连续波雷达方案

全固态连续波导航雷达 性能与指标论证 一 体制 调频连续波 FMCW 二 系统组成 系统组成见下图 发射通道 接收通道 定向 耦合器 信号产生 信号处理 接收天线 驱动电机 光电码盘 汇 流 环 接口 控制 显示 终端 网络 电源 发射天线 扫 描 单 元 显 示 单 元 图 1 系统组成框图 三 技术指标 1 频率 X 波段 9 3GHz 9 4GHz 2 峰值功率 100mW 3 扫频带宽 小于等于 75MHz 4 扫频重复频率 200Hz 5 扫频时宽 1 2ms 6 接收机噪声系数 小于等于 6dB 7 天线转速 24rpm 10 8 收 发天线水平波束宽度 5 2 10 3dB 宽度 9 收 发天线垂直波束宽度 25 20 3dB 宽度 10 收 发天线旁瓣电平 小于等于 18dB 正负 10 内 小于等于 24dB 正负 10 外 11 极化方式 水平极化 12 通信协议 高速以太网或串口 四 性能指标 1 探测距离 典型目标探测距离见下表 表 1 探测距离表 目标类型 探测距离 大型电站 风场 15 25nm 100m 高陡峭海岸线 10 20nm 稠密城市海岸线 6 12nm 覆盖森林的 250m 斜坡海岸线 4 8nm 低矮郊区海岸线 4 8nm 大型集装箱船 7 14nm 小于 50m 的低矮海岸线 浓密植被 3 6nm 小岛 2 4nm 中型汽艇 1 2nm 带角反射器的航标 1 2nm 小型汽艇或游船 0 5 1 5nm 无角反射器的小型浮标 0 25 0 5nm 皮划艇 300 800ft 鸟群 160 500ft 2 量程 50m 24nm 17 档可调 3 功耗 工作 19W 13 8Vdc 待机 2W 13 8Vdc 150ma 4 电源 9V 31 2V 直流 5 使用环境 工作温度 25 55 相对湿度 35 95 RH 防水 IPX6 相对风速 51m s 最大 100 节 五 组成原理 1 收发系统组成 D D S 倍频器 P A f h 上变频器 L N AI F A 差拍中频输出 混频器 发天线 收天线 图 2 收发系统原理框图 2 信号处理系统组成 A D F F T 积累 检测 差拍中频 检测视频 图 3 信号处理原理框图 六 关键指标分析论证 1 A D 采样率与采样位数 雷达最大量程 24nm 回波最大延迟 max82415296 330dt s 最大差拍频率 maxmax75296 318 5210bdFft MHzT 应选择 A D 采样频率 fs 2f bmax 实际可选 fs 40MHz 采样位数选 16 位 对应动态范围 96dB 2 距离分辨率 1 理论分辨率 发射波形扫频带宽 F 75MHz 理想距离分辨率为 80 63102275CRmF 对自差式 FMCW 雷达 当目标回波延时 td 有效带宽降为 1 dm tT 式中 Tm 为调制时宽 实际目标距离分辨率为 2 1 dmCRtFT 从上式可以看出 FMCW 雷达在不同的探测距离上有不同的距离分 辨率 距离越远 分辨率越差 取 Tm 1 2ms 最小和最大量程的距离 分辨率为 量程 50m 距离分辨率 R 2m 量程 24nm 距离分辨率 R 2 66m 以上给出的是距离分辨率的理论计算值 实际距离分辨率还与信 号处理 主要是 FFT 的频率分辨精度等因数有关 2 相干处理时间间隔对分辨率的影响 最大量程时的可用相干处理时间间隔 1200 296 32 903 68 s 可用采样点数 903 68 40 36147 为了便于 FFT 处理 若实际采样点数选 32768 对应的频率分辨率 f 1221 Hz 该频率分辨率对距离分辨率的限制为 3861 2012 