一種新體制的高頻地波雷達(dá)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

楊 釗，吳雄斌，張 蘭

(武漢大學(xué)電子信息學(xué)院，湖北武漢 430072)

0 引言

高頻地波雷達(dá)可以實(shí)現(xiàn)對視距外海洋狀態(tài)和海上目標(biāo)的大范圍、高精度和全天候的實(shí)時(shí)監(jiān)測[1]，因此，高頻地波雷達(dá)在海洋監(jiān)測和國防等領(lǐng)域具有獨(dú)特的應(yīng)用前景和優(yōu)勢，成為了立體化海洋信息監(jiān)測的重要工具之一。

現(xiàn)有的高頻地波雷達(dá)系統(tǒng)根據(jù)天線布置的不同，常被分為緊湊型和陣列型。緊湊型高頻地波雷達(dá)具有代表性的是CODAR公司開發(fā)的SeaSonde系統(tǒng)[2]，該系統(tǒng)利用便攜式小型化的接收天線，可以靈活地部署在復(fù)雜的地形中。陣列型雷達(dá)系統(tǒng)比較有代表性的有德國的WERA[3]雷達(dá)系統(tǒng)和國內(nèi)武漢大學(xué)的OSMAR系列雷達(dá)[4]等。與緊湊型雷達(dá)相比，陣列型高頻地波雷達(dá)可以獲得更高的方位角分辨率，能夠更好地進(jìn)行復(fù)雜海況監(jiān)測和目標(biāo)檢測等，但是其接收陣列往往較大，尤其是在對探測目標(biāo)方位分辨率要求比較高的應(yīng)用場合，連接天線和接收機(jī)之間的電纜有時(shí)需要數(shù)百米長。這會產(chǎn)生兩個問題：第一，長電纜使雷達(dá)變得非常“沉重”且架設(shè)困難，從而造成雷達(dá)站選址難，雷達(dá)部署所需時(shí)間長、維護(hù)成本很高，非常不利于雷達(dá)的應(yīng)用與推廣。第二，過長的電纜可能會導(dǎo)致回波信號的衰減，降低了接收信號的信噪比，從而縮小雷達(dá)的最大探測距離。因此，改變陣列式雷達(dá)的應(yīng)用難題，研究一種新體制的系統(tǒng)使陣列式雷達(dá)變得輕便、靈活，使其能夠更好地適應(yīng)環(huán)境需求，具有重要的意義和價(jià)值。

雖然地波雷達(dá)在去電纜方面的研究較少，但是在其他領(lǐng)域有過相關(guān)研究，如機(jī)載雷達(dá)中把接收前端從接收系統(tǒng)物理位置中分離出來直接與饋線連接，大大縮短X波段饋線波導(dǎo)長度，從而減小饋線系統(tǒng)損耗[5]；在互聯(lián)汽車領(lǐng)域，也存在很長的射頻同軸電纜可能導(dǎo)致噪聲系數(shù)和信號損耗增大的問題，設(shè)計(jì)者通過使得射頻前端放置得更靠近天線，減少電纜長度，從而減少電纜帶來的插入損耗，提高系統(tǒng)信噪比[6]。對于數(shù)據(jù)傳輸問題，各類無線通信技術(shù)近年在雷達(dá)系統(tǒng)中得到應(yīng)用，基于WiFi的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)在多線激光雷達(dá)系統(tǒng)的應(yīng)用[7]，考慮使用無線網(wǎng)橋來實(shí)現(xiàn)無線傳輸[8]，用來解決去掉長電纜之后帶來的數(shù)據(jù)傳輸?shù)膯栴}。

本文提出了一種新體制的高頻地波雷達(dá)系統(tǒng)，該系統(tǒng)將多通道接收機(jī)分為多個裝配在接收機(jī)天線附近的獨(dú)立的單通道接收單元，該系統(tǒng)可以突破電纜的束縛，系統(tǒng)輕便靈活，方便在復(fù)雜環(huán)境下的應(yīng)用和推廣。

