連續(xù)波雷達系統(tǒng)隔離度與雷達作用距離分析

楊 坡，柯 濤，李蓮英，宋 佳

(1.中國船舶重工集團公司第七二三研究所，江蘇 揚州 225101；2.江蘇省產業(yè)技術研究院，江蘇 南京 210000)

0 引 言

目前，無人機技術發(fā)展迅速，尤其是低成本的小型旋翼無人機被廣泛應用。無人機如火如荼的發(fā)展在方便生活的同時，也帶來了安全隱患，無人機掛載偵察設備、小型炸彈、毒品等，對重要政治、軍事和經濟目標構成危險，無人機“黑飛”還對民航安全構成威脅。因此采用什么手段盡早發(fā)現(xiàn)危險，并為妥善處理爭取更長的預警時間，引發(fā)了相關監(jiān)管部門廣泛關注。

效費比較高的近程小型雷達可以為這些重要目標建立比較有效的預警監(jiān)控。尤其目前反無人機系統(tǒng)，對雷達探測提出了更高的要求，而連續(xù)波雷達由于發(fā)射功率低、成本低、分辨率高等特點，近些年來相關技術得到迅速發(fā)展，在軍、民相關領域得到廣泛應用[1]。

雷達方程是指導雷達設計的重要公式。而連續(xù)波雷達相比于其它體制雷達，增加了系統(tǒng)隔離，通過收發(fā)隔離實現(xiàn)連續(xù)工作；因此，需要分析系統(tǒng)隔離度對雷達作用距離的影響，并修正連續(xù)波雷達方程。

連續(xù)波雷達正是通過連續(xù)發(fā)射波形，降低了系統(tǒng)對發(fā)射功率的要求，提升了性價比。但由此又需要雷達系統(tǒng)收發(fā)通道同時工作，收發(fā)隔離度成為限制雷達作用距離提升的主要因素。本文通過分析隔離度對雷達接收系統(tǒng)的影響因子，修正連續(xù)波雷達方程，對連續(xù)波雷達工程設計具有一定的指導意義。

1 系統(tǒng)隔離度影響分析

從雷達距離方程可知：在雷達天線增益、掃描時間、積累回波數(shù)等參數(shù)已確定的前提下，要提高雷達作用距離必須提高發(fā)射功率。但連續(xù)波雷達發(fā)射功率受隔離度限制，發(fā)射信號功率會耦合到接收通道，影響雷達作用距離。主要影響因素表現(xiàn)在：

(1)接收通道飽和

耦合進接收通道的發(fā)射信號過大會使接收前端低噪聲放大器飽和，失去正常放大功能，造成接收回波信號失真，影響后續(xù)檢測。

對于單一點目標，連續(xù)波雷達接收信號經過低噪放混頻后，就變成差頻信號，線性調頻連續(xù)波(LFMCW)雷達的差頻輸出信號可表示為[2]：

SIF=Msin(2πfIFt+φ0)+n(t)

(1)

式中：n(t)為噪聲。

如果差頻信號未飽和，經過快速傅里葉變換(FFT)運算后即可得到能量的頻域分布，如圖1所示。但差頻信號一旦飽和，經過FFT運算后得到的頻域分布就會失真(如圖2所示)，信號頻譜失真。因此，在估算調頻連續(xù)波雷達作用距離之前，需要保證接收系統(tǒng)的動態(tài)范圍，接收信號一旦飽和，就無法測出目標作用距離。

圖1 信號未飽和時能量譜

圖2 信號飽和時能量譜

(2)影響接收靈敏度

耦合進接收通道的發(fā)射信號會抬高接收機噪聲電平，即使泄漏的發(fā)射信號沒有使低噪聲放大器飽和，也會提高噪聲電平，降低接收機靈敏度。耦合到接收通道內的發(fā)射信號可以視為噪聲，該信號經過混頻后，除零頻信號外，其它頻率信號即為探測信號的噪聲，該噪聲的影響主要分為調幅噪聲和調相噪聲。

