連續(xù)波雷達(dá)直波泄露抑制技術(shù)研究

馮健康 黃根全 謝敏

(西安電子工程研究所 西安 710100)

0 引言

連續(xù)波雷達(dá)與脈沖雷達(dá)相比較有諸多的技術(shù)和戰(zhàn)術(shù)優(yōu)點(diǎn)，如測量精度高、雜波抑制能力強(qiáng)，從發(fā)射功率層面上易于實(shí)現(xiàn)低截獲、體積小、重量輕、功耗小等。但由于連續(xù)波雷達(dá)同時(shí)發(fā)收存在嚴(yán)重的發(fā)射信號(hào)直波泄露，這將直接影響雷達(dá)接收系統(tǒng)的正常工作，其一強(qiáng)的發(fā)射直波泄露信號(hào)將會(huì)飽和中放，甚至使混頻器飽和，從而阻塞接收機(jī);其二強(qiáng)的直波泄露信號(hào)攜帶的噪聲也很強(qiáng)，導(dǎo)致本來很容易檢測的目標(biāo)回波信號(hào)被泄露噪聲淹沒，降低接收機(jī)靈敏度;其三強(qiáng)的直波泄露信號(hào)可能從動(dòng)目標(biāo)檢測濾波器的副瓣進(jìn)入產(chǎn)生虛假目標(biāo)。連續(xù)波雷達(dá)收發(fā)隔離一直是限制連續(xù)波雷達(dá)廣泛應(yīng)用和發(fā)展的主要因素，如何有效解決連續(xù)波雷達(dá)收發(fā)隔離問題，把發(fā)射信號(hào)的直波泄露抑制到足夠低的程度有著重要意義。通常連續(xù)波雷達(dá)在實(shí)際工程中抑制發(fā)射直波泄露信號(hào)技術(shù)措施主要有基于電磁波傳輸特性的空間物理隔離技術(shù);基于收發(fā)信號(hào)特性的接收通道對(duì)消技術(shù)和基于信號(hào)多普勒處理雜波抑制技術(shù)的接收機(jī)中頻濾波技術(shù)和數(shù)字信號(hào)處理濾波技術(shù)。物理隔離對(duì)連續(xù)波雷達(dá)直波泄露信號(hào)及其信號(hào)攜帶噪聲均有抑制，但濾波和對(duì)消技術(shù)僅能夠?qū)Πl(fā)射直波泄露信號(hào)具有抑制作用，但對(duì)信號(hào)攜帶的噪聲卻不能較好抑制，為此本文通過分析連續(xù)波雷達(dá)靈敏度出發(fā)，對(duì)連續(xù)波雷達(dá)的檢測能力作了分析。

1 發(fā)射直波泄露抑制技術(shù)

1.1 收發(fā)天線空間物理隔離技術(shù)

空間物理隔離技術(shù)就是根據(jù)電磁波傳輸理論和特性在收發(fā)空間上實(shí)施的發(fā)射直波泄露信號(hào)隔離技術(shù)措施。在早期單天線的連續(xù)波雷達(dá)中常常采用環(huán)形隔離器來解決收發(fā)隔離問題，但目前隔環(huán)形器的隔離水平只能達(dá)到40dB 左右。采用收發(fā)天線分離技術(shù)可以有效提高隔離度，而且增大收發(fā)天線間距可以提高收發(fā)隔離，一般收發(fā)天線間距增加一倍隔離度可提高6dB，但這將受雷達(dá)體積重量限制?？臻g物理隔離度大小還與工作頻率、收發(fā)天線波束寬度、副瓣等參數(shù)有關(guān)，同時(shí)也與連續(xù)波雷達(dá)發(fā)射與接收電路的電磁屏蔽技術(shù)有關(guān)。通常在收發(fā)天線間加裝吸收性U 型隔離板(見圖1)，對(duì)發(fā)射天線側(cè)向輻射的電磁波進(jìn)行吸收和隔離，這種隔離措施使收發(fā)天線間的電磁波不能直視傳輸，隔離效果十分明顯［1］。但單純使用U 型金屬隔離板時(shí)，由于金屬隔離板的安裝，在雷達(dá)結(jié)構(gòu)上產(chǎn)生了不連續(xù)點(diǎn)，當(dāng)電磁波照射到U 型隔離板上時(shí)，在結(jié)構(gòu)不連續(xù)處可能會(huì)激起表面導(dǎo)波(即表面波)，表面波沿著隔離板傳波，在結(jié)構(gòu)不連續(xù)處表面波轉(zhuǎn)變成輻射源，產(chǎn)生非鏡面散射，對(duì)隔離度產(chǎn)生影響。通常會(huì)在金屬隔離板表面加貼吸波材料，使表面波傳輸?shù)浇Y(jié)構(gòu)不連續(xù)處之前，已被充分衰減，從而減弱非鏡面散射如圖2所示，例如:某“X”波段連續(xù)波測速雷達(dá)，發(fā)射功率為44dBm，收發(fā)天線采用微帶平面貼片天線陣結(jié)構(gòu)，收發(fā)天線分離，且之間加裝金屬隔離板，測試接收天線耦合到功率為-36dBm(隔離度約為80dB)，在金屬隔離板外側(cè)面貼吸波材料，測試接收天線耦合到功率為-45dBm(隔離度約為89dB)，在金屬隔離板外側(cè)面貼高阻表面光子晶體吸波材料，測試接收天線耦合到功率為-51dBm(隔離度約為95dB)［2］。

