他的关键。
实时频谱仪独有的数字荧光显示技术（DPX），可以让你在复杂的环境中发现你感兴趣的信号，即使是同频干扰的信号也可以轻松的分辨出来。同时再利用实时频谱仪独创的频率模板触发技术设定频率和功率两维信息，将感兴趣的脉冲信号捕获下来，同时可以存储和进行相关的多域分析，使得可以同时在时域，频域，调制域里分析该信号，而且是时间关联的进行分析。认识到存在问题只是解决问题的第一步，发现问题――定位问题――分析问题，这样一个对未知信号分析的基本思路，在实时频谱仪中得到的充分的验证。

2． 1 DPX数字荧光显示技术－将信号的发现能力提高1000倍

　　数字荧光频谱技术的名字源于早期示波器和频谱分析仪中使用的传统阴极射线管(CRT)，它为查看动态RF行为及不频繁的短时间事件提供了一个工具。早期仪器中CRT显示器内采用的发光的荧光具有余辉特点，在CRT的电子束激活后会保持发光一段时间。得到的轨迹强度与电子束激活屏幕上某个位置的频度有关。早期仪器显示技术采用可变余辉CRT，可以调节轨迹的余辉或衰退时间。把余辉变成无穷大可以一直无限地看到单次事件。

　　　　图1：传统频谱仪显示的瞬态信号　　　　图2：实时频谱仪DPX技术显示的同一个瞬态信号

　　新研制的DPX?技术采用显示处理专利技术，仿真可变余辉CRT。实时频谱分析仪中采用的数字荧光频谱分析实现方案把显示处理专利技术与专用DSP硬件结合在一起，其执行频率变换的速度较传统频谱分析仪提高了几个量级。这种组合以一目了然的方式处理和显示空前数量的信息。每次变换的信息组合在DPX?引擎中，以全面的运动速率生成显示画面。DPX?引擎包括统计余辉处理，可以查看信号行为随时间变化的全部运动。它还可以立即显示强信号中的弱信号，突出显示不频繁的短时间事件。余辉调节允许用户针对变化的信号条件优化显示特点，从“实地RF”查看动态信号，到发现只发生一次的事件。这可以揭示传统频谱分析仪或矢量信号分析仪看不到的信号行为。然后再利用实时频谱分析仪触发该信号，把信号捕获到存储器中，在时域、频域和调制域中时间相关的分析该信号。在图上我们看到是用色温的方式显示的不同频度出现的二个信号，虽然这两个信号是在同一个频率上，但是由于出现的频度不一样，所以在屏幕上显示出不同的颜色，使得可以看到从未见过的信号出现在屏幕上。新一代实时频谱仪RSA6100A系列实时频谱仪的捕获速率为每秒48828次，也就意味着只要你观测的信号的持续时间超过了24μs,那么数字荧光技术将有100％的侦听概率发现该信号。对于雷达对抗的信号来说，使用该技术无疑可以提高对信号的识别概率。

　　　　　　图3：传统频谱仪观测的脉冲谱　　　　图4：相同的信号使用DPX技术频谱显示，可以发　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　现隐藏在大信号下面的小的泄漏信号

　　在上面的图上我们可以看到，由于传统频谱仪是采用超外差扫频的结构，在观测频谱的时候是依靠每次扫描保持显示的频谱来观测整个信号的频谱的，这样就很难发现瞬态的信号，这是由其原理决定的。其主要原因是SA在每次扫描期间。频率跨度中的每个频电只有很短的时间去检测，如果在该时间点调谐的地方之外的任何跨度区域发生的时间，将不能被检测和显示。而基于FFT的分析仪，包括矢量信号分析仪，还是会漏掉采集之间的时间内的信号。因为采集之间的时间越短，频谱更新的速度越快，可以检测任何信号的概率就越大。而新一带的实时频谱仪数字荧光显示技术使用了基于FFT算分析手段，专利的DPX硬件处理器具有超强的显示处理速度，对任何信号，只要其时长不超过24微秒，且位于实时带宽范围110MHz内，则DPX技术可以在自由运行的模式中100%的捕获该信号。RSA6100A系列通过每秒48828次的频谱变换速度实现了这种可能。
这里提到了实时频谱仪和传统频谱仪的原理的区别，在本文的后面，我们会专门介绍实时频谱仪的原理和传统频谱仪的原理的不同。

