CN101373217A - 毫米波船用调频多通道防撞雷达 - Google Patents

Abstract

本发明涉及无线电定位技术领域，具体是一种毫米波船用调频多通道防撞雷达。采用全相参收/发基准信号，时分时序异步控制，准光介质透镜天线环形阵列由DSP循环扫描波束全方位警戒水面可能发生碰撞的目标，多个水面航道摄像头和本船速传感器、卫星定位传感器GPS数据MCU控制时分SAW多通道无源调频，经上变频、T/R₃、倍频与功放、环形器、T/R₂至天线阵列发射，回波经天线阵列、波束开关、T/R₁、环形器、高放、下变频、中放、提取SAW多通道信号在DSP与MCU处理控制，探测水面多个障碍目标DSP确定方位、距离和相对速度，CRT显示三维图像，目标越近分辨力越高，抑制虚警识别和跟踪最近距离的目标，小于安全距离声光报警，接近危险距离智能避障或减速，其控制参考所处水面环境实况结合本船速及GPS数据作出抉择，提高航运安全。

Description

毫米波船用调频多通道防撞雷达

技术领域

本发明涉及无线电波发射与接收探测目标方位、距离和速度的技术领域，具体是一种毫米波船用调频多通道防撞雷达。

背景技术

当前，海洋航运和内陆江河湖泊航运、渔业迅速发展，船只大量增多，港口、航道越来越拥挤，常有船只违章超载、超速，尤其两船或多条船交汇时其惯性力冲击掀起大波浪，影响航向不易正确操纵导致船只相互碰撞或撞击桥墩，严重时沉船，甚至桥梁塌陷。在暴风雨天气恶劣时引发事故概率更大，迫切需要配置先进防撞雷达。FM-CW调频连续波防撞雷达局限于检测单一目标。据分析，不同目标雷达反射截面RCS是不同的，目标距离不同回波延时必然不同，其运动速度不同多普勒频移也不同，因此，调制信号仅用单一频率的周期信号作为检测标志，不能对观察区域内所有目标同时无模糊测定距离和速度。对可能发生碰撞的目标大小和距离远近分辨力都是单一的，相邻多个目标回波相互交调、串扰会很难分辨其检测数据，影响判断。防撞预警雷达作用于近距离，要求船体所处的水面具有全方位安全航行防撞功能。脉冲PD雷达发射脉宽遮挡回波接收信号，存在盲距，不宜近距检测防撞，并缺少对多个可能碰撞目标检测和跟踪能力，发射信号单通道边扫描边跟踪在干扰杂波虚警密集环境下，扫描回波尚未获得按真实目标观测数据分类，很难跟踪目标航迹。众多船只应用防撞雷达在同一水域相邻之间抗相互干扰问题需待解决。FM-CW天线发射能量泄漏阻塞接收回波信号，相邻目标难以分辨不能显示多个目标全景图像，对多个目标的相对位置、距离远近及相对速度欠缺预警。总体来说，现有防撞雷达缺用传感器信号构成闭环控制的功能，缺少航道环境天线自适应控制和自动避障、减速智能控制，能见度差或行驶遇到险情没及时帮助司机解危避免事故。

发明内容

本发明的目的提供相对快速的同时全方位检测所处水域可能发生碰撞的目标距离、速度的一种毫米波船用调频多通道防撞雷达。

本发明技术方案设有：波束转换开关、环形器、限幅器、中放、边带倒置电路、多个水面航道摄像头、本船速传感器、卫星定位传感器GPS、数据缓冲器FIFO、数字信号处理器DSP、微控制器MCU、接口I/O、双口存储器RAM、声光报警器、方向舵控制器、减速器、点火/熄灭控制器、键盘，还设收/发天线阵列、频率合成器、收/发转换开关T/R₁、T/R₂、T/R₃、SAW多通道调频器、时分电路、上变频、倍频与功放、高放、下变频、SAW多通道目标信号提取电路、光栅扫描图像显示器CRT，收/发天线阵列在船顶高位设成水平环形阵或环绕桅杆圆环阵，频率合成器输出f_c3接入DSP为时钟信号，DSP编码脉冲分配序列接入波束转换开关、CRT，全方位循环扫描探测水面可能碰撞的目标，f_c1接入时分电路为时钟信号，时分电路可编程预置端经接口I/O接入MCU，多个水面航道摄像头、本船速传感器信号、卫星定位传感器GPS经接口I/O接入MCU控制时分电路生成n路时分脉冲，高电平逻辑“H”接入收/发转换开关T/R₂、T/R₃，低电平逻辑“L”接入T/R₁，频率合成器输出f_L接入上变频为本振信号，f_m接入SAW多通道调频器为基准信号，f_c2接入SAW多通道调频器为窄脉冲定时信号，在SAW多通道调频器生成n组无源调频信号，接入时分电路编码为n路SAW频率递增排列的时分脉冲群，经限幅器、上变频、T/R₃、倍频与功放、T/R₂、环形器馈给收/发天线阵列发射，频率合成器输出f_L′接入下变频为本振信号，f_r接入边带倒置电路为本振信号，f_i接入SAW多通道目标信号提取电路为中频相干检波基准信号，n路回波信号经收/发天线阵列、波束转换开关、环形器、T/R₁、高放、下变频、中放、边带倒置电路，在时分电路时序异步选通门选取n组按发射SAW频率编排的目标信号，经SAW多通道目标信号提取电路、数据缓冲器FIFO接入DSP的数据总线，DSP与MCU数据总线、地址线、控制线经双口存储器RAM汇接并提供仲裁信号，MCU输入/输出接口I/O分别接入光栅扫描图像显示器CRT、声光报警器、方向舵控制器、减速器、点火/熄灭控制器、键盘，DSP软件设计片内分组时分复用数据重排、动目标显示MTI、快速傅里叶变换FFT、距离旁瓣抑制、恒虚警处理CFAR，MCU系统软件编程包括主程序和数据采集、数据处理、对象控制子程序，中放自动增益控制AGC电压经滤波、放大接入高放、中放AGC控制端；

