連續(xù)波雷達(dá)直達(dá)波對消子系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：為了提高連續(xù)波穿墻生命探測雷達(dá)目標(biāo)的生命回波信號的檢測效果，在發(fā)射機(jī)和接收機(jī)之間增加直達(dá)波對消子系統(tǒng)模塊。在2．4 GHz頻段，采用射頻集成芯片進(jìn)行直達(dá)波對消子系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)。根據(jù)對消后的實(shí)時(shí)功率檢測結(jié)果，通過微處理器的自動(dòng)搜索控制程序，調(diào)節(jié)對消估計(jì)信號的幅度和相位，最后實(shí)現(xiàn)對消比大于40 dB的直達(dá)波射頻頻段自動(dòng)對消效果，有效地降低連續(xù)波雷達(dá)的強(qiáng)直達(dá)波的干擾。
關(guān)鍵詞：連續(xù)波雷達(dá)；射頻干擾；直達(dá)波對消；2．4 GHz頻段

0 引言
    連續(xù)波體制穿墻生命探測雷達(dá)的直達(dá)波干擾相對于目標(biāo)的生命回波信號具有很強(qiáng)的能量，對目標(biāo)回波信號的檢測造成了嚴(yán)重干擾。直達(dá)波干擾也稱載波泄漏或同頻干擾，主要是指發(fā)射機(jī)發(fā)出的微波波束經(jīng)靜止障礙物反射產(chǎn)生的同頻反射回波和收發(fā)端耦合產(chǎn)生的同頻耦合波。直達(dá)波干擾會(huì)直接導(dǎo)致接收機(jī)性能指標(biāo)下降，甚至接收機(jī)前端飽和，使雷達(dá)不能正常工作，因此必需要解決連續(xù)波雷達(dá)的直達(dá)波干擾問題。
    本文用射頻對消方法，結(jié)合自動(dòng)控制原理，把發(fā)射端的本振信號引入到接收輸入端，然后通過相位和幅度調(diào)節(jié)產(chǎn)生對消估計(jì)信號，使其與接收機(jī)接收到的強(qiáng)直達(dá)波進(jìn)行矢量相加，達(dá)到去除直達(dá)波干擾的目的。該子系統(tǒng)用作頻率為2．4 GHz的連續(xù)波體制穿墻生命探測雷達(dá)接收機(jī)前端的信號預(yù)處理子系統(tǒng)。

1 直達(dá)波對消設(shè)計(jì)原理分析
1．1 對消基本原理分析
    直達(dá)波對消基本原理的矢量表示如圖1所示，在矢量坐標(biāo)平面，對消估計(jì)信號S1(t)與直達(dá)波干擾信號Sr(t)進(jìn)行矢量相加，當(dāng)對消估計(jì)信號S1與直達(dá)波干擾信號Sr幅度相等，相位相反時(shí)，矢量相加后達(dá)到功率完全對消的理想狀態(tài)，從而達(dá)到抑制直達(dá)波干擾的目的。
    本文參考雷達(dá)振蕩源信號經(jīng)幅度衰減和移相的方法得到對消估計(jì)信號的原理，加以改進(jìn)并進(jìn)行硬件設(shè)計(jì)。
    假設(shè)本地發(fā)射機(jī)發(fā)射的本振信號為S0(t)，接收機(jī)接收的直達(dá)波干擾信號為Sr(t)，對消估計(jì)信號為S(t)，理想對消的基本思想的數(shù)學(xué)表達(dá)式為：
    Sr(t)+S(t)=0      (1)
    由于墻壁、廢墟等產(chǎn)生強(qiáng)回波的物體都是靜止的，所以Sr(t)中的幅度Ar和相位θ，在對消過程中將保持不變。對消估計(jì)信號的幅度A和相位θ，變化范圍分別為(Amin，Amax)和(0，2π)，A，θ在這其取值區(qū)間內(nèi)存在：
    Ar=A；θr=θ+π      (2)
    使得S與Sr幅度相等，相位相反，滿足式(1)，達(dá)到對消的理想狀態(tài)。由此可以看出通過本振信號的幅度和相位變換得到對消估計(jì)信號S。
1．2 對消系統(tǒng)效果評價(jià)分析
    如圖1所示，實(shí)際產(chǎn)生的對消估計(jì)信號S1和直達(dá)波干擾信號Sr不可能完全達(dá)到幅度相等、相位相反，所以對消會(huì)不徹底，兩者將會(huì)合成一個(gè)新的矢量信號Se，稱為對消后剩余誤差信號。為了評價(jià)對消性能，引入對消比的概念，把直達(dá)波干擾信號功率P和對消后剩余誤差信號功率Pe之比定義為對消比，單位為dB。對消比D數(shù)學(xué)表示為：
   
    實(shí)際對消估計(jì)信號S1和理想對消估計(jì)信號S的幅度偏差的百分比記為△A，△A=(|S1|-|s|)／|S|，相位偏移量記為△θ。對消剩余矢量Se的幅度為：
   
