连续波雷达方案

全固态连续波导航雷达 性能与指标论证 一、 体制 调频连续波（FMCW）。 二、 系统组成 系统组成见下图。 发射通道接收通道定向耦合器信号产生

信号处理接收天线驱动电机光电码盘

汇流环接口

/控制

显示

终端网络

电源

发射天线

扫描单元显示单元

图1.系统组成框图

三、 技术指标 1、频率 X波段，9.3GHz~9.4GHz 2、峰值功率 100mW 3、扫频带宽 小于等于75MHz 4、扫频重复频率 200Hz 5、扫频时宽 1.2ms 6、接收机噪声系数 小于等于6dB 7、天线转速 24rpm,+/-10％ 8、收/发天线水平波束宽度 5.2º+/-10％(-3dB宽度) 9、收/发天线垂直波束宽度 25º+/-20％(-3dB宽度) 10、 收/发天线旁瓣电平 小于等于-18dB(正负10º内) 小于等于-24dB(正负10º外)

11、 极化方式 水平极化 12、 通信协议 高速以太网或串口 四、 性能指标 1、探测距离 典型目标探测距离见下表。 表1.探测距离表 目标类型 探测距离 大型电站/风场 15-25nm 100m高陡峭海岸线 10-20nm 稠密城市海岸线 6-12nm 覆盖森林的250m斜坡海岸线 4-8nm 低矮郊区海岸线 4-8nm 大型集装箱船 7-14nm 小于50m的低矮海岸线，浓密植被 3-6nm 小岛 2-4nm 中型汽艇 1-2nm 带角反射器的航标 1-2nm 小型汽艇或游船 0.5-1.5nm 无角反射器的小型浮标 0.25-0.5nm 皮划艇 300-800ft 鸟群 160-500ft

2、量程 50m~24nm, 17档可调 3、功耗 工作：*********** 待机：**********~150ma

4、电源 9V~31.2V直流 5、使用环境 工作温度：-25º~+55 º 相对湿度：+35º，95％RH 防水：IPX6 相对风速：51m/s(最大100节)

五、 组成原理 1、收发系统组成

DDS倍频器

PA

fh

上变频器LNAIFA差拍中频输出

混频器

发天线收天线

图2.收发系统原理框图 2、信号处理系统组成

A/DFFT积累检测

差拍中频检测视频

图3.信号处理原理框图 六、 关键指标分析论证 1、A/D采样率与采样位数 雷达最大量程24nm，回波最大延迟： max82241852296.32310dts 最大差拍频率： maxmax75296.3218.521200bdm

FftMHzT

应选择A/D采样频率fs≥2fbmax， 实际可选： fs=40MHz。 采样位数选16位，对应动态范围96dB。

2、距离分辨率 （1）、理论分辨率 发射波形扫频带宽ΔF=75MHz，理想距离分辨率为： 806

3102227510CRmF



对自差式FMCW雷达，当目标回波延时td，有效带宽降为：

(1)dmtFFT 式中Tm为调制时宽。实际目标距离分辨率为：

2(1)dmCRtFT 从上式可以看出，FMCW雷达在不同的探测距离上有不同的距离分辨率。距离越远，分辨率越差。取Tm=1.2ms,最小和最大量程的距离分辨率为： 量程=50m, 距离分辨率ΔR≤2m 量程=24nm, 距离分辨率ΔR≤2.66m 以上给出的是距离分辨率的理论计算值，实际距离分辨率还与信号处理（主要是FFT）的频率分辨精度等因数有关。 （2）、相干处理时间间隔对分辨率的影响 最大量程时的可用相干处理时间间隔： 1200 - 296.32 = 903.68μs 可用采样点数： 903.68 × 40 = 36147 为了便于FFT处理，若实际采样点数选32768。对应的频率分辨率： Δf = 1221 Hz 该频率分辨率对距离分辨率的限制为： 3861.21031012212.9304227510mTCfRmF





该值大于理论距离分辨率，是实际能达到的距离分辨率。 小量程时，差拍频率小，与大量程相比可获得更长的相干处理时间，FFT频率分辨率对雷达距离分辨率的影响可得到一定程度的改善。 比如，50m量程时，最大回波延时0.33μs，可用相干处理时间间隔为： 1200 - 0.33 = 1199.67μs 频率分辨率： Δf = 833.56 Hz 该频率分辨率对距离分辨率的限制为： 3861.210310833.562.0005227510mTCfRmF