其中，频率合成器由恒温晶振、晶振分频器、倍频放大链、混频器、压控振荡器VCO、鉴相器、环路滤波器、环路分频器组成，VCO由砷化镓高电子迁移率器件GaAsHEMT、介质谐振器反馈振荡、变容管压控调谐，环路分频器由前置固定分频器和可编程分频器组合，恒温晶振输出分两路，一路经倍频放大链与VCO输出混频并通过环路分频器接入鉴相器，另一路经晶振分频器接入鉴相器，相差电压经环路滤波器压控VCO锁相频率合成，频率合成器VCO直接输出f_L为上变频本振信号，经二至四倍频为雷达载频f₀，f_L经定向耦合器为下变频二至四内在倍频本振信号f_L′，可编程分频器控制端由接口I/O接入MCU，其输出f_m为SAW多通道调频器基准信号、f_r为边带倒置本振信号、f_i为I/Q相干检波器基准信号、f_c1为时分时钟信号、f_c2为窄脉冲定时信号、f_c3为DSP时钟信号；

收/发天线阵列，由准光集成介质透镜天线在船顶高位设成水平环形阵列或环绕桅杆圆环阵列，其阵元由介质基片微带集成天线、介质透镜、物镜、安装基座、防护罩构成，介质透镜一端面是半球体为辐射面，另一端面是短圆柱体的横截面，紧密放置介质基片微带集成天线为馈源，物镜焦点对准介质透镜中心轴线，置于安装基座，外置防护罩，DSP编码脉冲序列接入波束转换开关、光栅扫描图像显示器CRT坐标变换器；

波束转换开关在天馈波导由两个PIN二极管芯串、并联为单刀单掷开关SPST，其控制偏压经低通网络接入数字信号处理器DSP按船道编码脉冲分配序列，多个波束转换开关组合控制为单刀多掷开关，收/发转换开关T/R₁、T/R₂设在环形器收、发分支处，T/R₃设在倍频与功放输入端，由两个PIN二极管芯串、并联为单刀单掷开关SPST，时分脉冲高电平逻辑“H”经低通网络接入T/R₂、T/R₃，低电平逻辑“L”经低通网络接入T/R₁；

上变频由两个砷化镓高迁移率器件GaAsHEMT、微带网络组成平衡混频器，频率合成器输出f_L为本振信号经90°相移混合接头分配给两个砷化镓高迁移率器件GaAsHEMT栅极，源极经180°相移混合接头连接n路时分编码脉冲声表器件SAW多通道调频信号，漏极经另一个90°相移混合接头取出和频耦合到倍频与功放，其倍频与功放由倍频级、激励级、功放级组合，采用磷化铟为衬底的砷化镓高迁移率器件InPGaAsHEMT、微带网络、C类偏置构成，倍频级输入串联λ/4阻抗变换微带网络，源极阻容接地，漏极接入抑制基波和奇次谐波的微带线网络，调谐在二或四次谐频为雷达载频f₀，激励级、功放级栅极接输入阻抗匹配网络和C类偏置，源极接地，漏极调谐在f₀，并与发射天线阻抗匹配；

低噪声高放由一个双栅磷化铟为衬底的砷化镓高迁移率器件InPGaAsHEMT、微带网络构成，双栅器件第一栅极微带网络与接收天线阻抗匹配，第二栅极为自动增益控制AGC受控端，接入中放AGC输出信号，源极阻容接地，漏极输出与下变频耦合，下变频是分谐波混频器SHP，由两个肖特基二极管反向并接在低噪声高放输出微带网络与本振信号f_L′微带网络之间，本振信号f_L′由频率合成器输出f_L经定向耦合器接入SHP产生内在二或四倍频，中频信号IF在本振信号f_L′微带网络的一侧经带通网络取出；

SAW多通道调频器由调制频率发生器、n组声表器件SAW、窄脉冲定时器t_p、调制器组成，频率合成器输出f_i接入调制频率发生器产生与n组声表器件SAW中心频率相同的调制频率，频率合成器输出f_c2信号接入n组窄脉冲定时器t_p产生对相应频率的脉冲进行调制包络为sinx/x脉冲信号，激励并行的n组声表器件SAW依次线性规律展宽频谱，经其加权网络输出f₁、f₂、f_n组调制信号；

声表器件SAW多通道信号提取电路由n组SAW声表器件、正交相干检波器I/Q、模数转换器A/D组成，中放输出经边带倒置电路在时分译码器n路时分异步时序选通门选取按发射编排规律f₁′、f₂′、f_n′的n组回波信号，经n组声表器件SAW脉压匹配滤波、加权接入正交相干检波器I/Q，其I/Q检波器分I支路和Q支路两个乘法器，频率合成器输出f_i为中频相干基准信号接入I支路，移相π/2接入Q支路，相干检波解调信号经模数转换器A/D、数据缓冲器FIFO接入数字信号处理器DSP数据总线；

