LFM連續(xù)波雷達(dá)信道設(shè)計(jì)及關(guān)鍵技術(shù)研究

摘要：LFM連續(xù)波雷達(dá)系統(tǒng)中，從發(fā)射通道泄露的強(qiáng)發(fā)射信號(hào)、近距離目標(biāo)的強(qiáng)回波信號(hào)和天線罩的強(qiáng)反射信號(hào)會(huì)對(duì)接收機(jī)性能造成嚴(yán)重影響。低相噪高線性度的發(fā)射信號(hào)會(huì)顯著提升雷達(dá)系統(tǒng)性能。介紹了LFM連續(xù)波雷達(dá)信道的設(shè)計(jì)。對(duì)其中的低相噪高線性度信號(hào)產(chǎn)生、收發(fā)隔離度控制和頻率靈敏度控制(SFC)等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究，這些技術(shù)在工程上有較高的應(yīng)用價(jià)值。
關(guān)鍵詞：線性調(diào)頻；連續(xù)渡；信道；低相位噪聲；射頻對(duì)消；頻率靈敏度控制

    LFM連續(xù)波雷達(dá)具有良好的距離分辨力，發(fā)射機(jī)可用固態(tài)的，因而具有重量體積輕小的特點(diǎn)，使得LFM連續(xù)波雷達(dá)在探測(cè)技術(shù)中獲得廣泛應(yīng)用。連續(xù)波單天線雷達(dá)在使用中，接收通道和發(fā)射通道的隔離度如果比較低，強(qiáng)發(fā)射信號(hào)泄露入接收機(jī)，會(huì)嚴(yán)重影響雷達(dá)性能，甚至損壞接收機(jī)，導(dǎo)致雷達(dá)無法工作。近距離的目標(biāo)的回波幅度大，會(huì)使接收機(jī)飽和無法工作或淹沒遠(yuǎn)距離目標(biāo)頻譜而降低雷達(dá)探測(cè)距離。為提高后端信號(hào)處理能力，在信道中采用低相噪、高線性度的信號(hào)顯得尤為重要。LFM連續(xù)波雷達(dá)對(duì)應(yīng)的距離分辨力與目標(biāo)延時(shí)，與發(fā)射信號(hào)帶寬有關(guān)，與信號(hào)調(diào)頻線性度成正比。而發(fā)射信號(hào)調(diào)頻線性度往往是限制LFM連續(xù)波雷達(dá)距離分辨力的關(guān)鍵因素。

1 LFM連續(xù)波雷達(dá)測(cè)距原理及信道組成
1．1 LFM連續(xù)波雷達(dá)測(cè)距原理
    LFM連續(xù)波雷達(dá)采用的發(fā)射信號(hào)通常有三角波和鋸齒波。本設(shè)計(jì)發(fā)射信號(hào)采用鋸齒波調(diào)制線性調(diào)制掃頻信號(hào)，如圖1所示。信號(hào)掃頻帶寬為B，調(diào)制周期為T，信號(hào)頻率表示為：
   
    其中f0為型信號(hào)掃頻起始頻率，K為調(diào)制斜率。

    對(duì)點(diǎn)目標(biāo)，回波信號(hào)與發(fā)射信號(hào)的中頻差拍信號(hào)頻率為：
   
    其中τ為回波信號(hào)和發(fā)射信號(hào)對(duì)應(yīng)距離R處的時(shí)延。R為點(diǎn)目標(biāo)到達(dá)天線的距離，c為光速。因此雷達(dá)探測(cè)的目標(biāo)距離R可由式(2)得出。
1．2 信道組成
    和零外差方案相比較，超外差收發(fā)方案本振源多，需要中頻信號(hào)，增加了設(shè)備量和復(fù)雜度。但超外差收發(fā)方案本振抑制高，輸出信號(hào)頻譜較好。超外差方案具有靈敏度高，選擇性好的特點(diǎn)。本設(shè)計(jì)選用超外差接收方案。

    如圖2所示，頻率合成部分產(chǎn)生本振和系統(tǒng)時(shí)鐘，LFM信號(hào)產(chǎn)生部分生成中頻信號(hào)，一路到收發(fā)前端作為發(fā)射信號(hào)，一路到中頻接收和接收信號(hào)做作差拍，收發(fā)前端完成發(fā)射信號(hào)上變頻、放大和接收信號(hào)下變頻，中頻接收完成差拍混頻和解調(diào)。

2 低相位噪聲高線性度中頻LFM信號(hào)設(shè)計(jì)
    在LFM連續(xù)波雷達(dá)系統(tǒng)中，中頻LFM信號(hào)一路經(jīng)收發(fā)前端上變頻為射頻信號(hào)后，作為發(fā)射信號(hào)由天線輻射出去，一路到中頻接收部分，和經(jīng)接收前端下變頻至中頻信號(hào)的接收信號(hào)作差拍用。中頻LFM信號(hào)的相位噪聲直接影響到雷達(dá)系統(tǒng)的檢測(cè)能力。

