專利名稱：一種fmcw船用導航雷達的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種雷達，尤其涉及一種FMCW船用導航雷達，屬于雷達導航技術領域。
背景技術：
線性調頻連續波(FMCW)雷達是具有高距離分辨率、低發射功率、高接收靈敏度、結構簡單等優點，不存在距離盲區，具有比脈沖雷達更好的反隱身、抗背景雜波及抗干擾能力的特點，且特別適用于近距離應用，近年來在軍事和民用方面都得到了較快的發展。主要優點可歸結為以下三方面I. FMCff最大的優點是其調制很容易通過固態發射機實現；2.要從FMCW系統中提取出距離信息，必須對頻率信息進行處理，而現在這一步可以通過基于快速傅立葉變換(以下簡稱為FFT)的處理器來完成；3. FMCff的信號很難用傳統的截獲雷達檢測到。除了上述優點外，FMCff雷達也存在一些缺點，主要表現在三個方面I.作用距離有限導致FMCW雷達作用距離有限的原因主要有兩方面，首先FMCW雷達發射機和接收機是同時工作的，作用距離增大時，發射機泄漏到接收機的功率也增加；其次由于FMCW雷達無盲區，近距離目標回波功率很強，兼顧遠距離小目標回波，接收機需要設計較大動態。由于連續波雷達不能同脈沖雷達一樣在射頻前端設計STC，所以難以達到較大的動態范圍。2.距離-速度耦合問題FMCW雷達采用的是超大時帶積的線性調頻信號，根據雷達信號模糊函數理論，它必然存在距離與速度的耦合問題，這不僅導致系統的實際分辨能力下降，而且會引起運動目標測距誤差。例如申請號為02800268的中國專利申請，公開了一種發明名稱為“FM-CW雷達裝置”的技術方案，其說明書摘要如下“FM-CW雷達裝置，包括切換FM-CW波的調制信號發生裝置；高速傅里葉變換發送信號和接收信號的差拍信號進行檢測處理，計算與目標物體的距離、相對速度的計算裝置；根據計算距離確定檢測范圍控制調制信號的切換的控制裝置；切換為變更了發送波的調制頻率、三角波頻率，發送波的中心頻率之一的值的調制信號。把在計算出的最短距離上加上規定距離的距離，或者從固定物體的距離中減去規定距離的距離作為檢測范圍。”通過對其整體方案分析得知，該專利申請也未解決FMCW雷達所固有的作用距離有限和距離速度耦合問題。
發明內容
針對現有技術存在的不足，本發明所要解決的技術問題是，提供一種FMCW船用導航雷達，有效解決發射泄露的問題，提高接收機靈敏度，使整機正常工作，完成了接收機的大動態設計，避免了海上運動目標的距離-多普勒耦合。為解決上述技術問題，本發明采取的技術方案是，一種FMCW船用導航雷達，包括顯控終端分系統、天饋分系統、激勵器與定時器分系統、接收機分系統和信號處理分系統，其接收機分系統連接天饋分系統、信號處理分系統和顯控終端分系統，信號處理分系統連接顯控終端分系統，顯控終端分系統連接激勵器與定時器分系統，天饋分系統連接激勵器與定時器分系統。優化的,上述FMCW船用導航雷達,其天饋分系統包括天線、匯流環和步進電機,天線通過匯流環與顯控終端分系統傳輸連接，匯流環設置于齒輪中間部分，步進電機連接天線，天饋分系統還包括有一個用于實現艦首信號的單簧開關。優化的，上述FMCW船用導航雷達，其接收機分系統包括限幅器，限幅器連接預選濾波器，預選濾波器連接低噪放大器，低噪放大器連接濾波器一，濾波器一連接第一混頻器，第一混頻器連接濾波器二，濾波器二連接一中放大器，一中放大器連接濾波器三，濾波器三連接第二混頻器，第二混頻器連接二中放大器。