时分电路由现场可编程门阵列FPGA设成可编程计数器、译码器、单稳态触发器、调制信号时分编码开关、时序异步选通门，频率合成器输出f_c1接入可编程计数器Cp端、单稳态触发器输入端为时钟信号，可编程计数器预置端经接口I/O接入微控制器MCU，多个水面航道摄像头、本船速传感器、卫星定位传感器GPS信号由接口I/O接入MCU控制时分电路生成n路时分脉冲，高电平逻辑“H”接入收/发转换开关T/R₂、T/R₃，低电平逻辑“L”接入T/R₁，可编程计数器数据端、单稳态触发器输出端接入调制信号时分编码开关，译码器与调制信号时分编码开关对号相接，f₁、f₂、f_n组声表器件SAW调制信号分别接入译码器时分为频率递增排列接至限幅器、上变频、T/R₃、倍频与功放、T/R₂、环行器、收/发天线阵列发射，回波经收/发天线阵列、波束转换开关、环形器、T/R₁、高放、下变频、中放、边带倒置电路、在时分电路译码器n路时序异步选通门输出f₁′、f₂′、f_n′接入n组与发射对应声表器件SAW多通道脉压器及加权网络、正交I/Q相干检波器、模数转换器A/D至数据缓冲器FIFO、数字信号处理器DSP数据总线；

光栅扫描图像显示器CRT是由天线波束转换信号坐标变换器、图像存储器RAM、地址选择I/O控制器、数模转换器D/A、标尺产生器、字符产生器、图形颜色产生器、显示控制器、辉亮电路、显像管X-Y-Z偏转系统组成，数字信号处理器DSP编码脉冲分配序列接入CRT坐标变换器、天线波束转换开关，多通道目标回波信号经接口I/O传入MCU送至显示控制器，其控制器分别连接坐标变换器、地址选择I/O控制器、图像存储器RAM、D/A转换器、标尺、字符产生器、显像管X-Y-Z偏转系统，其中，坐标变换器、D/A转换器、标尺、字符及图形颜色产生器分别还接入辉亮电路控制显像管调辉电极。

本技术方案在船顶高位处或桅杆设置准光集成介质透镜收/发天线阵列，在DSP编码脉冲分配序列所对应时间CRT坐标变换器导出识别目标所处位置，全方位警戒可能碰撞的目标，发射信号由多个水面航道摄像头、本船速传感器，卫星定位传感器GPS数据在MCU生成n路脉冲，高电平逻辑“H”上升沿收/发转换开关T/R₂、T/R₃接通发射，T/R₁关断接收，下沿进入低电平逻辑“L”，T/R₂、T/R₃关断发射，T/R₁接通接收，时分脉冲控制n组SAW无源线性调频经时分n路编码发射，回波信号在时分电路时序异步选通门选取n组与发射SAW共轭匹配脉压滤波，相对快速的同时检测多个目标或单目标在多通道中检测积累分析数据，增强雷达抗干扰性和可靠性，目标距离由远到近时分编码SAW脉宽线性变窄，距离越近分辨力越高，多谱勒频移越大，三维图像细节分辨越清楚，DSP抑制虚警识别与本船最近距离目标，偏离安全距离声光报警、距离逼近危险时自动避障或减速甚至熄灭发动机，起到能见度差司机不易看清楚的避障功能，极大提高防撞性能，其控制根据多个水面航道摄像头和本船速度传感信号及GPS提供本船当前所处位置作出数据处理抉择，保障船只航行安全；组合配对声表器件SAW调频和脉压匹配滤波共轭特性，线性好、性能稳定；时序异步选通门选取目标下沿检测，从时间上完全隔离发射能量泄漏，提高弱小目标信号的检测能力，增大雷达作用距离，下沿检测消除发射脉宽遮挡回波，避免盲距实现近距多目标防撞检测；全相参频率合成多个基准频率、时钟信号，与恒温晶振成整数倍关系，频稳度与其同级，因此，收/发起始相位、中频相干检波、SAW调频与脉压、时分脉位保持严格同步，抑制水浪及水面漂浮杂物虚假目标相干检测目标多普勒信息；上、下变频组合，低成本获取高载频分辨力检测精度。

