線性調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)抗干擾設(shè)計(jì)

趙艷秋，李　偉

(1.中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第723研究所，揚(yáng)州 225001;2.中國(guó)重工海博威(江蘇)科技發(fā)展有限公司，揚(yáng)州 225001)

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線性調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)抗干擾設(shè)計(jì)

趙艷秋1,2，李偉1,2

(1.中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第723研究所，揚(yáng)州 225001;2.中國(guó)重工海博威(江蘇)科技發(fā)展有限公司，揚(yáng)州 225001)

摘要：線性調(diào)頻連續(xù)波(LFMCW)雷達(dá)與脈沖雷達(dá)相比具有獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用的領(lǐng)域越來(lái)越廣泛。以鋸齒波為例，分析了LFMCW雷達(dá)抗干擾采取的措施，對(duì)LFMCW雷達(dá)抗同頻干擾設(shè)計(jì)具有指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：線性調(diào)頻連續(xù)波；鋸齒波頻率調(diào)制；三角波頻率調(diào)制；抗干擾

0引言

頻率調(diào)制連續(xù)波雷達(dá)(LFMCW)與脈沖雷達(dá)相比具有獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，如距離分辨力高、發(fā)射功率低且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。同時(shí)LFMCW雷達(dá)要求較低的發(fā)射功率，而信號(hào)處理系統(tǒng)更為簡(jiǎn)單，具有體積小、重量輕的優(yōu)勢(shì)[1]。雖然隨著技術(shù)的進(jìn)步，連續(xù)波雷達(dá)應(yīng)用的領(lǐng)域越來(lái)越廣泛，如場(chǎng)面監(jiān)視、防撞、導(dǎo)航等，但難免在某種條件下或時(shí)間段出現(xiàn)多部雷達(dá)的載頻基本相同。如果不采取任何措施，這2部雷達(dá)都會(huì)把對(duì)方雷達(dá)所發(fā)射的電磁波顯示在各自的雷達(dá)畫(huà)面上形成嚴(yán)重的干擾，影響雷達(dá)的正常使用。如果有多條安裝同一型號(hào)雷達(dá)的作戰(zhàn)艦艇在一起執(zhí)行任務(wù)，相互之間的同頻干擾會(huì)達(dá)到十分嚴(yán)重的程度，各自都無(wú)法正常發(fā)現(xiàn)、錄取目標(biāo)。參考文獻(xiàn)[2]詳細(xì)分析了LFMCW雷達(dá)的各種干擾源情況，對(duì)LFMCW雷達(dá)面臨的各種干擾進(jìn)行了詳細(xì)的分析。在參考文獻(xiàn)[2]的基礎(chǔ)上，對(duì)LFMCW雷達(dá)如何抗干擾進(jìn)行了進(jìn)一步的分析設(shè)計(jì)。

1LFMCW雷達(dá)基本工作原理

依據(jù)調(diào)頻方式不同，調(diào)頻連續(xù)波可分為鋸齒波、三角波，它們均為線性調(diào)頻連續(xù)波。

LFMCW雷達(dá)的組成框圖如圖1所示[3]，發(fā)射機(jī)產(chǎn)生連續(xù)高頻等幅波，其頻率在時(shí)間上按鋸齒或三角形規(guī)律變化，目標(biāo)回波和發(fā)射機(jī)直接耦合過(guò)來(lái)的信號(hào)加到接收機(jī)混頻器內(nèi)。在無(wú)線電波傳輸?shù)侥繕?biāo)并返回天線的這段時(shí)間內(nèi)，發(fā)射機(jī)頻率較回波頻率已有了變化，因此在混頻器輸出端便出現(xiàn)了差頻電壓。當(dāng)在不同距離處存在多個(gè)目標(biāo)時(shí)，差拍信號(hào)為各個(gè)目標(biāo)差拍信號(hào)的線性疊加，但在頻率上卻是分離的。所以，無(wú)論是單目標(biāo)或多目標(biāo)情況，都可以從差拍信號(hào)中獲取目標(biāo)的距離信息[4-5]。

鋸齒波、三角波線性調(diào)頻連續(xù)波的發(fā)射波形與目標(biāo)回波的波形如圖2和圖3所示。其中f0(t)表示發(fā)射的波形，f0(t-td)表示目標(biāo)回波，fb表示目標(biāo)回波的差頻。

圖1　LFMCW雷達(dá)方框圖

圖2　鋸齒調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)頻率時(shí)間關(guān)系

圖3　三角調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)頻率時(shí)間關(guān)系

下面以鋸齒調(diào)頻連續(xù)波為例分析LFMCW雷達(dá)的抗干擾設(shè)計(jì)。

2LFMCW雷達(dá)抗干擾設(shè)計(jì)

