FMCW雷達(dá)數(shù)字對(duì)消技術(shù)研究

祁 全，胡懷春，王冬華，吳 梅

(中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七二四研究所，南京 211153)

0 引 言

與脈沖體制雷達(dá)相比，單天線FMCW體制雷達(dá)具有體積小、發(fā)射峰值功率低、測(cè)距精度高、無(wú)測(cè)距盲區(qū)、抗干擾能力強(qiáng)等顯著優(yōu)點(diǎn)。但是，由于系統(tǒng)同時(shí)收發(fā)，一部分發(fā)射信號(hào)將泄漏進(jìn)接收機(jī)中。泄漏信號(hào)會(huì)導(dǎo)致接收機(jī)前端LNA飽和，甚至阻塞接收機(jī)，惡化接收機(jī)噪聲系數(shù)；其近端相噪也可能會(huì)湮沒(méi)接收機(jī)前端微弱的回波信號(hào)，降低接收機(jī)靈敏度和動(dòng)態(tài)范圍[1]。這嚴(yán)重制約了FMCW雷達(dá)在軍民領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。因此，提高單天線FMCW雷達(dá)系統(tǒng)收發(fā)隔離性能的對(duì)消技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。

1988年，荷蘭飛利浦實(shí)驗(yàn)室研制的X波段單天線FMCW導(dǎo)航雷達(dá)PILOT采用模擬對(duì)消技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了泄漏信號(hào)的有效對(duì)消[2]。該系統(tǒng)使用全模擬器件，響應(yīng)速度快，但工作不夠靈活，且存在直流漂移問(wèn)題。2006年，美國(guó)加利福尼亞大學(xué)Kaihui Lin等人對(duì)模擬對(duì)消系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)，提出采用超外差結(jié)構(gòu)和數(shù)字處理相結(jié)合的方案[3]，通過(guò)DSP電路對(duì)泄漏信號(hào)進(jìn)行數(shù)字域處理，獲得了出色的控制精度和對(duì)消性能，同時(shí)解決了模擬對(duì)消系統(tǒng)中存在的直流漂移問(wèn)題。

本文結(jié)合目前單天線FMCW雷達(dá)對(duì)消技術(shù)的理論研究和工程實(shí)踐針對(duì)數(shù)字對(duì)消技術(shù)展開(kāi)研究。

1 對(duì)消基本理論

圖1 信號(hào)矢量原理圖

根據(jù)上述分析，對(duì)消性能由泄漏信號(hào)與對(duì)消信號(hào)之間的幅相誤差決定，幅相誤差越小，則對(duì)消性能越好。對(duì)消性能可通過(guò)對(duì)消比進(jìn)行評(píng)判，表征對(duì)消系統(tǒng)中的對(duì)消深度。對(duì)消比定義如式(1)所示[3]。

(1)

(2)

根據(jù)式(2)，利用MATLAB軟件得到對(duì)消比與幅相誤差關(guān)系的仿真結(jié)果，如圖2所示。由圖可知，為獲得30 dB的對(duì)消深度，幅度誤差應(yīng)在±0.25 dB以內(nèi)，相位誤差應(yīng)在±1.8°以內(nèi)。

圖2 對(duì)消深度仿真結(jié)果

2 對(duì)消系統(tǒng)研制

2.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

對(duì)消系統(tǒng)與收發(fā)前端構(gòu)成閉環(huán)反饋系統(tǒng)，對(duì)射頻泄漏信號(hào)實(shí)時(shí)自適應(yīng)對(duì)消，其原理框圖如圖3所示。

按實(shí)現(xiàn)功能不同，對(duì)消系統(tǒng)由饋通單元、誤差檢測(cè)單元和DSP電路3部分組成[3,5]。饋通單元的作用是產(chǎn)生對(duì)消信號(hào)，經(jīng)耦合器與接收端的泄漏信號(hào)進(jìn)行對(duì)消。誤差檢測(cè)單元實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)對(duì)消殘余檢測(cè)，對(duì)殘余泄漏信號(hào)進(jìn)行外差下混頻產(chǎn)生誤差調(diào)制中頻，并將誤差調(diào)制中頻送至DSP電路進(jìn)行信號(hào)處理。DSP電路對(duì)參考外差中頻與誤差調(diào)制中頻進(jìn)行A/D采樣，數(shù)字正交解調(diào)，利用LMS算法產(chǎn)生控制矢量，再經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換為I/Q信號(hào)，反饋至饋通單元，實(shí)時(shí)調(diào)制對(duì)消信號(hào)的幅度和相位。當(dāng)環(huán)路收斂后，系統(tǒng)就能實(shí)現(xiàn)對(duì)射頻泄漏信號(hào)的自適應(yīng)對(duì)消。

圖3 對(duì)消系統(tǒng)原理框圖

2.2 系統(tǒng)分析

如引言所述，單天線FMCW雷達(dá)對(duì)收發(fā)隔離度有較高要求。為保證接收機(jī)前端處在線性工作狀態(tài)，要求泄漏信號(hào)經(jīng)低噪聲放大后不應(yīng)超過(guò)低噪放輸出1 dB點(diǎn)，如下式所示：

PT-I+G≤Po1dB

(3)

式中，PT為發(fā)射功率，Po1dB為低噪放輸出1 dB點(diǎn)，I為收發(fā)隔離度，G為低噪放增益，則收發(fā)隔離度滿足下式要求：

I≥PT+G-Po1dB

(4)

