雷達抗干擾測試方案：提升航空與國安系統韌性
精準量測與模擬，確保航空與國安雷達在複雜電磁環境穩定運作
隨著國內航空運輸量的增加與國家安全重要性的提升，確保航空雷達系統的正常運作變得至關重要，當前的無線電頻譜充斥著自然與人為的干擾源，雷達頻段雖有穩定的自然背景雜訊，但無線通訊流量的顯著增長，可能導致無意的干擾滲入這些頻段，此外，蓄意干擾的風險亦不容忽視，這些因素突顯了對雷達系統進行特性分析，並清晰理解其性能局限性的必要性，本文將闡述一種簡潔的測試策略，以期評估航空雷達系統的效能。
雷達訊號具備脈衝調變特性，訊噪比是目標偵測的關鍵參數
航空使用的主要監測雷達採用脈衝調變的正弦載波訊號，此類雷達的輸出訊號包含短促的脈衝串，其功率封包具有快速上升時間，以便以足夠的解析度分辨遠處目標（見圖一），短持續時間的脈衝實現了精確的「目標」解析，而脈衝間的長間隔則為遠處訊號的回波返回提供充足時間，避免干擾後續脈衝，這些高功率脈衝訊號的上升時間可能小於 10 ns，脈衝寬度則在 µs 與次 µs 範圍內，這些低佔空比訊號（通常遠小於 1%）會產生顯著的峰值平均功率比，或稱波峰因數，這使得傳統熱感測器難以進行精確功率量測，需要使用具備寬動態範圍的峰值功率感測器來量測發射脈衝的功率（見圖二），因此，雷達訊號需要較高的系統訊噪比 (SNR)，才能準確地定位和識別目標。
圖一、此圖展示航空雷達的脈衝調變訊號；藍色波形為短促的脈衝串，紅色標示的「脈衝寬度」影響目標解析度，「脈衝重複週期」確保回波順利返回；綠色「功率封包」呈現脈衝的快速上升時間；此圖簡述了脈衝雷達訊號的關鍵時域特性，有助於理解其運作原理。
圖二、此圖強調脈衝雷達訊號的低佔空比特性；圖示兩個 1 µs 的短脈衝，其間隔為 10 ms，佔空比僅 0.01%；垂直軸顯示 40dB 的功率範圍，低佔空比導致高峰值平均功率比，說明為何需用峰值功率感測器進行精確量測。
雷達接收器必須具備抗干擾能力，以應對多種雜訊源
基於上述原因，雷達系統的接收器部分必須能夠有效抵抗自然的背景射頻輻射、無意的無線通訊訊號干擾以及蓄意的訊號干擾，即所謂的「阻斷」訊號，本文將闡明如何透過使用先進的峰值功率計，結合電腦控制的雜訊產生器，並藉由調整 訊噪比，來測試雷達接收器和發射器系統的效能。
訊噪比的計算至關重要，有助於區分有效訊號與雜訊
圖三呈現了脈衝雷達系統的典型回波訊號，其中包含目標特徵、隨機雜訊和確定性的假警報，為了區分真實目標與雜訊，必須設定明確的閾值，可以感測到的最小功率值 Smin，等效於雷達接收器的最小可偵測訊號 (MDS)，計算 MDS 是確定系統最大偵測範圍 (MDR) 的前提，圖三中的點 1 代表一個假陽性，此時雜訊高於測試閾值；而點 2 則代表一個低於閾值而未被偵測到的目標回波，值得注意的是，最新的數位訊號處理 (DSP) 電路，可透過平均共模雜訊並關聯高於 MDS 的確定性事件，來解決部分上述問題，驗證系統是否具備此項正常運作的能力至關重要。
圖三、此圖顯示脈衝雷達的回波訊號與雜訊，橫軸為時間，縱軸為接收功率，起伏曲線代表隨機雜訊，虛線是偵測閾值；波峰 1 為高於閾值的目標回波，成功偵測；波峰 2 為低於閾值的目標回波，未能偵測；此圖說明設定適當閾值以區分目標與雜訊的重要性。
接收功率與雜訊密度是計算訊噪比的關鍵要素
