超低空掠海目標的微波探測系統(tǒng)設(shè)計

李海軍，張亞，李世中，李樹凱，孫彩云

（中北大學 機電工程學院 太原 030051）

0 引言

在現(xiàn)代戰(zhàn)爭中，隨著各種現(xiàn)代化、高性能的防空武器的出現(xiàn)，防空體系日趨完善，給中、高空突防兵器構(gòu)成了嚴重威脅，使得中、高空突防成功的概率越來越低，而低空突防技術(shù)以其特有的優(yōu)勢成為了現(xiàn)代戰(zhàn)爭的一種新的戰(zhàn)術(shù)手段，目標探測則是低空突防技術(shù)的重點。

傳統(tǒng)的微波探測任務(wù)主要由雷達完成，但低空目標檢測與跟蹤是雷達界的難題，多徑效應(yīng)將導致回波信號劇烈起伏，有時甚至出現(xiàn)對消，對目標檢測帶來極大的影響，同時海雜波對低空探測雷達的工作性能也具有較為重要影響。采用10．525GHz微波設(shè)計的探測系統(tǒng)，微波天線發(fā)射時具有良好的定向性容易控制作用范圍，而且對抗射頻干擾能力較強，同時對溫度、濕度、噪聲，光線不敏感，因此適合惡劣環(huán)境使用。

此探測系統(tǒng)基于微波的脈沖多普勒原理進行研究。所謂多普勒效應(yīng)，就是當波源和觀察者之間有相對運動時，觀察者接收到的頻率不等于波源發(fā)出的頻率。利用微波探測系統(tǒng)進行探測，通過對多普勒雷達探測器接收到的目標如反艦導彈、巡航導彈、低空突襲戰(zhàn)機等噪聲信號的處理，進而反映目標信息。

1 微波探測原理

微波探測（見圖1）在探測領(lǐng)域中有其自身的特點，微波是射頻頻譜中惟一能穿透電離層的電磁波(光波除外)，具有透射特性。由于微波具有較寬的頻帶特性，其攜帶信息的能力遠遠超過中波、短波及超短波，而且微波具有頻域信息、相位信息、極化信息、時域信息等多種信息，人們通過對不同物體的散射特性的檢測，從中提取目標特征信息。

微波振蕩源產(chǎn)生的電磁能傳輸給發(fā)射天線，由發(fā)射天線向外定向輻射于大氣中。如目標恰好位于定向天線的波束內(nèi)，則它將要截取一部分電磁能。目標將被截取的電磁能向各方向散射，其中部分散射的能量朝向雷達天線接收方向，雷達天線搜集到這部分散射的電磁能后就經(jīng)傳輸和收發(fā)開關(guān)反饋給接收機。接收機將這一微弱信號進行放大并經(jīng)信號處理后即可獲得所需的多普勒信號。微波探測系統(tǒng)獲得的低頻信號反應(yīng)了物體移動的速度，低頻信號的頻率與物體移動的速度成線性關(guān)系。

圖1 微波探測原理圖

若發(fā)射信號頻率一定，那么多普勒頻率隨目標接近速度的變化而變化，即多普勒頻率的變化可以反映彈目接近速度的信息，最后通過比較電路獲得輸入信號的信息從而確定目標。

2 微波探測系統(tǒng)設(shè)計與實驗

2.1 硬件設(shè)計

根據(jù)多普勒原理設(shè)計的微波探測系統(tǒng)由脈沖產(chǎn)生電路、混頻檢波電路、濾波電路、比較電路、信號放大及處理電路組成。系統(tǒng)硬件框圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)硬件框圖

微波探測器工作需要提供2000Hz的脈沖供電，占空比為4%。脈沖供電電壓最高值必須在4．75V～5．25V 之間，脈沖頂端的平坦度會影響模塊電路的探測能力。電源電壓超過5．25V時，它的可靠性會降低，并可能導致標稱頻率外的射頻輸出和該電路永久性損壞，這里選擇555定時器進行設(shè)計，圖3為設(shè)計的脈沖產(chǎn)生電路，頻率2000Hz,高電平20μs，低電平480μs，占空比4%，電壓5V。

圖3 脈沖產(chǎn)生電路

濾波器是一種選頻電路，它只允許一定頻率范圍內(nèi)的信號通過，而對不需要的頻率分量盡量加以抑制或削弱。為提高濾波效果，采用RC電路串聯(lián)，形成二階有源低通濾波。其上限截止頻率圖4為設(shè)計的低通濾波電路。

圖4 二階有源低通濾波器及其幅頻特性

電壓比較電路是運算放大器工作在非線性狀態(tài)的一種應(yīng)用，其功能是比較兩個電壓（一個輸入信號和一個參考電壓）的大小，并用輸出的高、低電平表示比較結(jié)果。圖5為設(shè)計的比較電路，從圖中可見，在集成運放的同向端加參考電壓，也就是電壓設(shè)定值，在反相端加輸入電壓。若參考電壓為零，當輸入電壓略小于零時，由于運放處于開環(huán)狀態(tài)，具有很高的開環(huán)電壓放大倍數(shù)，輸出電壓將達到正的最大值；而當輸入電壓略大于零時，輸出電壓立刻跳變?yōu)樨摰淖畲笾怠?/p>

