基于跳頻技術(shù)的FMCW 雷達超寬帶調(diào)頻抗干擾方法分析

張國政

（空軍工程大學(xué)，陜西 西安 710038）

FMCW 雷達是一種具有持續(xù)波、信號頻段調(diào)節(jié)能力的信號，能夠進行遠程探測，排除客觀條件的干擾?？陀^干擾條件包括：云霧、暴風(fēng)等。雷達信號進行探測時，可24 小時持續(xù)進行，不會發(fā)生探測中斷問題，極具探測優(yōu)勢。探測結(jié)果較為精準，使其在船舶平穩(wěn)運行、工業(yè)生產(chǎn)檢查等多個行業(yè)中被廣泛應(yīng)用。

1 相關(guān)理論

1.1 跳頻技術(shù)

1.1.1 技術(shù)概述

跳頻技術(shù)是指收發(fā)兩個設(shè)備，在特定信號頻段載波中，進行訊號傳輸。此時接收訊號的設(shè)備，跳頻技術(shù)會形成具有波動性的訊號，或稱為脈沖噪聲。跳頻技術(shù)傳輸?shù)挠嵦?，可采取特殊設(shè)計方式，以此消除信號傳輸形成的干擾。跳頻傳輸?shù)男盘?，?yīng)達到FCC 規(guī)范，使用不少于75 個跳頻信號，跳頻間隔時間設(shè)定為400ms。

跳頻科技是一種使用廣泛的擴頻方法，對收發(fā)兩個主體的載波頻率，使用前期設(shè)定完成規(guī)律，創(chuàng)建新型離散性的通信路徑。通信中引入跳頻科技，偽隨機動態(tài)碼的引導(dǎo)下，使載波頻率發(fā)生動態(tài)改變。通信科技的信號傳輸中，跳頻科技是使用“碼序列”方式，高效完成多頻通信，具有碼控跳頻的信號傳輸特點。

1.1.2 技術(shù)優(yōu)勢

（1）信號隱藏性。跳頻通信形式與原有頻率的信號傳輸方式對比時，跳頻傳輸更具信號隱藏功能，不易被截獲。在對方未掌握跳頻規(guī)則時，無法有效獲取傳輸資料。（2）信號傳輸平穩(wěn)性。跳頻通信方式表現(xiàn)出較強的抗干擾優(yōu)勢。如果信號傳輸期間，有部分頻點受到干擾，其他正常頻段可完成通信。跳頻通信組成中含有短時間窄帶程序，能夠與各類窄帶相容，保持電臺信息互通，可提升設(shè)備科技的升級能力。

1.1.3 跳頻圖的形成

收發(fā)雙方的通信任務(wù)，采取事前約定方式，擬定跳頻圖案進行頻率跳變。此種跳頻方式可稱為一般跳頻。在科技進步后，給出了適應(yīng)型跳頻形式，可進行頻率、功率兩個因素的適應(yīng)性調(diào)整。跳頻傳輸中，頻率圖能夠有效反映收發(fā)信號的頻率波動特征，確保收發(fā)信號的可循性，防止被他人獲知。一般情況下，跳頻碼序列的設(shè)計方式有三種：一是m；二是M；三是Rs。各類碼序列給出的跳頻圖均具有隨機性，此種隨機碼的形成，可使用移位寄存器獲?。淮私Y(jié)構(gòu)具有組成簡易、性能平穩(wěn)、跳頻圖案同步速度快等優(yōu)勢；此種碼序列方式，能夠適應(yīng)較長時間段的信號傳輸。

1.1.4 跳頻技術(shù)的運行條件

等同于其他類型的數(shù)字信號傳輸技術(shù)，跳頻技術(shù)能夠進行多種信號同步，比如載波、幀。跳頻技術(shù)應(yīng)用時，載頻表現(xiàn)出序列隨機性，為保證信號傳輸質(zhì)量，收發(fā)兩端需進行跳頻圖案的同步設(shè)計，保證在相同時間跳頻規(guī)則的一致性。為此，在信號傳輸時，需進行跳頻規(guī)則的同步處理。跳頻科技進行規(guī)則同步時，共有兩個同步要求：一是短時間內(nèi)高效完成同步；二是確保同步效果。跳頻電臺在進行同步處理時，含有精確時鐘、FFT 捕獲等方法。跳頻科技實踐應(yīng)用時，會融合各類同步方法。掃描環(huán)節(jié)會記錄步頭節(jié)點的頻率，駐留環(huán)節(jié)會提取步頭存儲的同步資料，以此達到雙發(fā)跳頻規(guī)則的同步目標。具有適應(yīng)能力的跳頻技術(shù)，對其進行同步處理，含有頻率更新段的更新環(huán)節(jié)，以此更新受干擾位置的頻點，保持雙方頻率規(guī)則的一致性，防止通信失敗。

1.2 FMCW雷達

1.2.1 FMCW概述

FMCW可稱為可調(diào)節(jié)頻率的、持續(xù)傳輸?shù)男盘柌?，F(xiàn)MCW雷達是使用此種信號波進行高精度距離測量的技術(shù)。測量期間，信號傳輸頻率的浮動規(guī)則為“三角波”。FMCW收發(fā)信號的頻率具有浮動規(guī)則的一致性，均為“三角波”，波中含有一組時間差，利用較小間隔的時間差獲取目標距離。