考慮到波形調(diào)整、信號(hào)處理時(shí)間等因素，LFMCW雷達(dá)的發(fā)射波形設(shè)計(jì)如圖4所示，T為調(diào)頻時(shí)寬(信號(hào)持續(xù)時(shí)間)，Tr為重復(fù)周期，Tr-T為逆程時(shí)間，Δt為整個(gè)發(fā)射波形的周期，Δt約等于波束駐留時(shí)間，即完成單個(gè)波束內(nèi)目標(biāo)測(cè)量的時(shí)間，Δt內(nèi)包含n個(gè)連續(xù)發(fā)射周期為T(mén)的鋸齒波形或三角波。

圖4　線性調(diào)頻波形

干擾源為脈沖雷達(dá)和不同型號(hào)的連續(xù)波雷達(dá)時(shí)，根據(jù)參考文獻(xiàn)[2]的計(jì)算結(jié)果，連續(xù)波的回波能量與干擾源的能量的量級(jí)大約在10-3。連續(xù)波雷達(dá)做完差頻后，在接收端要做模擬帶通濾波器設(shè)計(jì)(如圖5)，把差頻信號(hào)濾出。濾波器的設(shè)計(jì)根據(jù)連續(xù)波回波信號(hào)的最大頻偏設(shè)計(jì)。根據(jù)圖4，可以通過(guò)調(diào)節(jié)發(fā)射信號(hào)的起始時(shí)間來(lái)控制兩者的差頻，只要兩者的差頻大于連續(xù)波雷達(dá)的目標(biāo)回波的最大頻偏，則該干擾即落在濾波器帶外，且濾波器帶外的設(shè)計(jì)一般可以達(dá)到-30 dB。干擾信號(hào)即可濾掉。

圖5　模擬濾波器

對(duì)干擾源為同型號(hào)連續(xù)波雷達(dá)的干擾影響：

(1) 2部雷達(dá)工作在相同量程下

混頻后干擾信號(hào)對(duì)應(yīng)2段差頻,即圖6所示的AB段和BC段。其中AB段為一固定的差頻，BC段的斜率與干擾fi(t-tdi)的斜率相同，且該段的最小頻點(diǎn)f(B)遠(yuǎn)大于目標(biāo)的最大頻偏。只要2部雷達(dá)發(fā)射觸發(fā)之間相差一定時(shí)延，同一時(shí)刻干擾與本雷達(dá)之間的頻差f(AB)超過(guò)目標(biāo)回波的最大頻偏，干擾信號(hào)經(jīng)過(guò)濾波器后即可濾掉。

圖6　2部雷達(dá)工作在相同量程下的差頻

(2) 2部雷達(dá)工作在不同量程下

2部雷達(dá)的調(diào)頻斜率不同，混頻后干擾信號(hào)如圖7中AB段和BC段所示。其中BC段的斜率與干擾fi(t-tdi)的斜率相同，且該段的最小頻點(diǎn)f(B)遠(yuǎn)大于目標(biāo)的最大頻偏。根據(jù)濾波器的設(shè)計(jì)，AB段的頻偏為f(A)，大于該量程下目標(biāo)回波的最大頻偏約1.1倍，可保證回波信號(hào)不被干擾。

圖7　2部雷達(dá)工作在不同量程下的差頻

假設(shè)該雷達(dá)有5個(gè)工作量程，則同型號(hào)雷達(dá)的干擾存在5種，該雷達(dá)工作在第1個(gè)量程下，則5種干擾的時(shí)延td1、td2、td3、td4、td5，回波信號(hào)最大頻偏(即差頻信號(hào))為:

(1)

干擾與本雷達(dá)的頻偏為:

(2)

雷達(dá)設(shè)計(jì)時(shí)，每種量程下有最大的工作量程，對(duì)

因此，在多部相同連續(xù)波雷達(dá)工作時(shí)，可以通過(guò)延時(shí)發(fā)射觸發(fā)時(shí)間的方式進(jìn)行抗干擾，延時(shí)時(shí)間可以設(shè)置成連續(xù)變換的或者固定抗干擾等級(jí)，對(duì)應(yīng)不同的調(diào)頻速度，既保證抗同頻效果，又不影響雷達(dá)工作。以參考文獻(xiàn)[2]中圖6(a)為例，本雷達(dá)與同型雷達(dá)在相同工作量程下，改變本雷達(dá)的發(fā)射觸發(fā)時(shí)間后，干擾的變化情況如圖8所示；以參考文獻(xiàn)[2]中圖6(c)為例，本雷達(dá)與同型雷達(dá)在不同工作量程下，改變本雷達(dá)的發(fā)射觸發(fā)時(shí)間后，干擾的變化情況如圖9所示。其中，B0為雷達(dá)的調(diào)頻帶寬，Bi為干擾雷達(dá)的調(diào)頻帶寬。