MDS、MDR 與接收器雜訊底限相互依存，在計算接收功率 (Pr) 時，必須掌握最大發射功率 (Pt)、天線增益、最小雷達截面積和天線的有效孔徑，才能完成方程式的求解，每個參數的具體數值，將取決於可用的投資、當前技術水平以及美國聯邦航空管理局 (FAA) 對各雷達系統專案的相關規範，接收功率 (Pr) 的計算如圖五所示，但準確的發射功率是計算的先決條件，Pt 的數值可透過從發射器輸出功率（以分貝表示）中減去天線回波損耗獲得，回波損耗可使用圖六測試圖所示的峰值功率計進行量測，具體方法將在測試程序部分詳細說明，此 Pr 計算範例適用於準單站系統，但單站系統的發射和接收天線增益值相同。
圖四、呈現了接收功率 (Pr) 與雷達距離 (R) 之間的關係，公式顯示 Pr 與發射功率 (Pt)、天線增益 (Gt, Gr)、雷達截面積 (σ) 和波長 (λ) 成正比，但與距離的四次方 (R⁴) 成反比；圖下方曲線直觀地展示了隨著距離增加，接收功率迅速下降的趨勢，並在達到最大偵測距離 (Rmax) 時接近最小可偵測訊號 (Smin)；此圖強調了雷達偵測範圍受到距離衰減的顯著影響。
圖五、此圖描繪了準單站雷達系統的接收功率 (Pr) 計算模型；展示了發射天線 (Transmit) 發出功率為 Pt 的訊號，經過距離 R 傳播後被目標 (σ) 反射，再由接收天線 (Receive) 接收功率為 Pr 的回波訊號；圖下方提供了 Pr 的兩種計算公式，分別考慮了接收天線的有效孔徑 (AER) 和雷達截面積 (σ) 與波長 (λ)；公式和圖示說明了接收功率受到發射功率、天線增益 (Gt, Gr)、目標特性和傳播距離等多個因素的影響。
系統訊噪比的計算需考量雜訊密度與接收功率
為了計算系統 訊噪比 (SNR)，我們需要確定合理的雜訊密度值 No，系統總雜訊是自然背景射頻雜訊與電子系統雜訊的疊加，計算熱雜訊功率的公式為 (Np = kTB)，其中雜訊功率 Np 等於（波茲曼常數 k）乘以（溫度 in Kelvin T）乘以（頻寬 B），外部天線的標準溫度為 62°F 或 290°K，在 1 Hz 頻寬 內的雜訊功率為 4.004e-21 W/Hz，將此值在 50 Ω 系統中歸一化為 1 mW，並以對數刻度表示，即為常見的 -174 dBm/Hz。
在雷達應用中，雜訊密度通常歸一化為 Bn，即 1/τ（封包脈衝寬度），此雜訊密度值 No 必須加到雷達測試系統的電子雜訊中，並包含接收器的雜訊指數以及所有射頻路徑元件的溫度（以 °K 表示），放大器雜訊指數的計算方法可在大多數微波工程教科書中找到，但本文將省略，以下計算系統 訊噪比 (SNR) 的公式採用了先前計算的接收功率 (Pr) 和雜訊密度 (No) 值，公式中還加入了處理增益 Gp 和損耗 L 的考量，大多數雷達的設計都使得 Bn 約等於 1/τ（封包脈衝寬度），No = Ts = 熱雜訊 + 歸一化至 Bn 的電子雜訊密度。
測試程序的核心是利用峰值功率計與雜訊產生器模擬干擾環境
初步測試可透過模擬軟體或原型來確定待測裝置 (DUT) 的類型，圖六是一個典型的雷達系統簡化方塊圖，包括發射器、接收器和天線結構，此範例展示了一個使用真實飛機的全尺寸系統，用於此範例的單站系統僅為眾多可能的雷達系統之一，在單站系統中，發射和接收天線位於同一位置（即，同一天線用於發射和接收），但雙站或準單站系統亦可採用類似方法進行測試。