    降低發(fā)射信號(hào)的相位噪聲對(duì)提升系統(tǒng)的性能有重要意義。采用DDS芯片產(chǎn)生LFM信號(hào)，DDS芯片輸出103 MHz時(shí)相噪：fm=1 kHz：-150 dBc／Hz，fm=1 kHz：-160 dBc／Hz。故相噪起主要作用為晶振的相位噪聲。頻率源選用采用SC切割的OCXO超低相噪晶振，相位噪聲為-155 dBc／Hz@1 kHz＆-165 dBc／Hz@10 kHz。設(shè)計(jì)盡量減少中間環(huán)節(jié)，少產(chǎn)生無用頻率，保證發(fā)射信號(hào)具有較低相噪。
    LFM信號(hào)的線性度特性對(duì)系統(tǒng)的檢測(cè)和測(cè)距分辨力性能有直接的影響。采用DDS產(chǎn)生LFM信號(hào)，其線性度主要取決于DDS掃頻步進(jìn)與掃頻帶寬，DDS掃頻步進(jìn)與DDS的頻率最小駐留時(shí)間和最小步進(jìn)性能直接相關(guān)，選用的DDS頻率最小駐留時(shí)間和最小步進(jìn)為8 ns和0．12 Hz。
    連續(xù)LFM信號(hào)的射頻輸出可描述為一個(gè)理想線性掃頻加上一個(gè)非線性頻率誤差，即：
   
   
    由圖4可見，對(duì)于DDS掃頻而言，i為掃頻初始頻率，B為掃頻帶寬，t為掃頻時(shí)間，當(dāng)向上掃頻時(shí)t為tUP；當(dāng)向下掃頻時(shí)t為tDOWN。e(t)為非線性掃頻誤差，emax為最大非線性掃頻誤差。由圖4不難發(fā)現(xiàn)：DDS掃頻具有很強(qiáng)的規(guī)律性。DDS掃頻實(shí)際上是DAC在起始頻率和終止頻率之間等間隔地輸出頻率，即輸出頻率等階躍保持。ADI公司的DDS有兩個(gè)掃頻性能控制參數(shù)，一是頻率步進(jìn)，二是駐留時(shí)間。對(duì)于DDS掃頻而言，最小的非線性掃頻誤差emin為零，最大的非線性掃頻誤差emax為頻率步進(jìn)，不難明白，這里掃頻偏離線性度和最大掃頻非線性度是一致的，均為頻率步進(jìn)與掃頻帶寬的比值。可見，DDS掃頻頻率非線性度與頻率步進(jìn)成正比，與D／A轉(zhuǎn)換無關(guān)。D／A的抖動(dòng)只影響輸出幅度。

    在90MHz@3．072ms掃頻模式下，駐留時(shí)間為8 ns時(shí)，通過計(jì)算最小頻率步進(jìn)為234 Hz，則線性度就為2．6x10-6，可滿足系統(tǒng)使用要求。

    帶內(nèi)雜散取決于DDS信號(hào)：AD9858芯片180 MHz輸出時(shí)，在f0±1 MHz內(nèi)，雜散≤84 dBc。由圖4可知在±1 MHz的帶內(nèi)，DDS的雜散優(yōu)于-70 dBc。本振相噪較低，經(jīng)兩次混頻后可達(dá)到≤70 dBc。DDS輸出216 MHz信號(hào)頻譜圖見圖5。

3 收發(fā)隔離度控制
    本系統(tǒng)采用單天線進(jìn)行發(fā)射和接收，發(fā)射功率泄漏到接收通道的問題不可避免。如果收發(fā)隔離度不夠高，發(fā)射泄漏的信號(hào)將使接收機(jī)的動(dòng)態(tài)范圍增加，要求接收機(jī)的低噪聲放大器在較大信號(hào)輸入時(shí)不能飽和。由于發(fā)射泄漏功率的存在，其噪聲邊帶將使接收機(jī)的靈敏度下降。同時(shí)波導(dǎo)壁、微波器件等機(jī)械震動(dòng)在泄漏信號(hào)上產(chǎn)生調(diào)頻邊帶，形成虛假的多普勒信號(hào)導(dǎo)致誤判。因此，將發(fā)射功率泄露至接收通道的信號(hào)對(duì)消對(duì)提高系統(tǒng)性能起到關(guān)鍵作用。傳統(tǒng)采用環(huán)行器作為收發(fā)雙工，而環(huán)行器的收發(fā)隔離度只有20～25 dB，無法滿足系統(tǒng)要求。