附图说明

图1本发明船用防撞雷达技术方案原理图

图2雷达收/发信号时序图

图3频率合成器

图4SAW多通道调频器

图5时分电路

图6时分多通道信号发射电路

图7SAW多通道信号提取电路

图8光栅扫描图像显示器

具体实施方法

参照图1，本发明具体实施方法和实施例设有：波束转换开关2、环形器3、限幅器11、中放6、边带倒置电路7、多个水面航道摄像头20、本船速传感器21、卫星定位传感器GPS22、数据缓冲器FIFO15、数字信号处理器DSP16、微控制器MCU18、接口I/O19、双口存储器RAM17、声光报警器23、方向舵控制器27、减速器25、点火/熄灭控制器26、键盘28，还设收/发天线阵列1、频率合成器14、收/发转换开关T/R₁、T/R₂、T/R₃、SAW多通道调频器13、时分电路12、上变频10、倍频与功放9、高放4、下变频5、SAW多通道目标信号提取电路8、光栅扫描图像显示器CRT24，收/发天线阵列1在船顶高位设成水平环形阵或环绕桅杆圆环阵，频率合成器14输出f_c3接入DSP16为时钟信号，DSP16编码脉冲分配序列接入波束转换开关2、CRT24，全方位循环扫描探测水面可能碰撞的目标，f_c1接入时分电路12为时钟信号，时分电路12可编程预置端经接口I/O19接入MCU18，多个水面航道摄像头20、本船速传感器21、卫星定位传感器GPS22信号由接口I/O19接入由MCU18控制时分电路12生成n路时分脉冲，高电平逻辑“H”接入收/发转换开关T/R₂、T/R₃，低电平逻辑“L”接入T/R₁，频率合成器14输出f_L接入上变频10为本振信号，f_m接入SAW多通道调频器13为基准信号，f_c2接入SAW多通道调频器13为窄脉冲定时信号，在SAW多通道调频器13生成n组无源调频信号，接入时分电路12编码为n路SAW频率递增排列的时分脉冲群，经限幅器11、上变频10、T/R₃、倍频与功放9、T/R₂、环形器3馈给收/发天线阵列1发射，频率合成器14输出f_L′接入下变频5为本振信号，f_r接入边带倒置电路7为本振信号，f_i接入SAW多通道目标信号提取电路8为中频相干检波基准信号，n路回波信号经收/发天线阵列1、波束转换开关2、环形器3、T/R₁、高放4、下变频5、中放6、边带倒置电路7，在时分电路12时序异步选通门选取n组按发射SAW频率编排的目标信号，经SAW多通道目标信号提取电路8、数据缓冲器FIFO15接入DSP16的数据总线，DSP16与MCU18数据总线、地址线、控制线经双口存储器RAM17汇接并提供仲裁信号，MCU18输入/输出经接口I/O19分别接入光栅扫描图像显示器CRT24、声光报警器23、方向舵控制器27、减速器25、点火/熄灭控制器26、键盘28，DSP16软件设计片内分组时分复用数据重排、动目标显示MTI、快速傅里叶变换谱分析FFT、距离旁瓣抑制、恒虚警处理CFAR，MCU18系统软件编程包括主程序和数据采集、数据处理、对象控制子程序，中放6自动增益控制AGC电压经滤波、放大接入高放4、中放6的AGC控制端。

收/发天线阵列采用准光集成介质透镜，在船顶高位设成水平环形阵列或环绕桅杆圆环阵列，由数字信号处理器DSP编码脉冲序列控制波束转换开关水平全方位逐次循环扫描发射、预警碰撞目标，其DSP编码脉冲序列在所对应时间光栅扫描图像显示器CRT坐标变换器导出识别目标所处位置。介质透镜半球体为辐射面，短圆柱体横截面紧密放置介质基片微带集成天线为馈源，模拟集成天线无穷厚介质基片消除表面波，改变圆柱体长度可获得合适的波束宽度的准光高斯束辐射高辨力方向性，设物镜进一步得到合适的方向性。准光集成介质透镜天线损耗小、增益高，收/发互易性强，抗振和防尘、防水汽雾腐蚀。

收/发转换开关T/R₁、T/R₂、T/R₃在传输波导设置至少两个PIN二极管芯组成，T/R₁是并联型阵列式单刀单掷SPST开关，PIN管处于反向偏置时，开关为导通状态，管子正偏时，对应于开关是断开状态，射频信号反射回输入端的环形器吸收掉PIN管的反射功率，T/R₂、T/R₃是串联型阵列式单刀单掷SPST开关，工作状态与并联型恰巧相反，T/R₂、T/R₃分别设在倍频与功放级的输入输出端，双连开关同步控制发射信号的通与断提高收/发信号的隔离度。单管开关隔离度和带宽较小，多管组成开关可满足要求。

上变频是一种单平衡混频器，本振信号、雷达载频分别经90°相移混合接头3dBLange定向耦合器分配给两个砷化镓高电子迁移率器件GaAsHEMT栅极与漏极，中频无源SAW调频信号经180°相移混合接头3dBLange定向耦合馈入两个器件GaAsHEMT源极，上变频载频相位与本振信号同相输出，具有高的隔离度。上变频将SAW调频信号变为雷达载频一半或四分之一频率，倍频与功放二或四为雷达载频f₀，降低频率合成器高端频率输出的要求。倍频与功放选用磷化铟衬底砷化镓高迁移率器件InPGaAsHEMT，频带宽功率增益高，C类偏置转换效率较高，功耗小。

为了克服噪声影响提高雷达接收弱小目标信号灵敏度，选用磷化铟为衬底砷化镓高电子迁移率双栅InPGaAsHEMT器件，由于防撞雷达作用距离近，功率增益取15dB左右。针对目标回波信号强弱起伏很大，高放、中放均设自动增益控制AGC，保持雷达接收有足够大的动态范围，适应检测不同目标和距离的增益。利用双栅器件第二栅控制I_s对g_m变化特性，源极电阻自给偏压，I_s在其电阻压降，使栅极产生负偏压选取合适的I_b工作点和跨导g_m，此端加上AGC电压可得到良好的自动增益控制性能。中放AGC是一种较大动态范围负反馈系统，与高放AGC控制组成避免大型船只强目标回波信号过载，并防止水面环境干扰引起的过载，兼顾小船或水面飘浮物中放增益，保持大小不同的目标反射起伏不一仍有较高的检测概率。

