一種FMCW船用導(dǎo)航雷達(dá)的靈敏度分析

盧玉杰華東電子工程研究所，安徽合肥　230088

?

一種FMCW船用導(dǎo)航雷達(dá)的靈敏度分析

盧玉杰
華東電子工程研究所，安徽合肥230088

摘要接收機(jī)靈敏度是接收機(jī)設(shè)計(jì)中的一項(xiàng)重要指標(biāo)，本文對采用靈敏度頻率控制（SFC）技術(shù)的調(diào)頻連續(xù)波船用導(dǎo)航雷達(dá)接收機(jī)展開研究，分析了在不同頻率下影響接收機(jī)靈敏度的主要因素。

關(guān)鍵詞接收機(jī)靈敏度；調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)；靈敏度頻率控制

船用導(dǎo)航雷達(dá)的主要用途是探測海面目標(biāo)，避碰和導(dǎo)航，是船舶航行、進(jìn)出港不可缺少的工具，在船用電子設(shè)備中占有重要地位。一般的導(dǎo)航雷達(dá)基本采用脈沖模式，相比于脈沖模式的雷達(dá)系統(tǒng)，調(diào)頻連續(xù)波（FMCW）系統(tǒng)的主要優(yōu)點(diǎn)在于采用簡單結(jié)構(gòu)就能獲得較高的距離分辨率，攜帶方便，且系統(tǒng)在發(fā)射時(shí)不需要很高的發(fā)射功率。由于FMCW雷達(dá)目標(biāo)距離范圍較寬，距離動態(tài)變化大，常采用靈敏度頻率控制技術(shù)（SFC）技術(shù)來限制中頻信號的輸出動態(tài)范圍，不同頻率對應(yīng)著不同增益，本文對此展開研究，分析不同距離下限制接收機(jī)靈敏度的主要因素。

1　接收機(jī)的靈敏度計(jì)算

對于普通的接收機(jī)，其靈敏度是主要是由以下因素決定的：模擬前端的增益、噪聲系數(shù)，ADC的靈敏度（噪聲底限），信號處理的帶寬。接收機(jī)的靈敏度受ADC和模擬前端共同影響，可由下面公式表示：

Pmin=PDmin/G+PAmin，其中：

PDmin= PDmax-（SNR）ADC-10log（Fs/2B）

PAmin=-174dBm+NF+10logB

符號意義：

Pmin：數(shù)字接收機(jī)總的靈敏度

PDmin：ADC的靈敏度（噪聲底限），PDmin/G則表示其等效到接收端口的靈敏度

PAmin：模擬前端等效到接收端口的靈敏度

B：帶寬（Hz為單位），一般指FIR濾波器的帶寬

G：模擬前端的增益

可見增益很大時(shí)，或噪聲系數(shù)很大時(shí)，模擬前端是靈敏度主要限制因素，反之則ADC性能成為制約靈敏度的瓶頸。

這一系列靈敏度計(jì)算公式，只適用于一個(gè)“理想”的接收機(jī)，此接收機(jī)模型基于以下假設(shè)：

1）無外界干擾，射頻前端接收的噪聲源來自熱噪聲，高斯分布。

2）數(shù)字信號處理帶寬（噪聲帶寬）等于信號的帶寬。

3）接收信號功率在信號帶寬上平均分布。

4）在此帶寬內(nèi)NF及增益近似于不變。

2　船用導(dǎo)航雷達(dá)靈敏度分析

船用導(dǎo)航雷達(dá)不同于一般接收機(jī)，上面提到的約束條件，船用導(dǎo)航雷達(dá)并不完全滿足。下面以FMCW雷達(dá)某個(gè)工作模式為例，具體分析。

假設(shè)條件：距離50m時(shí)大船返回功率為-14dBm，小船減去20dBm；同一艘船，由于反射截面的不同，造成的與接收天線的距離差別典型值為50m。調(diào)頻速率：9.6MHz/ms，作用距離50m～27 780m?？梢杂?jì)算出拍頻后的信號頻率為3.2kHz～1 778kHz。

2.1調(diào)頻連續(xù)波航海雷達(dá)信號的帶寬

為了接收處理此量程的全部航船返回的信號，數(shù)字處理模塊FIR濾波器的帶寬最窄為1 778kHz。但是，這并不是調(diào)頻連續(xù)波航海雷達(dá)接收機(jī)的信號帶寬。理想航船（全部反射面與雷達(dá)接受天線的距離都相等）的返回信號進(jìn)行拍頻后應(yīng)該是個(gè)點(diǎn)頻。但是這種情況是不可能出現(xiàn)的。船體造成距離的差別我們現(xiàn)在假設(shè)一個(gè)典型值是50m，也就使得拍頻后的信號有一個(gè)3.2kHz的帶寬。對于后期頻率識別的數(shù)字處理來說，最壞情況莫過于接收信號的總功率平均分布在這個(gè)3.2kHz的帶寬上，為了保守計(jì)算，我們就假設(shè)信號功率是在這個(gè)3.2kHz的帶寬上平均分布的。所以我們可以這樣描述調(diào)頻連續(xù)波航海雷達(dá)的接收進(jìn)行拍頻后信號：

