连续波雷达方案说明

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)。系统组成见下列图。图1.系统组成框图4、扫频重复频率5、扫频时宽6、接收机噪声系数7、天线转速8、收/发天线水平波束宽度9、收/发天线垂直波束宽度水平极化高速以太网或串口典型目标探测距离见下表。表1.探测距离表大型电站/风场100m高陡峭海岸线稠密城市海岸线覆盖森林的250m斜坡海岸线低矮郊区海岸线大型集装箱船小于50m的低矮海岸线，浓密植被小岛中型汽艇带角反射器的航标小型汽艇或游船无角反射器的小型浮标皮划艇鸟群3、功耗5、使用环境五、组成原理1、收发系统组成2、信号处理系统组成六、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：应选择A/D采样频率fs≥2fmax,实际可选：采样位数选16位，对应动态范围96dB。2、距离分辨率发射波形扫频带宽△F=75MHz,理想距离分辨率为：对自差式FMCW雷达，当目标回波延时td,有效带宽降为：式中Tm为调制时宽。实际目标距离分辨率为：从上式能够看出，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。最大量程时的可用相干处理时间间隔：为了便于FFT处理，假设实际采样点数选32768。对应的频率分辨率：该频率分辨率对距离分辨率的限制为：该值大于理论距离分辨率，是实际能到达的距离分辨率。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。比方，50m量程时，最大回波延时0.33μs,可用相干处理时间间隔因而，FFT频率分辨率对雷达距离分辨率的影响可忽干处理时间必须用足。按40MHz采样率，50m量程下的可用样点为信号处理时，假设对经A/D变换后的回波差拍信号直接进展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负作用是引起频谱主瓣的展宽，使雷达分辨率下降。比方，采用Hamming窗函数进展加权，旁瓣可压低至-40dB,但主瓣展宽了一倍，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“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，失。而当差拍回波谱位于FFT的两根谱线之间时，即：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。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。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：按照前述参数，小量程的误差为1m,大量程误差为1.465m。当目标有径向运动速度v,时，其回波频率将产生多普勒频移：该频率将直接折合到差拍频率中去，引起的测距误差为：比方，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展补偿。假设采用锯齿波调频，该误差将直接加到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增加雷达的虚警率。因而，在FMCW雷达中对近距离强回波进展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充足的增益放大小信号，即实现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”操作旋钮为了取得比拟好的效果，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在收、发天线分置的FMCW系统中，发射信号除了能够通过收、7、相位噪声对系统性能的影响因为FMCW雷达不可防止的信号泄漏，加上该体制雷达一般采用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噪声就得到即使发射噪声中的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P.为发射功率，单位dBmR为收发隔离度，单位dBC为对消比，单位dB-174为热噪声功率，单位dBm/HzF为噪声系数，单位dB8、近距离强杂波和大目标的影响因为体制的特殊性，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，但因为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4、强回波的影响从图中能够看到，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，在系统设计时能够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、检测能力综合考虑诸因素，以分贝表示的动态范围为：(1)、D.表示目标回波功率随距离变化的范围本雷达最大作用距离Rm定为24nm,最小作用距离初步定为10m,依此计算出的Dg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D。本雷达最小量程50m,该量程下最小测量距离暂定5m。那么：最大量程24nm,该量程下最小测量距离暂定1000m。那么：〔3〕、D表示检测目标所需的信噪比考虑分配SFC电路压缩动态-20dB,那么中频以后的接收机动态范围为86dB。10、接收机灵敏度式中k为波尔兹曼常数T为绝对温度B为噪声带宽L为系统损耗根据前面的分析，FMCW雷达的灵敏度不但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：式中Fy;为本振1/f噪声系数Fu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)。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：根据FMCW雷达前端设计的相关文献，取Fy=8dB,Fu=12dB,那么：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=833.56Hz,取识别系数(S/N)mn=15dB,对应的整个接收机灵七、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，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根底。1、收发天线隔离度测试将天线单元与其反面的电路别离，按下列图连接测试设备：图5、收发隔离度测试将信号源频率设在9350MHz,输出功率P=20dBm。假设频谱仪测得的接收功率为PR,那么隔离度为：2、发射中心频率3、发射功率电平4、调频带宽测得信号峰值功率Pm,在频谱上升沿和下降沿分别找到对5、重频、调频时宽测试框图如下列图所示。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。本项测试需注重重复周期是否参差，这关系到同频干扰抑制方案确实定。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展。考虑多种因素后设计如下列图所示的测试方案。图9、灵敏度测试框图用X波段喇叭天线收集一局部发射信号，经延时、衰减后通过相加网络馈入接收通道，调整精细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