下变频采用分谐波混频器SPH，两个反向并接肖特基二极管设在回波与本振f_L匹配网络之间，“背靠背”正向导通特性，防止混频级输入大信号饱和阻塞，相互保护在过高反向电压时不被烧毁。回波载频与本振频率谐频相隔甚远，隔离大于30dB。由于电路简单，无须耦合电桥和直流电源，尤其本振内在倍频功能，只须取载频一半或四分之一频率即可。

图2雷达收/发信号时序图，(a)是数字信号处理器DSP编码脉冲分配序列控制天线波束循环扫描的波形T_s，(b)是时分电路时钟信号f_c1波形，(c)是单稳态触发器定时脉冲t₁、占空因子t₂的波形，多个水面航道摄像头、本船速传感器、卫星定位传感器GPS信号在MCU控制时分电路生成n路时分脉冲，高电平逻辑“H”上沿时收/发转换开关T/R₂、T/R₃接通发射，T/R₁关断接收，下沿时进入低电平逻辑“L”，T/R₂、T/R₃关断发射，T/R₁接通接收，在时分电路异步选通门选取目标回波信号。(d)、(e)、(f)、(g)浅色波形是n组SAW调制信号对应编码的时分n路发射脉冲，脉宽τ与t₁相等，探测水面航行可能发生碰撞的船只或其它目标，深色波形是时分异步接收目标回波脉冲，其中(d)收/发脉冲重叠吻合，回波延时Δt＝0，目标距离为零时无回波产生，(g)回波延时Δt＝max为雷达检测目标最大的作用距离，(e)、(f)收/发脉冲的延时Δt>0，Δt<max，可看到不同距离目标Δt不同的延时。目标距离产生延时，距离越近脉宽越窄，窄脉冲信号功率变小，但处于近区场辐射强，信噪比下降不大时仍可检测到目标回波。雷达收/发异步工作时间上完全隔离发射信号能量泄漏，极大提高雷达检测弱信号目标的能力，达到FM-CW雷达、PD雷达不具备的优点。

图3频率合成器，恒温晶振14a高稳频锁相频率合成，输出多个基准信号和时钟信号与其成整数倍关系，频稳度与其同级，收/发信号起始相位、SAW调频信号、时分脉位保持严格同步，有效抑制水浪或水面漂浮物的虚假目标杂波背景精确检测警戒可能发生碰撞船只目标相干多普勒信息，防撞检测抗干扰能力较强。图中，基准晶振分频器14f信号与环路分频器14k接入鉴相器14g，相差电压经环路滤波器14h滤除后压控振荡器VCO14i输出信号接入混频器141与基准晶振14a的倍频链输出信号混频，进行频率反馈频率下移，减小环路分频器14k分频比，改善系统相位噪声特性，倍频链14b、14c、14d、14e两级倍频器和放大器组成高次倍频输出，VCO14i直接输出信号为上变频本振fL，通过定向耦合器14j为下变频本振信号f_L′，中频相干基准频率f_i、激励声表面波器件SAW调制频率f_m、边带倒置电路本振信号f_r、各时钟信号f_c1、f_c2、f_c3由微控制器MCU接口I/O19接入环路可编程分频器控制输出。

图4SAW多通道调频器，n组声表器件SAW通过13b1、13b2、13bn电路，由频率合成器输出基准信号f_m接入调制频率发生器13a分频组合为调制频率，产生与其中心频率相同信号分别接于调制器m，引入频率合成器输出时钟信号f_c2为窄脉冲定时器t_p触发调制器m产生包络为sinx/x脉冲信号激励声表面波SAW器件，其色散延时线特性可由低频分量变化至高频分量的变化或由高频分量变化至低频分量的变化在时间t依次展宽，其变化规律的斜率均是线性的，产生f₁、f₂、f_n调频调制信号，接入以时钟信号f_c1时分电路12编码为n路多通道发射信号限幅器11整形为时宽为τ，频宽为B的线性调频脉冲信号，由上变频将其SAW调频信号转移至载频1/2或1/4频率经倍频与功放发射。

图5时分电路、图6时分多通道信号发射电路，计数器在时钟信号f_c1触发下，其预置端经接口I/O19连接微控制器MCU，多个水面航道摄像头、本船速传感器、卫星定位传感器GPS信号MCU控制计数器12a改变二进-十进计数生成n路时分脉冲，高电平逻辑“H”上沿时收/发转换开关T/R₂、T/R₃接通发射，T/R₁关断接收，下沿时进入低电平逻辑“L”，T/R₂、T/R₃关断发射，T/R₁接通接收，单稳态触发器12b由时钟信号f_c1触发对时分脉冲定时t₁为雷达发射脉宽τ，t₂占空因子为雷达检测最大作用距离，计数器驱动译码器12c输出形成n路时序脉冲通道控制f₁、f₂、f_n组SAW调制信号，经编码开关12d排列为频率递增调频信号通过限幅器11整形接入，由频率合成器输出f_L为本振信号的上变频10将其SAW调频信号变为雷达载频，T/R₃、T/R₂控制倍频与功放9输入/输出经环形器3馈送天线发射，回波在中频边带倒置电路7边带置换后，f₁′、f₂′、f_n′在时分电路12时序异步选通门12e选取，从时间上完全隔离发射能量泄漏到接收机，提高弱目标信号的检测能力，增大雷达作用距离，下沿检测消除发射脉宽遮挡，避免盲距实现近距离防撞。n组声表器件SAW调频信号在时分电路12时间上分割达到了多个通道检测信号的调制，脉内线性调频加宽信号瞬时带宽，与接收机n组配对的SAW脉压网络“相位共轭匹配”滤波及加权，相位色散绝对值相同，符号相反，在时间上则为调频斜率相同，方向相反，获取大的信噪比提高距离检测分辨力，发射一路脉冲接收观察一个目标信息或接收多个目标相干积累，目标距离由远到近时分编码脉宽线性变窄，距离越近分辨力越高，多谱勒频移越大，三维图像细节分辨越清楚，一个通道的线性调频信号为标志接收一个目标回波的信息，检测多个目标在时域、频域、空域有序进行，检测信号在频率和时间双重编码抗干扰性能增强。单稳态触发器12b定时脉冲，译码器12c可让所有通道都得到一个足够长接收回波时间的负向脉宽，以设定雷达检测最大作用距离。时分电路12在时钟脉冲触发下，各计数器计数完成一个工作周期，自动循环重复工作。n路通道脉冲控制n组的调制信号发射、接收，在天线多波束的转换开关脉序控制下，积累多个工作周期延长观察时间改善雷达检测性能。