    根據(jù)上述關(guān)系式，利用Matlab軟件仿真，可得到幅度偏差△A、相位偏移量△θ與對消比D的等值曲線關(guān)系圖。如圖2所示為幅度偏差在10％以內(nèi)，最大相位偏移量為10°的對消比等值曲線圖，當(dāng)幅度差值為0，相位偏移為0時(shí)，對消比達(dá)到最佳值，理論上為無窮大。對于大于30 dB的高對消比而言，其相位偏移量應(yīng)在(-2°，2°)之間，幅度差異在4％以內(nèi)，達(dá)到40 dB，相位和幅度要求將非常苛刻。對消電路必須采用閉環(huán)的調(diào)整電路才能實(shí)現(xiàn)，而且對硬件設(shè)計(jì)的穩(wěn)定性和精度要求較高。

2 對消子系統(tǒng)設(shè)計(jì)
2．1 對消子系統(tǒng)模型分析
    對消系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示，本振信號S0(t)通過相位調(diào)節(jié)電路和幅度調(diào)節(jié)電路產(chǎn)生對消估計(jì)信號S1(t)，對消估計(jì)信號S1(t)和回波信號的直達(dá)波干擾信號Sr(t)進(jìn)行對消，檢波電路把功率檢測結(jié)果反饋給單片機(jī)控制電路，單片機(jī)控制程序根據(jù)檢波結(jié)果自動(dòng)調(diào)節(jié)相位和幅度
控制信號，最終得到最佳的對消效果，對消輸出信號為Sout(t)進(jìn)入下一級信號處理單元。

    程序控制算法對最優(yōu)搜索算法進(jìn)行簡化，設(shè)定搜索步長，依次進(jìn)行單一變量調(diào)節(jié)，達(dá)到最佳實(shí)際對消狀態(tài)，程序持續(xù)輸出最佳的相位和最佳幅度控制信號。設(shè)定控制算法重復(fù)運(yùn)行限制條件，當(dāng)環(huán)境改變超過限定條件時(shí)，控制程序自動(dòng)進(jìn)行下一次幅度和相位的最佳控制信號的搜索。
2．2 主要模塊硬件原理圖設(shè)計(jì)介紹
    本振信號使用發(fā)射機(jī)提供的2．4 GHz連續(xù)波RF信號，回波信號由接收機(jī)提供，兩者通過SMA接頭連接進(jìn)入對消子系統(tǒng)。程序控制處理模塊及外圍A／D，D／A轉(zhuǎn)換電路由STM32F103型基于ARM核心的微控制器和相應(yīng)的線性電壓放大器及外圍電路、接口匹配電路組成。對消子系統(tǒng)射頻模塊主要由射頻模擬移相器HMC928LP5E，射頻模擬衰減器MAX19790，HPP2F型3 dB無源耦合器，對數(shù)檢波器AD8313及各自的外圍電路組成，如圖4所示為對消射頻模塊的原理圖。

    綜合各個(gè)模塊的指標(biāo)，該子系統(tǒng)的工作頻率為2．3～2．5 GHz，RF輸入最大功率為10 dBm，幅度連續(xù)調(diào)節(jié)范圍為40 dBm，相位連續(xù)調(diào)節(jié)范圍為450°。由于幅度和相位調(diào)節(jié)都是射頻連續(xù)調(diào)節(jié)模擬芯片，所以精度更高。

3 對消實(shí)驗(yàn)調(diào)試與分析
    基于連續(xù)波雷達(dá)實(shí)際工作情況，為了方便操作，直接進(jìn)行單一頻率發(fā)射信號模塊和對消子系統(tǒng)組成實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)聯(lián)調(diào)，發(fā)射信號通過一定的衰減，用來模擬回波信號中的直達(dá)波信號，兩路信號接入對消子系統(tǒng)進(jìn)行對消，對消前后的信號通過頻譜儀觀察。
    首先在不連接對消模塊，用頻譜儀測得對消前模擬直達(dá)波信號的頻率和大小。再連接對消模塊，測得對消后的輸出信號的頻率和大小。圖5為對消前后的頻譜圖，對消前的信號大小為-15．05 dBm，對消后的信號大小為-62．59 dBm，頻率相同，此時(shí)對消比為47．54dB。對消后的信號非常接近噪聲信號，測試過程中對消后的信號甚至可以淹沒在噪聲信號中。通過頻譜儀觀察對消實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明對消子系統(tǒng)能獲得較明顯的對消效果。

4 結(jié)語
    本文根據(jù)直達(dá)波對消的基本思想，分析了對消的基本數(shù)學(xué)原理和對消系統(tǒng)效果評價(jià)。結(jié)合對消子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模塊，用RF集成電路進(jìn)行硬件設(shè)計(jì)。通過微處理器程序進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)對消。最后進(jìn)行了2．4．GHz的RF信號對消測試實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了系統(tǒng)的有效性。