連續(xù)波雷達(dá)方案說明

全固態(tài)連續(xù)波導(dǎo)航雷達(dá)性能與指標(biāo)論證一、體制調(diào)頻連續(xù)波(FMCW)。系統(tǒng)組成見下列圖。圖1.系統(tǒng)組成框圖4、掃頻重復(fù)頻率5、掃頻時寬6、接收機(jī)噪聲系數(shù)7、天線轉(zhuǎn)速8、收/發(fā)天線水平波束寬度9、收/發(fā)天線垂直波束寬度水平極化高速以太網(wǎng)或串口典型目標(biāo)探測距離見下表。表1.探測距離表大型電站/風(fēng)場100m高陡峭海岸線稠密城市海岸線覆蓋森林的250m斜坡海岸線低矮郊區(qū)海岸線大型集裝箱船小于50m的低矮海岸線，濃密植被小島中型汽艇帶角反射器的航標(biāo)小型汽艇或游船無角反射器的小型浮標(biāo)皮劃艇鳥群3、功耗5、使用環(huán)境五、組成原理1、收發(fā)系統(tǒng)組成2、信號處理系統(tǒng)組成六、關(guān)鍵指標(biāo)分析論證1、A/D采樣率與采樣位數(shù)雷達(dá)最大量程24nm,回波最大延遲：應(yīng)選擇A/D采樣頻率fs≥2fmax,實際可選：采樣位數(shù)選16位，對應(yīng)動態(tài)范圍96dB。2、距離分辨率發(fā)射波形掃頻帶寬△F=75MHz,理想距離分辨率為：對自差式FMCW雷達(dá)，當(dāng)目標(biāo)回波延時td,有效帶寬降為：式中Tm為調(diào)制時寬。實際目標(biāo)距離分辨率為：從上式能夠看出，F(xiàn)MCW雷達(dá)在不同的探測距離上有不同的距離分辨率。距離越遠(yuǎn)，分辨率越差。取Tm=1.2ms,最小和最大量程的距離量程=50m,距離分辨率△R≤2m量程=24nm,距離分辨率△R≤2.66m以上給出的是距離分辨率的理論計算值，實際距離分辨率還與信號處理〔主要是FFT〕的頻率分辨精度等因數(shù)有關(guān)。最大量程時的可用相干處理時間間隔：為了便于FFT處理，假設(shè)實際采樣點數(shù)選32768。對應(yīng)的頻率分辨率：該頻率分辨率對距離分辨率的限制為：該值大于理論距離分辨率，是實際能到達(dá)的距離分辨率。小量程時，差拍頻率小，與大量程相比可獲得更長的相干處理時間，F(xiàn)FT頻率分辨率對雷達(dá)距離分辨率的影響可得到一定程度的改善。比方，50m量程時，最大回波延時0.33μs,可用相干處理時間間隔因而，F(xiàn)FT頻率分辨率對雷達(dá)距離分辨率的影響可忽干處理時間必須用足。按40MHz采樣率，50m量程下的可用樣點為信號處理時，假設(shè)對經(jīng)A/D變換后的回波差拍信號直接進(jìn)展FFT,頻譜旁瓣僅為-13dB,在密集目標(biāo)環(huán)境下，大目標(biāo)的旁瓣譜線可能遠(yuǎn)負(fù)作用是引起頻譜主瓣的展寬，使雷達(dá)分辨率下降。比方，采用Hamming窗函數(shù)進(jìn)展加權(quán)，旁瓣可壓低至-40dB,但主瓣展寬了一倍，3、信號處理損失FMCW雷達(dá)通過FFT分析差拍頻率算出目標(biāo)距離，F(xiàn)FT具有“柵欄效應(yīng)”,其輸出的頻譜是離散的，譜線的間隔△f等于相干處理時間的倒數(shù)，當(dāng)差拍回波譜正好等于△f的整數(shù)倍時，失。而當(dāng)差拍回波譜位于FFT的兩根譜線之間時，即：譜強度下降了0.637倍，即信號損失3.92dB。4、測距精度線性調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)的測距精度取決于信號調(diào)頻的線性度、測頻精度及目標(biāo)運動引起的距離多普勒耦合等因素。采用DDS產(chǎn)生LFMCW信號的設(shè)計方案，可獲得較理想的線性度，其對測距精度的影響可不予考慮。差拍頻率測量采用FFT方法時，其“柵欄效應(yīng)”將帶來測頻誤差，最大測頻誤差發(fā)生在差拍頻率位于FFT兩根譜線之間時：按照前述參數(shù)，小量程的誤差為1m,大量程誤差為1.465m。