超低空掠海目标的微波探测系统设计

2010-11-05李海军张亚李世中李树凯孙彩云

电子测试 2010年3期

李海军，张亚，李世中，李树凯，孙彩云

（中北大学机电工程学院太原 030051）

0 引言

在现代战争中，随着各种现代化、高性能的防空武器的出现，防空体系日趋完善，给中、高空突防兵器构成了严重威胁，使得中、高空突防成功的概率越来越低，而低空突防技术以其特有的优势成为了现代战争的一种新的战术手段，目标探测则是低空突防技术的重点。

传统的微波探测任务主要由雷达完成，但低空目标检测与跟踪是雷达界的难题，多径效应将导致回波信号剧烈起伏，有时甚至出现对消，对目标检测带来极大的影响，同时海杂波对低空探测雷达的工作性能也具有较为重要影响。采用10．525GHz微波设计的探测系统，微波天线发射时具有良好的定向性容易控制作用范围，而且对抗射频干扰能力较强，同时对温度、湿度、噪声，光线不敏感，因此适合恶劣环境使用。

此探测系统基于微波的脉冲多普勒原理进行研究。所谓多普勒效应，就是当波源和观察者之间有相对运动时，观察者接收到的频率不等于波源发出的频率。利用微波探测系统进行探测，通过对多普勒雷达探测器接收到的目标如反舰导弹、巡航导弹、低空突袭战机等噪声信号的处理，进而反映目标信息。

1 微波探测原理

微波探测（见图1）在探测领域中有其自身的特点，微波是射频频谱中惟一能穿透电离层的电磁波(光波除外)，具有透射特性。由于微波具有较宽的频带特性，其携带信息的能力远远超过中波、短波及超短波，而且微波具有频域信息、相位信息、极化信息、时域信息等多种信息，人们通过对不同物体的散射特性的检测，从中提取目标特征信息。

微波振荡源产生的电磁能传输给发射天线，由发射天线向外定向辐射于大气中。如目标恰好位于定向天线的波束内，则它将要截取一部分电磁能。目标将被截取的电磁能向各方向散射，其中部分散射的能量朝向雷达天线接收方向，雷达天线搜集到这部分散射的电磁能后就经传输和收发开关反馈给接收机。接收机将这一微弱信号进行放大并经信号处理后即可获得所需的多普勒信号。微波探测系统获得的低频信号反应了物体移动的速度，低频信号的频率与物体移动的速度成线性关系。

图1 微波探测原理图

若发射信号频率一定，那么多普勒频率随目标接近速度的变化而变化，即多普勒频率的变化可以反映弹目接近速度的信息，最后通过比较电路获得输入信号的信息从而确定目标。

2 微波探测系统设计与实验

2.1 硬件设计

根据多普勒原理设计的微波探测系统由脉冲产生电路、混频检波电路、滤波电路、比较电路、信号放大及处理电路组成。系统硬件框图如图2所示。

图2 系统硬件框图

微波探测器工作需要提供2000Hz的脉冲供电，占空比为4%。脉冲供电电压最高值必须在4．75V～5．25V 之间，脉冲顶端的平坦度会影响模块电路的探测能力。电源电压超过5．25V时，它的可靠性会降低，并可能导致标称频率外的射频输出和该电路永久性损坏，这里选择555定时器进行设计，图3为设计的脉冲产生电路，频率2000Hz,高电平20μs，低电平480μs，占空比4%，电压5V。

图3 脉冲产生电路

滤波器是一种选频电路，它只允许一定频率范围内的信号通过，而对不需要的频率分量尽量加以抑制或削弱。为提高滤波效果，采用RC电路串联，形成二阶有源低通滤波。其上限截止频率图4为设计的低通滤波电路。