圖1 收發(fā)天線U 型隔離板示意圖

圖2 收發(fā)天線隔離板加裝吸波材料

1.2 接收通道對(duì)消技術(shù)

接收通道對(duì)消技術(shù)就是構(gòu)造一個(gè)與發(fā)射直波泄露信號(hào)幅度相等，相位相反的信號(hào)，然后與接收機(jī)接收信號(hào)進(jìn)行相加(或合成)，從而達(dá)到降低發(fā)射直波泄露信號(hào)的技術(shù)。從對(duì)消技術(shù)在連續(xù)波雷達(dá)實(shí)施部位分為射頻對(duì)消技術(shù)和中頻對(duì)消技術(shù);從對(duì)消技術(shù)功能分為開環(huán)對(duì)消技術(shù)和自適應(yīng)閉環(huán)對(duì)消技術(shù);從對(duì)消技術(shù)實(shí)現(xiàn)方式可分為模擬式和數(shù)字式等。

雷達(dá)接收通道是否實(shí)施對(duì)消技術(shù)，要根據(jù)發(fā)射直波泄露信號(hào)是否導(dǎo)致接收機(jī)飽和，是采用射頻對(duì)消還是采用中頻對(duì)消技術(shù)，要看發(fā)射直波泄露信號(hào)導(dǎo)致接收通道放大鏈輸出飽和在那一級(jí)，如果接收機(jī)射頻放大輸出飽和，那么必須采用射頻對(duì)消技術(shù)措施。如果接收機(jī)中頻放大輸出飽和，可以采用中頻對(duì)消技術(shù)措施，接收通道采用中頻對(duì)消技術(shù)要比射頻對(duì)消技術(shù)電路實(shí)施難度相對(duì)較小。

圖3 自適應(yīng)閉環(huán)對(duì)消系統(tǒng)原理框圖

開環(huán)對(duì)消技術(shù)是基于發(fā)射直波泄露信號(hào)幅度、相位相對(duì)穩(wěn)定為前提，在雷達(dá)工作之前，雷達(dá)自動(dòng)關(guān)閉對(duì)消信號(hào)，雷達(dá)系統(tǒng)直接檢測出發(fā)射直波泄露信號(hào)的幅相值，然后雷達(dá)自動(dòng)發(fā)射關(guān)閉，并開啟對(duì)消信號(hào)，調(diào)整對(duì)消信號(hào)幅度和相位，直至雷達(dá)系統(tǒng)測量對(duì)消信號(hào)的幅度與發(fā)射直波泄露信號(hào)的幅度相等，相位相反。固化對(duì)消信號(hào)幅度和相位調(diào)整值，開啟發(fā)射和對(duì)消信號(hào)，便自動(dòng)完成了開環(huán)對(duì)消功能。自適應(yīng)閉環(huán)對(duì)消技術(shù)方案是采用自動(dòng)控制原理，把發(fā)射信號(hào)樣本和接收信號(hào)進(jìn)行相關(guān)處理，控制矢量調(diào)制器的相移和幅度大小來對(duì)消接收機(jī)接收到的發(fā)射直波泄露信號(hào)［3］，其系統(tǒng)框圖如圖3所示。

