一種外場VHF頻段寬帶RCS測量接收機(jī)設(shè)計(jì)

張?jiān)啤●T孝斌　蔡敏　汪勇峰

摘 要： 基于外場VHF頻段目標(biāo)特性測量需求，設(shè)計(jì)一種外場VHF頻段寬帶RCS測量接收機(jī)。該接收機(jī)采用預(yù)選濾波法提高了接收前端選擇性，抑制射頻干擾信號(hào)，同時(shí)設(shè)計(jì)頻率關(guān)系，實(shí)現(xiàn)寬帶信號(hào)接收，在后續(xù)信號(hào)處理中采用相參積累法進(jìn)一步抑制射頻干擾及接收機(jī)噪聲，提高接收機(jī)靈敏度，實(shí)現(xiàn)大動(dòng)態(tài)范圍信號(hào)接收。通過外場試驗(yàn)驗(yàn)證，實(shí)測結(jié)果與理論仿真結(jié)果吻合較好，驗(yàn)證了該設(shè)計(jì)方案的可行性。

關(guān)鍵詞： VHF頻段； 寬帶； 射頻干擾； 寬帶RCS測量接收機(jī)

中圖分類號(hào)： TN911?34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2016）04?0139?03

Abstract： Based on the measurement requirement of the target characteristics of outfield VHF band， a receiver for wideband RCS measurement in outfield VHF frequency band was designed. The preselection filtering method is adopted in the receiver to improve the receiving front?end selectivity and suppress the RF interference signal. The frequency relation was designed carefully to realize the reception of wideband signal. The phase?coherent accumulation method is used in subsequent signal processing to further suppress the RF interference and receiver noise. The receiver sensitivity was improved， and signal reception in large dynamic range was realized. The results from outfield experiments show that the actually?measured result is identical with the theoretical simulation result. The feasibility of the design scheme was verified.

Keywords： VHF band； broadband； RFI； receiver for wideband RCS measurement

目前國內(nèi)針對(duì)典型目標(biāo)的低頻特性理論研究已經(jīng)很成熟，但在外場背景下復(fù)雜目標(biāo)的低頻特性研究尚處于起步階段。作為外場低頻特性研究的關(guān)鍵設(shè)備之一，VHF頻段寬帶RCS測量設(shè)備的研制將有力促進(jìn)外場低頻特性的研究。由于在VHF頻段存在無線電調(diào)頻廣播、移動(dòng)通信和電視信號(hào)等多個(gè)外界頻率源，因此，VHF頻段寬帶雷達(dá)接收系統(tǒng)具有嚴(yán)重的射頻干擾（RFI）問題。因?yàn)镽FI在時(shí)域、頻域及空域都和目標(biāo)散射信號(hào)相重疊，且其強(qiáng)度還可與目標(biāo)散射信號(hào)的強(qiáng)度相比擬甚至更強(qiáng)，因此，有效抑制RFI是保證VHF頻段寬帶雷達(dá)接收系統(tǒng)能夠正常工作的關(guān)鍵技術(shù)之一。本文結(jié)合實(shí)際情況，給出一種寬帶RCS測量接收機(jī)設(shè)計(jì)方案，從抗干擾等方面進(jìn)行了分析，并進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。

1 接收系統(tǒng)分析

外場RCS測量接收機(jī)和一般雷達(dá)接收機(jī)有一定的區(qū)別，它具有相參、寬頻帶、大瞬時(shí)線性動(dòng)態(tài)范圍等特點(diǎn)?；夭ㄐ盘?hào)經(jīng)低噪放、混頻、中放濾波等處理環(huán)節(jié)后進(jìn)行數(shù)字采集處理，可獲取目標(biāo)回波的幅度相位信息。基本原理框圖如圖1所示。

1.1 接收機(jī)干擾分析

一般干擾主要有同頻干擾、交調(diào)干擾、互調(diào)干擾、阻塞干擾等。其中同頻干擾是指干擾信號(hào)與有用信號(hào)頻率相同或接近，并以同樣的方式進(jìn)入收信機(jī)中頻通帶形成的干擾，接收機(jī)本身不具備抑制作用，需要采取相干積累等方式抑制同頻干擾。而交調(diào)干擾、互調(diào)干擾、阻塞干擾等主要是因?yàn)榻邮諜C(jī)前端電路選擇性不夠好，導(dǎo)致干擾信號(hào)進(jìn)入到接收機(jī)中對(duì)接收機(jī)性能造成了一定的影響。

交調(diào)干擾是一種交叉調(diào)制，在混頻級(jí)和高放級(jí)都有可能發(fā)生；交叉調(diào)制程度與干擾信號(hào)振幅的平方成正比，所以，提高前端的選擇性，減弱干擾信號(hào)電壓振幅，是克服交調(diào)干擾的有效措施。

