单天线连续波雷达发射泄漏噪声全链抑制技术*

雷 云，王礼麒，石秀琨

(中国西南电子技术研究所，成都 610036)

0 引 言

相较于脉冲雷达，调频连续波雷达不存在发射脉冲距离遮挡引起的雷达近距离盲区问题，接收机也可以持续获取目标回波能量积累，因而所需的发射峰值功率较低，抗截获能力强；同时,易于实现宽带的发射信号，能够获得较高的距离分辨率；此外,调频信号在接收机去斜处理后，接收机中频带宽较窄，系统抗杂波和抗干扰能力强。由于连续波雷达的收发电路和信号处理电路相对简单，设备的体积小、重量轻、成本低、可靠性高，目前已在中/近程地面监视雷达、船舶导航雷达、无人机合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar，SAR)、无线电高度表、近炸引信、汽车防撞等领域有较多应用。

虽然连续波雷达有诸多优点，但限制其广泛应用的主要原因是发射泄漏信号对接收机的影响。为解决这个问题，大多数雷达系统采用收/发天线分置的方式，通过空间隔离实现收/发天线间较高的隔离度，消除发射泄漏信号对雷达接收机的影响，保证雷达的探测性能。而对于直升机载毫米波防撞雷达来说，用户既对雷达的体积、重量、功耗有严苛的要求，而且还要求扫描空域宽、数据更新率高、对电力线等弱小目标的探测距离远、近距离盲区小、测量精度高。为达到以上的使用要求，采用单天线连续波的雷达体制无疑是最佳的技术方案，但实现难度很大[1]。国内外学者在毫米波频段主要集中研究泄漏信号的对消技术，开展了理论分析、系统仿真[2]和模块研制[3]，而在雷达系统的应用鲜有报道，而且单一的射频对消技术还不足以使单天线连续波的防撞雷达满足用户的使用要求。

因此，本文提出了发射泄漏噪声全链抑制的技术路径，通过超低相噪发射源产生技术抑制发射信号自身噪声，通过射频对消技术增大收发通道的隔离度，同时利用反射对消技术降低发射泄漏信号的功率，最后在接收机中采取相参混频噪声抑制技术进一步降低发射泄漏噪声电平对接收机热噪声的影响。

1 发射泄漏噪声的系统影响分析

如图1所示，对于单天线连续波雷达，其发射信号可以通过以下途径泄漏到接收机中：由于环形器的隔离度有限，存在途径a的耦合泄漏；由于天线馈源口面的阻抗匹配不好，存在途径b的反射泄漏；由于天线罩不可能完全透波，也会形成途径c的反射泄漏。

图1 发射信号泄漏途径

对于Ka频段的单天线连续波雷达，按图1的传统电路设计，由于此频段的环形器收发隔离度仅有15～20 dB，当发射功率较大时泄漏信号可能直接导致接收机前端放大器饱和，形成接收阻塞；即便发射功率不大，发射泄漏信号的相位噪声也会降低接收机的检测灵敏度，致使雷达对弱小目标的探测距离降低，如图2所示[2]。

图2 发射泄漏噪声对雷达检测的影响

为进一步分析发射泄漏信号噪声对连续波雷达系统检测性能的影响，假设雷达对回波基带差频信号做快速傅里叶变换(Fast Fourier Transform,FFT)处理，采样频率为fs，采样点数为NFFT，则信号采样时间Ts可等效用多普勒窄带滤波器带宽BFFT表示：

Ts=NFFT/fs=1/BFFT。

(1)

则连续波雷达的距离方程可表示为

(2)

式中：Rmax为雷达的最大作用距离，Pt为连续波雷达发射功率，Ts为信号驻留时间，Gt为发射天线增益，Gr为接收天线增益，λ为载波波长，σ为目标雷达截面积，k为波尔兹曼常数，T0为接收机噪声温度，Fn为接收机噪声系数，(S/N)min为最小可检测信噪比，L为系统损耗。