優化的，上述FMCW船用導航雷達，其激勵器與定時器分系統包括DDS模塊和頻率 綜合器模塊，DDS模塊包括一個電平轉換芯片，電平轉換芯片連接FPGA控制器，FPGA控制器連接DDS控制器，FPGA控制器和DDS控制器分別連接電源芯片；所述頻率綜合器模塊分別連接第一混頻器、信號處理分系統和第二混頻器優化的，上述FMCW船用導航雷達，其信號處理分系統包括A/D采樣模塊、數字下變頻模塊、FPGA信號處理模塊和DSP信號處理模塊，A/D采樣模塊連接接收機分系統，A/D采樣模塊連接數字下變頻模塊，數字下變頻模塊連接FPGA信號處理模塊，FPGA信號處理模塊連接DSP信號處理模塊；所述DSP信號處理模塊連接顯控終端分系統。優化的，上述FMCW船用導航雷達，其天饋分系統還包括有一個功率放大器和一個天線控制，天線包括發射天線和接收天線，顯控終端分系統通過天線控制與接收天線連接，接收天線連接低噪放大器；所述發射天線分別連接功率放大器和天線控制。優化的，上述FMCW船用導航雷達，其預選濾波器與低噪放大器之間設置有隔離器一；低噪放大器與濾波器一之間設置有隔離器二。優化的，上述FMCW船用導航雷達，其第二混頻器與二中放大器之間設置有SFC濾波器。優化的，上述FMCW船用導航雷達，其SFC濾波器為晶體帶阻濾波器，SFC濾波器的阻帶中心頻率為21. 77MHz, 3dB阻帶帶寬14KHz ；優化的，上述FMCW船用導航雷達，其天線為微帶陣列天線，收發隔離度為70dB。本發明其有以下的有益效果與以往的技術相比，本發明使用自主研發的微帶天線，提高了天線隔離度，基本解決了發射機泄露的問題，為后期的回波接收，信號處理打下了良好的基礎；在二中頻使用了SFC濾波，對近距離目標的回波進行衰減，使接收機的動態范圍達到了 IOOdB ;通過對信號調制形式，調制周期進行設計，在導航雷達的使用范圍內避免了距離-多普勒耦合。本發明米用多功能的微處理器，超大規模集成電路，FPGA+DSP協同信號處理技術,能夠實現掃描間相關處理，弱目標檢測，目標跟蹤，航跡顯示，設置警戒區，GPS顯示等功能，且具有很高的可靠性，特別適用于中小型艦船。
下面結合附圖及其實施例對本發明進一步詳細說明；圖I是本發明的系統邏輯框圖；圖2實本發明的分系統框圖；圖3是本發明的天饋分系統邏輯框圖；圖4是本發明的激勵器與定時器分系統邏輯框圖；圖5是本發明的DDS模塊系統邏輯框圖；圖6是本發明的接收機分系統邏輯框圖；圖7是本發明的信號處理分系統邏輯框圖。
具體實施例方式如圖I所示，本發明為一種FMCW船用導航雷達，包括顯控終端分系統、天饋分系統、激勵器與定時器分系統、接收機分系統和信號處理分系統，其接收機分系統連接天饋分系統、信號處理分系統和顯控終端分系統，信號處理分系統連接顯控終端分系統，顯控終端分系統連接激勵器與定時器分系統，天饋分系統連接激勵器與定時器分系統。天饋分系統包括天線、匯流環和步進電機，天線通過匯流環與顯控終端分系統傳輸連接，匯流環設置于齒輪中間部分，步進電機連接天線，天饋分系統還包括有一個用于實現艦首信號的單簧開關。接收機分系統包括限幅器，限幅器連接預選濾波器，預選濾波器連接低噪放大器，低噪放大器連接濾波器一，濾波器一連接第一混頻器，第一混頻器連接濾波器二，濾波器二連接一中放大器，一中放大器連接濾波器三，濾波器三連接第二混頻器，第二混頻器連接二中放大器。