    在單天線調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)中，射頻對(duì)消包括無源對(duì)消和自適應(yīng)對(duì)消等。閉環(huán)自適應(yīng)對(duì)消原理如圖6所示，其原理是利用正交混頻器把泄露信號(hào)矢量分解為兩正交分量I和Q，經(jīng)濾波放大以及其他視頻處理后由矢量調(diào)制器合成與泄露信號(hào)等幅反相的對(duì)消矢量，并由耦合器耦合進(jìn)接收單元對(duì)消泄露信號(hào)。閉環(huán)自適應(yīng)對(duì)消技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是對(duì)天線回波以及近距離干擾目標(biāo)的反射回波都能起到一定對(duì)消效果。但當(dāng)泄漏功率較大時(shí)，接收單元必須能承受建立穩(wěn)態(tài)前的大輸入功率，并且還要求接收單元線性工作電平范圍高，同時(shí)對(duì)消矢量合成單元應(yīng)能產(chǎn)生足夠的對(duì)消信號(hào)輸出功率。而且該方案較為復(fù)雜，技術(shù)難度較大，加工調(diào)試時(shí)間長(zhǎng)，工程應(yīng)用風(fēng)險(xiǎn)大。

    本信道收發(fā)前端采用無源對(duì)消網(wǎng)絡(luò)來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)對(duì)收發(fā)隔離度的要求。對(duì)消模塊示意圖見圖7。對(duì)于E面T型頭，進(jìn)入其中的信號(hào)被功分兩路，其中左邊一路移相，右邊一路移相零度。對(duì)于波導(dǎo)電橋，進(jìn)入其中的信號(hào)，走直通路線的一路相移和走對(duì)角路線的一路移相相差90度。發(fā)射信號(hào)進(jìn)入發(fā)射端E面T型頭，左邊一路和右邊一路信號(hào)在進(jìn)入天線端口處時(shí)總移相度數(shù)相同，兩路信號(hào)同相，合成后經(jīng)天線發(fā)射出去。而回波信號(hào)從天線端口經(jīng)左右兩個(gè)路線到達(dá)接收端時(shí)也是同相合成。左右兩路發(fā)射信號(hào)經(jīng)波導(dǎo)電橋耦合到接收端口時(shí)剛好反相，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)消。
    收發(fā)隔離仿真結(jié)果如圖8所示，理論上隔離度能夠達(dá)到42、43 dB。

    無源對(duì)消網(wǎng)絡(luò)采用全波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，沒有有源器件，可以通過控制加工精度來確保收發(fā)隔離指標(biāo)，并且在全溫范圍內(nèi)，工作穩(wěn)定性好。它的缺點(diǎn)是收發(fā)各損失3 dB，工作帶寬比較窄，并且對(duì)天線反射回來的信號(hào)無法對(duì)消。

4 接收機(jī)SFC控制
    回波信號(hào)強(qiáng)度隨目標(biāo)距離的增加而衰減，近距離目標(biāo)的差拍信號(hào)強(qiáng)度比遠(yuǎn)距離目標(biāo)的信號(hào)大的多，同時(shí)天線罩的反射也很大。近距離的強(qiáng)反射可能使接收機(jī)飽和或近距離目標(biāo)的譜旁瓣將遠(yuǎn)距離目標(biāo)的譜主瓣淹沒。差拍信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍很大，超過信號(hào)處理能處理的動(dòng)態(tài)范圍。S FC(頻率靈敏度控制)處理的頻率特性須按特性設(shè)計(jì)，在近距離的目標(biāo)對(duì)應(yīng)的低頻上提供大的衰減，而在遠(yuǎn)距離目標(biāo)對(duì)應(yīng)的高頻上提供較小的衰減。通過動(dòng)態(tài)壓縮，濾除一些近端的大信號(hào)，將動(dòng)態(tài)范圍壓縮，以滿足信號(hào)處理的處理能力。SFC原理圖見圖9。

    傳遞函數(shù)為：
   
    SFC控制曲線如圖10所示。視頻放大部分采用兩級(jí)放大。在滿足帶寬的前提下，兩級(jí)增益可達(dá)80 dB。為保證系統(tǒng)有充足的裕值，可要求只達(dá)到系統(tǒng)合適數(shù)值的增益。

    在后端加入一個(gè)低通濾波器，使超出差拍信號(hào)帶寬外的高頻信號(hào)完全濾除。高通、低通濾波器的組合保證了中頻接收機(jī)帶寬。低通濾波器仿真結(jié)果如圖11所示。

5 結(jié)束語
    文中對(duì)LFM連續(xù)波雷達(dá)信道的幾個(gè)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了設(shè)計(jì)和研究。通過這幾項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用．解決了LFM連續(xù)波雷達(dá)信道中發(fā)射通道泄露、近端目標(biāo)強(qiáng)回波信號(hào)對(duì)接收機(jī)影響的問題，產(chǎn)生了低相噪高線性度LFM中頻信號(hào)，提升了雷達(dá)系統(tǒng)的整體性能，使雷達(dá)的工程應(yīng)用變成現(xiàn)實(shí)。