降低雷達接收機中噪聲的幾種方法

1引言雷達接收機除了接收到有用信號外，還接收著雜亂的噪聲信號，這些噪聲信號嚴重影響雷達接收機的靈敏度。由雷達方程可知，要提高雷達的探測距離，提高雷達接收機靈敏度是一個重要的捷徑,但雷達接收機的極限值是受噪聲功率所限制的，要想提高接收機的靈敏度,增大雷達的作用距離,就必須研究怎樣降低噪聲。2接收機噪聲的來源雷達接收機的噪聲，一部分來自接收機接收到的外部干擾,主要有天線熱噪聲、友鄰雷達及電臺干擾、敵方雷達干擾設(shè)備的干擾、工業(yè)干擾、天電干擾及宇宙干擾等;另一部分噪聲來自接收機的內(nèi)部，主要由接收機的電阻、饋線、諧振回路等有損耗元件產(chǎn)生的熱噪聲以及電子管、晶體管等有源器件產(chǎn)生的各種噪聲。內(nèi)部噪聲和外部干擾都會影響有用信號的接收,但是,它們影響環(huán)境和影響程度是不同的。外部干擾的影響有時間性、空間性和頻率性，即外部干擾中,有的是只存在于某段時間，如只有雷雨時，才會有雷電干擾;有的是呈現(xiàn)在某個方位，如宇宙干擾主要在銀河系中心；有的只影響某個頻率范圍，如工業(yè)電氣設(shè)備干擾和天電干擾主要影響廣播、電視頻段;還有的外部干擾可以采用抗干擾措施消除。內(nèi)部噪聲的影響則無時間性、空間性和頻率性,任何接收機，只要一工作就有內(nèi)部噪聲產(chǎn)生,就會影響對微弱信號的接收，所以內(nèi)部噪聲對雷達偵察和雷達接收機影響最大。式中，巴、只'分別為接收機輸入端的信號功率和噪聲功率；Pg、尸“分別為接收機輸出端的倍號功率和噪聲功率。圖片:圖片:式中，甩門為接收機的額定功率增益〔潮定功率傳輸系圖片:=圖片:=至終端3降低接收機內(nèi)部噪聲的措施通常我們用“噪聲系數(shù)”來衡量內(nèi)部噪聲對輸出信噪比的影響程度,噪聲系數(shù)是接收機輸入端信號噪聲功率比與其輸出端信號噪聲功率比的比值,數(shù)學表達式為如果接收機內(nèi)部不產(chǎn)生噪聲，那么接收機信噪比通過接收機后是不會變化的，因此F=1。由于實際接收機是存在內(nèi)部噪聲的，那么輸入信噪比通過接收機后將要變壞，因此F>1,且F值越大，表示接收機內(nèi)部噪聲的影響越大。任何接收機總是由各個單元電路級聯(lián)組成的，當知道各個單元的噪聲系數(shù)后，就可以求出多個單元級聯(lián)后的總噪聲系數(shù)F0:由式⑵可知,要使級聯(lián)電路的總噪聲系數(shù)F0小,就需各級的噪聲系數(shù)要小和額定功率增益要大；各級內(nèi)部噪聲的影響大小是不同的，越是靠近前面的幾級，噪聲系數(shù)和額定功率增益對接收機總的噪聲系數(shù)影響越大，而后面各級影響較小，可忽略不計。所以，在設(shè)計接收機時,總是力圖減小前幾級的噪聲并增大額定功率增益，以提高接收機的靈敏度。圖1是一般雷達接收機的方框圖。一般雷達接收機中都有高頻放大器,而且高頻放大器的額定功率增益總是很大的,因而我們在考慮接收機的總噪聲系數(shù)時一般只考慮高頻放大器以前各級的噪聲系數(shù),而忽略其后各級噪聲對總噪聲系數(shù)的影響。因此，為了降低總噪聲系數(shù),一般可以采用以下的措施:⑴高頻饋線及部件。厘米波雷達的高頻饋線及高頻和差系統(tǒng)是比較復雜的，一般包括低功率極化器、數(shù)個移相器、雙T和差網(wǎng)絡(luò)、放電器、波導2同軸變換器等微波器件。