圖5 比較電路圖

2.2 實驗及分析

在實驗室條件下對低速移動目標的探測，所探測的目標分別有移動的書、人體、金屬物體，探測器距離目標6m左右。微波探測器探測輸出的低頻信號經(jīng)過檢波混頻后，先經(jīng)濾波電路濾除雜波干擾，而后將信號放大，最后將有用信號比較輸出。探測模塊的水平方向探測角度為72°,垂直方向的探測角度為36°，低頻輸出頻率70Hz/ms，低頻信號經(jīng)過低通放大器選頻放大，即可得到反應(yīng)物體移動信號。

當有目標經(jīng)過探測系統(tǒng)附近時，其波形如圖6， 其電壓值隨目標距離、大小會有不同，波形頻率會隨目標移動速度增加而增加。此時

圖6 探測移動目標輸出波形

經(jīng)電容隔直后，電路會將電壓提升，以便更好在后續(xù)電路中進行放大。在無目標移動時：Vmax=1．9V，Vmin= 1．86V，Vpp=40mV。其探測移動目標后的波形如圖7。

圖7 提升電壓后探測目標波形圖

電壓比較器的門限值為1/2 Vcc，輸出端輸出與物體移動速度有線性關(guān)系的脈沖信號。按本電路的參數(shù)設(shè)置，探測器的作用距離為4～15m連續(xù)可調(diào)，可調(diào)電阻用于調(diào)整一級放大器的增益，通過調(diào)節(jié)其大小，探測距離也相應(yīng)改變，其探測移動物體且通過低通濾波和放大后的波形如圖8。

圖8 比較輸出低頻信號波形

以上我們采用的是交流耦合方式進行波形輸出，濾除了直流信號。實際工作中應(yīng)采用全波輸出，在示波器上采用直流耦合才能真實顯現(xiàn)探測過程。

圖9顯示在目標靜止和移動時的直流耦合輸出。在目標移動時，在探測到目標移動后，比較輸出的是反向的脈沖。在實驗中發(fā)現(xiàn)，微波探測系統(tǒng)反應(yīng)較為靈敏，對于干擾信號亦會產(chǎn)生脈沖，戶外的干擾相對實驗室更為復(fù)雜。為防止干擾信號對后續(xù)模塊的觸發(fā)，可以再后續(xù)電路中增加一個單片機電路，將探測兩個以內(nèi)的脈沖視為干擾進行濾除，兩個以上脈沖視為信號保留，以防止干擾信號的影響。

圖9 直流耦合時目標靜止與移動后波形對比

3 戰(zhàn)場環(huán)境中電路改進

實驗室條件下的脈沖電路和低通濾波電路的設(shè)計都是為探測人體等低速目標而設(shè)計，而在實際戰(zhàn)場中低空飛行的目標一個重要特點是飛行速度快，通常為亞音速，因此脈沖電路及濾波電路參數(shù)將不再滿足實際要求，需要重新設(shè)計。

3.1 脈沖電路改進

實驗室我們以移動的人體作為探測目標，速度較慢大約1m/s左右。由多普勒效應(yīng)可知，經(jīng)過解算的多普勒頻率為 其中v=1m/s， ，代入上式可得多普勒頻率為67Hz。其遠小于與其進行混頻濾波的2000Hz脈沖信號。

實際的應(yīng)用環(huán)境是探測接近音速的低空高速目標，速度達到300m/s，求得多普勒頻率為20,000Hz，大于與其混頻的2000Hz標準信號，混頻濾波后將會濾除含有目標信息的高頻信號，因此需要重新設(shè)計電源。通過設(shè)定R1,R2,C1,C2的參數(shù)值使電源發(fā)射頻率為500,000Hz，占空比10%，其頻率遠大于目標在接近過程中所產(chǎn)生的多普勒頻率，在混頻濾波中含有目標信息的低頻信號將會被保留供后續(xù)處理。

3.2 濾波電路改進

為滿足實際要求，將設(shè)計一個二階壓控有源低通濾波電路。與簡單二階有源低通濾波器不同之處在于將一階有源低通濾波器的電容原來接地端改接在運放輸出端（如圖10所示），以形成一個在附近帶有正反饋而又不自激的電路。目的在于提高附近的幅值，使幅頻曲線更接近于理想的水平線。根據(jù)對低通濾波電路截止頻率要求來確定新的二階壓控電壓源低通濾波電路參數(shù)R1,R2,C1,C2,Rp值。

圖10 二階壓控低通濾波電路

4 結(jié)論

微波探測系統(tǒng)有效地實現(xiàn)了對微波信號的采集，信號處理電路整體功能基本實現(xiàn)，能夠穩(wěn)定工作，對目標進行探測靈敏度較高。該系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單、電路適應(yīng)性強等優(yōu)點，通過實驗?zāi)芑旧蠞M足超低空掠海目標的微波探測技術(shù)要求。為了進一步提高探測精度可結(jié)合多種探測系統(tǒng)協(xié)同工作。

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