三路單脈沖雷達接收機DAGC技術的工程實現

李邦芹

(中國電子科技集團公司第20研究所雷達部，陜西西安 710068)

在雷達工作過程中，目標回波信號的強度會有較大起伏，使接收機的輸入信號會有相應的變化，變化范圍為－100～15 dBm［1］。若要在如此寬的信號變化范圍中保持接收設備能對信號進行線性放大，和保持信號不飽和失真，就需要控制接收機的增益，擴展接收機的動態范圍，并以此來防止近程雜波及大目標回波使接收機發生過載，實現測角歸一化，使接收機輸出的角誤差信號強度只與目標偏離天線軸線的夾角有關，而與距離的遠近和反射面積的大小無關。在工程實踐中，通常用AGC來達到這一目的。

早期雷達采用模擬AGC電路，精度不高，且調試復雜。后經采用EPROM和D/A轉換器對模擬衰減器的控制曲線加以修正，提高了對接收機進行調試和補償的靈活性，但電路集成度低，設備量大［2］。

文中介紹了三路單脈沖雷達接收機DAGC技術的工程實現方法，其是基于A/D轉換芯片AD9280、FPGA(XC2V1000)等數字電路，在系統搜索狀態采用靈敏度時間控制(STC)及手動增益控制、跟蹤狀態采用AGC控制，實時調整中頻接收機的增益，從而增強系統的靈活性，使得信號處理能夠根據雷達工作狀態的需要，調整中放模塊的增益，甚至改變自動增益控制的方式。

1 三路單脈沖雷達接收機DAGC技術

1.1 組成及工作原理

圖1為三路單脈沖雷達接收機DAGC的組成框圖。搜索狀態衰減器1受靈敏度時間控制，衰減器2受手動增益控制。跟蹤狀態和通道AGC，以和通道中頻信號作為輸入信號。當目標由遠至近，回波信號由弱到強時，控制兩級衰減器，使得通道中頻信號幅度保持不變，與時差通道數控衰減器衰減量與和通道保持一致，從而保證了兩個支路輸出的角誤差信號與目標偏離天線軸線的夾角有關，而與目標的遠近大小無關。圖中FPGA用來實現數字增益控制。

1.2 STC及手動增益控制的數字化實現

在進行大范圍目標搜索時，需要把距離選通波門開得較寬，這可用STC電路來實現。其屬于AGC，可用來減輕近距離的地物反射或海浪反射引起的雜波干擾，防止中頻放大器產生過載［3］。由于叢林、海浪等地物反射引起的雜波干擾的強度隨距離的增大而減小，因此STC電路適用于消弱此種具有特定變化規律的雜波干擾。

圖1 三通道單脈沖雷達接收機DAGC的組成框圖

具體實現方法是:根據信號的實際情況確定近距離增益值和增益隨時間變化的曲線，將這一曲線存儲在一個小的臨時緩存中，即加載到FPGA內部ROM中，在發射觸發脈沖觸發時將存儲量按一定時間源源不斷地讀出，產生隨時間變化的衰減量曲線，從而實現靈活準確的STC。圖2為STC數字實現的框圖。

圖2 STC數字實現的電路框圖

手動增益控制的實現較為簡單，其過程是將手動控制電壓經A/D變換后送到FPGA，在FPGA內部經數據寄存器輸出后送到控制衰減器2，實現手動增益控制。

1.3 跟蹤狀態自動增益控制數字化實現

跟蹤狀態自動增益控制是對被跟蹤目標的幅值進行采樣，根據幅值的大小，反過來控制前端中頻放大電路中的衰減器，將信號輸出調整到適合檢測的幅值范圍內。如圖1所示，A/D數據輸出到FPGA，在FPGA內取測距波門中心的3個值，進行比較，選取最大值，作為被跟蹤信號幅值，則有

式(1)中，A(n)為第n次脈沖回波周期的衰減量;e(n)為第n周被跟蹤信號幅值與各級門限比較所得的增益需要調整dB數;A(n+1)為n+1第次回波周期的衰減量。