模擬式采用矢量解調(diào)器把發(fā)射直波泄露信號(hào)分解為I、Q 信號(hào)，經(jīng)過有源濾波放大網(wǎng)絡(luò)后，通過矢量調(diào)制器構(gòu)造一個(gè)與發(fā)射直波泄露信號(hào)等副反向的信號(hào)，通過耦合器饋入接收通道。數(shù)字式是采用DSP及A/D、D/A 等數(shù)字信號(hào)處理模塊對(duì)發(fā)射直波泄露信號(hào)進(jìn)行量化和分解，并選擇多種自適應(yīng)算法來改善收斂速度。實(shí)現(xiàn)對(duì)消目的。

1.3 接收機(jī)中頻濾波和數(shù)字信號(hào)處理器濾波技術(shù)

接收機(jī)中頻濾波技術(shù)就是根據(jù)發(fā)射直波泄露信號(hào)與目標(biāo)回波信號(hào)在頻域的分布特性差別實(shí)施中頻放大鏈頻域?yàn)V波，該技術(shù)一般在混頻和中頻放大鏈之間實(shí)施，其目的是發(fā)射直波泄露信號(hào)經(jīng)場放和混頻后，對(duì)發(fā)射直波泄露信號(hào)在中頻放大之前進(jìn)行抑制，從而保證發(fā)射直波泄露信號(hào)通過中頻放大輸出不飽和。而數(shù)字信號(hào)處理器濾波技術(shù)就是當(dāng)連續(xù)波雷達(dá)通過收發(fā)天線的空間物理隔離技術(shù)措施和接收機(jī)放大鏈實(shí)施對(duì)消技術(shù)和中頻頻域?yàn)V波措施后，發(fā)射直波泄露信號(hào)的中頻接收機(jī)輸出信號(hào)雖然沒有飽和但還比較大情況下，進(jìn)而通過數(shù)字信號(hào)處理器采用多普勒處理抑制雜波的原理對(duì)發(fā)射直波泄露信號(hào)濾波的技術(shù)。

2 連續(xù)波雷達(dá)檢測能力的分析

連續(xù)波雷達(dá)收發(fā)天線分離原理框圖如圖4所示。頻綜激勵(lì)信號(hào)經(jīng)過放大后通過發(fā)射天線發(fā)射，與發(fā)射天線分離的接收天線接收信號(hào)(包括目標(biāo)回波信號(hào)和發(fā)射直波泄露信號(hào))進(jìn)入場放放大，然后進(jìn)入射頻對(duì)消模塊對(duì)發(fā)射直波泄露對(duì)消，經(jīng)過混頻器后變成中頻，中頻對(duì)消模塊繼續(xù)對(duì)發(fā)射直波泄露信號(hào)的剩余再次對(duì)消，中放放大，信號(hào)處理器對(duì)中放輸出進(jìn)行中頻采樣、下變頻和數(shù)字信號(hào)處理［4］。

圖4 連續(xù)波雷達(dá)收發(fā)天線分離原理框圖

雷達(dá)直波泄露信號(hào)中放輸出表達(dá)式:

雷達(dá)直波泄露信號(hào)攜帶噪聲中放輸出表達(dá)式:

在(1)、(2)式中PISO為發(fā)射直波泄露信號(hào)的中放輸出功率;PINO為發(fā)射直波泄露信號(hào)攜帶噪聲中放輸出功率;PFS為發(fā)射天線發(fā)射信號(hào)功率;PFN為發(fā)射信號(hào)攜帶噪聲功率;LG為收發(fā)空間物理隔離度;GF為場放放大倍數(shù);DF為射頻對(duì)消模塊對(duì)消比;LH為混頻器損耗;DI為中頻對(duì)消模塊對(duì)消比;GI為中放放大倍數(shù)。

從(1)和(2)式可以看出，收發(fā)空間物理隔離對(duì)發(fā)射直波泄露信號(hào)及其攜帶噪聲具有相同抑制作用，而接收通道中采用的射頻對(duì)消模塊和中頻對(duì)消模塊，僅對(duì)發(fā)射直波泄露信號(hào)進(jìn)行抑制，發(fā)射直波泄露信號(hào)攜帶的噪聲卻不能抑制。