因而，FFT频率分辨率对雷达距离分辨率的影响可忽略。但前提是相干处理时间必须用足。按40MHz采样率，50m量程下的可用样点为47986。实际处理时，可通过补零将序列长度延长至65536再进行FFT。 如此长序列的FFT在处理时必须保证有足够的处理动态，否则将产生严重的弱小目标损失。 （3）、FFT加窗对分辨率的影响 信号处理时，若对经A/D变换后的回波差拍信号直接进行FFT，频谱旁瓣仅为-13dB，在密集目标环境下，大目标的旁瓣谱线可能远高于邻近小目标的主瓣谱线，从而严重干扰小目标的检测和分辨。为了克服这一问题，一般采用加窗处理的方法压低旁瓣。但加窗处理的负作用是引起频谱主瓣的展宽，使雷达分辨率下降。比如，采用Hamming窗函数进行加权，旁瓣可压低至-40dB，但主瓣展宽了一倍，雷达的距离分辨率对应下降了一倍。

3、信号处理损失 FMCW雷达通过FFT分析差拍频率算出目标距离，FFT具有所谓的“栅栏效应”，其输出的频谱是离散的，谱线的间隔Δf等于相干处理时间的倒数，当差拍回波谱正好等于Δf的整数倍时，幅度最大，无损失。而当差拍回波谱位于FFT的两根谱线之间时，即： /2(0,1,2,...,1)bfnffnN 谱强度下降了0.637倍，即信号损失3.92dB。 4、测距精度 线性调频连续波雷达的测距精度取决于信号调频的线性度、测频精度及目标运动引起的距离多普勒耦合等因素。 （1）、线性度的影响 采用DDS产生LFMCW信号的设计方案，可获得较理想的线性度，其对测距精度的影响可不予考虑。 （2）、测频精度的影响 差拍频率测量采用FFT方法时，其“栅栏效应”将带来测频误差，最大测频误差发生在差拍频率位于FFT两根谱线之间时： /2ff 对应的测距误差：

2mTCfRF 按照前述参数，小量程的误差为1m，大量程误差为1.465m。 （3）、距离多普勒耦合的影响 当目标有径向运动速度vr时，其回波频率将产生多普勒频移：

2rdvf 该频率将直接折合到差拍频率中去，引起的测距误差为： 2mdTCfRF 比如，以30节速度运动的目标，误差为2.31m。 距离多普勒耦合的影响可采用三角波调频的FMCW波形，在信号处理时对该误差进行补偿。若采用锯齿波调频，该误差将直接加到系统总误差中去。 系统总测距误差为： 22()()RRR 5、灵敏度频率控制（SFC） 在脉冲雷达中一般采用灵敏度时间控制（STC）电路压制近距离强回波，实现合理的信号动态范围控制。FMCW雷达同样面临压缩动态范围的问题，FMCW雷达的近距离强回波除了干扰目标的观察和检测，还会使中频电路过载，中频过载引起的交调会产生多个虚假目标，增加雷达的虚警率。因而，在FMCW雷达中对近距离强回波进行压制对保证探测性能显得尤为重要。 FMCW雷达的近距离回波处于差拍中频的低端，远距离回波位于差拍中频的高端，所以要压缩信号的动态，必须压低差拍中频低频段的增益，同时保证在高频段有足够的增益放大小信号，即实现所谓的灵敏度频率控制（SFC）。 SFC电路的频率响应曲线应随频率增加而上升，其上升斜率在每倍频程+6dB～+12dB之间，其控制曲线可随 “海浪抑制”操作旋钮的变化而变化。 为了取得比较好的效果，SFC电路应放在紧接混频器之后的位置，非常近距离的超大目标回波的抑制靠交流耦合电路实现。 6、发/收信号泄漏 FMCW雷达发射机与接收机之间的信号泄漏问题是该体制雷达面临的最突出问题。泄漏的影响表现在两个方面，一是当发射机泄漏到接收机的信号过强，使接收机前端饱和甚至烧毁；二是泄漏信号的噪声边带落入差拍信号的有效带宽内，严重限制了小信号的检测。因而，从某种意义上讲，FMCW雷达对弱小目标的探测能力并不完全受限于接收机的灵敏度，而在很大程度上取决于收发隔离度。 LOWRANCE雷达解决收/发隔离问题采取的是收、发双天线分置的传统途径。目前从公开资料上查不到隔离度指标，但从其天线结构和两个天线的间距推测，隔离度应该大于60dB。 在收、发天线分置的FMCW系统中，发射信号除了可以通过收、发天线的空间耦合泄漏到接收通道，还可能通过收发模块的电路间耦合到接收电路。所以，在收发前端设计时，必须仔细考虑单元电路的隔离和屏蔽。

7、相位噪声对系统性能的影响 由于FMCW雷达不可避免的信号泄漏，加上该体制雷达一般采用“零拍型”接收方案，发射信号相位噪声对系统性能的影响在方案设计和电路设计阶段都必须加以仔细考虑。 任何射频产生电路在产生发射信号的过程中除产生所需要的信号外，还不可避免地同时产生相位噪声。从频谱上看，相位噪声谱对称分布于主信号谱两边。噪声边带可分为两个部分：一部分相互之间