精準剖析雷達預警接收器：運用先進觸發技術實現多通道脈衝特性分析
- Sonya Chan
- 9月21日
- 讀畢需時 6 分鐘
電子戰與航太防禦的挑戰
在現代電子戰（Electronic Warfare）與航太防禦領域，雷達預警接收器 (Radar Warning Receiver, RWR) 扮演著不可或缺的角色，它負責即時偵測、識別並定位潛在的雷達威脅，為飛行器提供關鍵的生存保障，然而，在充滿複雜電磁訊號的真實環境中進行研發與驗證是一大挑戰，工程師不僅需要處理來自多個發射源的脈衝訊號，還必須在強烈的干擾下，精準擷取目標訊號並分析其關鍵參數，特別是攸關尋向 (Direction Finding, DF) 精準度的相位差，如何在動態且充滿干擾的場景中進行可靠的量測，成為了驗證 RWR 效能的核心難題。
運用先進觸發技術進行多通道脈衝分析，實現雷達預警接收器的特性分析
在分析尋向 (DF) 情境時，相位差是決定其效能的關鍵參數，為了對 DF 設備進行完整的特性分析，必須在量測方位角等其他參數之前，優先確定相位差，透過 R&S®VSE-K6A 多通道脈衝分析軟體，並搭配 Rohde & Schwarz 示波器，即可運用其先進的觸發能力，即使在充滿挑戰的複雜訊號環境中，也能精準完成相位差的量測。
測試任務
雷達預警接收器 (RWR) 通常由多個接收器組成，透過整合分析這些接收器的訊號來確定傳入雷達脈衝的方位，一般而言，結合的接收器數量越多，方位角的角度準確性就越高。
所使用的尋向 (DF) 方法可能因應用的不同而異；常見的方法包括抵達時間差 (Time Difference of Arrival, TDOA) 和相關干涉儀 (Correlative Interferometer)，無論採用何種方法，在研發階段的量測都需要一個相位同調接收器，用以量測接收器之間的相位差，在開發過程中，通常會在理想條件下量測接收器的效能，同時也經常在更嚴苛的動態情境中進行驗證。
Rohde & Schwarz 解決方案
R&S®RTO 和 R&S®RTP 示波器是專為時域分析設計的儀器，其輸入通道可進行時間同調的訊號擷取，針對量測設置中可能由傳播延遲差異所造成的潛在偏移 (Skew)，該機種提供了補償校正功能 1)，此外，儀器具備的先進觸發能力可用於精確隔離特定事件，並進行更深入的分析，以下我們將說明一個具挑戰性的測試情境，並展示示波器作為強大除錯工具的卓越功能。
量測設置
此設置包含用以模擬 X 頻段 (8 GHz 至 12 GHz) 情境的 R&S®Pulse Sequencer 軟體，以及一台提供所需訊號的雙通道 R&S®SMW200A 向量訊號產生器，分析工作則由 R&S®RTP 示波器搭配 R&S®VSE 向量訊號分析軟體來執行，為了展示相位差的量測，我們僅模擬 RWR 的兩個天線，它們被設置在一架飛機的兩側翼尖，從左舷到右舷相距 11 公尺，此外，為簡化模擬的複雜度，所有物件皆設定在相同的高度，使座標僅保留兩個自由度（例如東向與北向座標）。
真實情境通常不是靜態的，RWR 必須應對各種動態變化的場景，本範例的情境包含一個移動的發射器（產生變動的振幅）和一個固定的發射器，而 RWR 本身則保持靜止，圖 1 和圖 2 顯示了由 R&S®Pulse Sequencer 產生的空間配置，一架在 X 頻段運作的空中雷達（巡邏機）追蹤 RWR，並從其側面橫向飛過。
同時，場景中還有另一部在 X 頻段運作的地面雷達，其在 RWR 輸入端的功率位準與空中雷達相近，這第二部雷達在 RWR 分析中扮演著干擾訊號的角色。