互調(diào)干擾是由于放大器的非線性作用，干擾信號(hào)彼此混頻，可能產(chǎn)生頻率接近有用信號(hào)頻率的互調(diào)干擾分量；互調(diào)干擾分量的強(qiáng)度同輸入干擾信號(hào)的電壓振幅有關(guān)，干擾信號(hào)振幅愈大，則互調(diào)干擾分量愈大。一般說來，當(dāng)兩個(gè)干擾信號(hào)頻率距離信號(hào)頻率較遠(yuǎn)時(shí)，用提高前端電路選擇性的辦法，能夠有效地減小互調(diào)干擾影響。

阻塞干擾是指如果一個(gè)強(qiáng)干擾信號(hào)進(jìn)入接收機(jī)輸入端后，在輸入電路抑制不良時(shí)，就會(huì)使前端電路內(nèi)放大器或混頻器的晶體管處于嚴(yán)重的非線性區(qū)域，甚至完全破壞晶體管的工作狀態(tài)，使輸出信噪比大大下降。

由上述分析可知，要避免交調(diào)干擾、互調(diào)干擾、阻塞干擾等影響，提高接收前端的選擇性，減弱干擾信號(hào)電壓的振幅是比較有效的措施，同時(shí)接收機(jī)也可采取相干積累等信號(hào)處理方式，對(duì)同頻干擾等進(jìn)行抑制。

1.2 寬帶接收機(jī)雜波、諧波分析

外場RCS測量接收機(jī)對(duì)雜波和諧波要求較高。一般來說，下變頻混頻器用來把低功率的回波信號(hào)同高功率的本振信號(hào)在非線性器件中混頻后，將低功率的回波信號(hào)變換成中頻信號(hào)輸出，這時(shí)，因?yàn)榛祛l器的非線性特性，將產(chǎn)生許多寄生的高次分量。這些寄生響應(yīng)將會(huì)嚴(yán)重影響相參雷達(dá)的接收性能。

混頻器的非線性效應(yīng)是產(chǎn)生各種寄生響應(yīng)的主要原因，假設(shè)輸入信號(hào)頻率為[fR]，本振信號(hào)頻率為[fL]，則輸出信號(hào)頻率為兩個(gè)頻率的和與差[fR+fL或fR-fL]。同時(shí)，因?yàn)榛祛l器的非線性效應(yīng)，還會(huì)產(chǎn)生寄生頻率[±nfL±m(xù)fR]（m和n均為整數(shù)）。圖2所示為一張寄生效應(yīng)圖[7]，這張寄生效應(yīng)圖使系統(tǒng)設(shè)計(jì)者對(duì)究竟哪些輸入頻率和帶寬結(jié)合不會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)的低寄生分量的情況一目了然。圖2中H表示高輸入頻率；L表示低輸入頻率；橫軸為歸一化的輸入頻率[LH]，縱軸為歸一化的輸出差頻[H-LH]。由上述分析可知，在進(jìn)行寬帶混頻時(shí)，由于接收機(jī)的相對(duì)帶寬增大，低次諧波雜散信號(hào)落入帶內(nèi)的概率加大，使得接收機(jī)信雜比變壞，直接影響接收機(jī)的測量精度。因而，在接收機(jī)設(shè)計(jì)中應(yīng)綜合考慮，如保證本振譜線純度指標(biāo)以及在混頻后采取濾波等措施。

1.3 線性動(dòng)態(tài)范圍

外場測量實(shí)驗(yàn)，一般采用相對(duì)定標(biāo)法，標(biāo)定是一個(gè)重要環(huán)節(jié)，需要以一個(gè)雷達(dá)散射截面（RCS）已知的標(biāo)準(zhǔn)體為標(biāo)準(zhǔn)來標(biāo)定待測散射體的RCS，標(biāo)準(zhǔn)體的RCS值來自理論計(jì)算和測量值。

式中：[σo]為目標(biāo)RCS；[σs]為標(biāo)準(zhǔn)體RCS；[Pr]為目標(biāo)回波功率；[Psr]為標(biāo)準(zhǔn)體回波功率；[Ro]為目標(biāo)距離；[Rs]為標(biāo)準(zhǔn)體距離。

接收機(jī)高精度測量的前提是接收機(jī)具有良好線性動(dòng)態(tài)范圍，目前一般隱身目標(biāo)RCS動(dòng)態(tài)范圍量級(jí)大于50 dB，因此設(shè)計(jì)大于60 dB的線性動(dòng)態(tài)范圍是必須的。

1.4 接收機(jī)相參性

由于RCS幅相測量的特殊性，它不僅要檢測目標(biāo)回波信號(hào)的幅度確定目標(biāo)的后向散射值大小，也需要通過目標(biāo)回波的相位信息分析目標(biāo)的電磁散射特性，而且為了提高雷達(dá)系統(tǒng)的靈敏度，對(duì)回波數(shù)據(jù)進(jìn)行相參積累也是非常有必要的，因此對(duì)雷達(dá)的相參性有非常高的要求，需要測量雷達(dá)嚴(yán)格相參。

2 接收機(jī)設(shè)計(jì)

