三路單脈沖雷達(dá)接收機(jī)DAGC技術(shù)的工程實現(xiàn)

李邦芹

(中國電子科技集團(tuán)公司第20研究所雷達(dá)部，陜西西安 710068)

在雷達(dá)工作過程中，目標(biāo)回波信號的強(qiáng)度會有較大起伏，使接收機(jī)的輸入信號會有相應(yīng)的變化，變化范圍為－100～15 dBm［1］。若要在如此寬的信號變化范圍中保持接收設(shè)備能對信號進(jìn)行線性放大，和保持信號不飽和失真，就需要控制接收機(jī)的增益，擴(kuò)展接收機(jī)的動態(tài)范圍，并以此來防止近程雜波及大目標(biāo)回波使接收機(jī)發(fā)生過載，實現(xiàn)測角歸一化，使接收機(jī)輸出的角誤差信號強(qiáng)度只與目標(biāo)偏離天線軸線的夾角有關(guān)，而與距離的遠(yuǎn)近和反射面積的大小無關(guān)。在工程實踐中，通常用AGC來達(dá)到這一目的。

早期雷達(dá)采用模擬AGC電路，精度不高，且調(diào)試復(fù)雜。后經(jīng)采用EPROM和D/A轉(zhuǎn)換器對模擬衰減器的控制曲線加以修正，提高了對接收機(jī)進(jìn)行調(diào)試和補償?shù)撵`活性，但電路集成度低，設(shè)備量大［2］。

文中介紹了三路單脈沖雷達(dá)接收機(jī)DAGC技術(shù)的工程實現(xiàn)方法，其是基于A/D轉(zhuǎn)換芯片AD9280、FPGA(XC2V1000)等數(shù)字電路，在系統(tǒng)搜索狀態(tài)采用靈敏度時間控制(STC)及手動增益控制、跟蹤狀態(tài)采用AGC控制，實時調(diào)整中頻接收機(jī)的增益，從而增強(qiáng)系統(tǒng)的靈活性，使得信號處理能夠根據(jù)雷達(dá)工作狀態(tài)的需要，調(diào)整中放模塊的增益，甚至改變自動增益控制的方式。

1 三路單脈沖雷達(dá)接收機(jī)DAGC技術(shù)

1.1 組成及工作原理

圖1為三路單脈沖雷達(dá)接收機(jī)DAGC的組成框圖。搜索狀態(tài)衰減器1受靈敏度時間控制，衰減器2受手動增益控制。跟蹤狀態(tài)和通道AGC，以和通道中頻信號作為輸入信號。當(dāng)目標(biāo)由遠(yuǎn)至近，回波信號由弱到強(qiáng)時，控制兩級衰減器，使得通道中頻信號幅度保持不變，與時差通道數(shù)控衰減器衰減量與和通道保持一致，從而保證了兩個支路輸出的角誤差信號與目標(biāo)偏離天線軸線的夾角有關(guān)，而與目標(biāo)的遠(yuǎn)近大小無關(guān)。圖中FPGA用來實現(xiàn)數(shù)字增益控制。

1.2 STC及手動增益控制的數(shù)字化實現(xiàn)

在進(jìn)行大范圍目標(biāo)搜索時，需要把距離選通波門開得較寬，這可用STC電路來實現(xiàn)。其屬于AGC，可用來減輕近距離的地物反射或海浪反射引起的雜波干擾，防止中頻放大器產(chǎn)生過載［3］。由于叢林、海浪等地物反射引起的雜波干擾的強(qiáng)度隨距離的增大而減小，因此STC電路適用于消弱此種具有特定變化規(guī)律的雜波干擾。

圖1 三通道單脈沖雷達(dá)接收機(jī)DAGC的組成框圖

具體實現(xiàn)方法是:根據(jù)信號的實際情況確定近距離增益值和增益隨時間變化的曲線，將這一曲線存儲在一個小的臨時緩存中，即加載到FPGA內(nèi)部ROM中，在發(fā)射觸發(fā)脈沖觸發(fā)時將存儲量按一定時間源源不斷地讀出，產(chǎn)生隨時間變化的衰減量曲線，從而實現(xiàn)靈活準(zhǔn)確的STC。圖2為STC數(shù)字實現(xiàn)的框圖。