1 新體制雷達(dá)設(shè)計(jì)思路和整體方案

傳統(tǒng)的高頻地波雷達(dá)系統(tǒng)通常由收發(fā)天線、多通道接收機(jī)、發(fā)射機(jī)、上位機(jī)和電纜等部分組成[9]。發(fā)射端，由多通道接收機(jī)產(chǎn)生發(fā)射信號，經(jīng)發(fā)射機(jī)進(jìn)行功率放大后通過電纜傳送到天線輻射出去；接收端，海面/目標(biāo)等的回波信號經(jīng)天線進(jìn)入接收通道，首先經(jīng)過接收電纜進(jìn)入多通道接收機(jī)的射頻前端，經(jīng)放大、濾波和解調(diào)等一系列處理后的基帶信號傳送至上位機(jī)進(jìn)行后續(xù)的反演。

傳統(tǒng)的高頻地波雷達(dá)系統(tǒng)示意圖如圖1(a)所示，多通道接收機(jī)、發(fā)射機(jī)和上位機(jī)往往位于雷達(dá)站的室內(nèi)或者專用的設(shè)備倉內(nèi)，收發(fā)天線架設(shè)在海邊，便于檢測海洋目標(biāo)和海洋狀態(tài)，天線和接收機(jī)、發(fā)射機(jī)之間用電纜連接。而對于高精度相控陣高頻雷達(dá)，例如WERA雷達(dá)系統(tǒng)，天線陣列龐大，所需的電纜數(shù)量較多，長度較長，雖然MIMO技術(shù)的應(yīng)用可以在保持天線口徑的前提下減少天線的數(shù)量[10]，但仍無法避免長電纜的使用。

為了滿足快速部署和靈活移動雷達(dá)的要求，需要對傳統(tǒng)雷達(dá)結(jié)構(gòu)需要進(jìn)行一定程度的改進(jìn)。因此，本文提出一種新體制的高頻地波雷達(dá)系統(tǒng)，如圖1(b)所示。該系統(tǒng)將多通道接收機(jī)分為多個裝配在接收機(jī)天線附近的獨(dú)立的單通道接收單元，將收發(fā)天線、單通道接收單元和發(fā)射機(jī)組成一個獨(dú)立收發(fā)單元，根據(jù)所設(shè)計(jì)的天線陣型來確定收發(fā)單元的數(shù)量和配置方式，雷達(dá)參數(shù)配置和數(shù)據(jù)傳輸均以無線傳輸?shù)姆绞竭M(jìn)行。這樣可以讓接收機(jī)射頻前端盡可能地接近天線，大大縮短發(fā)射和接收電纜的長度。

(a) 傳統(tǒng)體制

與之前的探測結(jié)構(gòu)相比較，新體制高頻地波雷達(dá)需要解決兩個主要問題：第一，同步問題，即每個獨(dú)立收發(fā)單元之間需要統(tǒng)一的時(shí)鐘標(biāo)準(zhǔn)的問題；第二，數(shù)據(jù)傳輸問題去掉電纜之后，單通道接收單元和上位機(jī)相隔較遠(yuǎn)，如何實(shí)現(xiàn)有效的數(shù)據(jù)傳輸。為此，對原接收機(jī)進(jìn)行升級改造，各收發(fā)單元之間使用GPS/北斗時(shí)鐘同步模塊進(jìn)行時(shí)間和時(shí)鐘的同步，數(shù)據(jù)通過無線網(wǎng)橋進(jìn)行無線傳輸。

2 單通道接收單元各模塊設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

在新體制下，原來的多通道接收機(jī)被分離成一個個獨(dú)立的單通道收發(fā)單元，通過它們的組陣、組網(wǎng)完成探測，因此其性能將直接影響系統(tǒng)最終的探測性能。單通道收發(fā)單元整體設(shè)計(jì)框圖如圖2所示。

圖2 單通道收發(fā)單元整體設(shè)計(jì)框圖

每個收發(fā)單元系統(tǒng)由接收模塊、發(fā)射模塊、收發(fā)天線、時(shí)鐘同步模塊和數(shù)據(jù)傳輸模塊等組成，其中接收模塊對回波信號進(jìn)行處理，發(fā)射模塊產(chǎn)生雷達(dá)發(fā)射波形，天線采用收發(fā)共用天線，通過收發(fā)開關(guān)實(shí)現(xiàn)信號分時(shí)發(fā)射和接收，時(shí)鐘同步模塊確保各個收發(fā)單元時(shí)鐘同步，數(shù)據(jù)傳輸模塊完成收發(fā)單元和上位機(jī)之間雷達(dá)參數(shù)配置和采樣數(shù)據(jù)傳輸?shù)取?/p>