图7SAW多通道信号提取电路，分设为8a、8b、8n，中放信号在边带倒置电路7高本振f_r混频取差频，调频斜率与输入正好相反边带置换，n路时序脉冲由频率合成器输出时钟信号f_c1触发的时分电路12时序异步选通门选取多通道信号f_L′、f₂′、f_n′，在n组与调频相同的表声器件SAW8a1复共轭脉压匹配滤波、旁瓣加权，I/Q相干检波器8a2由频率合成器中频相干基准信号f_i接入I支路相乘，经移相器8a3π/2接入Q支路相乘，相干检波去中频基带信号分解成实部和虚部，信号的幅度和相位两个信息都保存下来，再经模数转换器A/D8a4、数据缓冲器FIFO15接入数字信号处理器DSP16，数据缓冲器FIFO15将多个目标回波数据先进先出送到DSP16数据重排、动目标显示MTI、快速傅里叶变换FFT、距离旁瓣抑制及恒虚警处理CFAR。

DSP16快速傅里叶变换FFT，等效于大量的距离门和多普勒滤波器组，根据复数频率内插法进行频率鉴别，对各通道所接收的船只目标或水面大的漂浮物回波信号差拍的距离和相对速度频率运算。FFT输出信号距离旁瓣抑制后进入恒虚警处理，对杂波强度自动调节检测门限，使虚警概率保持在允许值，以确定是否目标，如果是，则对目标的距离、速度及方位角度等数据送到图像显示器CRT24。DSP16识别与本船最近距离的目标，偏离安全距离声光报警、距离逼近危险时启动自动避障或减速甚至熄灭发动机智能控制，其控制根据多个水面航道摄像和本船速度及GPS本船当前所取位置作出数据处理抉择。

图8光栅扫描图像显示器，在船顶高位设置环形准光集成介质透镜收/发天线阵列，由DSP16编码脉冲分配序列的对应时间，使光栅扫描显示器CRT的坐标变换器导出识别目标所处位置，全方位警戒碰撞目标，天线波束转换信号坐标变换24a是将DSP16控制天线多波束转换编码脉冲分配时序信号变换为二进制的数字量图像X、Y数据，并为图像RAM24b提供图像信息的地址，采用高速乘法器矢量产生的方法实现坐标转换。图像存储器24a是一个大容量的随机读写RAM，其地址与图形上的像素相等，即一址一像素，适应多通道船只目标或水面大的漂浮物复杂信息图形显示，MCU18接口I/O19接入显示控制器24e，它具有显示定时、显示控制信号产生和光栅扫描、编址功能，标尺24f、字符24g及图形颜色产生器24h为图像显示提供刻度定位和文字说明的标志及色彩，辉亮电路24i和图像X-Y-Z偏转系统24j是CRT必备的电路和部件，光栅扫描产生后形成水平X、垂直Y扫描及其辉亮Z信号，加至CRT的偏转控制，通过地址选择控制器I/O24c，扫描数据为图像RAM的读出地址，将图像信息同步读出。

多通道雷达回波信号经DSP16运算处理输入MCU18对象控制，其回波信息数据存储在图像RAM24b之中，在光栅扫描产生电路的同步下读出图像数据，经数模转换器D/A24d和辉亮电路24i加至CRT的调辉电极上，显示多个通道检测的回波目标方位和距离信号图形及其相对变化速度信号的三维全景图像。

本实施例雷达载频为76.5GHz，发射输出峰值功率2.2W，环形天线阵列在DSP编码脉冲分配序列循环扫描，单个介质透镜天线波束水平方位角2.7°，垂直方位角3.4°，天线增益34。2dB，旁瓣-22dB，波束转换开关扫描速率50ms/Hz，确保波束扫掠距离为550m处100m宽的水面范围更新率，雷达噪声系数Fn16dB，毫米波载频大气传输损耗La和系统损耗Ls14dB，最大作用距离为1200m，最小作用距离10m，时分通道数量n设有12个，水面航道摄像头、本船速传感器、卫星定位传感器GPS由微控制器MCU控制灵活调整时分通道，视水域环境控制通道量检测目标，最近目标识别时间<260μs，目标角度分辨力≤2°，目标距离分辨力≤1m，速度分辨力<1.2km/h，本船时速50km/h能平稳制动。