930475mTCfR mF 该值大于理论距离分辨率 是实际能达到的距离分辨率 小量程时 差拍频率小 与大量程相比可获得更长的相干处理时 间 FFT 频率分辨率对雷达距离分辨率的影响可得到一定程度的改 善 比如 50m 量程时 最大回波延时 0 33 s 可用相干处理时间间隔 为 1200 0 33 1199 67 s 频率分辨率 f 833 56 Hz 该频率分辨率对距离分辨率的限制为 3861 2013 52 0575mTCfR mF 因而 FFT 频率分辨率对雷达距离分辨率的影响可忽略 但前提是 相干处理时间必须用足 按 40MHz 采样率 50m 量程下的可用样点 为 47986 实际处理时 可通过补零将序列长度延长至 65536 再进 行 FFT 如此长序列的 FFT 在处理时必须保证有足够的处理动态 否则将产 生严重的弱小目标损失 3 FFT 加窗对分辨率的影响 信号处理时 若对经 A D 变换后的回波差拍信号直接进行 FFT 频谱旁瓣仅为 13dB 在密集目标环境下 大目标的旁瓣谱线可能远 高于邻近小目标的主瓣谱线 从而严重干扰小目标的检测和分辨 为了克服这一问题 一般采用加窗处理的方法压低旁瓣 但加窗处 理的负作用是引起频谱主瓣的展宽 使雷达分辨率下降 比如 采 用 Hamming 窗函数进行加权 旁瓣可压低至 40dB 但主瓣展宽了一 倍 雷达的距离分辨率对应下降了一倍 3 信号处理损失 FMCW 雷达通过 FFT 分析差拍频率算出目标距离 FFT 具有所谓的 栅栏效应 其输出的频谱是离散的 谱线的间隔 f 等于相干处 理时间的倒数 当差拍回波谱正好等于 f 的整数倍时 幅度最大 无损失 而当差拍回波谱位于 FFT 的两根谱线之间时 即 2 0 12 1 bfnf nN 谱强度下降了 0 637 倍 即信号损失 3 92dB 4 测距精度 线性调频连续波雷达的测距精度取决于信号调频的线性度 测 频精度及目标运动引起的距离多普勒耦合等因素 1 线性度的影响 采用 DDS 产生 LFMCW 信号的设计方案 可获得较理想的线性度 其对测距精度的影响可不予考虑 2 测频精度的影响 差拍频率测量采用 FFT 方法时 其 栅栏效应 将带来测频误 差 最大测频误差发生在差拍频率位于 FFT 两根谱线之间时 2f 对应的测距误差 2m TCfRF 按照前述参数 小量程的误差为 1m 大量程误差为 1 465m 3 距离多普勒耦合的影响 当目标有径向运动速度 vr时 其回波频率将产生多普勒频移 2rdf 该频率将直接折合到差拍频率中去 引起的测距误差为 2md TCfRF 比如 以 30 节速度运动的目标 误差为 2 31m 距离多普勒耦合的影响可采用三角波调频的 FMCW 波形 在信号 处理时对该误差进行补偿 若采用锯齿波调频 该误差将直接加到 系统总误差中去 系统总测距误差为 22 RR 5 灵敏度频率控制 SFC 在脉冲雷达中一般采用灵敏度时间控制 STC 电路压制近距离 强回波 实现合理的信号动态范围控制 FMCW 雷达同样面临压缩动 态范围的问题 FMCW 雷达的近距离强回波除了干扰目标的观察和检 测 还会使中频电路过载 中频过载引起的交调会产生多个虚假目 标 增加雷达的虚警率 因而 在 FMCW 雷达中对近距离强回波进行 压制对保证探测性能显得尤为重要 FMCW 雷达的近距离回波处于差拍中频的低端 远距离回波位于 差拍中频的高端 所以要压缩信号的动态 必须压低差拍中频低频 段的增益 同时保证在高频段有足够的增益放大小信号 即实现所 谓的灵敏度频率控制 SFC SFC 电路的频率响应曲线应随频率增加而上升 其上升斜率在 每倍频程 6dB 12dB 之间 其控制曲线可随 海浪抑制 操作旋 钮的变化而变化 