常规导航雷达实现中频相参的技术方法研究

丁友峰，薛 霞，孙 斌，周 亮

(中国船舶重工集团公司第七二四研究所，南京 210003)

0 引言

导航雷达具有海面探测能力强、性能稳定、可靠性高、体积小巧、价格低廉等优点。以导航雷达为基础研究平台，对其回波信号进行采集和二次处理得到越来越广泛的应用。近年来以导航雷达为基础进行改装研制的测波雷达已逐步成为一种海洋环境观测的新手段。

随着高速AD、高性能FPGA 芯片的发展以及雷达中频相参处理技术的成熟应用，对常规非相参导航雷达进行改造，采集其中频信号并通过先进的数字相参处理，实现中频相参功能，获得多普勒速度信息，可为目标检测和海态测量等应用提供更丰富的数据信息。

本文以某型常规非相参X波段导航雷达为例，介绍了一种通过中频信号采集、相参信号联合相干处理等实现中频相参的技术设计方法。

1 设计方法

X波段导航雷达由天线、收发机(含发射机、接收机和马达等）、信号处理器和终端等组成［1］。中频相参信号处理所需的中频信号由接收机直接提供，故可保留导航雷达天线和收发机，设计中频采集处理电路和终端显控软件，进行发射机控制和中频信号处理。

1.1 导航雷达接口信号分析

该型导航雷达收发机控制接口信号定义见表1、表2。

1.2 系统设计

根据雷达收发机接口信号(见表1），设计中放及信号处理电路，对导航雷达中频回波进行采样、信号处理，生成回波I、Q 数据，通过千兆以太网传输给计算机(工控机或笔记本）。计算机进行发射控制、信号处理和回波显示。导航雷达中频相参处理设计框图见图1。

表1 导航雷达收发机控制信号定义

表2 导航雷达收发机输出信号定义

图1 X波段导航雷达中频相参处理设计框图

1.3 硬件设计

根据表1，雷达收发机接口信号特性对实现数字中频相参处理功能的中频接收和信号处理电路进行适应性设计，电路设计框图如图2所示。

图2 中频接收和信号处理电路设计框图

将雷达低噪声接收模块提供的60 MHz中频信号经LC 带通滤波器B60-30P1B 进行滤波后采用增益可控芯片AD8369(增益由FPGA 编程控制）进行放大;使用14 位A/D 转换器AD6645 进行中频模数转换，采样频率80 MHz;FPGA 模块采用Virtex-4 以上系列，集成了RAM、加载芯片、千兆网络口等。

值得注意的是，为保证雷达发射频率的稳定度，发射机的调谐控制信号须具有较高的精度和稳定度。

1.4 软件设计

数字化中频信号经数字正交、相位校正、FIR 滤波抽取、抗同频干扰、PPP处理、数字测频和DDS 补偿等一系列处理后，可实现中频相参功能［2］。软件主要分为两部分:VHDL中频处理软件和VC终端显控处理软件。

1.4.1 VHDL中频处理软件设计

FPGA 是实现中频相参处理的核心硬件处理器，采用VHDL 硬件描述语言对其进行设计开发，实现数字正交相干检波和相位校正，完成零中频IQ两路数据的生成，并通过千兆网接口实现数据外发。

(1）数字正交相干检波

A/D 采样后的信号和数字本振信号相乘后，完成频谱搬移到零中频的过程，最后再经过一个低通滤波器，即可得到零中频的I、Q信号，从而完成了数字正交相干检波过程。

图3 DDS 原理框图

图4 相位校正原理框图

图5 终端显控处理软件的结构示意图

数字本振信号采用DDS方式实现，DDS的原理框图如图3所示，采用了相位幅度相关合成信号方法。

(2）数字相位校正

因雷达采用的是磁控管自主振荡式发射机，其每一个发射脉冲的高频起始相位是随机的，无法采用相参处理技术对雷达回波进行信号处理。为了能够进行相参处理，通过耦合一部分发射回波来对接收回来的回波进行相位校正，从而实现中频相参。

对回波视频输出信号进行与发射相关的相位旋转后，来自磁控管振荡器的随机初相、本振信号源的抖动相位、基准信号源的抖动相位均完全得到消除，数学合成并用于多普勒处理的正交I、Q两路信号仅保留反映目标运动特性的相位信息。令I(发）、Q(发）为发射耦合视频的出信号，I(收）、Q(收）为回波视频输出信号，则相位校正原理框图如图4所示。

(3）千兆网数据传输

借助于FPGA 内嵌的MAC和GMII 接口及千兆网物理层芯片PHY，对VHDL 代码进行封装，在EN信号的控制下将上述信号处理生成的IQ 数据依次送入FIFO 即可完成网络IQ 数据传输。

1.4.2 VC终端显控处理软件

X波段海态雷达的终端设备可使用工控计算机或笔记本电脑，使用VC 软件实现回波强度解析、数字测频、PPP测速、抗同频、回波显示等一系列处理。终端显控处理软件的结构示意图见图5。

(1）数字测频

由于发射机采用磁控管，而随着时间、温度、供电等环境条件的变化，发射机磁控管发射频率可能会漂移，范围可达几兆赫兹。磁控管的频率漂移对后续的与回波相位信息有关的信号处理精度有很大影响，因此必须对磁控管的频率漂移进行补偿。

采用数字鉴频方法，测出磁控管的频率漂移，同时对数字正交框中的数字本振信号频率f0进行控制以补偿磁控管的漂移频率。

数字测频是在雷达发射期间对60 MHz中频进行的。通过A/D 采集和数字正交算法运算，得到I和Q信号，计算出相位atan(I/Q），则相位的变化正比于频率。对多次发射期间的波形进行采集和计算，并将结果进行平均，则可以实现更高的测频精度。

(2）PPP测速处理

为提高系统的实时性，并提高系统测速精度，采用脉冲对处理器进行多普勒信息的测量。PPP方法与FFT方法的主要区别就是不需要进行频谱分析。PPP方法的优点是运算设备量较小，灵敏度高。

脉冲对处理的基本原理是基于运动目标的平均径向速度可以用相邻两个回波信号的相位差的平均值来求得，即

式中，T为雷达重复周期，N为相关平均次数，Øi和γØi+1分别为相邻两个回波信号的相位，λ为雷达波长。

设Gi和Gi+1为相邻两个周期的回波信号:

经过公式推导，可以获得相邻两个回波信号的相位差:

图6 PPP处理框图

Gi+1*Gi即是间隔为T的相关函数R(T）。因此，可以得到平均径向速度为

PPP测速处理方法见图6。

(3）回波显示

雷达探测到的中频回波通过上述中频相干信号处理后，使用DirectDraw技术设计回波的实时P 显。为了显示直观，回波的速度显示部分可设置速度-颜色映射，完成PPP测速后，不同速度的目标回波信号以不同的颜色进行显示。

2 设备组成

X波段导航雷达中频相参处理设备组成图见图7。

图7 X波段导航雷达中频相参处理组成结构图

3 结束语

本文讨论了一种通过对传统非相参导航雷达进行改造，采集中频回波信号，进行一系列相参信号处理，实现相参功能的软、硬件总体设计方法。该方法除了可提供多普勒速度等更丰富的数据信息外，雷达结构得到简化，设备量大幅降低，具有良好的应用前景。

［1］张润泽.船舶导航雷达［M］.北京:人民交通出版社，1990.2.

［2］丁玉美，高全西.数字信号处理［M］.西安:西安电子科技大学出版社，2001.