我們知道:接收機(jī)的噪聲系數(shù)［5］表達(dá)式為:

式中F 為噪聲系數(shù);Psi，Pni分別為接收機(jī)輸入端的信號(hào)功率和噪聲功率;Pso，Pno分別為接收機(jī)輸出端的信號(hào)功率和噪聲功率;G為接收機(jī)線性電路的功率增益。

對(duì)連續(xù)波雷達(dá)而言:接收機(jī)輸入的噪聲功率由兩部分組成:

接收機(jī)實(shí)際輸出的噪聲功率Pn0包含三部分噪聲表達(dá)式:

式中PnAi為接收天線感應(yīng)的外部噪聲功率;PnBi為天線接收信號(hào)(包括發(fā)射直波泄露和目標(biāo)回波)攜帶的噪聲功率;PnCi為接收機(jī)內(nèi)部噪聲等效到輸入端的噪聲功率。

把(4)和(5)式代入(3)式，接收機(jī)的噪聲系數(shù)可轉(zhuǎn)換如下公式:

則連續(xù)波雷達(dá)的靈敏度表示是如下:

把(4)和(6)代入(7)可得

式中Psimin為接收機(jī)靈敏度;D 為接收機(jī)輸出最小可檢測信噪比(也稱識(shí)別因子=)。從(8)式可以看出接收機(jī)的靈敏度與接收天線感應(yīng)的外部的噪聲功率PnAi、接收機(jī)接收信號(hào)攜帶的噪聲功率PnBi、接收機(jī)內(nèi)部噪聲等效到輸入端的噪聲額定功率PnCi之和以及雷達(dá)識(shí)別因子D 成正比。而接收機(jī)接收信號(hào)攜帶的噪聲功率PnBi是隨著接收信號(hào)的強(qiáng)弱同步改變。對(duì)于脈沖體制的雷達(dá)而言，采用發(fā)收分時(shí)工作，雷達(dá)發(fā)射直波泄露信號(hào)僅存在發(fā)射脈沖期間，而接收機(jī)接收目標(biāo)回波信號(hào)期間不存在發(fā)射直波泄露信號(hào)，因而收發(fā)隔離度很高，可以忽略發(fā)射直波泄露信號(hào)攜帶噪聲的影響。又知脈沖體制雷達(dá)以距離單元進(jìn)行目標(biāo)回波信號(hào)處理和檢測，即使近距離、大目標(biāo)的回波脈沖信號(hào)攜帶的噪聲很強(qiáng)，但目標(biāo)回波信號(hào)功率也很強(qiáng)，強(qiáng)信號(hào)攜帶強(qiáng)噪聲不影響強(qiáng)信號(hào)的檢測，同樣遠(yuǎn)距離、小目標(biāo)回波信號(hào)功率很弱，但回波信號(hào)攜帶的噪聲功率也很弱，微弱信號(hào)攜帶微弱噪聲也不影響弱小目標(biāo)的檢測，但強(qiáng)目標(biāo)和弱目標(biāo)回波脈沖信號(hào)在時(shí)域也可能有部分重疊存在的可能，在這種情況下接收強(qiáng)信號(hào)攜帶的噪聲可能會(huì)影響相鄰弱小目標(biāo)檢測。因此，脈沖雷達(dá)也必須考慮頻率綜合器輸出的信號(hào)攜帶的噪聲，只要頻率綜合器滿足一定的相位噪聲指標(biāo)，影響脈沖體制雷達(dá)接收靈敏度因數(shù)決定于公式(8)的PnAi和PnCi兩項(xiàng)。對(duì)連續(xù)波體制雷達(dá)而言，采用同時(shí)發(fā)收的工作方式，接收機(jī)接收的發(fā)射直波泄露信號(hào)、強(qiáng)目標(biāo)和弱小目標(biāo)回波信號(hào)在時(shí)域同時(shí)存在，雖然采用收發(fā)天線分離技術(shù)，可提高收發(fā)隔離度，但當(dāng)收發(fā)隔離度不夠高時(shí)，發(fā)射直波泄露信號(hào)攜帶的噪聲分量PnBi將不可忽視，直接影響小目標(biāo)的檢測。要保證雷達(dá)的檢測靈敏度指標(biāo)要求，就必須提高收發(fā)物理隔離度和發(fā)射信號(hào)自身性能，當(dāng)收發(fā)隔離度受限時(shí)，發(fā)射信號(hào)必須具有低相噪指標(biāo)。特別是大功率、遠(yuǎn)距離探測的連續(xù)波雷達(dá)，為了保證發(fā)射直波泄露信號(hào)經(jīng)過接收機(jī)放大鏈后不飽和，除采用收發(fā)物理隔離措施，通常還需在接收機(jī)通道中采用對(duì)消技術(shù)，從(2)式可以看出對(duì)消技術(shù)不能減小發(fā)射直波泄露信號(hào)攜帶的噪聲，這樣接收機(jī)接收發(fā)射直波泄露信號(hào)攜帶噪聲功率PnBi將更大，造成接收機(jī)靈敏度大幅度降低，為了獲得同樣檢測靈敏度指標(biāo)，要求連續(xù)波雷達(dá)發(fā)射信號(hào)相位噪聲指標(biāo)更低，也就是雷達(dá)頻率源必須具有超低相位噪聲指標(biāo)。