为了取得比较好的效果 SFC 电路应放在紧接混频器之后的位 置 非常近距离的超大目标回波的抑制靠交流耦合电路实现 6 发 收信号泄漏 FMCW 雷达发射机与接收机之间的信号泄漏问题是该体制雷达面 临的最突出问题 泄漏的影响表现在两个方面 一是当发射机泄漏 到接收机的信号过强 使接收机前端饱和甚至烧毁 二是泄漏信号 的噪声边带落入差拍信号的有效带宽内 严重限制了小信号的检测 因而 从某种意义上讲 FMCW 雷达对弱小目标的探测能力并不完全 受限于接收机的灵敏度 而在很大程度上取决于收发隔离度 LOWRANCE 雷达解决收 发隔离问题采取的是收 发双天线分置 的传统途径 目前从公开资料上查不到隔离度指标 但从其天线结 构和两个天线的间距推测 隔离度应该大于 60dB 在收 发天线分置的 FMCW 系统中 发射信号除了可以通过收 发天线的空间耦合泄漏到接收通道 还可能通过收发模块的电路间 耦合到接收电路 所以 在收发前端设计时 必须仔细考虑单元电 路的隔离和屏蔽 7 相位噪声对系统性能的影响 由于 FMCW 雷达不可避免的信号泄漏 加上该体制雷达一般采用 零拍型 接收方案 发射信号相位噪声对系统性能的影响在方案 设计和电路设计阶段都必须加以仔细考虑 任何射频产生电路在产生发射信号的过程中除产生所需要的信 号外 还不可避免地同时产生相位噪声 从频谱上看 相位噪声谱 对称分布于主信号谱两边 噪声边带可分为两个部分 一部分相互 之间及与主载频谱线之间的相位关系构成调幅 AM 噪声 另一部 分构成调制度很小的频率调制 FM 噪声 噪声的一部分由于隔离 度的限制泄漏到接收机的输入端 对零拍型 FMCW 雷达 本振信号直 接取之于发射信号的一部分 因而 发射信号的边带噪声也要作用 于混频器的本振输入端 泄漏信号与本振的相互作用使一部分噪声 变换到差拍中频 差拍中频中的这一部分噪声将直接影响接收机的 灵敏度 FMCW 雷达系统设计时为了减少边带噪声的影响 除了在信号产 生电路设计时尽量采取低噪声方案 还必须在接收机设计时采取抑 制信号边带噪声的措施 为了抑制本振的 AM 噪声 混频器电路一般采用平衡混频器 但 即使采用平衡混频器 泄漏到混频器信号输入端的发射信号中的 AM 噪声仍会变换到差拍中频中去 抑制 FM 噪声的有效措施是对消 对消的原理是保持泄漏到混频 器信号输入端的信号和本振信号有尽量一致的传输路径长度 这样 两路信号的 FM 噪声保持高度的相关性 混频器输出的 FM 噪声就得 到了有效的抑制 通过精心设计 这种方法可取得相当好的效果 所以 尽管发射噪声中的 FM 噪声电平远高于 AM 噪声电平 但通过 对消 FM 噪声对差拍中频的影响甚至小于 AM 噪声 当允许因相位噪声泄漏引起的噪声功率增加 n 倍 相噪 隔离 度等参数应满足以下关系 1740lg 1 tPNRCF 式中 Pt为发射功率 单位 dBm 为发射相位噪声 单位 dBc HzN R 为收发隔离度 单位 dB C 为对消比 单位 dB 174 为热噪声功率 单位 dBm Hz F 为噪声系数 单位 dB 8 近距离强杂波和大目标的影响 由于体制的特殊性 近距离固定地物的回波和大目标的回波所 含发射信号相位噪声对目标检测有显著影响 这种影响的机制与泄 漏信号的影响是一样的 但由于杂波或强回波位置是不确定的 无 法采用固定对消的方法实现 FM 噪声的有效抑制 强回波对检测的影 响如下图所示 图 4 强回波的影响 从图中可以看到 在强回波附近 噪声基底被抬高 如在大目标或 近区地物附近有小目标 小目标将很难被检测出来 减小强杂波和大目标对邻近小目标影响的根本解决途径是设计 噪声和杂散都尽可能小的信号产生电路 另外 在系统设计时可以 考虑小量程用较低的辐射功率 