浅谈频率步进雷达及其系统实现

张炜

摘要：目前越来越多的宽频带雷达投入到空管监视领域，一次雷达经常采用CHIRP技术实现远距离探测并提高距离分辨率。采用合成技术，将一串窄带脉冲合成大带宽信号从而实现高分辨力，该信号以波形易于生成、对接收机带宽要求低、ADC采样率容易满足等优点成为复杂目标探测的主要信号形式。因此频率步进信号在新体制雷达中将会占有重要的位置，具有非常重要的意义。

关键词：频率步进信号

1 频率步进信号理论

采用矩形子脉冲合成频率进步信号是比较典型的做法，当频率进步信号的合成带宽一定时，其距离分辨率也就决定了，而矩形子脉冲模式下，脉冲重复频率决定了雷达的不模糊作用距离，重复频率越高，不模糊距离越大，相应数据率就很低，反之数据率就会很高，因此矩形脉冲的数据率与不模糊作用距离就成了一对矛盾。用CHIRP子脉冲代替矩形脉冲，可以解决数据率与作用距离的关系，子脉冲为CHIRP的频率步进信号称为调频步进信号。

2 调频频率步进信号处理流程

对于调频步进信号处理，首先要进行子脉冲匹配滤波得到压缩后的窄脉冲，其次对窄脉冲作脉间IFFT处理。调频步进高分辨处理成像。

上述关于调频步进信号处理的方法是在目标静止的前提下，实际目标经常是运动的，其处理方法也会有所不同。

3 宽带频率步进雷达系统的设计

3.1 参数设计

本文参考CAMBER雷达的设计方法，采用脉冲压缩比为320的线性调频信号，脉冲宽度20微秒，占空比20%，重复频率10K。权衡系统的各方面性能及同时能满足所需的距离分辨率要求（0.3米），信号的合成带宽定为1024M赫兹，调频点设计为128个，子脉冲带宽16M赫兹。

3.2 系统总体组成及部件设计

3.2.1 频率综合器设计

频率综合器主要实现宽频带雷达信号的产生，包括中频信号生成和射频信号生成两个部分。其中中频信号的产生采用直接数字频率合成原理（DDS），射频段则采用倍频器和混频器实现。

3.2.2 接收机设计

信号经过腔体滤波器引起功率损失1dB，最后一级中频滤波引起功率损失3dB。每个隔离器引起的功率损失为0.5dB，此外在两次变频时，会引起回波功率的大幅降低，下降10dB，功分器引起4 dB功率损失，因此整个接收之路会引起功率下降31dB。接收机输入信号动态范围为-106～-30dB，接收机噪声系数4dB，中频输出信号距中心频率1.5倍信号带宽外谐波抑制可达45dBc。

3.2.3 处理机系统设计

该系统信号处理机应包括如下功能：

①对工作时序进行控制，保证整个雷达系统的正常工作；②对A/D 中频采样的进行数字接收处理，完成数字正交下变频和滤波抽取；③采用相位导出测距和测速算法实现目标径向距离和速度的精确测量；④利用精确测量获得的速度信息，对目标回波进行速度补偿，使用频域拼接法得到高分辨一维距离像；⑤通过基于宽带模糊函数的多帧联合处理算法，完成目标的二维高分辨成像；⑥利用多天线干涉的工作机理完成目标角度的测量。

3.2.4 信号处理机硬件结构

①中频采集单元采用一块ZD_6ADC_400M数据采集板实现，该板采用FPGA+ADC思想，采用标准cPCI+ZD总线架构所构建的采集板卡。板载2片高性能Virtex5系列SX95T芯片，可以同时实现6通道数据同时采集，分辨率达14bits，采样频率为20～400Msps，触发电平为3.3VTTL。②定时单元采用一块ZD_TCR通信定时板，该板基于cPCI 6U标准板型通信定时时钟板。板载1片高性能FPGA 芯片Virtex IV，提供PCI、内部自定义总线、同步总线、LINK、UART、GPIO。③处理单元采用三块T2FP6U_4DSP_ZD信号处理板，该板基于高性能DSP芯片TS201实现，采用标准cPCI+ZD总线架构所构建的信号处理板卡。单板载有4片TS201芯片，处理能力达14.4GFLOPs，每片含有四个Link接口，可实现片间互联、与FPGA和底板互联等；板间定义了定时同步总线，并通过CPLD与DSP中断、FPGA相连。④存储单元采用一块ZD_FLASH存储板，该板采用Virtex5 Pro系列FPGA+C6455系列DSP的架構，集成多片Nand Flash，单板存储容量可达384GB～1.5TB，单板持续存取带宽大于600MHz，对外接口采用RapidIO。⑤通信接口单元采用一块后IO接口板，该板非通用型板卡，主要采用AM26LS31系列芯片，主要功能是接收外部输出的各类信号，将RS422差分信号转换为TTL信号输入；将TTL信号转换为RS422信号输出。⑥信号处理机各单元之间数据传输采用一块SRIO_Switch_ZD板实现，该板基于高性能SRIO交换芯片Tsi568A和TMS32C6455实现数据交换，采用标准cPCI+ZD总线架构，提供RapidIO、以太网以及PCI标准总线接口等。

4 结语

本文分析了基于调频频率步进宽带信号雷达系统设计实现，从调频频率步进信号原理、X波段频率步进雷达系统设计，本文主要完成对调频频率步进信号原理分析及X波段频率步进雷达系统设计。

当前关于X波段频率步进雷达系统已经取得初步效果，还需要进一步深入研究改善系统的性能。对系统存在的幅/相误差，研究更加有效的补偿算法，将系统误差

降低至最小。需要完善软件设计，提高对复杂数据的适应性。