信号采集与实时频谱分析仪在雷达对抗中的应用

hoaryleq

雷达对抗和雷达战是电子战中的重要部分，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， 随着雷达信号侦察与反侦察，干扰与抗干扰，对抗与反对抗，现代雷达的体制不断发展， 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， 等离子雷达是现在雷达发展方向。

技术上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。

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为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,使得可以同时在时城,频域,调制域里分析该信号,并分析时间关联。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,这是一个对未知信号分析的基本思路,在实时频谱仪的使用中得到的充分的验证。

数字荧光显示技术

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。

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实时余辉引擎中,以全面的运动速率生成显示画面。实时余辉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。在信息现实中，余辉显示使用色温的方式显示的不同频度出现的两个信号,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。创远信科新一代实时频谱仪T8212M的捕获速率为每秒上百万次，观测信号的最短持续时间可达1 us,提高了信号的识别概率。

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。其主要原因是频谱分析仪在每次扫描期间其频率跨度中的每个频点只有很短的时间去检测，如果在某一时间点调谐并处理的所对应的频段未有信号，但其他频段区域有信号发生,该信号将不会被检测到，从而也无法显示出来。而基于 FFT 的分析仪,包括矢量信号分析仪,如果只是采用时间片处理的方式，还是会漏掉未采集时间内的信号。采集速率越高,频谱更新的速度越快,可以检测任何信号的概率就越大，但仍无法满足信号的无缝分析显示。而新一带的实时频谱仪数字荧光显示技术使用了基于无缝FFT运算分析手段，同时为保证信号功率的有效性，将信号帧进行时间上的叠合，即所谓的Overlap FFT技术，保证了信号频谱分析的实时性。

实时触发捕获技术——信号侦听能力的进步

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技术项目。实时频谱仪具备强大的触发功能,除了功率电平和外部触发功能外，它还提供了实时频域触发和其他直观的触发模式。传统扫频结构的频谱仪只有简单的功率触发功能，一般不具备实时触发功能，其原因在于扫频频谱分析仪使用触发事件启动扫描，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，从而可以实现许多数据采集功能,比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,允许用户根据频域中的特定频率/功率事件进行触发采集。用户可以手动或自动画出一个频谱模板,定义实时分析带宽内触发事件的条件集合，实时频谱分析仪将根据设定的条件进行触发动作，从而完成特定信号的捕获。频谱模板触发条件包括功率和频率双重信息，极大丰富了触发场景，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。因为频率模板触发技术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他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，可以检测到很微弱的异常信号。

脉内信息的分析

现代雷达脉冲调制越来越复杂，除了简单的脉冲调制以外，现在应用的复杂调制方式有脉冲压缩调制，脉冲压缩相位编码调制，线性相位等。对于这些复杂的脉冲调制分析以往没有简便的手段使用一台设备就可以解决。传统上，测试测量行业一直未能提供完善的脉冲测量软件，这就迫使许多雷达工程设计人员创建复杂的自定义测试解决方案。实时频谱分析仪与脉冲测量套装软件相结合，为通过在一台测试仪器内进行雷达脉冲测试和分析提供了最完善的解决方案。实时频谱分析仪的功能使其能够分析和显示超出其他测试设备的信号细节。雷达对抗和信号侦察的雷达参数很多，如峰值功率，开关比，纹波，相位信息，频率信息等等。峰值功率用来衡量脉冲中的最大瞬时功率电平。功率衰落、脉冲顶部幅度和过冲也是相关因素。电子侦察专家有时会仔细考察这些特点，因为它们提供了与雷达质量有关的其他信息。

脉冲信号的时频分析

在电子侦察中，对非合作脉冲信号的分析首先从功率和频率测量开始，这是两个必须测量项。传统频谱分析仪可以测量脉冲信号频率，但峰值功率需要采用专门的峰值功率计来测量。传统频谱仪在测量雷达信号频率的时候需要被测雷达信号保持稳定并且具有周期性，也就是说传统频谱仪很难分析瞬时单脉冲雷达信号，而在复杂的电子雷达对抗环境中，稍纵即逝的单脉冲信号显得非常重要。为什么传统频谱仪只能观测稳定周期的雷达信号呢，因为对于瞬态的雷达信号来说，他的频谱不是一个稳定的频谱，不能用扫频仪重建出来显示，而实时频谱仪利用高速ADC进行采集并实时进行快速傅里叶变换，使得每一个脉冲的频谱可以呈现，从而可以针对每一个特定的脉冲进行全面的分析。

实时频谱仪不但可以观测频谱，同时还可以进行时间相关的多域观测，这样就方便的测量峰值功率，脉冲宽度，脉冲重复周期，以及频谱都参数。以往的传统频谱仪只有一个窗口即只能进行频域观测。而对于脉冲宽度，和脉冲重复周期这样和时间直接相关的参数是无法直接测量的。这里又一次提到了时间相关多域观测，那么看看是什么时间相关多域观测。一旦信号已经采集并存储在内存中， 可以使用RTSA中提供的各种时间相关视图分析信号，这些测量都基于同一套底层时域样点数据，其突出表现出两大结构优势：（１）在频域、时域和调制域中，通过一次采集进行全方位信号分析。（２）多域相关，了解频域、时域和调制域中的特定事件怎样在公共时间参考上相关。

脉内相位信息分析

相位信息是现代雷达的一个重要参数，在频率资源充分利用的今天，在相位上做文章成为雷达发展的一个趋势。比如扩频雷达中相位编码的使用，各种相参雷达等。对于RTSA来说，不但可以看到不同的相位调制波形，而且还可以直接观测BPSK数字调制的星座图眼图，和码表图。对于数字信号的解调功能，实时频谱仪完全可以替代VSA（矢量信号分析仪）， 而VSA确不具备RTSA的实施捕获和触发功能。

实时侦察和记录功能

在真正的作战环境中，常常需要长时间的监视并记录空中信号。实时频谱仪有较大的内存空间可以记录信号，但是对于信号侦察工作来说，可能还远远不够。 RTSA的实时IQ输出功能特别适合信号的侦察记录工作，他可以允许直接将IQ输出的信号记录在高速硬盘上进行长时间的记录。对于瞬态雷达信号的发现和捕获，复杂脉冲的调制分析这样的一些功能是传统仪器很难做到或者同时做到的。独特的雷达脉冲测量分析软件也让雷达信号的常规分析变的更加简便。现代雷达技术的发展迅猛，各种数字新技术和软件无线电技术也应用到雷达系统中。雷达宽带数字接收机和数字侦察接收机的出现使得传统的超外差窄带接收机相形见绌。而频谱仪的发展也如同雷达接收机的发展一样，实时频谱仪正是使用了宽带数字接收和软件无线电的原理，特别适合当前的技术发展需要，实时频谱测试技术是频域测试的一个重要的发展方向。