设置 SFC 电路等措施 9 接收机动态范围 接收机动态范围定义为接收机最大接收信号与最小接收信号功 率之比 该参数与雷达的测量范围 目标特性 检测能力等因素相 关 综合考虑诸因素 以分贝表示的动态范围为 rRCSNRDDdB 1 D r表示目标回波功率随距离变化的范围 其公式为 4maxin10lg RR 本雷达最大作用距离 Rmax定为 24nm 最小作用距离初步定为 10m 依 此计算出的 DR太大 也不符合导航雷达的工作模式 考虑到导航雷 达是分量程测量不同距离上的目标的 较为合理的方法是分量程确 定最大 最小测量距离计算距离动态范围 取其大者作为 DR 本雷达最小量程 50m 该量程下最小测量距离暂定 5m 则 50 4RDmdB 最大量程 24nm 该量程下最小测量距离暂定 1000m 则 2 6Rn 取 6RDdB 2 D RCS表示雷达感兴趣的目标 RCS 变化范围 大型船舶在 X 波段的反射截面积一般为 10000m2 暂定最小目标 反射截面积 1m2 则 40RCSdB 3 D SNR表示检测目标所需的信噪比 考虑到信号处理获得的得益 暂定 0SNRdB 综上 要求接收机线性动态范围 64106rDd 考虑分配 SFC 电路压缩动态 20dB 则中频以后的接收机动态范围为 86dB 10 接收机灵敏度 常规脉冲体制雷达的接收机灵敏度由下式决定 0min SkTBFLSN 式中 k 为波尔兹曼常数 T 为绝对温度 B 为噪声带宽 F0为噪声系数 L 为系统损耗 S N min为最小可检测信噪比 又称识别系数 根据前面的分析 FMCW 雷达的灵敏度不仅决定于接收机本身的噪声 还与发射泄漏噪声 本振噪声有关 因而总噪声系数要修正为 01 fAMF 式中 F1 f为本振 1 f 噪声系数 FAM为 FM AM 变换噪声系数 另外 排除接收机以外的因数 识别系数 S N min取为 1 暂不考虑 系统损耗 L 取 1 并对带宽归一化 得到每 Hz 的灵敏度 01 fAMSkTF 已知 F 0 6dB 根据 FMCW 雷达前端设计的相关文献 取 F1 f 8dB F AM 12dB 则 174681248 SdBmHz 经过信号处理后 噪声带宽为 FFT 的分辨带宽 如在 50m 量程 时 f 833 56 Hz 取识别系数 S N min 15dB 对应的整个接收 机灵敏度为 1480lg3 56103 8TS dBm 七 测试 在实验室对实物测试的目的是进一步补充 完善整机指标体系 对前节的指标分析进行验证 或在测试的基础上调整 优化分析方 法 使相关指标更可信 更合理 为下一步开展详细方案设计和研 制工作打下基础 1 收发天线隔离度测试 将天线单元与其背面的电路分离 按下图连接测试设备 接收天线 发射天线 信号源 频谱仪 图 5 收发隔离度测试 将信号源频率设在 9350MHz 输出功率 PT 20dBm 若频谱仪测得的接 收功率为 PR 则隔离度为 10lg TRIdBP 本项测试最好在微波暗室内完成 若无暗室条件 可选室外空旷处 将天线单元口面朝向天空安装 2 发射中心频率 将天线单元分离后 在发射末级功放的输出端焊接一根带 SMA 连接器的同轴线 按下图连接测试仪表 末级功放 频谱仪 图 6 发射参数测试 按上图连接好后 控制发射机工作 调整频谱仪读出发射中心频率 本项测试时需关注该雷达是工作于定频方式还是调频方式 3 发射功率电平 本项测试的测试框图如图 6 所示 在频谱仪上直接读出发射信 号的峰值功率电平 本项测试需特别关注雷达在不同量程时的发射功率电平 4 调频带宽 本项测试的测试框图如图 6 所示 调整频谱仪的参数 使频谱 仪显示 FMCW 信号的精细谱结构 