激勵器與定時器分系統包括DDS模塊和頻率綜合器模塊，DDS模塊包括一個電平轉換芯片，電平轉換芯片連接FPGA控制器，FPGA控制器連接DDS控制器，FPGA控制器和DDS控制器分別連接電源芯片；所述頻率綜合器模塊分別連接第一混頻器、信號處理分系統和第二混頻器。信號處理分系統包括A/D采樣模塊、數字下變頻模塊、FPGA信號處理模塊和DSP信號處理模塊，A/D采樣模塊連接接收機分系統，A/D采樣模塊連接數字下變頻模塊，數字下變頻模塊連接FPGA信號處理模塊，FPGA信號處理模塊連接DSP信號處理模塊；所述DSP信號處理模塊連接顯控終端分系統。天饋分系統還包括有一個功率放大器和一個天線控制，天線包括發射天線和接收天線，顯控終端分系統通過天線控制與接收天線連接，接收天線連接低噪放大器；所述發射天線分別連接功率放大器和天線控制。預選濾波器與低噪放大器之間設置有隔離器一。低噪放大器與濾波器一之間設置有隔離器二。第二混頻器與二中放大器之間設置有SFC濾波器。SFC濾波器為晶體帶阻濾波器，SFC濾波器的阻帶中心頻率為21. 77MHz, 3dB阻帶帶寬14KHz ;天線為微帶陣列天線，收發隔離度為70dB。如圖3所示，天饋分系統主要由天線Al、匯流環A2、步進電機A3組成。天線采用自主研發的微帶陣列天線，收發隔離度達到了 70dB ;天線與雷達之間通過匯流環A2傳輸信號。匯流環A2是滑環的一種，安裝在齒輪的中間部分，負責為天線的旋轉關節連通與傳輸電源和信號。天線Al使用步進電機控制天線Al轉動，由顯控終端產生時鐘信號控制步進電機的轉速；船艏信號采用單簧開關A4實現，根據步進電機的控制脈沖與船艏信號配合產生方位信號。如圖4、圖5所示，激勵器與定時器分系統由DDS模塊與頻率綜合器模塊組成。DDS模塊主要由FPGA、DDS芯片、電平轉換芯片、看門狗電路以及電源芯片組成。在該系統中DDS模塊采用鋸齒波調制方式，產生兩種調頻帶寬信號，以及觸發脈沖信號；頻率綜合器、接收DDS模塊產生的基準信號，對信號進行調制，產生I路發射信號，2路本振信號，分別送往發射機和接收機。如圖6所示，接收機分系統將天線接收到的目標回波信號進行混頻、放大、濾波處理，產生適合處理的中頻信號傳輸到信號處理分系統。由于該接收機中頻較低，增益較大，所以采用兩次變頻的方案。接收天線接收到回波信號后，經過一定的饋線，將回波信號輸送到接收信道中。回波信號首先經過限幅器Cl，以防止回波信號過大致使接收信道飽和甚至損毀。然后經由預選濾波器C2濾除帶外的干擾信號。低噪放C4將回波信號進行放大，并引入較小的噪聲。低噪放前后的隔離器(C3、C5)減小低噪放輸入輸出的失配引起的反射。之后經過一級濾波器C6，濾除低噪放等器件非線性引起的諧波，進入了第一混頻器C7。得到第一中頻信號后，對一中頻信號進行濾波選頻ClO和放大C9后，進入第二混頻器CU。第二混頻器輸出就是第二中頻信號。利用晶體帶阻濾波器C12的阻帶特性對第二中頻信號的幅頻特性進行調制，最后對調制后的第二中頻信號進行放大C13。晶體帶阻濾波器的阻帶中心頻率為21. 77MHz, 3dB阻帶帶寬14KHz。使得中心頻率附近的第二中頻信號(近距離目標回波)幅度得到較大的衰減，最大衰減約為40dB。由此可以保證近距離強回波不飽和的情況下，使遠距離目標回波可以實現較高增益，實現接收機的大動態范圍，總的動態范圍達到了 IOOdB以上。如圖7所示，信號處理分系統包括A/D采樣模塊D1，數 字下變頻模塊D2，FPGA信號處理模塊D3和DSP信號處理模塊D4。