在正常工作條件下，雷達輸出訊號（藍色）發射至目標飛機，回波訊號（綠色）切換至雷達接收器，峰值功率計可透過場強量測監測天線系統的有效輻射功率，或透過前向功率與反射功率的比率監測系統的阻抗匹配，C2 替代路徑用於透過校準天線量測訊號場強，或將前向功率（C1 藍色）與反射功率（C2 粉紅色）進行比較，以量測傳輸至天線的實際功率，前向功率與反射功率的比率，或以分貝表示的回波損耗，是評估系統性能的重要指標。
因為實際發射功率 (Pt) 對雷達系統的最大偵測距離有顯著影響，雷達發射器產生一個輸出觸發脈衝（紫色），除主功率量測通道外，此脈衝可用作功率計的外部觸發輸入，以同步系統量測，接收器亦可類似地透過第二個觸發通道作為外部觸發輸入，功率計可利用發射器或接收器的外部輸入，觸發單個脈衝或複雜的事件序列，功能類似於數位示波器，接收器系統會受到干擾模擬器訊號（紅色）的擾動，以模擬無意的無線干擾或蓄意的干擾，即「阻斷」，此干擾模擬器為複雜的系統測試提供多功能且可重複的干擾。
Noisecom UFX7000B 雜訊產生器可配置為干擾模擬器，具備多個加成性高斯白雜訊 (AWGN) 源、連續波 (CW) 源和濾波訊號路徑，以模擬真實世界的干擾和阻斷，在總共 80 分貝的衰減範圍內，最小衰減步長為 0.1 分貝，實現了精確且可重複的擾動控制，以進行精密的 訊噪比 系統測試。
圖六、此圖為雷達系統抗干擾測試的簡化方塊圖，圖中可見雷達發射器發出雷達訊號（藍色），經天線射向目標（飛機），回波訊號（綠色）被雷達接收器接收；測試設置中包含一個 Boonton 4500B 峰值功率計，用於量測雷達訊號的發射功率（C1）和反射功率（C2），亦可進行場強量測；Noisecom UFX7000A 干擾模擬器則產生干擾訊號（紅色），透過干擾發射天線注入雷達接收路徑，模擬真實世界中的干擾環境，以評估雷達系統的抗干擾能力。觸發訊號（紫色）用於同步功率計的量測。
峰值功率計與雜訊產生器是雷達抗干擾測試的關鍵工具
在今日瞬息萬變的無線電環境中，航空雷達系統不僅要應對日益增多的自然雜訊，更面臨著來自無線通訊、甚至蓄意干擾的嚴峻挑戰，這直接威脅到飛航安全與國家空域的穩定，Boonton 峰值功率計 和 Noisecom UFX7000B 系列雷達干擾產生器的創新結合，正是為了解決這些複雜難題而生的尖端解決方案。 這套系統的核心優勢在於其卓越的干擾模擬能力，能夠精確重現各種真實世界中可能遭遇的干擾訊號，從偶發的無線電波串擾到精心策劃的電子攻擊，都能夠被精確地模擬與控制；更重要的是，它同時提供了無與倫比的功率量測精度，能夠精確捕捉脈衝雷達訊號的每一個細微變化，包括其峰值功率和平均功率，這對於理解干擾對雷達性能的具體影響至關重要。
透過這兩者的完美結合，使用者得以全面且深入地評估雷達系統在各種嚴苛電磁環境下的真實效能，精確找出系統的脆弱環節，並據此進行優化與改進，從而大幅提升航空雷達系統的可靠性與韌性，確保在任何干擾威脅下都能持續提供清晰、準確的目標資訊，最終堅實地捍衛航空安全與國家安全。現在就投資這項領先技術，為您的雷達系統構築最堅固的防線，欲深入了解其強大功能與應用，請立即聯繫我們的專家團隊。