FMCW 信号的谱结构如下图所示 0 5 P m a x P m a x B M F L F R 图 7 FMCW 信号频谱结构 测得信号峰值功率 Pmax 在频谱上升沿和下降沿分别找到对应 0 5 P max的频率 FL和 FR 调频带宽为 MLB 本项测试过程中亦需关注不同量程下调频带宽是否变化 5 重频 调频时宽 测试框图如下图所示 末级功放 检波器 示波器 图 8 调制参数测试框图 在不同量程下测试信号的重复周期 调频信号宽度 本项测试需关 注重复周期是否参差 这关系到同频干扰抑制方案的确定 6 灵敏度 FMCW 雷达接收灵敏度或噪声系数受到各种泄漏噪声的影响 因 而抛开天线和发射机单独测试接收机灵敏度或噪声系数意义不大 因为这样测得的参数不能真正反映接收机接收微弱信号的能力 真 实反映实际情况的测试必须在发射机 天线处于正常工作时进行 考虑多种因素后设计如下图所示的测试方案 发射机 相加 网络 接收机显示 延时 精密衰减器 图 9 灵敏度测试框图 用 X 波段喇叭天线收集一部分发射信号 经延时 衰减后通过 相加网络馈入接收通道 调整精密衰减器使雷达刚好能检测到测试 信号 用频谱仪测量相加网络输入端的测试信号电平值 该测试值 即为灵敏度 该项测试最好能在微波暗室中完成 条件不具备时 也可选较 空旷处完成测试 以尽量避免近距离强杂波的影响 延时电路可用 适当长度的传输线替代 八 测试结果 1 峰值功率 100mW 雷达工作在不同量程时 测试值大约为 7 5 频谱仪显示值 20 衰减器 3 5 连接电缆损耗 16dBm 考虑到焊接到电路上的电缆末端电压驻波比偏大 实际电 路峰值功率应该能达到 100mW 2 扫频带宽 量程 扫频带宽 3nm 24nm 13MHz 9 302 9 315GHz 1 4nm 2nm 65MHz 9 315 9 380GHz 50m 1 8nm 75MHz 9 305 9 380GHz 3 扫频时宽 当量程为 4nm 24nm 时 1 4ms 当量程为 3nm 时 1 3ms 当量程为 50m 2nm 时 1 2ms 4 功耗 整机实际测试 1 当雷达关闭或待机时 总电流 1 2A 功率 1 2A 13 8V 16 56W 2 当雷达开发射时 总电流 2 5A 功率 2 5A 13 8V 34 5W 微波电路测试 6 6V 0 45A 7 5v 15mA 3 024W 5 发 收天线隔离 隔离度测试值达到 65dB 以上 九 计算结果 1 不同量程段计算 量 程 Nm 扫频 带宽 MHz 扫 频 时 宽 最大 差拍 MHz 理想 距离 分辨 率 m 频率 分辨 率 Hz 实际 距离 分辨 率 m 接收 灵敏 度 dBm ms 24 13 1 4 2 751 14 63 906 05 14 64 103 43 4 13 1 4 0 458 11 96 740 41 11 96 104 31 3 13 1 3 0 369 11 87 733 69 10 99 104 34 2 65 1 2 1 337 2 35 850 83 2 47 103 70 1 4 65 1 2 0 166 2 0 835 48 2 36 103 78 1 8 75 1 2 0 096 2 0 834 40 2 00 103 79 50m 75 1 2 0 020 2 0 833 56 2 00 103 79 2 相位噪声 Pt为发射功率 取 20dBm 为发射相位噪声 单位 dBc HzN R 为收发隔离度 取 65dB C 为对消比 单位 dB 174 为热噪声功率 单位 dBm Hz F 为噪声系数 6dB n 取 2 174 6 20 65 C 123 C dBc Hz 相位噪声与对消比有N 关