CN101661107A - 毫米波时分调频船用多目标检测防撞雷达 - Google Patents

Abstract

本发明涉及无线电定位雷达技术领域，是一种毫米波时分调频船用多目标检测防撞雷达。设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，全相参收/发基准信号，时分时序异步控制，水面摄像结合本船速及GPS信号MCU控制时分n路调制频率和波形毫米波线性锁相调频，经R/T₂、环形器、波束开关、天线阵列发射，回波经天线阵列、波束开关、环形器、R/T₁、低噪声高放、分谐波混频、中放、时分电路、多目标信号相关匹配滤波在DSP与MCU处理控制，遇多个目标DSP抑制虚警确定方位角、距离和相对速度，CRT显示三维图像，识别与本最近距离的目标，小于安全距离声光报警，接近危险距离智能避障或减速，其控制参考水面实况、本船速及GPS数据作出抉择，提高船只航行安全。

Description

毫米波时分调频船用多目标检测防撞雷达

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，具体是一种毫米波时分调频船用多目标检测防撞雷达。

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引发事故，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。因此，海洋航运、渔业生产、内陆江河湖泊航运应用雷达防撞势在必行，急需先进防撞雷达提高航行安全。从技术方面分析FM-CW调频连续波防撞雷达局限于检测单一目标，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。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。脉冲PD雷达发射脉宽遮挡回波信号的接收，存在距离盲区不能近距检测防撞，缺少对多个可能碰撞目标检测和跟踪能力，船只密集的水域应用防撞雷达抗相互干扰问题势必解决，但因连续波雷达天线发射能量辐射泄漏阻塞，影响检测回波，尤其弱小目标难能检测到。防撞预警雷达作用距离较近，要求船体所处的水面具有全方位安全航行防撞功能。此外，简单显示器对相邻目标难以分辨，不能显示多个目标全景图像，相对位置、距离远近、移动速度欠缺预警。总体结构现有防撞雷达缺少用传感器信号构成闭环控制的功能，缺少水域环境天线自适应控制和自动避障、减速、刹船的智能控制，能见度差或航行遇险情不能及时帮助司机解危避免事故。

发明内容

本发明的目的是提供相对快速的同时，全方位警戒所处水域可能发生碰撞目标的一种毫米波时分调频船用多目标检测防撞雷达。

本发明技术方案设有：环形器、中放、声表器件SAW匹配滤波器组、数据缓冲存储器FIFO、数字信号处理器DSP、微控制器MCU、双口存储器RAM、接口I/O、水面摄像传感器、本船速传感器、卫星定位传感器GPS、声光报警器、方向舵控制器、发动机减速器、点火/熄灭控制器、键盘，还设有收/发两用准光集成介质透镜天线阵列、波束开关、收/发开关T/R₁、T/R₂、频率合成器、时分电路、低噪声高放、分谐波混频器、毫米波时分线性调频器、调制信号发生器、多目标信号提取电路、光栅扫描图像显示器CRT，其中，收/发两用准光集成介质透镜天线阵列在船顶高位设成水平环形阵或环绕桅杆为圆环阵，频率合成器输出f_c2接入DSP为时钟信号，f_c3接入MCU为时钟信号，DSP编码脉冲分配序列接入波束开关、CRT，全方位循环扫描探测水面可能碰撞的目标，频率合成器输出f_c1接入时分电路为时钟信号、时分电路预置端经接口I/O接入MCU，水面摄像传感器、本船速传感器、卫星定位传感器GPS信号经经接口I/O接入MCU控制时分电路生成n路时分脉冲，高电平逻辑“1”接入收/发开关T/R₂，低电平逻辑“0”接入T/R₁，频率合成器输出f_N接入毫米波时分线性调频器锁定基频，二或四次谐频为发射载频f₀，频率合成器输出f_m接入调制信号发生器为基准频率，调制信号发生器频率、波形变换预置端经接口I/O接入MCU，水面摄像传感器、本船速传感器、卫星定位传感器GPS信号MCU控制调制信号发生器产生n组调制信号频率和波形，在时分电路编码为频率递增排列的n路脉冲接入毫米波时分线性调频器，经T/R₂至环形器、波束开关，天线阵列发射，频率合成器输出f_L接入分谐波混频器为内在二或四次倍频本振信号、f_i接入多目标信号提取电路为中频相干检波基准信号，回波射频经天线阵列、波束开关、环形器、T/R₁、低噪声高放、分谐波混频器、中放，n路脉冲在时分电路时序异步选通门选取发射编码的n组目标信号经声表器件SAW匹配滤波器组、多目标信号提取电路、数据缓冲存储器FIFO接入DSP数据总线，DSP与MCU数据总线、地址线、控制线经双口存储器RAM汇接及提供仲裁信号，接口I/O分别接入CRT、声光报警器、方向舵控制器、发动机减速器、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、距离旁瓣抑制、快速傅里叶变换FFT、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，中放检出自动增益控制AGC电压经滤波、放大接入低噪声高放、中放AGC控制端，频率合成器、时分电路、低噪声高放、分谐波混频器、波束开关、环形器、收/发开关T/R₁、T/R₂、毫米波时分线性调频器雷达收/发电路集成一体、屏蔽；