1.2.2 連續(xù)波雷達

此種雷達具備回傳信息分析功能，判斷回傳信號的多普勒偏移情況。脈沖雷達在進行距離測量時，脈沖寬度取值直接決定著距離檢測質(zhì)量，分辨長度無法精細至小于15m 的范圍，限制了脈沖雷達的可用范圍。因此，脈沖雷達無法用于大氣層的探測任務(wù)。在1960年研發(fā)成功的連續(xù)波雷達，可用于大氣環(huán)境的探測活動，具有較強探測靈敏性，能夠增加距離分辨的清晰性，使用大氣層環(huán)境的各類環(huán)境，比如大氣回波、邊界層波動等。此外，連續(xù)波雷達可結(jié)合邊界層氣象特點，給出觀測資料。在50ms 時間范圍內(nèi)，可進行特定方向的雷達信號發(fā)射，在另一端進行信號回收，測定頻率差值，判斷目標物與監(jiān)測站的間距。連續(xù)波雷達分辨長度最小值hmin 的計算方法如下：

在公式中，c 表示光速，f 表示連續(xù)波的頻率浮動值，k 表示常數(shù)，用于判斷分析器的信號分析能力。當(dāng)頻率浮動值為200MH 時，hmin=1.5m。

1.2.3 技術(shù)問題

一般類型的FMCW 雷達運行時，利用調(diào)制信號方式進行測距控制，系統(tǒng)組成包括天線、壓控振蕩設(shè)備（以下簡稱“VCO”）等。其中，VCO 是一種寬帶振蕩設(shè)備，具有電調(diào)諧特征。如果未對其進行線性調(diào)整，跳頻線性結(jié)合會達到百分數(shù)級別。結(jié)合雷達測距的技術(shù)特點，當(dāng)VOC 線性結(jié)果不高時，收發(fā)信號之間存在一定頻率偏差問題，會增加收發(fā)信號之間的頻譜展寬，無法保障雷達測距結(jié)果的精確性。為此，對此種測距給予一定補充處理。

在電路設(shè)計方面，去除VCO 的失真問題，加強電路優(yōu)化、相位調(diào)整等。此類補償方式，均無法切實提升測距結(jié)果的精度級別，會相應(yīng)增加系統(tǒng)運行負擔(dān)。

1.2.4 技術(shù)融合

引入跳頻科技，有效解決雷達收發(fā)信號存在的頻譜無序疊加問題。在技術(shù)融合時，合理調(diào)整VCO 傳輸?shù)男盘?，進行跳變調(diào)整，以此減少相同傳輸路徑中的信號混合問題。此種技術(shù)融合方法，無序進行電路優(yōu)化，可降低系統(tǒng)運算量，提升系統(tǒng)運行能力，積極解決頻譜無序的技術(shù)難點。在跳頻技術(shù)融合下，可增加雷達帶寬的優(yōu)化能力，合理去除信號干擾問題，保障VOC窄帶寬信號收發(fā)的有序性，達到抗干擾的技術(shù)目標。為此，以下內(nèi)容開展無序信號形成、跳頻技術(shù)融合的仿真分析，驗證跳頻技術(shù)融合的可行性。

2 信號無序疊加的形成

FMCW 雷達中含有三角、鋸齒兩種信號波形，相比而言，三角波更具探測優(yōu)勢，主要表現(xiàn)在遠程探測、高效探測兩個方面，能夠有效排除遠程探測干擾，積極應(yīng)對多普勒耦合，保證探測信息的精確性。為此，在研究時，以三角波形為重點，研究其雷達信號的無序疊加形成過程?，F(xiàn)階段，F(xiàn)MCW 探測程序建立時，以毫米級為信號類型，探測方法有兩種：一是振蕩探測；二是倍頻探測。在振蕩探測時，VCO 干擾的排除方法，主要是在直流電壓條件下，合理調(diào)整變?nèi)荻O管，保持傳輸信號、直流電壓處于同步變化狀態(tài)。在使用倍頻探測方法時，利用較低頻段的VCO，對其進行倍頻器處理，達到信號頻段調(diào)整的目標。在探測中使用的低頻VCO，在進行振蕩處理時，使用變?nèi)荻O管。然而，二極管的使用，攜帶一定電調(diào)諧特征。為此，VCO 在傳出信號時，表現(xiàn)出非線性特征。

假設(shè)VCO 傳出的信號中，傳出信號頻率為f1，回傳信號頻率為f2，f1 與f2 的傳出時延為t，f1 的初期傳出信號頻率為f0，調(diào)整信號頻率的帶寬參數(shù)為B，調(diào)整周期為D，f △+表示在三角波信號增長段中f1 與f2 的差值，f △-表示在三角波信號下滑段中f1 與f2的差值。設(shè)定運動目標并未發(fā)生位置改變，保證探測結(jié)果的代表性，設(shè)定被測主體與雷達信號的相對運動速度為v，獲取信號產(chǎn)生多普勒偏差結(jié)果為f3，此時f △+不等于f △-。當(dāng)f3=0，則有f △+=f △-=f3。在第i 次發(fā)生頻率差值時，形成的中心頻率為f30（i），則△f30（i）對應(yīng)的是頻譜變幅。頻譜變化的幅度，會增加頻譜無序疊加的嚴重性。