由于這些無源網(wǎng)絡(luò)的額定功率傳輸系數(shù)都小于1,必然要產(chǎn)生一定的損耗,將使接收機的噪聲系數(shù)增大。因此，要盡量采用損耗低的高頻饋線及高頻元器件，同時它們與電路的連接、匹配均應十分良好。⑵高頻放大器。根據(jù)式⑵可以知道,采用額定功率增益大、噪聲系數(shù)低的高頻放大器,對雷達接收機獲得低噪聲性能具有決定性的意義。目前低溫參量放大器及低溫高電子遷移率晶體管(HEMT)放大器等都是一些性能較好的高頻放大器。(3)混頻器。在采用了高頻放大器以后，不等于說對微波混頻器的噪聲性能就可以降低要求。特別是在無高頻放大器的雷達接收機中，混頻器噪聲的影響就更為重要，必須采用相應的措施減小混頻器的噪聲。要降低混頻器的噪聲，應選用噪聲性能良好的混頻二極管，比如采用面積接觸型的微波晶體混頻二極管；正確選擇混頻器的工作狀態(tài)；廣泛采用平衡、雙平衡及三平衡混頻器,以大大減小本地振蕩器噪聲的影響;使用鏡頻回收和鏡頻抑制技術(shù)來減少混頻器的變頻損耗,降低混頻器輸出的中頻噪聲,從而提高混頻器輸出端的信噪比等。(4)前置中頻放大器。對于厘米波雷達接收機,由于結(jié)構(gòu)等方面的原因,通常把中頻放大器分成前置中放和主中放兩部分,且前置中放離接收機的高頻部分很近。其目的是將混頻器輸出的微弱中頻信號預先進行功率放大,然后再用較長的中頻電纜送到主中放去,這樣就可以把電纜和主中放的噪聲影響減小到最低程度。采用低噪聲的前置中放對于直接混頻的雷達需要2一3級。為了使電路具有低噪聲、高額定功率增益、高的工作穩(wěn)定性,對于晶體管雷達接收機,第一級通常采用共射2共基極級聯(lián)電路;對于電子管雷達接收機,第一級廣泛采用高頻五極管接成三極管用的共陰2共柵極級聯(lián)電路。除此以外,還可以通過適當?shù)剡x擇接收機的中頻頻率、接收機的工作頻帶以及降低接收機的工作溫度等措施來降低接收機的噪聲系數(shù)。圖2白適應白調(diào)諧濾波器始輸入，經(jīng)過延時P后作為參罟輸入x,顯然工與刃足不相關(guān)的，口適應濾波器輸出.V也與"不相關(guān)。誤差信號&為9=$+“-y兩邊平方后取數(shù)學期望.?E[fi]=E[(s-y)~]十E[tt]^-2E[n(s-y)]⑶若慮到料與』及],不相關(guān)，且?的均值為零，上式變?yōu)镋[^]=E[(s-y)1]+E[n~] (A)當調(diào)節(jié)濾波器參數(shù)使E[問最小時，噪聲功率Ef小不會變化，耐心-y)2]將達到最小，從而濾波器輸出j為信號s的最小平方估計0口適應濾波器右多種算法,這里采用一種簡單易行的最小均方算法rLMS算法丿。濾波器采用橫向濾波器，如圖3所示。對于這種濾波器,系統(tǒng)輸出誤差你為縱=辦-XkWk ⑸其中，輸出向量Xi=[心小_1…小一1/,權(quán)向:&叭=[woovit???w；*]r,T表示轉(zhuǎn)置。LMS算法簡單地取媒作為刃珀的估值，于思自適應過程每次迭代時共梯度怙值為A權(quán)向量為呼"=叭-找存二叭-2礙(1)

式中“足控制自適應速度與穩(wěn)是性的常數(shù)'應滿足