式(4)給出了接收機(jī)線性工作時(shí)收發(fā)隔離度指標(biāo)的最低要求。若不滿足該式，則接收機(jī)前端就將處在非線性工作狀態(tài)甚至飽和而阻塞接收機(jī)。為便于理解收發(fā)隔離度的指標(biāo)要求，本文通過(guò)舉例說(shuō)明。

假設(shè)發(fā)射功率為30 dBm，接收機(jī)射頻低噪放輸出1 dB點(diǎn)為10 dBm，增益為25 dB。代入式(4)，收發(fā)隔離度應(yīng)滿足I≥30+25-10=45 dB。在含有對(duì)消系統(tǒng)的FMCW雷達(dá)收發(fā)系統(tǒng)中，收發(fā)隔離度主要受環(huán)形器隔離度、天線駐波及對(duì)消系統(tǒng)性能決定。一般情況下，由環(huán)形器隔離度和天線駐波性能產(chǎn)生的隔離度約20 dB，則對(duì)消系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)的隔離度至少應(yīng)為45-20=25 dB，才能保證接收機(jī)前端處于線性工作狀態(tài)。

影響對(duì)消系統(tǒng)性能的關(guān)鍵因素有收發(fā)鏈路功率分配、射頻路徑延時(shí)和自適應(yīng)對(duì)消算法[3-5]。

收發(fā)鏈路上共級(jí)聯(lián)4個(gè)耦合器，其作用是對(duì)相關(guān)信號(hào)進(jìn)行功率分配或合成。上行鏈路耦合器因引入插損而降低發(fā)射信號(hào)功率。因此，上行鏈路宜選擇較大耦合度的耦合器。下行鏈路耦合器引入的插損會(huì)影響接收機(jī)噪聲系數(shù)和靈敏度，而耦合器的耦合度又直接影響?zhàn)佂ㄐ盘?hào)功率。因此，下行鏈路耦合器的耦合度選擇需折中考慮。

對(duì)消系統(tǒng)中存在3條射頻信號(hào)路徑：泄漏路徑、饋通路徑和本振路徑，如圖3中虛線所示。泄漏路徑和饋通路徑的延時(shí)差決定著系統(tǒng)的對(duì)消深度，而饋通路徑和本振路徑的延時(shí)差決定著系統(tǒng)的對(duì)消帶寬[3]。在電訊設(shè)計(jì)時(shí)，需充分考慮電路布局、射頻路徑走線電長(zhǎng)度和相關(guān)元器件延遲等。

DSP電路基于FPGA實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)對(duì)消算法，主要包括希爾伯特變換、正交解調(diào)，以及I/Q控制矢量迭代更新部分。I/Q控制矢量迭代采用LMS算法[4]，其收斂門限和迭代精度決定著對(duì)消系統(tǒng)的穩(wěn)定性和控制精度。

2.3 系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果

對(duì)消系統(tǒng)的測(cè)試原理框圖如圖4(a)所示，實(shí)物測(cè)試平臺(tái)如圖4(b)所示。

圖4 對(duì)消系統(tǒng)測(cè)試框圖及實(shí)物測(cè)試平臺(tái)

對(duì)消系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果如圖5所示。圖5(a)是點(diǎn)頻對(duì)消測(cè)試結(jié)果，對(duì)消比≥44 dB。圖5(b)是掃頻速率為50 MHz/ms的三角波對(duì)消測(cè)試結(jié)果，對(duì)消比≥41 dB。圖5(c)是掃頻速率為150 MHz/ms的三角波對(duì)消測(cè)試結(jié)果，對(duì)消比≥32 dB。圖5(d)是掃頻速率為150 MHz/5ms的三角波對(duì)消測(cè)試結(jié)果。與圖5(c)對(duì)比分析可知，調(diào)頻信號(hào)的高頻端部分對(duì)消效果不夠顯著。根據(jù)文獻(xiàn)[3]所述分析，此時(shí)射頻路徑間延時(shí)效應(yīng)開(kāi)始顯現(xiàn)，若不考慮高頻部分對(duì)消，其對(duì)消比≥43 dB。

通過(guò)圖5(b)、圖5(c)兩圖對(duì)比可得，相同掃頻時(shí)間下，隨著掃頻帶寬增加，對(duì)消性能惡化9 dB。通過(guò)圖5(c)、圖5(d)兩圖對(duì)比可得，相同掃頻帶寬下，隨著掃頻時(shí)間增加，對(duì)消性能改善11 dB。

≈-20lg(Δφ)

(5)

圖5 對(duì)消系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果

3 結(jié)束語(yǔ)

近年來(lái)，在國(guó)家協(xié)同創(chuàng)新政策背景下，單天線FMCW雷達(dá)因其獨(dú)特性能而備受邊防、安防、要地防御等軍民兩用領(lǐng)域青睞，眾多科研院所和民營(yíng)企業(yè)都在進(jìn)行相關(guān)產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)。本文研制了基于數(shù)字對(duì)消技術(shù)的X波段對(duì)消試驗(yàn)系統(tǒng)，給出了研制方案、系統(tǒng)分析和測(cè)試結(jié)果，具有較好的對(duì)消性能，對(duì)后續(xù)相關(guān)雷達(dá)產(chǎn)品的工程研制具有一定指導(dǎo)和借鑒意義。