圖8　同型雷達(dá)相同工作量程下干擾的時(shí)域圖與頻域圖

圖8(a)為在相同工作量程下，本雷達(dá)的射頻信號(hào)f0(t)與其他同型雷達(dá)的射頻信號(hào)fi(t-tdi)的時(shí)域圖及兩者差頻信號(hào)的頻域圖；圖8(d)為圖8(a)對(duì)應(yīng)的距離圖，其中本雷達(dá)的射頻信號(hào)f0(t)相比其他同型雷達(dá)的射頻信號(hào)fi(t-tdi)，在時(shí)間上提前Δt；圖8(b)為在相同工作量程下，改變本雷達(dá)的發(fā)射觸發(fā)時(shí)間后，本雷達(dá)的射頻信號(hào)f0(t)與其他同型雷達(dá)的射頻信號(hào)fi(t-tdi)的時(shí)域圖及兩者差頻信號(hào)的頻域圖；圖8(e)為圖8(b)對(duì)應(yīng)的距離圖，本雷達(dá)的射頻信號(hào)f0(t)相比其他同型雷達(dá)的射頻信號(hào)fi(t-tdi)，在時(shí)間上提前Δt1;圖8(c)為在相同工作量程下，改變本雷達(dá)的發(fā)射觸發(fā)時(shí)間后，本雷達(dá)的射頻信號(hào)f0(t)與其他同型雷達(dá)的射頻信號(hào)fi(t-tdi)的時(shí)域圖及兩者差頻信號(hào)的頻域圖；圖8(f)為圖8(c)對(duì)應(yīng)的距離圖，其中本雷達(dá)的射頻信號(hào)f0(t)相比其他同型雷達(dá)的射頻信號(hào)fi(t-tdi)，在時(shí)間上提前Δt2。Δt2>Δt1>Δt。

圖9　同型雷達(dá)不同工作量程下干擾的時(shí)域圖與頻域圖

圖9(a)為在不同工作量程下，本雷達(dá)的射頻信號(hào)f0(t)與其他同型雷達(dá)的射頻信號(hào)fi(t-tdi)的時(shí)域圖及兩者差頻信號(hào)的頻域圖；圖9(d)為圖9(a)對(duì)應(yīng)的距離圖，其中本雷達(dá)的射頻信號(hào)f0(t)相比其他同型雷達(dá)的射頻信號(hào)fi(t-tdi)，在時(shí)間上提前Δt；圖9(b)為在不同工作量程下，改變本雷達(dá)的發(fā)射沖觸發(fā)時(shí)間后，本雷達(dá)的射頻信號(hào)f0(t)與其他同型雷達(dá)的射頻信號(hào)fi(t-tdi)的時(shí)域圖及兩者差頻信號(hào)的頻域圖；圖9(e)為圖9(b)對(duì)應(yīng)的距離圖，本雷達(dá)的射頻信號(hào)f0(t)相比其他同型雷達(dá)的射頻信號(hào)fi(t-tdi)，在時(shí)間上提前Δt1;圖9(c)為在不同工作量程下，改變本雷達(dá)的發(fā)射觸發(fā)時(shí)間后，本雷達(dá)的射頻信號(hào)f0(t)與其他同型雷達(dá)的射頻信號(hào)fi(t-tdi)的時(shí)域圖及兩者差頻信號(hào)的頻域圖；圖9(f)為圖9(c)對(duì)應(yīng)的距離圖，其中本雷達(dá)的射頻信號(hào)f0(t)相比其他同型雷達(dá)的射頻信號(hào)fi(t-tdi)，在時(shí)間上提前Δt2。Δt2>Δt1>Δt。

從圖8、圖9的仿真結(jié)果可以看出，變化發(fā)射觸發(fā)的時(shí)間，可以最終達(dá)到抑制干擾的效果。

3結(jié)束語(yǔ)

近些年因?yàn)閲?guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)LFMCW雷達(dá)的深入研究，LFMCW雷達(dá)有了長(zhǎng)足的發(fā)展，LFMCW雷達(dá)的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。通過(guò)上述理論分析，該方法可以有效抑制同頻干擾。在后續(xù)開(kāi)展的雷達(dá)設(shè)計(jì)中，將進(jìn)一步驗(yàn)證該方法的實(shí)際可行性及抗同頻干擾的有效性。

參考文獻(xiàn)

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[5]王月鵬.對(duì)稱(chēng)三角線性調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)技術(shù)研究[D].西安：西安電子科技大學(xué)，2005.

Anti-jamming Design of LFMCW Radar

ZHAO Yan-qiu1,2,LI Wei1,2

(1.The 723 Institute of CSIC,Yangzhou 225001,China；2.CSIC Haibowei (Jiangsu) Technology Development Co.Ltd，Yangzhou 225001,China)

Abstract:Linear frequency modulation continuous wave (LFMCW) radar has especial advantages comparing with pulse radar,and has been applied more and more widely.Taking the sawtooth wave as example,this paper analyzes the anti-jamming measures of LFMCW radar,which is of guidance meaning for the design of anti-synchronous jamming of LFMCW radar.

Key words:linear frequency modulation continuous wave;sawtooth wave frequency modulation;triangle wave frequency modulation,anti-jamming

DOI:10.16426/j.cnki.jcdzdk.2016.01.011

中圖分類(lèi)號(hào)：TN958.94

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：CN32-1413(2016)01-0054-04

收稿日期:2015-02-06