2.1 接收模塊設(shè)計(jì)

接收模塊的功能對接收到的雷達(dá)回波信號進(jìn)行濾波、放大和采樣。如圖3所示，接收天線接收到雷達(dá)回波信號，經(jīng)過由脈沖控制的收發(fā)開關(guān)SA630，具有60 dB的隔離度，使用帶通濾波器進(jìn)行濾波，再由低噪聲放大器GALI-52進(jìn)行固定增益放大再經(jīng)帶通濾波器后由AD8331程控放大器調(diào)整信號幅度，送入ADS5562采樣芯片進(jìn)行采樣，采樣芯片最高采樣速率為80 MHz，有效位數(shù)是16 bit，在3 MHz輸入時(shí)無雜散動態(tài)范圍為85 dBc，能夠很好地實(shí)現(xiàn)接收模塊采樣。

圖3 接收模塊具體實(shí)現(xiàn)框圖

采樣后的數(shù)字信號在FPGA中進(jìn)行數(shù)字下變頻(Digital Down Converter, DDC)處理。通過數(shù)字混頻實(shí)現(xiàn)去載去斜，然后通過濾波抽取得到滿足信號處理實(shí)時(shí)性要求的低速數(shù)字信號[11]，濾波器調(diào)用FPGA內(nèi)部的IP core實(shí)現(xiàn)，三級CIC濾波器級聯(lián)實(shí)現(xiàn)3 000倍抽取，經(jīng)過DDC之后得到I、Q兩路正交信號，之后通過兩次FFT得到多普勒譜結(jié)果。

2.2 發(fā)射信號合成模塊設(shè)計(jì)

發(fā)射信號合成模塊的功能是根據(jù)上位機(jī)軟件設(shè)置的雷達(dá)波形參數(shù)，產(chǎn)生雷達(dá)發(fā)射所需的波形。圖4為發(fā)射通道的結(jié)構(gòu)框圖，上位機(jī)通過軟件可以設(shè)置接收機(jī)的工作模式和頻率，設(shè)置的參數(shù)通過無線傳輸?shù)紽PGA，F(xiàn)PGA控制DDS芯片AD9910產(chǎn)生所設(shè)置頻率的波形，之后經(jīng)過兩級濾波和一級放大，經(jīng)過收發(fā)開關(guān)控制，成為發(fā)射信號。

圖4 發(fā)射信號合成模塊框圖

發(fā)射波形為線性調(diào)頻中斷連續(xù)波(Frequency Modulated Interrupted Continuous Wave，F(xiàn)MICW)，可以進(jìn)行上掃頻或下掃頻。DDS芯片選用AD9910，14 bit、1 GSPS的直接數(shù)字頻率合成器產(chǎn)生需要的波形，通過SPI總線可以由FPGA直接對芯片進(jìn)行配置，數(shù)字斜坡調(diào)制模式配置簡單，斜坡采用數(shù)字化生成，輸出分辨率為32 bit，可以對頻率、相位或振幅進(jìn)行編程，同時(shí)可以控制上掃頻或是下掃頻波形的產(chǎn)生，斜坡的上下限值、頻率步長和步進(jìn)速率都可以單獨(dú)控制，這使得雷達(dá)信號的產(chǎn)生更加快捷靈活。

2.3 時(shí)鐘同步模塊設(shè)計(jì)

GPS同步模塊。時(shí)鐘同步模塊接收GPS/北斗衛(wèi)星信號，提供高精度的10 MHz同步時(shí)鐘以及高精度的秒脈沖信號，作為每個收發(fā)單元的外同步源，為每個收發(fā)單元提供穩(wěn)定的時(shí)鐘參考，保證各個收發(fā)單元之間的時(shí)鐘和時(shí)間同步。在該模式下，系統(tǒng)通過GPS時(shí)間信息同步各個接收單元的時(shí)間，利用GPS秒脈沖和恒溫晶振生成同步脈沖信號和同步時(shí)鐘，一方面，基于同步時(shí)鐘和秒脈沖信號產(chǎn)生控制各個接收單元收發(fā)的發(fā)射脈沖TP，接收脈沖TB，確保在收發(fā)共置的工作模式下各個收發(fā)模塊均可以正常工作，確保多臺雷達(dá)之間不會由于發(fā)射接收不同時(shí)而導(dǎo)致設(shè)備損壞；另一方面，通過每秒同步來保證發(fā)射波形相位之間的一致性。