由上述分析可知，測量接收機(jī)首先需要抑制射頻干擾信號(hào)，為了濾除接收機(jī)中的各種射頻干擾信號(hào)，保留有用信號(hào)，必須在接收機(jī)前端合適的地方放置預(yù)選濾波器，從頻域上濾除各種射頻干擾信號(hào)。其次接收機(jī)屬于寬頻帶接收機(jī)，測量時(shí)希望有一個(gè)較為平坦的帶內(nèi)響應(yīng)，因此接收機(jī)需要進(jìn)行功率均衡，在整個(gè)信號(hào)帶寬內(nèi)進(jìn)行幅度校正。另外接收機(jī)是嚴(yán)格相參接收機(jī)，接收機(jī)的本振需要采用高穩(wěn)晶振產(chǎn)生。接收機(jī)的原理框圖如圖3所示。本接收機(jī)主要由限幅器、預(yù)選濾波、低噪放、功率均衡、混頻、中頻放大及濾波、A/D中頻采集及存儲(chǔ)、處理計(jì)算機(jī)等部分組成。依據(jù)接收機(jī)設(shè)計(jì)的總體考慮，對(duì)每部分都作了詳細(xì)的指標(biāo)論述，這里僅列出幾個(gè)主要的參數(shù)，以示參考：信號(hào)帶寬200 MHz，帶內(nèi)平坦度≤±1 dB；預(yù)選濾波每級(jí)帶寬10 MHz，帶外抑制≥60 dB；瞬時(shí)線性動(dòng)態(tài)范圍70 dB；中頻帶寬10 MHz；A/D采樣速率200 MHz，位數(shù)14位。

由圖4可知，經(jīng)A/D采集處理后接收機(jī)實(shí)際線性動(dòng)態(tài)范圍遠(yuǎn)大于70 dB（藍(lán)色*為實(shí)測功率曲線，紅線為擬合功率曲線），說明接收機(jī)系統(tǒng)具有良好的線性動(dòng)態(tài)范圍。應(yīng)用該接收機(jī)對(duì)某載體模型進(jìn)行實(shí)際外場測試，測試頻率為250 MHz，水平極化，實(shí)際測試曲線與理論仿真曲線對(duì)比如圖5所示，橫坐標(biāo)是角度值，縱坐標(biāo)為歸一化RCS值。由圖5可知，實(shí)際測試曲線和理論仿真曲線吻合較好，說明接收機(jī)方案設(shè)計(jì)合理。

3 結(jié) 語

本文針對(duì)VHF頻段，結(jié)合實(shí)際情況，給出了一種寬帶RCS測量接收機(jī)設(shè)計(jì)方案，該接收機(jī)可實(shí)現(xiàn)對(duì)VHF頻帶內(nèi)射頻信號(hào)抑制，具有寬頻帶、大動(dòng)態(tài)范圍接收等特點(diǎn)。通過外場試驗(yàn)驗(yàn)證，實(shí)測結(jié)果與理論仿真結(jié)果吻合較好，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)方案的可行性，可以投入實(shí)際使用。VHF頻段RCS測量設(shè)備的研制，對(duì)外場VHF頻段目標(biāo)電磁散射特性研究具有非常重要的意義，可有力支撐后續(xù)相關(guān)課題研究。

參考文獻(xiàn)

[1] 張興龍.全極化米波雷達(dá)反隱身及極化信息處理研究[D].西安：西安電子科技大學(xué)，2010.

[2] 張中山.米波段目標(biāo)RCS測量及某試驗(yàn)雷達(dá)實(shí)測數(shù)據(jù)處理[D].西安：西安電子科技大學(xué)，2012.

[3] 麻連鳳，桑建華，陳穎聞，等.隱身目標(biāo)RCS外場測試概述[C]//面向航空試驗(yàn)測試技術(shù)：2013年航空試驗(yàn)測試技術(shù)峰會(huì)暨學(xué)術(shù)交流會(huì)論文集.北京：中國航空學(xué)會(huì)，2013：164?167.

[4] 潘宇虎，李小秋，牛君寶，等.目標(biāo)低頻RCS的緊縮場測試研究[J].現(xiàn)代雷達(dá)，2011，33（12）：55?57.

[5] 胡飛.民航甚高頻電臺(tái)干擾淺析[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)，2011（11）：108.

[6] 田羽.淺析民航甚高頻通信的互調(diào)干擾及預(yù)防措施[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2014（7）：58.

[7] SKOLNIK M I. 雷達(dá)手冊[M].3版.南京電子技術(shù)研究所，譯.北京：電子工業(yè)出版社，2010.

[8] 張麟兮，李南京，胡楚鋒，等.雷達(dá)目標(biāo)散射特性測試與成像診斷[M].北京：中國宇航出版社，2009.

[9] 郭淑霞，胡楚鋒，李南京，等.室內(nèi)P波段后向散射測量系統(tǒng)[J].計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用，2011，47（2）：115?117.

[10] 李華軍.HRR外場雷達(dá)散射測量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[D].成都：電子科技大學(xué)，2013.