當(dāng)目標(biāo)有徑向運動速度v,時，其回波頻率將產(chǎn)生多普勒頻移：該頻率將直接折合到差拍頻率中去，引起的測距誤差為：比方，以30節(jié)速度運動的目標(biāo)，誤差為2.31m。距離多普勒耦合的影響可采用三角波調(diào)頻的FMCW波形，在信號處理時對該誤差進(jìn)展補償。假設(shè)采用鋸齒波調(diào)頻，該誤差將直接加到5、靈敏度頻率控制〔SFC〕在脈沖雷達(dá)中一般采用靈敏度時間控制〔STC〕電路壓制近距離強回波，實現(xiàn)合理的信號動態(tài)范圍控制。FMCW雷達(dá)同樣面臨壓縮動態(tài)范圍的問題，F(xiàn)MCW雷達(dá)的近距離強回波除了干擾目標(biāo)的觀察和檢增加雷達(dá)的虛警率。因而，在FMCW雷達(dá)中對近距離強回波進(jìn)展壓制對保證探測性能顯得尤為重要。FMCW雷達(dá)的近距離回波處于差拍中頻的低端，遠(yuǎn)距離回波位于差拍中頻的高端，所以要壓縮信號的動態(tài)，必須壓低差拍中頻低頻段的增益，同時保證在高頻段有充足的增益放大小信號，即實現(xiàn)SFC電路的頻率響應(yīng)曲線應(yīng)隨頻率增加而上升，其上升斜率在每倍頻程+6dB～+12dB之間，其控制曲線可隨“海浪抑制”操作旋鈕為了取得比擬好的效果，SFC電路應(yīng)放在緊接混頻器之后的位置，非常近距離的超大目標(biāo)回波的抑制靠交流耦合電路實現(xiàn)。6、發(fā)/收信號泄漏FMCW雷達(dá)發(fā)射機(jī)與接收機(jī)之間的信號泄漏問題是該體制雷達(dá)面接收機(jī)的信號過強，使接收機(jī)前端飽和甚至燒毀；二是泄漏信號的噪聲邊帶落入差拍信號的有效帶寬內(nèi)，嚴(yán)重限制了小信號的檢從某種意義上講，F(xiàn)MCW雷達(dá)對弱小目標(biāo)的探測能力并不完全受限于接收機(jī)的靈敏度，而在很大程度上取決于收發(fā)隔離度。LOWRANCE雷達(dá)解決收/發(fā)隔離問題采取的是在收、發(fā)天線分置的FMCW系統(tǒng)中，發(fā)射信號除了能夠通過收、7、相位噪聲對系統(tǒng)性能的影響因為FMCW雷達(dá)不可防止的信號泄漏，加上該體制雷達(dá)一般采用任何射頻產(chǎn)生電路在產(chǎn)生發(fā)射信號的過程中除產(chǎn)生所需要的信泄漏到接收機(jī)的輸入端；對零拍型FMCW雷達(dá)，本振信號直接取之于FMCW雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)計時為了減少邊帶噪聲的影響，除了在信號產(chǎn)為了抑制本振的AM噪聲，混頻器電路一般采用平衡混頻器，但即使采用平衡混頻器，泄漏到混頻器信號輸入端的發(fā)射信號中的AM抑制FM噪聲的有效措施是對消，對消的原理是保持泄漏到混頻兩路信號的FM噪聲保持高度的相關(guān)性，混頻器輸出的FM噪聲就得到即使發(fā)射噪聲中的FM噪聲電平遠(yuǎn)高于AM噪聲電平，但通過對消，F(xiàn)M噪聲對差拍中頻的影響甚至小于AM噪聲。當(dāng)允許因相位噪聲泄漏引起的噪聲功率增加n倍，相噪P.為發(fā)射功率，單位dBmR為收發(fā)隔離度，單位dBC為對消比，單位dB-174為熱噪聲功率，單位dBm/HzF為噪聲系數(shù)，單位dB8、近距離強雜波和大目標(biāo)的影響因為體制的特殊性，近距離固定地物的回波和大目標(biāo)的回波所含發(fā)射信號相位噪聲對目標(biāo)檢測有顯著影響。這種影響的機(jī)制與泄漏信號的影響是一樣的，但因為雜波或強回波位置是不確定的，無法采用固定對消的方法實現(xiàn)FM噪聲的有效抑制。強回波對檢測的影響如下圖4、強回波的影響從圖中能夠看到，在強回波附近，噪聲基底被抬高，如在大目標(biāo)或近區(qū)地物附近有小目標(biāo)，小目標(biāo)將很難被檢測出來。