時(shí)鐘同步模塊的時(shí)頻同步精度對系統(tǒng)性能有較大的影響，時(shí)頻不完全同步會造成多普勒譜展寬和收發(fā)單元間的通道不一致。因此，每個收發(fā)單元均選用同一款高精度時(shí)鐘同步模塊，采用GPS/北斗頻率測控技術(shù)，授時(shí)精度<30 ns，10 MHz頻率輸出日平均穩(wěn)定度<1×10-12，實(shí)時(shí)準(zhǔn)確度可達(dá)5×10-10。

圖5是鎖定狀態(tài)下兩個時(shí)鐘同步模塊秒脈沖穩(wěn)定度數(shù)據(jù)觀測結(jié)果，可以看出兩個秒脈沖上升沿時(shí)差是緩慢變化的，最大變化為3 min變化30 ns，變化率約為每秒0.17 ns，相對于高頻雷達(dá)幾百ms的掃頻周期Tr，這個量很小，可以忽略不計(jì)，即對距離譜沒有明顯影響。在多普勒域，對應(yīng)于10 MHz的載波所帶來的相位變化為0.6°，最大附加多普勒頻移為1/(1 200πTr)，Tr為掃頻周期，在雷達(dá)相干積累周期個數(shù)低于1 200π時(shí)，時(shí)間同步誤差所帶來的多普勒頻移小于多普勒分辨率，也可以忽略不計(jì)。但是同步精度和信號不同源等原因所帶來的收發(fā)單元間的通道不一致性會對目標(biāo)的方位估計(jì)產(chǎn)生影響，需要后續(xù)通過船只AIS數(shù)據(jù)或者應(yīng)答器作為輔助源進(jìn)行矯正。

圖5 秒脈沖穩(wěn)定度測試結(jié)果

2.4 數(shù)據(jù)傳輸模塊設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)傳輸模塊實(shí)現(xiàn)FPGA和上位機(jī)之間的無線數(shù)據(jù)傳輸，考慮到陣列口徑和接收機(jī)采樣數(shù)據(jù)率，要求無線傳輸距離至少要在100 m以上，數(shù)據(jù)率不高于20 Mbit/s，因此采用基于無線網(wǎng)橋的百兆無線網(wǎng)傳輸技術(shù)。

具體實(shí)現(xiàn)方式為FPGA芯片通過GMII接口和電路板上的Gigabit PHY芯片88E1111通信，將數(shù)據(jù)打包，再由Gigabit PHY芯片把數(shù)據(jù)通過無線傳輸模塊傳輸給無線網(wǎng)橋，通過無線方式傳輸給上位機(jī)，通信協(xié)議采用 UDP(User Datagram Protocol，UDP)通信協(xié)議。考慮到陣列式雷達(dá)陣列口徑，因此無線傳輸距離至少要在100 m以上，該無線網(wǎng)橋提供20 dBm的發(fā)射功率，可以有效地確保隔離和分集接收，有效傳輸距離超過5 km，可以滿足系統(tǒng)要求，數(shù)據(jù)傳輸模塊框圖如圖6所示。

圖6 數(shù)據(jù)傳輸模塊框圖

通信用的無線網(wǎng)橋天線是雙極化定向天線，工作頻段為5.8 GHz，總帶寬為900 MHz，不同的無線鏈路占用不同的信道，無線網(wǎng)橋會對信道進(jìn)行偵測，動態(tài)分配，因此各單元通信之間不會產(chǎn)生干擾。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.1 收發(fā)單元射頻前端性能測試

射頻前端的技術(shù)指標(biāo)主要包括通道增益、靈敏度、動態(tài)范圍[12]等。

增益測試進(jìn)行三次以確保結(jié)果準(zhǔn)確性，得到輸出信號功率分別是-41.5，-41.4和-41.5 dBm，取三次平均值，得到輸入7 MHz信號時(shí)射頻前端增益為35 dB。

靈敏度測試使用外部信號源，信號源信號的大小為-40 dBm，經(jīng)過70 dB衰減器衰減，輸入射頻前端的信號大小為-110 dBm，此時(shí)為最小輸入信號，使用MATLAB處理采樣后的信號，結(jié)果如圖7(a)所示。可以看出，信號為7 MHz，信號高于底噪10 dBm，因此模擬前端的靈敏度為-110 dBm。