進入雷達接收通道的干擾信號大致可以分為帶外干擾射頻信號以及帶內雜散信號。雷達接收通道對帶外信號和帶內信號的抑制度是不同的，每部雷達接收通道處理模塊各有不同，但基本包含接收天線、低噪聲放大器、射頻濾波器、放大電路和混頻電路、信號處理等六部分[3]，每部分對干擾信號均有放大或抑制作用。最終，帶外干擾射頻信號以及帶內雜散信號均要低于檢測門限才不會影響檢測信噪比，即發(fā)射信號不會干擾雷達探測。

以某型雷達接收通道設計為例，假設天線隔離度DR、低噪聲放大D1、射頻濾波器抑制度L1、接收放大D2、混頻器鏡像抑制度L2、信號處理積累增益D3，發(fā)射陣面功率P，發(fā)射雜散-60 dB，干擾和雜散信號流如圖3所示。

圖3 接收通道信號分布

根據(jù)以上指標設計和測試，最終得到信號處理輸出，干擾信號：P-DR+D1-L1+D2-L2+D3，雜散信號：P-60-DR+D1+D2+D3。在接收通道設計過程中，合理分配增益、衰減等指標，避免接收通道信號飽和。

通過以上分析，發(fā)射信號進入雷達接收通道，會改變雷達接收系統(tǒng)的信噪比。上文已經定義這種干擾信號即為噪聲信號，噪聲信號的形式主要分為調幅噪聲和調相噪聲。發(fā)射信號的噪聲降低了雷達檢測信噪比，最終表現(xiàn)在影響雷達連續(xù)波探測距離，因此，必須將影響因素代入雷達方程，對雷達方程進行修正。

2 連續(xù)波雷達方程修正

收發(fā)共用天線的一次雷達距離方程可由下式表示[4]：

(2)

式中：雷達發(fā)射功率為Pt;發(fā)射機相位噪聲為η;接收系統(tǒng)對干擾信號的抑制度為Dg。

在沒有發(fā)射干擾的情況下，接收機輸出噪聲功率N0=kT0Bn。當考慮發(fā)射機干擾時，發(fā)射信號作為干擾信號，直接影響的就是接收機輸出噪聲功率，發(fā)射信號經隔離后功率為Pt·η/Dg，修正噪聲功率N′=(kT0+Pt·η/Dg)Bn。

干擾信號功率為C0=Pt-D，如果C0≤N0，則雷達的檢測依然采用(S/N)min，作為其檢測門限。如果C0≥N0，則雷達的最小可檢測信號需要修正。

因此，修正后的雷達檢測門限為(S′/N)min。在計算連續(xù)波雷達作用距離時需要考慮隔離度和發(fā)射信號相位噪聲的影響，故得到連續(xù)波雷達方程如下：

(3)

修正后的雷達方程考慮了發(fā)射信號在幅度和相位上對雷達檢測信噪比的影響，適用于連續(xù)波雷達作用距離估算。

3 測量結果和比較

為了驗證修正后的連續(xù)波雷達方程的正確性，以該雷達方程設計某型雷達，該雷達主要參數(shù)：發(fā)射功率1 W、收發(fā)天線增益27 dB，探測目標RCS為1 m2。通過以上修正后的連續(xù)波雷達方程，仿真1組隔離度與雷達作用距離的關系圖，如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)隔離度與作用距離關系圖

為了驗證理論公式的正確性，在與仿真相同參數(shù)的某雷達設備上進行外場驗證。

試驗場景：被試雷達架設在岸基，標準反射體目標漂浮在水面，由拖船拖動，檢測雷達作用距離，場景及設備如圖5 所示。

圖5 測試目標及被試雷達

測試過程：雷達收發(fā)天線間距可調整，調整成2種隔離度，分別測試對目標的作用距離，如圖6所示。

首先收發(fā)天線未經隔離措施，測得隔離度為45 dB，選擇1 m2標準反射體，由拖船拖動，測得最大作用距離為770 m。

收發(fā)天線經過隔離板隔離，測得隔離度為80 dB，同樣目標，由拖船拖動，測得最大作用距離為1 710 m。

圖6 系統(tǒng)隔離度與作用距離

4 結 論

本文通過分析隔離度對雷達接收系統(tǒng)的影響因子，修正連續(xù)波雷達方程，雷達實測結果證明了隔離度對連續(xù)波雷達作用距離理論模型分析的正確性，該修正公式可以作為連續(xù)波雷達作用距離仿真計算的依據(jù)。