图4 二阶有源低通滤波器及其幅频特性

电压比较电路是运算放大器工作在非线性状态的一种应用，其功能是比较两个电压（一个输入信号和一个参考电压）的大小，并用输出的高、低电平表示比较结果。图5为设计的比较电路，从图中可见，在集成运放的同向端加参考电压，也就是电压设定值，在反相端加输入电压。若参考电压为零，当输入电压略小于零时，由于运放处于开环状态，具有很高的开环电压放大倍数，输出电压将达到正的最大值；而当输入电压略大于零时，输出电压立刻跳变为负的最大值。

图5 比较电路图

2.2 实验及分析

在实验室条件下对低速移动目标的探测，所探测的目标分别有移动的书、人体、金属物体，探测器距离目标6m左右。微波探测器探测输出的低频信号经过检波混频后，先经滤波电路滤除杂波干扰，而后将信号放大，最后将有用信号比较输出。探测模块的水平方向探测角度为72°,垂直方向的探测角度为36°，低频输出频率70Hz/ms，低频信号经过低通放大器选频放大，即可得到反应物体移动信号。

当有目标经过探测系统附近时，其波形如图6，其电压值随目标距离、大小会有不同，波形频率会随目标移动速度增加而增加。此时

图6 探测移动目标输出波形

经电容隔直后，电路会将电压提升，以便更好在后续电路中进行放大。在无目标移动时：Vmax=1．9V，Vmin= 1．86V，Vpp=40mV。其探测移动目标后的波形如图7。

图7 提升电压后探测目标波形图

电压比较器的门限值为1/2 Vcc，输出端输出与物体移动速度有线性关系的脉冲信号。按本电路的参数设置，探测器的作用距离为4～15m连续可调，可调电阻用于调整一级放大器的增益，通过调节其大小，探测距离也相应改变，其探测移动物体且通过低通滤波和放大后的波形如图8。

图8 比较输出低频信号波形

以上我们采用的是交流耦合方式进行波形输出，滤除了直流信号。实际工作中应采用全波输出，在示波器上采用直流耦合才能真实显现探测过程。

图9显示在目标静止和移动时的直流耦合输出。在目标移动时，在探测到目标移动后，比较输出的是反向的脉冲。在实验中发现，微波探测系统反应较为灵敏，对于干扰信号亦会产生脉冲，户外的干扰相对实验室更为复杂。为防止干扰信号对后续模块的触发，可以再后续电路中增加一个单片机电路，将探测两个以内的脉冲视为干扰进行滤除，两个以上脉冲视为信号保留，以防止干扰信号的影响。

图9 直流耦合时目标静止与移动后波形对比

3 战场环境中电路改进

实验室条件下的脉冲电路和低通滤波电路的设计都是为探测人体等低速目标而设计，而在实际战场中低空飞行的目标一个重要特点是飞行速度快，通常为亚音速，因此脉冲电路及滤波电路参数将不再满足实际要求，需要重新设计。

3.1 脉冲电路改进

实验室我们以移动的人体作为探测目标，速度较慢大约1m/s左右。由多普勒效应可知，经过解算的多普勒频率为其中v=1m/s，，代入上式可得多普勒频率为67Hz。其远小于与其进行混频滤波的2000Hz脉冲信号。

实际的应用环境是探测接近音速的低空高速目标，速度达到300m/s，求得多普勒频率为20,000Hz，大于与其混频的2000Hz标准信号，混频滤波后将会滤除含有目标信息的高频信号，因此需要重新设计电源。通过设定R1,R2,C1,C2的参数值使电源发射频率为500,000Hz，占空比10%，其频率远大于目标在接近过程中所产生的多普勒频率，在混频滤波中含有目标信息的低频信号将会被保留供后续处理。

3.2 滤波电路改进

为满足实际要求，将设计一个二阶压控有源低通滤波电路。与简单二阶有源低通滤波器不同之处在于将一阶有源低通滤波器的电容原来接地端改接在运放输出端（如图10所示），以形成一个在附近带有正反馈而又不自激的电路。目的在于提高附近的幅值，使幅频曲线更接近于理想的水平线。根据对低通滤波电路截止频率要求来确定新的二阶压控电压源低通滤波电路参数R1,R2,C1,C2,Rp值。