圖7 模擬前端靈敏度動態(tài)范圍測試

經(jīng)過測試，射頻前端的最大不失真信號為 -40 dBm，如圖7(b)所示，因此射頻前端的動態(tài)范圍為70 dB。

3.2 閉環(huán)測試結(jié)果

在閉環(huán)測試中，掃頻信號是由發(fā)射模塊產(chǎn)生并通過衰減器輸入到接收模塊，該信號設(shè)置了時(shí)間延遲以模擬90 km處的目標(biāo)回波，根據(jù)實(shí)際波形來測試系統(tǒng)的最小可檢測信號。測試條件為：發(fā)射使用7 MHz掃頻信號，掃頻帶寬為30 kHz，掃頻周期設(shè)置為125 ms，給出閉環(huán)距離譜的結(jié)果如圖8所示。

圖8 7 MHz掃頻信號閉環(huán)距離譜

由圖8可看出,回波在第18距離元，距離分辨率為5 km，和預(yù)設(shè)目標(biāo)位置一致。此外，在不計(jì)入相干積累增益的前提下，在最低可檢測信噪比設(shè)為10 dB時(shí)，接收機(jī)工作于7 MHz掃頻時(shí)最小可檢測電平為-125 dBm。

閉環(huán)測試結(jié)果表明接收機(jī)的各模塊均工作正常，可以完成距離和多普勒譜信息的測量，進(jìn)行相應(yīng)的現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

3.3 現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為了驗(yàn)證新體制雷達(dá)系統(tǒng)的性能，2019年10月在福建省龍海地波雷達(dá)站進(jìn)行了現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)。雷達(dá)發(fā)射7.5 MHz的調(diào)頻掃頻中斷連續(xù)波，掃頻周期125 ms，掃頻帶寬30 kHz，相位偏置設(shè)置315°，對應(yīng)多普勒譜上位置為-1 Hz，單通道發(fā)射功率為200 W左右。

得到的單根天線回波譜圖如圖9(a)所示，相干積累時(shí)間為5 min，該回波譜中心位置多普勒頻率為-1 Hz，與設(shè)置相符合，位于中心兩邊的是一階海洋回波，雷達(dá)可探測到200 km處的海洋回波，在多普勒頻率為-0.9 Hz，距離為40 km的位置可以看到疑似目標(biāo)信息。

圖9 雷達(dá)回波多普勒譜

此外，用兩個單通道收發(fā)單元進(jìn)行了兩路發(fā)射兩路接收實(shí)驗(yàn)，兩個單通道設(shè)備用GPS進(jìn)行時(shí)頻同步，發(fā)射功率為100 W左右，發(fā)射信號進(jìn)行了相位調(diào)制，兩路收發(fā)單元由GPS同步模塊進(jìn)行時(shí)鐘和時(shí)間的同步，得到的回波譜圖如圖9(b)所示。左邊回波譜中心位置多普勒頻率為-2 Hz，右邊回波譜中心位置多普勒頻率為1 Hz，與設(shè)置相符合，并無明顯的偏移和明顯多普勒譜展寬。結(jié)果表明，通過GPS同步的收發(fā)單元可以接收到兩路發(fā)射的回波信號，多普勒回波譜清晰可區(qū)分，該結(jié)果也論證了由多個收單元進(jìn)行組陣和組網(wǎng)探測的可行性。

4 結(jié)束語

本文針對傳統(tǒng)地波雷達(dá)探測中因雷達(dá)系統(tǒng)與天線陣列之間的長連接電纜限制而導(dǎo)致的一系列問題，提出了一種新體制的雙頻高頻地波雷達(dá)系統(tǒng)。在完成單通道接收單元設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)后，通過閉環(huán)實(shí)驗(yàn)測試了系統(tǒng)的性能，并通過海邊現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)對整個單通道收發(fā)單元進(jìn)行了檢測，得到了穩(wěn)定的海洋回波和目標(biāo)信息。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在新的體制和設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)下，單通道收發(fā)單元各方面的性能指標(biāo)達(dá)到預(yù)期，為進(jìn)行后續(xù)的基于該收發(fā)單元的組陣、組網(wǎng)實(shí)驗(yàn)奠定了基礎(chǔ)。