拍頻信號可能出現(xiàn)在3.2kHz～1 778kHz （50m～27 780m）的頻帶上，數(shù)字模塊要隨時(shí)準(zhǔn)備處理這個(gè)頻帶上的任意頻率的信號。但是對于每個(gè)航船反射的信號拍頻后來說，其帶寬為3.2kHz。航船反射后的信號，其拍頻后的信號在f0～（f0+3.2kHz）的窄頻段上，對應(yīng)接收天線上的射頻波段為（9.4GHz+f0）～（9.4GHz+f0+3.2kHz）。f0可以出現(xiàn)在3.2kHz～1 778kHz頻帶上的任意波段，但是，對于定時(shí)刻的一個(gè)航船來說，它是固定的。此時(shí)只要輸入功率大于這個(gè)窄信號對應(yīng)得系統(tǒng)靈敏度即可，并不要大于整個(gè)1.77 MHz內(nèi)的的靈敏度。所以用來計(jì)算靈敏度的信號帶寬應(yīng)是3.2kHz。并不是調(diào)頻寬度（9.6M）或者Fir濾波器寬度（1 778kHz）。

2.2調(diào)頻連續(xù)波航海雷達(dá)信號的增益

為了實(shí)現(xiàn)動態(tài)壓縮，該船用雷達(dá)采用了SFC技術(shù)，在1778kHz內(nèi)，不同頻率對應(yīng)著不同增益，而增益影響靈敏度的最直接體現(xiàn)就是ADC靈敏度等效到射頻前端的的大小。增益越小，ADC的制約越嚴(yán)重。計(jì)系統(tǒng)靈敏度時(shí)，可以保守計(jì)算：即采用f0～（f0+3.2kHz）窄頻帶上的最小增益來計(jì)算。同樣，由于SFC的影響，在此1778kHz內(nèi)，不同頻率對應(yīng)著不同NF。而NF影響靈敏度的最直接體現(xiàn)就是模擬前端等效到輸入端口的熱噪聲的大小。NF越大，模擬前對系統(tǒng)靈敏度的影響越嚴(yán)重。計(jì)算系統(tǒng)靈敏度時(shí)，可以保守計(jì)算：即采用f0～（f0+3.2kHz）窄頻帶上的最大NF來計(jì)算。

2.3調(diào)頻連續(xù)波航海雷達(dá)靈敏度的計(jì)算

對于一被探測船的回波（9.4GHz+f0）～（9.4GHz +f0+3.2kHz），對應(yīng)得拍頻為f0～（f0+3.2kHz），根據(jù)以上分析，下面給出調(diào)頻連續(xù)波航海雷達(dá)靈敏度的計(jì)算公式：

Pmin=PDmin/Gmin + PAmin

其中：PDmin=PDmax-（SNR）ADC-10log（Fs/2B）

PAmin=-174dBm+NFmax+10logB

Gmin為（9.4GHz+f0）～（9.4GHz+f0+3.2kHz）頻帶上的最小增益，在本系統(tǒng)中為頻率為（9.4GHz+f0+3.2kHz）的接收信號對應(yīng)得增益。

NFmax為（9.4GHz+f0）～（9.4GHz+f0+3.2kHz）頻帶上的最大噪聲系數(shù)，在本系統(tǒng)中為頻率為（9.4GHz+f0）的接受信號對應(yīng)的噪聲系數(shù)。

B為信號帶寬，經(jīng)上文分析為3.2kHz。

系統(tǒng)基于AD9220（滿量程5Vpp，SNR 70 dB）的出的計(jì)算結(jié)果如下：

圖1　前端噪聲系數(shù)與接收信號拍頻曲線

圖2　前端增益與接收信號拍頻曲線

圖3　模擬前端與ADC分別等效到輸入端口的噪聲接收信號與拍頻曲線

可見低頻（近距離）主要制約是ADC性能，高頻（遠(yuǎn)距離）主要制約是模擬前端。由上公式，可近似的把交點(diǎn)以前的ADC制約靈敏度，和交點(diǎn)以后的模擬前端制約靈敏度作為整個(gè)系統(tǒng)的靈敏度。

圖4　回波信號強(qiáng)度與接收機(jī)靈敏度

此系統(tǒng)在近距離情況下，很好的滿足了靈敏度要求。在遠(yuǎn)距離情況下一定程度小的船無法檢測出。

3　結(jié)論

在采用SFC技術(shù)的調(diào)頻連續(xù)波導(dǎo)航雷達(dá)接收機(jī)設(shè)計(jì)中，對近距離小目標(biāo)的檢測，由于系統(tǒng)增益低，ADC電路的設(shè)計(jì)制約著接收機(jī)靈敏度，遠(yuǎn)距離的情況下，接收機(jī)前端噪聲系數(shù)決定了接收機(jī)的靈敏度。

參考文獻(xiàn)

［1］何李元，葛家龍，朱衛(wèi)東，等.調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)靈敏度頻率控制技術(shù)［J］.現(xiàn)代雷達(dá)，1998，20（3）：92-95.

［2］James Tsui.寬帶接收機(jī)數(shù)字技術(shù)［M］.電子工業(yè)出版社，2002.

［3］丁鷺飛，耿富錄.雷達(dá)原理［M］.西安：西安電子科技大學(xué)出版社，1995.

中圖分類號TN95

文獻(xiàn)標(biāo)識碼A

文章編號1674-6708（2016）165-0150-02

作者簡介：盧玉杰，助理工程師，華東電子工程研究所，主要從事電子對抗、雷達(dá)接收機(jī)及高速數(shù)據(jù)采集相關(guān)工作。