Claims (10)

1.一种毫米波船用调频多通道防撞雷达，设波束转换开关、环形器、限幅器、中放、边带倒置电路、多个水面航道摄像头、本船速传感器、卫星定位传感器GPS、数据缓冲器FIFO、数字信号处理器DSP、微控制器MCU、接口I/O、双口存储器RAM、声光报警器、方向舵控制器、减速器、点火/熄灭控制器、键盘，其特征在于还设收/发天线阵列、频率合成器、收/发转换开关T/R₁、T/R₂、T/R₃、SAW多通道调频器、时分电路、上变频、倍频与功放、高放、下变频、SAW多通道目标信号提取电路、光栅扫描图像显示器CRT，收/发天线阵列在船顶高位设成水平环形阵或环绕桅杆圆环阵，频率合成器输出f_c3接入DSP为时钟信号，DSP编码脉冲分配序列接入波束转换开关、CRT，全方位循环扫描探测水面可能碰撞的目标，f_c1接入时分电路为时钟信号，时分电路可编程预置端由接口I/O接入MCU，多个水面航道摄像头、本船速传感器信号、卫星定位传感器GPS由MCU控制时分电路生成n路时分脉冲，高电平逻辑“H”接入收/发转换开关T/R₂、T/R₃，低电平逻辑“L”接入T/R₁，频率合成器输出f_L接入上变频为本振信号，f_m接入SAW多通道调频器为基准信号，f_c2接入SAW多通道调频器为窄脉冲定时信号，在SAW多通道调频器生成n组无源调频信号，接入时分电路编码为n路SAW频率递增排列的时分脉冲群，经限幅器、上变频、T/R₃、倍频与功放、T/R₂、环形器馈给收/发天线阵列发射，频率合成器输出f_L′接入下变频为本振信号，f_r接入边带倒置电路为本振信号，f_i接入SAW多通道目标信号提取电路为中频相干检波基准信号，n路回波信号经收/发天线阵列、波束转换开关、环形器、T/R₁、高放、下变频、中放、边带倒置电路，在时分电路时序异步选通门选取n组按发射SAW频率编排的目标信号，经SAW多通道目标信号提取电路、数据缓冲器FIFO接入DSP的数据总线，DSP与MCU数据总线、地址线、控制线经双口存储器RAM汇接，并提供仲裁信号，MCU输入/输出接口I/O分别接入光栅扫描图像显示器CRT、声光报警器、方向舵控制器、减速器、点火/熄灭控制器、键盘，DSP软件设计片内分组时分复用数据重排、动目标显示MTI、快速傅里叶变换FFT、距离旁瓣抑制、恒虚警处理CFAR，MCU系统软件编程包括主程序和数据采集、数据处理、对象控制子程序，中放自动增益控制AGC电压经滤波、放大接入高放、中放AGC控制端。

2.根据权利要求1所述的毫米波船用调频多通道防撞雷达，其特征在于：频率合成器由恒温晶振、晶振分频器、倍频放大链、混频器、压控振荡器VCO、鉴相器、环路滤波器、环路分频器组成，VCO由砷化镓高电子迁移率器件GaAsHEMT、介质谐振器反馈振荡、变容管压控调谐，环路分频器由前置固定分频器和可编程分频器组合，恒温晶振输出分两路，一路经倍频放大链与VCO输出混频并通过环路分频器接入鉴相器，另一路经晶振分频器接入鉴相器，相差电压经环路滤波器压控VCO锁相频率合成，频率合成器VCO直接输出f_L为上变频本振信号，经二至四倍频为雷达载频f₀，f_L经定向耦合器为下变频二至四内在倍频本振信号f_L′，可编程分频器控制端经接口I/O接入MCU，其输出f_m为声表器件SAW多通道调频器基准信号、f_r为边带倒置本振信号、f_i为I/Q相干检波器基准信号、f_c1为时分时钟信号、f_c2为窄脉冲定时信号、f_c3为DSP时钟信号。

3.根据权利要求1所述的毫米波船用调频多通道防撞雷达，其特征在于：收/发天线阵列，由准光集成介质透镜天线在船顶高位设成水平环形阵列或环绕桅杆圆环阵列，其阵元由介质基片微带集成天线、介质透镜、物镜、安装基座、防护罩构成，介质透镜一端面是半球体为辐射面，另一端面是短圆柱体的横截面，紧密放置介质基片微带集成天线为馈源，物镜焦点对准介质透镜中心轴线，置于安装基座，外置防护罩，DSP编码脉冲序列接入波束转换开关、光栅扫描图像显示器CRT坐标变换器。

4.根据权利要求1所述的毫米波船用调频多通道防撞雷达，其特征在于：波束转换开关在天馈波导由PIN二极管芯串、并、串联为单刀单掷开关SPST，控制偏压经低通网络接入数字信号处理器DSP按船道编码脉冲分配序列，多个波束转换开关组合控制为单刀多掷开关，收/发转换开关T/R₁、T/R₂设在环形器收、发分支处，T/R₃设在倍频与功放输入端，由PIN二极管芯串、并、串联为单刀单掷开关SPST，时分脉冲高电平逻辑“H”经低通网络接入T/R₂、T/R₃，低电平逻辑“L”经低通网络接入T/R₁。