那么對(duì)連續(xù)波雷達(dá)系統(tǒng)頻率源相位噪聲指標(biāo)，具體說發(fā)射信號(hào)的相位噪聲滿足什么指標(biāo)要求時(shí)，雷達(dá)接收靈敏度不受太大的影響呢。在(8)式中PnAi、PnCi相對(duì)是固定的，而PnBi與雷達(dá)發(fā)射信號(hào)相位噪聲指標(biāo)有關(guān)，也與收發(fā)物理隔離度大小有關(guān)。要使連續(xù)波雷達(dá)系統(tǒng)靈敏度指標(biāo)不受或少受接收信號(hào)攜帶噪聲的影響，那么必須滿足下式(9)。

式中PnAi= k·T0·BR;Pnci= k·Tn·BR;PnBi;代入可得式(10)。

在式(10)中，k 為波爾茲曼常數(shù)(1.38 ×10-23焦耳/度);T0為熱力學(xué)溫度(290 °k);Tn為等效噪聲溫度;BR為接收機(jī)線性部分帶寬;￡(f)為發(fā)射信號(hào)單邊帶相噪譜密度即發(fā)射信號(hào)的相位噪聲。

連續(xù)波雷達(dá)發(fā)射信號(hào)單邊帶相噪譜滿足(10)式時(shí)，雷達(dá)接收靈敏度指標(biāo)主要由接收天線感應(yīng)的外部噪聲和自身內(nèi)部噪聲決定。

相位噪聲的定義:偏離載頻f(為指定的頻偏)處，單邊帶相位噪聲功率密度(單邊帶內(nèi)1Hz 帶寬的功率)與載波功率之比。

式中Ps為發(fā)射載波功率;ψ(f)為發(fā)射信號(hào)的相位噪聲;為平均相位噪聲功率譜密度。

當(dāng)連續(xù)波雷達(dá)發(fā)射信號(hào)的平均相位噪聲指標(biāo)滿足(13)式，雷達(dá)接收靈敏度指標(biāo)主要由接收天線感應(yīng)的外部噪聲和自身內(nèi)部噪聲決定。

3 結(jié)束語

本文對(duì)連續(xù)波雷達(dá)發(fā)射直波泄露信號(hào)抑制采用技術(shù)措施作了較全面的介紹;結(jié)合雷達(dá)接收機(jī)的噪聲系數(shù)和靈敏度公式對(duì)連續(xù)波雷達(dá)接收靈敏度進(jìn)行了分析，得出了連續(xù)波雷達(dá)不僅要求對(duì)發(fā)射直波泄露信號(hào)具有良好的抑制，從而保證接收機(jī)不飽和，同時(shí)還必須要求發(fā)射信號(hào)必須具備超低相位噪聲指標(biāo)要求;參照脈沖雷達(dá)，推導(dǎo)出了連續(xù)波雷達(dá)近似達(dá)到脈沖雷達(dá)靈敏度指標(biāo)要求，對(duì)發(fā)射信號(hào)的相位噪聲指標(biāo)要求的計(jì)算公式，但愿對(duì)工程技術(shù)人員有一定的幫助。

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