超外差式数字化雷达接收机主要指标分析与技术研究

2021-09-22孙珏武超

电子技术与软件工程 2021年13期

孙珏武超

（中国船舶重工集团公司第七二三研究所江苏省扬州市 225001）

超外差式数字化雷达接收机使用范围广，性能稳定可靠，相对于传统的模拟式接收机而言，体积更小，便于安装与技术维护，是现阶段普遍使用的雷达接收机。本文以接收机的工作原理为切入点，重点分析影响雷达工作性能的技术参数，在此基础上讨论设计雷达接收机的技术实现方法[1]。

1 雷达接收机的基本结构

系统结构如图1所示，主要包括：

（1）射频端，通常也称为高频发射信号端；

（2）功率放大器，主要针对混频后的中频信号；

（3）信号检波与视频输出至显示终端。

接收天线收到的射频段信号，通常接入保护装置，并经过前期预白化处理进行降噪后进行混频，此时重点是要与发射端的本级载波信号频率进行匹配，将接收信号降至中频端，便于进一步的信号处理过程。同时进行功率放大和滤波降噪，获得能够直接用于终端显示的基带信号[2]。考虑到接收信号一般还伴有电磁干扰与环境噪声因素，需要自适应信号处理技术与功率控制设备对信号进行处理，使得接收端能够得到信号质量佳的基带信号。

2 雷达接收机的指标参数

对于雷达接收机的工作性能最高标准是信号处理时保持技术参数的线性水平以及能够维持在较大动态幅度内的接收区间，这就要求对接收信号在接收端要具有较强的噪声与杂声抑制效果，且功率放大与匹配滤波的要能够设计得贴合基带信号特征[3]。

2.1 接收灵敏度指标分析

灵敏度主要是定义了雷达接收机能够接收信号电平值的最小范围。灵敏度越高，证明接收机的接收性能越强，能够捕捉弱信号的能力就越强，即雷达的探测距离就更远。通常情况下，一般将接收机灵敏度定义为在输出信号具备一定信噪比S⁄N前提下，输入端信号的最小电平值Smin，即最小信噪比与噪声功率之积：

根据式（1）所示，可以看出，当输入信号的电平值超过最小接收范围，此时接收机能够正常工作并通过功率放大和匹配滤波，得到最终的输出信号，反之则信号不能够被正常接收，将淹没在背景噪声中。值得注意的是，并不是接收灵敏度越高，代表接收机的工作性能越好，这主要是由于灵敏度与工作带宽密切相关，希望接收的信号越多，带宽就要越大，导致接收的无用信号增多，这对于接收机信号滤波与降噪的影响就会增大，且虚警情况会大幅增加，接收端信号检测的概率就会随之降低。因此，在接收机设计过程中需要平衡指标参数的取值范围，以最优化的设计思路取得性能最优化效果。

2.2 工作带宽指标分析

工作带宽主要是针对接收机正常工作时的频率范围而定义的，通常情况下，接收机一直处于复杂电磁环境中，面临的噪声、干扰与杂波、其他信号的影响较大，因此需要接收机能够具有一定的工作带宽，并且能够保持较好的工作性能[4]。带宽主要由射频端、频率放大器以及混频器的性能共同决定，与雷达工作用途息息相关，不同使用目的的雷达接收机带宽选择区别较大。

2.3 动态范围指标分析

动态范围是衡量接收机性能的一个重要指标，主要指的是使接收机能够对接收信号进行检测而又使接收信号不失真的输入信号的大小范围，通常指的是信号电平幅度。如果接收信号过大，会引起放大器的失真和引入噪声，信号过小，信号无法被检测到，即输入信号强度变化最大与最小范围。最小的信号电平幅度以实际接收端能够接收到的信号电平为准，而最大值则一般按照雷达接收机使用情况进行设置[5]。当出现由于接收信号电平值超过接收机设置的最大值门限时，会导致功率放大器无法正常工作，出现过饱和的情况。当刚出现此类情况时，把接收信号功率与检测门限值之比称为接收机的动态范围。当要求接收机动态范围较大时，需要对功率放大器、混频器和滤波电路等设置保护措施和信号的降噪预处理，以确保接收机的正常工作。