每次在修正AGC碼之前，需采用求出的差值e(n)對當前衰減量進行修正，將信號調整到設計允許的誤差范圍內，或者AGC值衰減量達到系統允許的最大值。

各級門限值的確定方法是［4］:首先確定標準門限值λ，標準門限值由A/D轉換器的動態范圍、接收機的動態范圍和噪聲電平以及雷達虛警概率共同確定，根據接收機在AGC調整范圍內的噪聲電平大小，得到相應檢測所需的信號幅值，這就是標準門限的下限λ下。門限的上限λ上由A/D轉換器的動態范圍決定，為防止信號飽和，一般低于 A/D轉換器可測量值3 dB，例如，如果最大量程為±1 V，則可取信號調整到位時的最大幅值為0.707 V。當信號幅值處于標準門限值之間時，e(n)值為0。然后根據衰減器步跳量及信號最大起伏量確定剩余各級門限值，則有

式(2)中，λx為各級門限值，假設衰減器的步跳量為0.5 dB，則由 e(n)分別等于 0.5，1.0，1.5，…，計算出各級門限值 λ1，λ2，λ3，…，設信號幅值為 V，則當 λ上＜V≤λ1時，e(n)值為0.5 dB;當 λ1＜V≤λ2時，e(n)值為1.0 dB，…。

2 工程中問題的解決

2.1 中放增益控制問題

系統搜索狀態中的兩級衰減器分別受靈敏度時間控制和手動增益控制，當雷達發現目標時，操作手在按跟蹤鍵之前，需調整手動增益，以使目標回波在系統跟蹤所要求的電平范圍內。解決辦法，是將自動增益控制的初始值設為測距波門中心點處的靈敏度時間控制值和手動增益控制值之和，這樣信號能快速調整到標準門限之內，對近距離目標有效。此方法已成功應用于工程中，可在8個雷達工作周期內實現目標回波輸出穩定。

2.2 頻率捷變狀態中通道增益問題

采用頻率捷變體制的寬帶雷達系統中，帶內增益很難保持一致，回波信號幅度會有較大變化，有時甚至會影響跟蹤的穩定性。解決方法是測出雷達通道在不同頻點的增益差值，頻率變化時在數字AGC控制下對不同頻點的增益差值進行補償。

2.3 衰減量波動問題

在進行信號處理時，需檢測和支路信號中輸入信號的電平。但是，當幅值處于調節衰減的臨界狀態時，由于電平檢測的波動性和滯后性，使得即使輸入信號的電平沒有發生較大的變化，其估計值也時常會在某一AGC值左右震蕩。這樣就會出現中頻增益反復調整的現象，使輸出電平不穩，雷達系統無法進入穩定跟蹤狀態。解決方案是使加上衰減與撤去衰減的門限不同［5］。根據雷達目標檢測的特性，可以令加上衰減的門限高，而撤去衰減的門限低來解決，在系統中衰減器最小衰減量為0.5 dB，所以設計的門限上限和下限之間差值＞0.5 dB。

2.4 沖擊振蕩問題

由于數控衰減器的開關作用時會在輸出端產生沖擊振蕩，其會對中頻信號造成干擾，成為假目標［6］。工程設計中，通過手動增益控制和自動增益控制的時序調整，即手動增益控制碼的變化控制在雷達休止期，自動增益控制碼的變化控制在測距波門的前后沿，從而解決沖擊振蕩干擾問題。由于靈敏度時間控制無法通過時序調整來解決，所以系統中衰減器1應采用模擬衰減器，其有效地解決了沖擊震蕩問題。搜索狀態下的視頻輸出波形如圖3所示，跟蹤狀態下的視頻輸出波形如圖4所示。

2.5 接收機增益控制中存在的問題

用數字AGC技術實現對接收機增益控制仍存在一些問題亟待解決。如果雷達在受到同頻異步信號干擾時，使用這種數字化的干擾信號進行AGC時，可能導致衰減量被迅速調整到一個背離實際情況的值，從而丟失目標［7］。因此，在軟件設計上應采取一些措施，避免此情況出現。另外，當目標檢測過程中采用多脈沖積累技術時，如果區域內存在目標或者噪聲突然增強或減弱，在一次脈沖積累過程中由于不調整 AGC，會出現接收機飽和或信號丟失現象，這是應用數字AGC技術時應當注意的問題。

3 結束語

數字AGC技術調節方便、反饋快捷、精度高，從而增強了對接收中頻放大模塊的控制能力，有利于提高系統的檢測和跟蹤性能。目前，大量可編程邏輯器件集成度越來越高，IP核也越來越多，性價比也越來越好，為數字化自動增益制技術的應用提供了有利的硬件平臺。文中介紹的單脈沖雷達接收機DAGC技術，已在某型號雷達的研制中具體應用，解決了工程應用中的許多實際問題，收到了良好的效果。

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