來自地面雷達的脈衝，其脈衝重複間隔 (Pulse Repetition Intervals, PRI) 和功率位準與空中雷達的脈衝相似，地面雷達的訊號在左舷接收器端較弱，在右舷接收器端較強；而空中雷達的功率位準則在左舷接收器達到最大值，隨著飛機飛越 RWR 時逐漸減弱，然後在右舷接收器端回到最大值。
在 DF 情境中，確定相位差是首要任務，若僅對 R&S®RTP 示波器接收到的兩個訊號進行簡單的觸發，畫面將呈現一個相當混雜的視圖（如圖 3 所示）。
示波器顯示了兩個接收器都收到的 5 μs 持續時間的脈衝，以及一個間歇出現的 1 μs 訊號，該訊號隨機分佈在 5 μs 訊號周圍，事實上，這些都是透過 R&S®Pulse Sequencer 軟體所模擬的預設參數值。
類型 | 脈衝持續時間 | PRI | 調變 |
巡邏機 | 1 μs | 100 μs | 無 |
地面雷達 | 5 μs | 20 μs | Barker 13 |
如前所述，來自地面雷達的脈衝出現頻繁，不應被納入分析範圍，模擬的飛機移動範圍涵蓋 3 公里，以 400 m/s 的速度飛行，完成單程飛行約需 7.5 秒，在這段時間內，預計會接收到約 75,000 個來自飛機的脈衝，試圖在單次擷取中涵蓋 7.5 秒的訊號並不可行，因為這將需要 2 × 40 Gsample/s × 7.5 s = 600 Gsample 的記憶體，因此，設定一個能夠在時域中精確隔離出 1 μs 脈衝的觸發條件，是必要的處理步驟。
觸發條件
詳細的觸發條件在應用卡「Trigger on radar RF pulses with an oscilloscope」(PD 3609.2000.92) 中有深入說明，透過以下描述的觸發設定，可以有效隔離來自巡邏機的脈衝：
觸發 A（寬度觸發，關閉時間大於 100 ns）：此設定為每一個脈衝（包含不需分析的脈衝）提供一個穩定的觸發點。
觸發 B（逾時觸發）：當一個脈衝的位準維持在閾值以下達到 10 ns 時觸發，觸發 B 的評估延遲時間設定為略小於目標脈衝持續時間，例如設定為 95%（此條件仍能捕捉所有長於此延遲的脈衝）。
觸發 R（重置逾時，設定為略高於目標脈衝持續時間，例如 10%）：此條件會拒絕所有長於指定逾時時間的脈衝，最終，只有 1 μs 的脈衝會被納入考量。
分析設定
分析可直接在 R&S®RTP 上進行，或使用專門的分析軟體，R&S®VSE 向量訊號分析軟體搭配 R&S®VSE-K6A 多通道脈衝分析選配，能快速確定相位差以及其他重要的雷達參數，例如脈衝寬度和下垂 (Droop)。
選擇通道 1 和通道 3 作為輸入通道，並選用波形模式，如此一來，R&S®RTP 的兩個通道都將以 40 Gsample/s 的取樣率進行取樣。
在設定了中心頻率和擷取時間等重要參數並配置好偵測演算法後，將 R&S®VSE 設定為手動觸發模式，接著將前述的觸發設定應用於 R&S®RTP，此外，可定義一個負向觸發偏移以確保正確的時間對準，因為觸發事件會將脈衝擷取的位置移到觸發標記的左側。
在多通道分析中，主要的分析工具包括脈衝相位 (纏繞) 與脈衝相位 (解纏繞) 量測功能（如圖 4 右下角視窗所示），此時，系統會產生一個新的軌跡並分配給通道 3，現在可以透過在兩條曲線上放置標記並將它們連結起來，以量測相位差，在此範例中，差值標記 (Delta Marker) 顯示的相位差為 279°，相位差也可以從結果表中的數值直接讀取（右上角視窗）。
總結
相位差的量測需要使用相位同調接收器，此外，特別是在充滿挑戰的複雜情境中，設定合適的觸發條件可以大幅加速對目標雷達訊號的分析，R&S®VSE-K6A 多通道脈衝分析選配，能充分利用 R&S®RTO 和 R&S®RTP 示波器所提供的完整數位觸發功能，不僅可自動分析最重要的雷達參數，還能同時完成相位差的自動量測。