來自接收機的模擬中頻信號首先經過A/D采樣模塊Dl完成信號的數字化過程，通過數字下變頻模塊D2將中頻信號搬移到比較低的頻帶范圍內，再通過FPGA信號處理模塊D3時，使用快速傅里葉變換將數字化的時域信號分解到頻域，并將處理的結果送往DSP信號模塊D4 ；DSP信號處理板對其進行進一步處理從數據中提取目標信息調制成視頻數據傳送給顯控終端進行顯示。顯控終端分系統，采用基于CPCI (緊湊型外部設備互聯標準)的架構，使用Windows XP操作系統和Microsoft Visual C++2008進行開發。該分系統集成了顯示功能,控制功能和數據處理功能。其中顯示功能主要包括PPI顯示和AR顯示，顯示功能模塊采用DirectX技術進行編寫，將視頻數據直接寫入顯存，保證了雷達視頻的實時顯示；控制功能主要指通過串口與DDS模塊通信，控制同步信號、發射信號的有無，通過PCI接口與DSP通信、系統設置等，接收雷達視頻信號，設置DSP模塊工作狀態；數據處理功能主要指PPI顯數據和AR顯數據的接收和顯示，以及原始視頻數據的錄取等，使用數字圖像處理的方法對PPI顯數據和AR顯數據進行處理，增強信號的對比度，使視頻清晰飽滿。下面結合附圖及實施實例對本發明的工作過程做進一步詳細說明如圖I所示系統上電初始化后等待等待顯控終端15發出工作命令，雷達操控人員通過顯控終端15發送雷達發射命令時，顯控終端15先向天線控制10發送一個“天線環掃”的命令，然后向頻綜及定時器4發送一個“發射”命令，頻綜及定時器4根據顯控終端15的命令產生發射信號、一本振信號、二本振信號，其中，發射信號送往功率放大器3進行功率放大，然后通過發射天線發送到自由空間；一本振信號和二本振信號分別送往第一混頻器和第二混頻器。由發射機發出的調頻連續波信號經自由空間傳播遇到目標發生發射后，部分回波通過接收天線2被接收到，因為回波發生的反射屬于漫反射，回波幅度較弱，所以需經過低噪聲放大器5，對回波進行放大，放大后的回波送往第一混頻器與頻綜及定時器4送來一本振信號進行混頻，使信號載頻降到第一中頻，第一次降頻以后，信號通過一中放大器7進行一次放大，再經過一中濾波器8進行濾波，信號到達第二混頻器9，在這里信號經過混頻，鏡頻抑制到達第二中頻，進入SFC濾波器，在連續波雷達的回波當中，低頻信號是近距離目標的回波，回波反射最強，持續時間最長，如果不加以抑制，會使接收機飽和，而SFC濾波器是一種能使信號按頻率不同而衰減的濾波器，信號頻率由高到低衰減越來越強，呈非線性變化，經過SFC濾波器的調理，近距離回波得到有效的衰減，避免了接收機飽和的發生。SFC濾波器之后，信號經過二中放大器13的放大，二中濾波器12的濾波，最后的中頻模擬信號到達信號處理分系統11。
如圖4所示，模擬中頻信號道道信號處理分系統11后，首先經過AD采樣電路轉化為數字信號，再通過DDC數字下變頻芯片將信號轉化為零中頻I、Q信號，然后通過FPGA芯片對信號做FFT快速傅里葉變換，將時域信號變換到頻域，變換后的信號通過EMIFB接口通過異步傳輸的形式發給DSP，DSP經過求模，對數運算，恒虛警處理，目標檢測處理，視頻量化處理等，將FPGA傳過來的數據處理成視頻數據傳送給上位機顯示。顯控終端分系統接收到視頻數據后，將視頻數據轉換成RGB信號送往顯示器顯示。此外，顯控終端分系統還負責整個雷達的狀態控制，電羅經，GPS, AIS設備的控制等。本發明解決的技術問題如下I、發射泄露問題的解決在FMCW體制雷達中，如果發射信號和噪聲泄露到接收機中將會直接影響接收機靈敏度，甚至破壞整機正常工作。