5.根据权利要求1所述的毫米波船用调频多通道防撞雷达，其特征在于：上变频由两个砷化镓高迁移率器件GaAsHEMT、微带网络组成平衡混频器，频率合成器输出f_L为本振信号经90°相移混合接头分配给两个砷化镓高迁移率器件GaAsHEMT栅极，源极经180°相移混合接头连接n路时分编码脉冲声表器件SAW多通道调频信号，漏极经另一个90°相移混合接头取出和频耦合到倍频与功放，其倍频与功放由倍频级、激励级、功放级组合，采用磷化铟为衬底的砷化镓高迁移率器件InPGaAsHEMT、微带网络、C类偏置构成，倍频级输入串联λ/4阻抗变换微带网络，源极阻容接地，漏极接入抑制基波和奇次谐波的微带线网络，调谐在二或四次谐频为雷达载频f₀，激励级、功放级栅极接输入阻抗匹配网络和C类偏置，源极接地，漏极调谐在f₀，并与发射天线阻抗匹配。

6.根据权利要求1所述的毫米波船用调频多通道防撞雷达，其特征在于：低噪声高放由一个双栅磷化铟为衬底的砷化镓高迁移率器件InPGaAsHEMT、微带网络构成，双栅器件第一栅极微带网络与接收天线阻抗匹配，第二栅极为自动增益控制AGC受控端，接入中放AGC输出信号，源极阻容接地，漏极输出与下变频耦合，下变频是分谐波混频器SHP，由两个肖特基二极管反向并接在低噪声高放输出微带网络与本振信号f_L′微带网络之间，本振信号f_L′由频率合成器输出f_L经定向耦合器接入SHP产生内在二或四倍频，中频信号IF在本振信号f_L′微带网络的一侧经带通网络取出。

7.根据权利要求1所述的毫米波船用调频多通道防撞雷达，其特征在于：声表器件SAW多通道调频器由调制频率发生器、n组声表器件SAW、窄脉冲定时器tp、调制器组成，频率合成器输出f_i接入调制频率发生器产生与n组声表器件SAW中心频率相同的调制频率，频率合成器输出f_c2信号接入n组窄脉冲定时器tp产生相应调制频率的脉冲，进行调制包络为sinx/x脉冲信号，激励n组声表器件SAW依次线性规律展宽频谱、加权输出f₁、f₂、f_n组调制信号。

8.根据权利要求1所述的毫米波船用调频多通道防撞雷达，其特征在于：声表器件SAW多通道信号提取电路由n组声表器件SAW、正交相干检波器I/Q、模数转换器A/D组成，中放输出经边带倒置电路在时分译码器n路时分异步时序选通门选取按发射编排规律f₁′、f₂′、f_n′的n组回波信号，在n组声表器件SAW脉压匹配滤波、加权接入正交相干检波器I/Q，其I/Q检波器分I支路和Q支路两个乘法器，频率合成器输出f_i为中频相干基准信号接入I支路，移相π/2接入Q支路，相干检波解调信号经模数转换器A/D、数据缓冲器FIFO接入数字信号处理器DSP数据总线。

9.根据权利要求1所述的毫米波船用调频多通道防撞雷达，其特征在于：时分电路由现场可编程门阵列FPGA设成可编程计数器、译码器、单稳态触发器、调制信号时分编码开关、时序异步选通门，频率合成器输出f_c1接入可编程计数器Cp端、单稳态触发器输入端为时钟信号，可编程计数器预置端经接口I/O接入微控制器MCU，多个水面航道摄像头、本船速传感器、卫星定位传感器GPS信号经接口I/O接入MCU控制时分电路生成n路时分脉冲，高电平逻辑“H”经低通网络接入收/发转换开关T/R₂、T/R₃，低电平逻辑“L”经低通网络接入T/R₁，可编程计数器数据端、单稳态触发器输出端接入调制信号时分编码开关，译码器与调制信号时分编码开关对号相接，f₁、f₂、f_n组声表器件SAW调制信号分别接入译码器时分为频率递增排列接至限幅器经上变频、T/R₃、倍频与功放、T/R₂、环行器、收/发天线阵列发射，回波经收/发天线阵列、波束转换开关、环形器、T/R₁、高放、下变频、中放、边带倒置电路、在时分电路译码器n路时序异步选通门输出f₁′、f₂′、f_n′接入n组与发射对应声表器件SAW多通道脉压器及加权网络、正交I/Q相干检波器、模数转换器A/D至数据缓冲器FIFO、数字信号处理器DSP数据总线。

10.根据权利要求1所述的毫米波船用调频多通道防撞雷达，其特征在于：光栅扫描图像显示器CRT是由天线波束转换信号坐标变换器、图像存储器RAM、地址选择I/O控制器、数模转换器D/A、标尺产生器、字符产生器、图形颜色产生器、显示控制器、辉亮电路、显像管X-Y-Z偏转系统组成，数字信号处理器DSP编码脉冲分配序列接入CRT坐标变换器、天线波束转换开关，多通道目标回波信号经接口I/O传入微控制器MCU送至显示控制器，其控制器分别连接坐标变换器、地址选择I/O控制器、图像存储器RAM、D/A转换器、标尺、字符产生器、显像管X-Y-Z偏转系统，其中，坐标变换器、D/A转换器、标尺、字符及图形颜色产生器分别还接入辉亮电路控制显像管调辉电极。

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