由于反射泄漏噪声进入接收机，则接收机等效输入噪声为接收机热噪声功率Ni与发射泄漏信号相位噪声功率NL的叠加，若发射信号的相位噪声谱密度为Sφ(fm)，收发通道之间的最小隔离度为Dg，则接收机等效输入噪声功率N可表达为

(3)

则发射泄漏信号噪声下的连续波雷达距离方程可表示为[4]

(4)

由式(4)可以看出，当发射泄漏信号的噪声功率与接收机热噪声功率相比不可忽略时，则该泄漏信号将急剧缩减雷达系统对目标的探测距离。因此，对于单天线连续波雷达而言，若要增大对弱小目标的探测距离，就必须采用泄漏噪声全链抑制技术，从泄漏信号功率抑制和泄漏信号噪声抑制两个方面去解决问题。

2 发射泄漏噪声全链抑制技术

2.1 射频对消技术

射频对消技术一般分为有源对消技术和无源对消技术，其中有源对消是通过耦合发射信号，经自适应幅相闭环控制后注入接收机，最终形成与反射信号等幅反向信号，实现反射信号对消，如图3所示。

图3 有源射频对消网络组成框图

该方法电路较为复杂，对器件的幅相一致性、环路的时延控制精度都有较高的要求。马可等[4]在Ka频段有源对消器研制中，在600 MHz带宽内实现了25 dB的对消度。但这种电路也会引入噪声到接收机，使接收信噪比恶化；另外，对消度与环路收敛时间有关，对于高速扫描天线引起的反射信号快速变化，其电路响应速度不太能满足系统使用要求。

无源射频对消网络的功能相当于收发通道间的环形器，它由波导T型头、波导移相器、波导电桥以及波导负载构成，发射信号(或回波信号)通过功分和移相，最后在天线端(接收端)形成等幅同相信号进行合成输出，而发射泄漏信号与发射信号通过波导电桥在接收T型头合成前的相位相差180°，两路信号等幅反相在接收T型头后相互抵消。Shi等[5]研究了Ka频段无源射频对消网络(见图4)，通过测试实验样件，其对消度能够在1 GHz带宽内大于30 dB，调节负载端口的电压驻波系数，对消度能够达到45 dB。

图4 无源射频对消网络框图

无源射频对消网络电路形式简单，无对消延迟，适合高速扫描天线，同时具有体积小、重量轻、可靠性高、一致性好等优点，特别适合直升机载防撞雷达系统的使用。

2.2 反射对消技术

由于无源射频对消网络的功能相当于雷达系统中的收发环形器，因而它不能够抑制天线馈线端口和天线罩的反射信号。为降低雷达天馈部件引入到接收机的反射信号电平，可以采用馈线反射对消技术。反射对消器由波导腔体和设置在波导上不同间距的调谐螺钉组成，形成一种不连续性的并联电容等效电路，如图5所示。通过调谐螺钉使其产生的反射信号相位差为±90°，调节螺钉深入波导的长度来调整两个正交分量的幅度，可以独立对消原来的反射信号。在实际产品测试中，该对消器可以将100 MHz带宽的反射信号功率减小30 dB以上。

图5 传输线反射信号对消器等效原理图

2.3 相参混频噪声对消技术

在调频连续波雷达中，接收机通过混频器去斜电路得到距离差频信号。由于发射泄漏信号与接收机去斜本振信号是同样的波形参数，两信号之间仅存在路径延迟Δt，当Δt很小时，混频器就会形成强相干，混频器就会对载波信号边带上的调频噪声产生较大的抑制作用。相参混频器的噪声对消度C可表示为[6]

C=10lg 4sin2(πfmTd)。

(5)

式中：fm为偏离载波频率，Td为混频器的本振路径与泄漏信号路径的时间差。图6给出了混频器输入信号时延差与噪声对消度的关系图。

图6 混频器相噪对消度与信号时延的关系图

由图6可以看出，如果需要获得很好的发射泄漏信号噪声对消，首先在信号参数设计时，需要将回波基带差频设计到载波频率近端；其次在信道电路设计时，需要调整混频器的射频(Radio Frequency,RF)和本振(Local Oscillator,LO)两个信号的路径时差Td，当Td足够小的时候，泄漏信号的相位噪声能够抑制到很低水平，这样就能够提升目标回波的信噪比。