圖2 STC數(shù)字實現(xiàn)的電路框圖

手動增益控制的實現(xiàn)較為簡單，其過程是將手動控制電壓經(jīng)A/D變換后送到FPGA，在FPGA內(nèi)部經(jīng)數(shù)據(jù)寄存器輸出后送到控制衰減器2，實現(xiàn)手動增益控制。

1.3 跟蹤狀態(tài)自動增益控制數(shù)字化實現(xiàn)

跟蹤狀態(tài)自動增益控制是對被跟蹤目標(biāo)的幅值進(jìn)行采樣，根據(jù)幅值的大小，反過來控制前端中頻放大電路中的衰減器，將信號輸出調(diào)整到適合檢測的幅值范圍內(nèi)。如圖1所示，A/D數(shù)據(jù)輸出到FPGA，在FPGA內(nèi)取測距波門中心的3個值，進(jìn)行比較，選取最大值，作為被跟蹤信號幅值，則有

式(1)中，A(n)為第n次脈沖回波周期的衰減量;e(n)為第n周被跟蹤信號幅值與各級門限比較所得的增益需要調(diào)整dB數(shù);A(n+1)為n+1第次回波周期的衰減量。

每次在修正AGC碼之前，需采用求出的差值e(n)對當(dāng)前衰減量進(jìn)行修正，將信號調(diào)整到設(shè)計允許的誤差范圍內(nèi)，或者AGC值衰減量達(dá)到系統(tǒng)允許的最大值。

各級門限值的確定方法是［4］:首先確定標(biāo)準(zhǔn)門限值λ，標(biāo)準(zhǔn)門限值由A/D轉(zhuǎn)換器的動態(tài)范圍、接收機(jī)的動態(tài)范圍和噪聲電平以及雷達(dá)虛警概率共同確定，根據(jù)接收機(jī)在AGC調(diào)整范圍內(nèi)的噪聲電平大小，得到相應(yīng)檢測所需的信號幅值，這就是標(biāo)準(zhǔn)門限的下限λ下。門限的上限λ上由A/D轉(zhuǎn)換器的動態(tài)范圍決定，為防止信號飽和，一般低于 A/D轉(zhuǎn)換器可測量值3 dB，例如，如果最大量程為±1 V，則可取信號調(diào)整到位時的最大幅值為0.707 V。當(dāng)信號幅值處于標(biāo)準(zhǔn)門限值之間時，e(n)值為0。然后根據(jù)衰減器步跳量及信號最大起伏量確定剩余各級門限值，則有

式(2)中，λx為各級門限值，假設(shè)衰減器的步跳量為0.5 dB，則由 e(n)分別等于 0.5，1.0，1.5，…，計算出各級門限值 λ1，λ2，λ3，…，設(shè)信號幅值為 V，則當(dāng) λ上＜V≤λ1時，e(n)值為0.5 dB;當(dāng) λ1＜V≤λ2時，e(n)值為1.0 dB，…。

2 工程中問題的解決

2.1 中放增益控制問題

系統(tǒng)搜索狀態(tài)中的兩級衰減器分別受靈敏度時間控制和手動增益控制，當(dāng)雷達(dá)發(fā)現(xiàn)目標(biāo)時，操作手在按跟蹤鍵之前，需調(diào)整手動增益，以使目標(biāo)回波在系統(tǒng)跟蹤所要求的電平范圍內(nèi)。解決辦法，是將自動增益控制的初始值設(shè)為測距波門中心點處的靈敏度時間控制值和手動增益控制值之和，這樣信號能快速調(diào)整到標(biāo)準(zhǔn)門限之內(nèi)，對近距離目標(biāo)有效。此方法已成功應(yīng)用于工程中，可在8個雷達(dá)工作周期內(nèi)實現(xiàn)目標(biāo)回波輸出穩(wěn)定。