2.4 匹配滤波指标分析

图1：超外差式数字化雷达接收机结构框图

图2：接收机功率放大器动态范围的输出曲线

图3：雷达接收机AGC电路设计流程图

匹配滤波指的是基于最大输出信噪比准则（最大输出信噪比准则、最小均方误差准则、最小错误概率准则等）的信号输出模式，即利用滤波后信号功率与噪声功率之比（输出信号为滤波器响应与输入信号的时域卷积），得出基于最大信号瞬时功率与噪声平均功率之比，再反解得出滤波器响应。在接收机工作中，匹配滤波可以用来解调基频带脉冲信号，基频带脉冲信号意指信号内容为同一波形信号乘上一个常数，在每个周期出现，每个周期中代表着或多或少的信息量。

2.5 工作稳定性指标分析

对于接收机而言，工作稳定主要是针对接收机的工作环境、设备条件以及受到外界干扰时，运行状态（输出信号、带宽变化以及设备性能等）是否处于稳定状态，能否通过自适应的信号处理技术减少外部因素带来的影响。现阶段，雷达接收机普遍采取了工作性能稳定的设备，以及自适应算法以尽量降低外界因素的影响，取得了较好的效果。

2.6 抗干扰指标分析

雷达接收机的抗干扰技术是非常重要的，对于性能的影响很大，能够导致接收机无法正常输出信号或输出信号无法使用，破坏整个工作过程。现在针对有源干扰的处理技术较为成熟，并能够有效降低环境噪声、杂波以及无关信号等无源干扰的影响。主要技术手段包括：增大雷达的发射频率；改变雷达的工作频率；扩展雷达的工作频率；提高雷达天线的方向性；动目标显示等[6]。与此同时，当接收机能够具备较宽的工作动态范围与接收灵敏度的动态优化时，接收机能够实现较好地抗干扰效果，保证输出信号质量。

3 雷达接收机的关键技术应用策略

对于数字化雷达接收机而言，不仅要求其能够自动化接收并处理信号，此外还要具备较强的自适应性，能够适应不同的工作环境、工作模式，持续保持稳定可靠的输出，因此需要对其中涉及到信号处理算法的核心技术进行针对性的设计与应用调整，从而保证系统工作的稳定和准确。

3.1 设计接收机的动态范围输出

对于接收机的功率放大器而言，当输入信号的幅度值较小，根据线性响应机制，此时输出信号Uout会随之增大，此时功放能够保持稳定工作的状态[7]。但是，一旦出现输入信号电平峰值过大，导致功放出现过饱和状态，此时无法保持可靠稳定的工作状态，即输出信号Uout不会随之增大，导致输出特性曲线会出现拐点，性能急剧下降，如图2所示，此时接收机无法正常工作。根据图中显示的通道偏转量1dB点或P-1点，可以作为计算动态范围的基准量，此时判断输出曲线开始出现拐点，即接收机不再具备正常工作的能力。

对于接收机能够有效降低过饱和现象，可设计其动态范围D来表示[4]，其公式可以表示如下：

式中，Pmin为接收机能够检测到弱信号功率的最小值；Pmax为接收机在保证不出现过饱和现象时，能够检测到强信号功率的最大值。

3.2 调整接收机的自动增益控制

由于接收机工作模式，无法有效解决工作带宽与灵敏度之间的匹配，只能够在参数选择上进行优化，因此如何高效使用自动增益控制技术(AGC)，是值得深入研究的。AGC的工作原理是通过使放大电路的增益能够自适应地随着输入信号幅度变化而灵活调整的控制方法，是针对功率放大器的增益进行调节的过程[8]。通常情况下，主要是为了使着随输入信号电平变化，降低引起的输出信号电平变化，如图3所示，这是AGC电路设计流程图，由检波器与RC组成，能够有效实现功率增益的调整，利用线性放大和压缩放大的有效组合对输出信号进行调整。当弱信号输入时，线性放大电路工作，保证输出信号的强度；当输入信号达到一定强度时，启动压缩放大电路，使输出幅度降低，即AGC功能可以通过改变输入输出压缩比例自动控制增益的幅度。

因此，对于现代雷达技术而言，如何能够利用信息化手段实现对电磁信号的自动搜寻、解析以及输出等工作，并能够有效实现工作的可靠稳定，需要不断优化调整接收机工作参数，自适应环境条件以及抗干扰能力，即需要ACG电路设计更稳定可靠，接收机能够获得更大的动态范围，从而有效保证接收机的工作性能。