減小強雜波和大目標(biāo)對鄰近小目標(biāo)影響的根本解決途徑是設(shè)計噪聲和雜散都盡可能小的信號產(chǎn)生電路。另外，在系統(tǒng)設(shè)計時能夠考慮小量程用較低的輻射功率、設(shè)置SFC電路等措施。9、接收機(jī)動態(tài)范圍接收機(jī)動態(tài)范圍定義為接收機(jī)最大接收信號與最小接收信號功率之比。該參數(shù)與雷達(dá)的測量范圍、目標(biāo)特性、檢測能力綜合考慮諸因素，以分貝表示的動態(tài)范圍為：(1)、D.表示目標(biāo)回波功率隨距離變化的范圍本雷達(dá)最大作用距離Rm定為24nm,最小作用距離初步定為10m,依此計算出的Dg太大，也不符合導(dǎo)航雷達(dá)的工作模式?？紤]到導(dǎo)航雷達(dá)是分量程測量不同距離上的目標(biāo)的，較為合理的方法是分量程確定最大、最小測量距離計算距離動態(tài)范圍，取其大者作為D。本雷達(dá)最小量程50m,該量程下最小測量距離暫定5m。那么：最大量程24nm,該量程下最小測量距離暫定1000m。那么：〔3〕、D表示檢測目標(biāo)所需的信噪比考慮分配SFC電路壓縮動態(tài)-20dB,那么中頻以后的接收機(jī)動態(tài)范圍為86dB。10、接收機(jī)靈敏度式中k為波爾茲曼常數(shù)T為絕對溫度B為噪聲帶寬L為系統(tǒng)損耗根據(jù)前面的分析，F(xiàn)MCW雷達(dá)的靈敏度不但決定于接收機(jī)本身的噪聲還與發(fā)射泄漏噪聲、本振噪聲有關(guān)，因而總噪聲系數(shù)要修正為：式中Fy;為本振1/f噪聲系數(shù)Fu為FM-AM變換噪聲系數(shù)另外，排除接收機(jī)以外的因數(shù)，識別系數(shù)(S/N)。取為1;暫不考慮系統(tǒng)損耗，L取1;并對帶寬歸一化，得到每Hz的靈敏度：根據(jù)FMCW雷達(dá)前端設(shè)計的相關(guān)文獻(xiàn)，取Fy=8dB,Fu=12dB,那么：經(jīng)過信號處理后，噪聲帶寬為FFT的分辨帶寬，如在50m量程時，△f=833.56Hz,取識別系數(shù)(S/N)mn=15dB,對應(yīng)的整個接收機(jī)靈七、測試在實驗室對實物測試的目的是進(jìn)一步補充、完善整機(jī)指標(biāo)體系，使相關(guān)指標(biāo)更可信、更合理，為下一步開展詳細(xì)方案設(shè)計和研制工作打下根底。1、收發(fā)天線隔離度測試將天線單元與其反面的電路別離，按下列圖連接測試設(shè)備：圖5、收發(fā)隔離度測試將信號源頻率設(shè)在9350MHz,輸出功率P=20dBm。假設(shè)頻譜儀測得的接收功率為PR,那么隔離度為：2、發(fā)射中心頻率3、發(fā)射功率電平4、調(diào)頻帶寬測得信號峰值功率Pm,在頻譜上升沿和下降沿分別找到對5、重頻、調(diào)頻時寬測試框圖如下列圖所示。圖8、調(diào)制參數(shù)測試框圖在不同量程下測試信號的重復(fù)周期、調(diào)頻信號寬度。本項測試需注重重復(fù)周期是否參差，這關(guān)系到同頻干擾抑制方案確實定。FMCW雷達(dá)接收靈敏度或噪聲系數(shù)受到各種泄漏噪聲的影響，因而拋開天線和發(fā)射機(jī)單獨測試接收機(jī)靈敏度或噪聲系數(shù)意義不大，因為這樣測得的參數(shù)不能真正反映接收機(jī)接收微弱信號的能力。真實反映實際情況的測試必須在發(fā)射機(jī)、天線處于正常工作時進(jìn)展?？紤]多種因素后設(shè)計如下列圖所示的測試方案。圖9、靈敏度測試框圖用X波段喇叭天線收集一局部發(fā)射信號，經(jīng)延時、衰減后通過相加網(wǎng)絡(luò)饋入接收通道，調(diào)整精細(xì)衰減器使雷達(dá)剛好能檢測到測試信號，用頻譜儀測量相加網(wǎng)絡(luò)輸入端的測試信號電平值，該測試值即為該項測試最好能在微波暗室中完成。條件不具備時，也可選較空曠處完成測試