2.2 頻率捷變狀態(tài)中通道增益問題

采用頻率捷變體制的寬帶雷達(dá)系統(tǒng)中，帶內(nèi)增益很難保持一致，回波信號幅度會有較大變化，有時甚至?xí)绊懜櫟姆€(wěn)定性。解決方法是測出雷達(dá)通道在不同頻點的增益差值，頻率變化時在數(shù)字AGC控制下對不同頻點的增益差值進(jìn)行補償。

2.3 衰減量波動問題

在進(jìn)行信號處理時，需檢測和支路信號中輸入信號的電平。但是，當(dāng)幅值處于調(diào)節(jié)衰減的臨界狀態(tài)時，由于電平檢測的波動性和滯后性，使得即使輸入信號的電平?jīng)]有發(fā)生較大的變化，其估計值也時常會在某一AGC值左右震蕩。這樣就會出現(xiàn)中頻增益反復(fù)調(diào)整的現(xiàn)象，使輸出電平不穩(wěn)，雷達(dá)系統(tǒng)無法進(jìn)入穩(wěn)定跟蹤狀態(tài)。解決方案是使加上衰減與撤去衰減的門限不同［5］。根據(jù)雷達(dá)目標(biāo)檢測的特性，可以令加上衰減的門限高，而撤去衰減的門限低來解決，在系統(tǒng)中衰減器最小衰減量為0.5 dB，所以設(shè)計的門限上限和下限之間差值＞0.5 dB。

2.4 沖擊振蕩問題

由于數(shù)控衰減器的開關(guān)作用時會在輸出端產(chǎn)生沖擊振蕩，其會對中頻信號造成干擾，成為假目標(biāo)［6］。工程設(shè)計中，通過手動增益控制和自動增益控制的時序調(diào)整，即手動增益控制碼的變化控制在雷達(dá)休止期，自動增益控制碼的變化控制在測距波門的前后沿，從而解決沖擊振蕩干擾問題。由于靈敏度時間控制無法通過時序調(diào)整來解決，所以系統(tǒng)中衰減器1應(yīng)采用模擬衰減器，其有效地解決了沖擊震蕩問題。搜索狀態(tài)下的視頻輸出波形如圖3所示，跟蹤狀態(tài)下的視頻輸出波形如圖4所示。

2.5 接收機(jī)增益控制中存在的問題

用數(shù)字AGC技術(shù)實現(xiàn)對接收機(jī)增益控制仍存在一些問題亟待解決。如果雷達(dá)在受到同頻異步信號干擾時，使用這種數(shù)字化的干擾信號進(jìn)行AGC時，可能導(dǎo)致衰減量被迅速調(diào)整到一個背離實際情況的值，從而丟失目標(biāo)［7］。因此，在軟件設(shè)計上應(yīng)采取一些措施，避免此情況出現(xiàn)。另外，當(dāng)目標(biāo)檢測過程中采用多脈沖積累技術(shù)時，如果區(qū)域內(nèi)存在目標(biāo)或者噪聲突然增強(qiáng)或減弱，在一次脈沖積累過程中由于不調(diào)整 AGC，會出現(xiàn)接收機(jī)飽和或信號丟失現(xiàn)象，這是應(yīng)用數(shù)字AGC技術(shù)時應(yīng)當(dāng)注意的問題。

3 結(jié)束語

數(shù)字AGC技術(shù)調(diào)節(jié)方便、反饋快捷、精度高，從而增強(qiáng)了對接收中頻放大模塊的控制能力，有利于提高系統(tǒng)的檢測和跟蹤性能。目前，大量可編程邏輯器件集成度越來越高，IP核也越來越多，性價比也越來越好，為數(shù)字化自動增益制技術(shù)的應(yīng)用提供了有利的硬件平臺。文中介紹的單脈沖雷達(dá)接收機(jī)DAGC技術(shù)，已在某型號雷達(dá)的研制中具體應(yīng)用，解決了工程應(yīng)用中的許多實際問題，收到了良好的效果。

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