泄露的影響可以從兩個方面看一方面，如果泄露信號太強，將會使接收機飽和，破壞混頻器工作，不能夠有正確的中頻輸出；另一方面，即使泄露信號不太強，沒有引起接收機飽和，但其中的噪聲也會影響接收機的靈敏度。泄露的主要原因是收發天線隔離度太差和收發信道的隔離度太差。FMCW雷達原理樣機采用收發天線分離形式，提高收發天線的隔離度；收發信道電路采用屏蔽盒結構設計提高隔離度。經過測試，收發信道間的隔離度可以達到80dB，收發天線隔離度可以達到70dB，有效解決了原理樣機的發射泄露問題。2、接收機的大動態設計由于FMCW雷達無盲區，近距離目標回波功率很強，兼顧遠距離小目標回波，接收機需要設計較大動態。由于連續波雷達不能同脈沖雷達一樣在射頻前端設計STC，所以只能在信號經過去斜混頻后設計SFC濾波器來增加接收系統的動態范圍。現有的接收機噪聲系數為6. 9dB，接收機靈敏度設計值為131dBm，由于儀器限制測試到IlOdBm后無法繼續，根據噪聲系數超過設計值O. 9dB及不考慮積累增益計算應該在122dBm左右。本發明由于在二中實現了 SFC濾波，接收機動態范圍接近于100dB。3、距離-多普勒耦合的解決調頻連續波雷達實現測距的原理是通過目標回波與發射信號進行去斜混頻，從而在頻域得到目標的距離信息。由于運動目標存在多普勒信息，所以獲取的目標距離信息有誤差，存在距離-多普勒耦合問題。為了解決距離-多普勒耦合問題，我們試驗了三角調制、鋸齒波調制的多種形式。采用三角調制方式，正負向調制信號的目標回波配對是關鍵技術。經過試驗，驗證該方法對單目標檢測是非常有效的，適用于對空雷達。但是由于地面或海上雷達回波的復雜性，很難設計出有效的配對方法。變斜率鋸齒波調制測距原理與三角調制基本相同，不同點在于多普勒對變斜率鋸齒波的回波影響 是同向的，而對三角波的影響是反向的。從頻譜配對的角度來說更容易一些，但是變調頻斜率的鋸齒波需要精確估算目標回波的中心頻率，需要進行更多的計算。根據海上目標的低速度的特點，設定其多普勒頻率在X波段有一個上限。根據公 2V
式人=I當目標速度在80節時，其多普勒頻率約為2. 7KHZ。將信號形式的調頻斜率提高，使距離單元的頻率帶寬加大，那么海上最快的目標也不可能越過距離單元。這樣就避免了海上運動目標的距離-多普勒耦合。與以往的技術相比，本發明使用自主研發的微帶天線，提高了天線隔離度，基本解決了發射機泄露的問題，為后期的回波接收，信號處理打下了良好的基礎；在二中頻使用了SFC濾波，對近距離目標的回波進行衰減，使接收機的動態范圍達到了 IOOdB ;通過對信號調制形式，調制周期進行設計，在導航雷達的使用范圍內避免了距離-多普勒耦合。本發明米用多功能的微處理器，超大規模集成電路，FPGA+DSP協同信號處理技術,能夠實現掃描間相關處理，弱目標檢測，目標跟蹤，航跡顯示，設置警戒區，GPS顯示等功能，且具有很高的可靠性，特別適用于中小型艦船。當然，上述說明并非是對本發明的限制，本發明也并不限于上述舉例，本技術領域的普通技術人員，在本發明的實質范圍內，作出的變化、改型、添加或替換，都應屬于本發明的保護范圍。
權利要求
1.一種FMCW船用導航雷達，包括顯控終端分系統、天饋分系統、激勵器與定時器分系統、接收機分系統和信號處理分系統，其特征在于所述接收機分系統連接天饋分系統、信號處理分系統和顯控終端分系統，信號處理分系統連接顯控終端分系統，顯控終端分系統連接激勵器與定時器分系統，天饋分系統連接激勵器與定時器分系統。