0<A<1/丄皿K其中丄是自相關(guān)陣=E[X.Xl]的特征值?？梢宰C明，權(quán)向量的數(shù)學期塑值收斂于最隹權(quán)向量」即維納最件解TX= ，耳=E{&沁為互相董冋量廠4.2小波變換的消噪方法及其改進設(shè)M點離敕含噪信號為f(t)=s(r)+譏〃 W其中川⑴為原始信號是方差為的髙斯白噪聲』服從N(Q,(T)■■■容易看出，對/⑴妙肌次力皴分解之后’由空間分布不均勻信號訂訃所對應的各尺度上小波系數(shù)叱川在某些特定的位置有較大的值」這些點對應于原始信號.何的奇變位置和重墓信息，而It他大部分位置的巧占值較小』對應于信號的緩變部企?對于白噪聲M幾它所對應的力披系數(shù)眄左在每一尺度上的分布是均勻的「并隨著尺度的增如吟係數(shù)的幅值有所減小。因此，通常的消噪辦法是選取一閾值九把低于h的小渡系數(shù)杠七(主栗由噪聲銳心丿引起^設(shè)為零，而尿存髙于A的叫「注要由信號打也引起；，經(jīng)過這樣處理之后的叫'就可理解為基本上是由信號打打引起的」再利用小波快速亜構(gòu)算法對叫丄進行重構(gòu)，就可得到原始信號的一個估計o具體方袪如下；⑴對含噪信號池"利用小渡快速分解算法做小菠分解‘得到小波系數(shù)叫q

* \ 心*-(\巧冷| , |旳川|EAI° 「丨叫加<入則鬲川為經(jīng)過軟閾值之后得到的小波系數(shù)；f芳對血飛利用小波快速重構(gòu)算法進行重構(gòu)，便可得到和”的估計值f(t).該方法計算簡單,但它壯一種相對?粗賂的去噪方首先對A的選取作了醺進，：?通過實例驗證上述A的取法不太理想,所以筆崙設(shè)計丁一種方案，在不同的尺度)取不同的S=叱血目的1/3/ln(j—1兒即隨著尺度J的增大」人的值逐漸減小，便得與噪聲在小波變換各尺度上的傳播特性相一致0另外給岀了一種估計小液系數(shù)的新方法,稱為槻平方處理方法，它可以促使信噪分離■:.下而對共進行討論■：■先普慮叫飛>0的情形，然后把結(jié)論推廣到忖V0的情況。在軟閾值估計方法中'當^.^>0時，式『卯等價于如呆把心“右看成一個整體，則式「10>的實際含義為當旳“A|>1時嚴.斤被認為主要是信號所對應的小液系數(shù)，予以保留,■否則，叫飛被認為主箜是由噪聲引起的，應當消除。該模型雖然與軟閾值模型是先全等價的，但可戌從中得到一些啟樂o比如』可以取I*"川咋屛心‘-叮.聽“心Ei小Wj.i=■ , 『11丿I0 ,叫-*易v1即先對叫加心進行平方處理，使得每一個系數(shù)與1的偏離桎度增大，這樣可以促進信嚼分離，然后再對共進行軟閾值處理，最后幵平方得到—以上討論的是叫八0時的情形。對于一般情況，有羽-幾上EAj(Y2)綜上所述，改進之后的消噪算法為，⑴對含哩聲信號ft#利用小披快謹分解算法進行小彼分解.得到小漩殺數(shù)叫爪⑵令心二d-fZlogJ^^/lnO+1),由式(12)定義譏片從而得到一組估計小菠系數(shù)；G丿對鬲飛利用小波快速重構(gòu)算法進行重構(gòu)，便可得到的估計值丿3:降低接收機外部噪聲的方法以上的幾種方法對于降低接收機內(nèi)部噪聲有十分顯著的作用,但對于抑制接收機的外部噪聲就沒有太大的作用了。為了降低接收機的外部噪聲,我們可以采用以下幾種方法。4.1自適應噪聲對消法考慮到雷達回波是不相關(guān)的,不能采用常見的自適應噪聲對消器來消除,為其參考輸入噪聲和原始輸入噪聲是相關(guān)的。如果我們采用圖2所示的自適應自