2．2 实时触发捕获技术－信号侦听能力的进步

－捕获瞬时脉冲
－捕获捷变频雷达信号
－捕获突发的干扰信号
　　当你知道在复杂的EW环境中有你感兴趣的信号，那下面的工作就是如何去捕获现实频谱背景中难以检测的雷达脉冲或频率异常事件。那如何能够高效率的捕获雷达信号呢？合适的触发功能是捕获特定信号最直接有效的手段。触发是通用测量仪器包括频谱仪中的一个很重要的功能，它是定位故障，发现问题，捕获干扰最直接有效的手段。就像我们用照相机拍照，当我们发现美景出现的一刹那，快速按动快门将景色记录下来，按动快门的那一刹那就是触发。随着技术的发展，雷达的信号变的越来越复杂，从过去的周期信号，到现在出现的频率捷变，瞬态信号，甚至单次脉冲信号。对于这些信号频谱的观测，只有使用触发，才能够确保稳定的，没有漏失的捕获信号。有效触发一直是大多数频谱分析工具中缺失的项目。实时频谱仪是第一个具备强大触发功能的频谱分析仪，除了简单的IF电平和外部触发功能外，它提供了实时频域触发和其它直观的触发模式。传统扫频结构的频谱仪只有简单的功率触发而且不适合实时触发，其原因有很多，但最重要的原因在于扫频频谱分析仪使用触发事件开始扫描，而实时频谱仪则使用触发事件作为无缝采集信号的时间参考点。这实现了许多其它有用的功能，如能够同时存储触发前的信息和触发后的信息。实时频谱仪的一个重要功能是实时频率模板触发(FMT)，允许用户根据频域中的特定事件触发采集。如图七所示，它画出一个模板，定义分析仪实时带宽内部将生成触发事件的条件集合。条件包括功率和频率双重信息。RTSA是唯一可以提供频率触发条件的频谱仪。灵活的频率模板触发器为可靠地检测和分析动态RF信号提供了一个强大的工具。它还可以用来进行传统频谱分析仪不可能完成的测量，如在存在强大的RF信号时捕获小电平瞬时事件，在拥挤的频谱范围内检测特定频率上的间歇性信号。

　　　　　　图5：实时频谱分析仪的频率模板触发器从接收机的70MHz IF可靠的捕获雷达
　　　　　　脉冲，其功率远远低于只在IF上方看到的下变频局部振荡器的(LO)泄漏。
　　　　　　绿色区域是为了仅仅捕获脉冲信号而设定的频率触发模板，在这里设定的
　　　　　　触发条件是只有当信号进入的黑色区域才会形成触发事件。我们看到脉冲
　　　　　　频谱已经超出了模板，满足了触发条件。图中使用的多域显示，除了频谱，
　　　　　　还有时域和解调域我们会在后面介绍多域观测的相关内容。

　　因为频率模板触发技术首次加入了频率信息做为触发条件，所以使得在脉冲分选和信号识别上的效率大大提高。频率模板触发技术是频谱分析技术的一个飞跃。在雷达工作中，瞬时脉冲回波通常远远低于其它附近频谱辐射的信号电平。这使得IF触发变得不可靠。但是，频率模板触发可以实时比较输入信号的频谱与用户定义的触发模板，检测到即使很弱的异常信号。可靠地找到脉冲非常重要。
　　捷变频雷达信号的测量再次验证了频率模板触发的功效。雷达研发工程师希望能测量出来频率捷变的变化时间是多少？这个参数是捷变频雷达的一个非常重要的指标，这个指标影响着捷变频雷达抗干扰能力的强弱。对于该指标的测试一直以来是一个测试难题，虽然你的实验室里已经堆满了各种各样的频谱仪，但是对于这个参数的测量是传统频谱仪无法实现的。过去您只能通过调制域分析仪来进行分析，但是调制于分析仪不能观测信号的频谱，另外调制于分析仪对于周期信号可以进行观测，但是如果该信号是突发的，如何捕获仍然是一个难题。
　　该信号就是一个典型的突发信号，何时产生由客户控制。在这里我们仍然使用频率模板触发技术，而我们的模板的触发条件换成有信号离开黑色区域才触发，也就是信号原来是在某一个频率上是存在的，当该信号突然偏离该频点，仪器就触发进行捕获。只有实时频谱仪外加频率模板触发可以做到这一点。捕获下来的信号，可以进行时间相关的测量分析（如下图6）