在电路设计中，需要在下变频器(M2)和去斜混频器(M3)的LO支路中加入τ1和τ2两个延时电路(见图7)，根据反射信号与本振信号的时间差调整这两个电路的延时时间，可以将接收机基带差频信号的调频噪声降至较低水平。

图7 噪声对消电路框图

2.4 超低相噪发射源生成技术

由式(4)可以看出，将发射信号自身的相位噪声降至极低的水平，也就等效降低了发射泄漏信号噪声对接收机热噪声的影响。

文献[7]给出了各种微波源的FM噪声曲线，对比其中的晶振倍频和LC振荡器倍频两种方式产生X频段发射源的相噪，在偏离载波10 kHz以内，晶振倍频优于LC振荡器倍频60 dB以上，在偏离载波10～100 kHz之间，仍优于30 dB以上。因此,为获得Ka频段超低相噪的发射信号，需要采用超低相噪本振源和低相噪中频线性调频(Linear Frequency Modulation,LFM)信号进行上混频(见图8)的方式，其中Ka频段本振信号是通过100 MHz超低相噪恒温晶振(-165 dBc/Hz @10kHz)经过多次倍频产生，其相位噪声电平可达到-105 dBc/Hz @10 kHz，而中频LFM信号采用时钟频率高达3.5 GHz的12 b直接数字频率合成器(Direct Digital Synthesizer,DDS)AD9914产生，其相位噪声电平可达到-125 dBc/Hz@10 kHz。

图8 Ka频段超低相噪发射源电路框图

需要注意的是，DDS的参考时钟尽量不采用锁相环来实现，这是因为锁相环数字鉴相器的基底噪声不够低，由此产生的时钟信号相噪通常要比直接由晶振倍频产生的时钟相噪差15 dB左右。

3 雷达电力线探测性能试验验证

3.1 试验环境

为验证单天线连续波雷达对远距离电力线的探测性能，研制了一套Ka频段的雷达样机，机内采用了发射泄漏噪声全链抑制技术，其波束宽度为2.5°×2.5°，发射功率为200 mW，检测灵敏度优于-95 dBm，天线具有慢扫和快扫功能。试验目标为某山区直径为20 mm的跨山电力线，雷达采用三角架安装，架设在距离电力线1 km左右的水坝上，如图9所示。

图9 雷达外场试验场景

3.2 试验数据分析

雷达在三角架上水平安装，天线波束为多行扫描，其中方位慢扫，俯仰为阶梯跳变。试验时雷达前方空域发射线性调频连续波信号，数据采集设备录取雷达A/D采样的原始回波数据，通过计算机Matlab做FFT处理，得到电力线的距离，以及雷达主瓣波束垂直入射电力线时的回波幅度，如图10所示。

图10 电力线回波特性

经数据分析，测得垂直入射电力线的距离为1 020 m，与实际场景一致，而且电力线回波的信噪比大于20 dB，满足用户对20 mm电力线不小于1 km(虚警概率1×10-5，发现概率90%)的探测要求。

雷达按实际工况工作时(高速扫描)，通过内部目标检测和电力线识别算法，能够稳定输出电力线走向的图像(见图11)。通过数百帧雷达探测输出图像的统计分析，雷达对距离1 km的电力线检测概率大于95%，满足用户使用要求。

图11 电力线检测与识别图像

4 结束语

本文根据用户对直升机防撞雷达的使用需求，选择了技术难度较高的单天线连续波雷达体制，在产品研制中提出并采用了发射泄漏噪声全链抑制技术，极大降低了发射泄漏信号噪声对接收机热噪声的影响。通过雷达系统外场试验，验证了雷达技术体制的可行性和关键技术的有效性，实现了对20 mm电力线探测1 km的用户使用要求，体现出单天线连续波雷达良好的低SWaP(Size，Weight and Power)装机特性。

由于本项目研究的全链抑制技术增加了雷达信道电路的复杂度，后续将在数字信号处理上开展泄漏噪声自适应对消技术的研究。