當(dāng)兩組相距較小、頻段相似的FMCW 雷達機組共同運行時，相當(dāng)于在相同路線中運行兩組雷達，極易形成頻譜無序疊加現(xiàn)象。產(chǎn)生此種現(xiàn)象的原因：一是VCO 信號特征引起頻譜發(fā)生變動；二是頻率調(diào)整時的帶寬較小，可進行信號頻率調(diào)整的操作范圍受限，形成頻譜交叉、疊加等問題。時間、頻率的變動范圍，具有相互對應(yīng)特點。如果雷達探測回傳的信息不具真實性，會直接形成探測結(jié)果的偏差問題，無法保障探測質(zhì)量[1]。

3 跳頻技術(shù)消除頻譜無序疊加的過程分析

在較小范圍的帶寬條件下，能夠保證VCO 傳輸電壓、傳出頻率之間的有序性，可進行窄帶區(qū)域內(nèi)的頻率調(diào)整處理，便于在較寬頻段區(qū)域內(nèi)進行掃頻操作，即帶寬范圍固定，中心頻率具有可調(diào)整性，使雷達傳輸信號運行方式為“寬帶掃頻”，以此減少相鄰信號之間發(fā)生疊加，切實排除信號干擾。信號無序疊加現(xiàn)象的形成，主要源于雷達設(shè)備處于等同帶寬、相似頻段。在跳頻技術(shù)融合時，改變頻段，以此減少頻譜疊加問題。在跳頻技術(shù)引入后，差頻信號f △中含有兩類頻段，其一為初期傳輸?shù)念l段，其二為新增的跳頻頻段。在此種情況下，如果發(fā)生頻譜無序疊加現(xiàn)象，僅會形成部分位置的頻譜混亂現(xiàn)象。此時僅需進行適當(dāng)處理，即可恢復(fù)信號狀態(tài)，排除頻譜無序疊加帶來的不利因素。雷達傳輸?shù)恼{(diào)整頻率信號時，其帶寬表示方法是：Bt=N×B。在關(guān)系式中，N 表示跳頻時間，B 表示帶寬。Bt 是指原有信號帶寬B 乘以跳頻時間N 倍，以此有效回避頻譜疊加問題，切實增強雷達相鄰傳輸路線的順暢性。

4 仿真分析

4.1 仿真參數(shù)

采用表1 中的仿真數(shù)據(jù)進行頻譜調(diào)整，跳頻頻率具體是指：在VCO 傳輸頻譜調(diào)整信號時，使用載波頻率進行處理，此時隨機產(chǎn)生的虛假碼，對數(shù)字合成程序形成控制產(chǎn)生的載波頻率。具有隨機性的虛假碼，使用PN 表示，是一種5 級m 序列，可獲取載波頻率。當(dāng)載波頻率個數(shù)為31 時，設(shè)定周期值為31，進行隨機跳變處理，以此保證通信質(zhì)量，減少干擾威脅。

表1 仿真參數(shù)

4.2 仿真結(jié)果

為獲取對比效果，仿真模擬時，選擇相鄰距離較小的兩組雷達設(shè)備。在運行時，初期頻率f0 參數(shù)為24GHz，帶寬B 參數(shù)為100MHz。仿真結(jié)果中，回傳信號的B 值，等同于信號傳輸時的B 值，兩個B 值對應(yīng)的頻段具有差異性。在仿真運行時，頻譜變動幅度約為1MHz，此時可能發(fā)生頻譜無序疊加現(xiàn)象。在使用跳頻技術(shù)優(yōu)化后，差頻信號中含有新增頻帶，在發(fā)生無序疊加問題時，此新增頻帶可進行信號修復(fù)，以此去除疊加影響。

經(jīng)仿真發(fā)現(xiàn)：跳頻技術(shù)頻率調(diào)整完成時，傳輸信號擁有兩個可用頻帶，可使回傳、差頻兩組信號均在可用頻帶中，切實減少了頻譜疊加問題；新增的頻帶，可稱為“鏡像頻帶”，具有信號修復(fù)能力，保證雷達探測功能的平穩(wěn)性；跳頻技術(shù)，用于優(yōu)化雷達探測性能、排除干擾因素中，具有可行性[2]。

綜上所述，對FMCW 雷達進行信號優(yōu)化時，引入跳頻技術(shù)，能夠有效消除信號無序疊加問題，切實增加雷達距離、速度探測結(jié)果的精準性，積極排查信號疊加帶來的干擾問題。由仿真實踐發(fā)現(xiàn)：跳頻技術(shù)的合理使用，可改變相鄰雷達的信號傳輸頻段，創(chuàng)建可用的信號傳輸頻帶，積極去除信號混疊問題，確保雷達使用效果。