2.根據權利要求I所述的FMCW船用導航雷達，其特征在于所述天饋分系統包括天線、匯流環和步進電機，天線通過匯流環與顯控終端分系統傳輸連接，匯流環設置于齒輪中間部分，步進電機連接天線，天饋分系統還包括有一個用于實現艦首信號的單簧開關。
3.根據權利要求I所述的FMCW船用導航雷達，其特征在于所述接收機分系統包括限幅器，限幅器連接預選濾波器，預選濾波器連接低噪放大器，低噪放大器連接濾波器一，濾波器一連接第一混頻器，第一混頻器連接濾波器二，濾波器二連接一中放大器，一中放大器連接濾波器三，濾波器三連接第二混頻器，第二混頻器連接二中放大器。
4.根據權利要求I所述的FMCW船用導航雷達，其特征在于所述激勵器與定時器分系統包括DDS模塊和頻率綜合器模塊，DDS模塊包括一個電平轉換芯片，電平轉換芯片連接FPGA控制器，FPGA控制器連接DDS控制器，FPGA控制器和DDS控制器分別連接電源芯片；所述頻率綜合器模塊分別連接第一混頻器、信號處理分系統和第二混頻器。
5.根據權利要求I所述的FMCW船用導航雷達，其特征在于所述信號處理分系統包括A/D采樣模塊、數字下變頻模塊、FPGA信號處理模塊和DSP信號處理模塊，A/D采樣模塊連接接收機分系統，A/D采樣模塊連接數字下變頻模塊，數字下變頻模塊連接FPGA信號處理模塊，FPGA信號處理模塊連接DSP信號處理模塊；所述DSP信號處理模塊連接顯控終端分系統。
6.根據權利要求I所述的FMCW船用導航雷達，其特征在于所述天饋分系統還包括有一個功率放大器和一個天線控制，天線包括發射天線和接收天線，顯控終端分系統通過天線控制與接收天線連接，接收天線連接低噪放大器；所述發射天線分別連接功率放大器和天線控制。
7.根據權利要求3所述的FMCW船用導航雷達，其特征在于所述預選濾波器與低噪放大器之間設置有隔離器一；所述低噪放大器與濾波器一之間設置有隔離器二。
8.根據權利要求3所述的FMCW船用導航雷達，其特征在于所述第二混頻器與二中放大器之間設置有SFC濾波器。
9.根據權利要求3所述的FMCW船用導航雷達，其特征在于所述SFC濾波器為晶體帶阻濾波器，SFC濾波器的阻帶中心頻率為21. 77MHz, 3dB阻帶帶寬14KHz。
10.根據權利要求2所述的FMCW船用導航雷達，其特征在于所述天線為微帶陣列天線，收發隔離度為70dB。
全文摘要
本發明公開了一種FMCW船用導航雷達，包括顯控終端分系統、天饋分系統、激勵器與定時器分系統、接收機分系統和信號處理分系統，其接收機分系統連接天饋分系統、信號處理分系統和顯控終端分系統，信號處理分系統連接顯控終端分系統，顯控終端分系統連接激勵器與定時器分系統，天饋分系統連接激勵器與定時器分系統。使用自主研發的微帶天線，提高了天線隔離度，基本解決了發射機泄露的問題，為后期的回波接收，信號處理打下了良好的基礎；在二中頻使用了SFC濾波，對近距離目標的回波進行衰減，使接收機的動態范圍達到了100dB；通過對信號調制形式，在導航雷達的使用范圍內避免了距離-多普勒耦合，具有很高的可靠性，特別適用于中小型艦船。
文檔編號G01S13/34GK102680966SQ201210144829
公開日2012年9月19日 申請日期2012年5月11日 優先權日2012年5月11日
發明者劉艷, 呂永紅, 吳寶杰, 周忠武, 徐海燕, 程俊賢, 紀玉翀 申請人:青島瑞普電氣有限責任公司