一種FMCW船用導航雷達的靈敏度分析

2016-07-05 08:26:59盧玉杰華東電子工程研究所安徽合肥230088

科技傳播 2016年12期

盧玉杰華東電子工程研究所，安徽合肥　230088

一種FMCW船用導航雷達的靈敏度分析

盧玉杰
華東電子工程研究所，安徽合肥230088

摘要接收機靈敏度是接收機設計中的一項重要指標，本文對采用靈敏度頻率控制（SFC）技術的調頻連續波船用導航雷達接收機展開研究，分析了在不同頻率下影響接收機靈敏度的主要因素。

關鍵詞接收機靈敏度；調頻連續波雷達；靈敏度頻率控制

船用導航雷達的主要用途是探測海面目標，避碰和導航，是船舶航行、進出港不可缺少的工具，在船用電子設備中占有重要地位。一般的導航雷達基本采用脈沖模式，相比于脈沖模式的雷達系統，調頻連續波（FMCW）系統的主要優點在于采用簡單結構就能獲得較高的距離分辨率，攜帶方便，且系統在發射時不需要很高的發射功率。由于FMCW雷達目標距離范圍較寬，距離動態變化大，常采用靈敏度頻率控制技術（SFC）技術來限制中頻信號的輸出動態范圍，不同頻率對應著不同增益，本文對此展開研究，分析不同距離下限制接收機靈敏度的主要因素。

1　接收機的靈敏度計算

對于普通的接收機，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，ADC的靈敏度（噪聲底限），信號處理的帶寬。接收機的靈敏度受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：數字接收機總的靈敏度

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，或噪聲系數很大時，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。

這一系列靈敏度計算公式，只適用于一個“理想”的接收機，此接收機模型基于以下假設：

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NF及增益近似于不變。

2　船用導航雷達靈敏度分析

船用導航雷達不同于一般接收機，上面提到的約束條件，船用導航雷達并不完全滿足。下面以FMCW雷達某個工作模式為例，具體分析。

假設條件：距離50m時大船返回功率為-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。調頻速率：9.6MHz/ms，作用距離50m～27 780m。可以計算出拍頻后的信號頻率為3.2kHz～1 778kHz。

2.1調頻連續波航海雷達信號的帶寬

為了接收處理此量程的全部航船返回的信號，數字處理模塊FIR濾波器的帶寬最窄為1 778kHz。但是，這并不是調頻連續波航海雷達接收機的信號帶寬。理想航船（全部反射面與雷達接受天線的距離都相等）的返回信號進行拍頻后應該是個點頻。但是這種情況是不可能出現的。船體造成距離的差別我們現在假設一個典型值是50m，也就使得拍頻后的信號有一個3.2kHz的帶寬。對于后期頻率識別的數字處理來說，最壞情況莫過于接收信號的總功率平均分布在這個3.2kHz的帶寬上，為了保守計算，我們就假設信號功率是在這個3.2kHz的帶寬上平均分布的。所以我們可以這樣描述調頻連續波航海雷達的接收進行拍頻后信號：

拍頻信號可能出現在3.2kHz～1 778kHz （50m～27 780m）的頻帶上，數字模塊要隨時準備處理這個頻帶上的任意頻率的信號。但是對于每個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，對應接收天線上的射頻波段為（9.4GHz+f0）～（9.4GHz+f0+3.2kHz）。f0可以出現在3.2kHz～1 778kHz頻帶上的任意波段，但是，對于定時刻的一個航船來說，它是固定的。此時只要輸入功率大于這個窄信號對應得系統靈敏度即可，并不要大于整個1.77 MHz內的的靈敏度。所以用來計算靈敏度的信號帶寬應是3.2kHz。并不是調頻寬度（9.6M）或者Fir濾波器寬度（1 778kHz）。

2.2調頻連續波航海雷達信號的增益

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

2.3調頻連續波航海雷達靈敏度的計算

對于一被探測船的回波（9.4GHz+f0）～（9.4GHz +f0+3.2kHz），對應得拍頻為f0～（f0+3.2kHz），根據以上分析，下面給出調頻連續波航海雷達靈敏度的計算公式：

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，在本系統中為頻率為（9.4GHz+f0+3.2kHz）的接收信號對應得增益。

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

B為信號帶寬，經上文分析為3.2kHz。

系統基于AD9220（滿量程5Vpp，SNR 70 dB）的出的計算結果如下：