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、鉴相器、环路滤波器、压控振荡器VCO、环路分频器组成，其中VCO由砷化镓高电子迁移率晶体管GaAsHEMT、介质谐振器反馈振荡，变容管压控调谐，环路分频器由前置分频器和可编程分频器组合，可编程分频器分频控制端经接口I/O接入微控制器MCU，恒温晶振输出分两路，一路经倍频放大链与VCO输出接入混频器后，再经环路分频器接入鉴相器，另一路经晶振分频接入鉴相器，鉴相电压经环路滤波器压控VCO锁相频率合成，VCO输出f_N锁定毫米波时分线性调频器基频，输出谐频为雷达载频f₀，f_N经定向耦合器为分谐波混频器内倍频本振信号f_L，可编程分频输出f_i为中频相干检波基准信号、f_m为调制基准信号、f_c1为时分时钟信号、f_c2为DSP时钟信号、f_c3为MCU时钟信号；

收/发两用准光集成介质透镜天线阵列，由介质基片微带双偶极振子集成天线、介质透镜、阵列基座、防护罩构成，介质透镜是一端面为半球体，另一端面为圆柱体截面，介质基片微带双偶极振子集成天线紧密放置在介质透镜的圆柱截面为馈源，介质透镜半球端面为天线辐射面，在船顶高位设成水平环形阵列或环绕桅杆圆环阵列，DSP编码脉冲序列接入波束开关、光栅扫描图像显示器CRT坐标变换器；

波束开关在天馈波导传输线集成PIN二极管芯片，串、并联为单刀单掷开关SPST，控制偏压经低通网络接入数字信号处理器DSP编码脉冲分配序列，多个SPST波束开关组合成单刀多掷开关，收/发开关T/R₁、T/R₂设在环形器收/发分支处，均由PIN二极管芯片，串、并联为单刀单掷开关SPST，控制偏压经低通网络由时分脉冲高电平逻辑“1”接入T/R₂，低电平逻辑“0”接入T/R₁；

毫米波时分线性调频器由毫米波压控振荡器VCO、环路滤波器LF、鉴相器DP组成，其VCO由耿管Gunn、超突变结变容管及电容芯片、鳍线波导、悬置微带线构成，鳍线设单脊周期栅，耿管Gunn谐振电路、变容管调谐支路匹配安装在单脊鳍线上，偏压、调制信号经接地旁路电容悬置微带线引入，频率合成器输出f_N与VCO基频信号接入DP，鉴相电压经LF接至VCO变容管压控端，并接入n路时分脉冲线性调频，输出波导隔离基频选取二或四次谐频为雷达发射载频f₀，VCO单独屏蔽；

调制信号发生器由并行的n组前置分频器M、锁相环PLL、可编程分频器N、数字波形变换器WV组成，频率合成器输出f_m接入调制信号发生器为基准频率，可编程分频器N分频预置端、数字波形变换器WV计数预置经接口I/O接入微控制器MCU，水面摄像传感器、本船速传感器、卫星定位传感器GPS信号经接口I/O接入MCU控制调制频率递增的n组锁相环PLL产生频率和波形变换，输入接前置分频器M，输出接可编程分频器N数字波形变换器WV，可变为三角波或锯齿波或正弦波f₁、f₂、fn的n组调制信号；

低噪声高放由一个双栅磷化铟为衬底砷化镓高电子迁移率晶体管InPGaAsHEMT、微带线匹配网络构成，第一栅极接入回波射频匹配网络微带线，第二栅极为自动增益控制AGC控制端，接入中放AGC输出电压，源极阻容接地，漏极经匹配网络微带线接分谐波混频器，频率合成器输出f_N经定向耦合器接入分谐波混频器为本振信号f_L，分谐波混频器由两个肖特基二极管反向并接在本振信号f_L微带匹配网络与回波射频信号RF微带匹配网络之间，中频信号IF在本振信号f_L网络一侧经带通滤波网络取出；

多目标信号提取电路由声表器件SAW匹配滤波器组、相干检波器I/Q、模数转换器A/D组成，中放输出在时分电路n路异步时序选通门选取f₁′、f₂′、fn′组回波信号接入声表器件SAW匹配滤波器组、相干检波器I/Q，其检波器由I支路、Q支路两个乘法器构成，频率合成器输出中频相干信号f_i接I支路，移相π/2接Q支路为相干基准本振，输出经A/D、回波数据存储器RAM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PFGA组构计数器、单稳态触发器、译码器、编码开关、时序异步选通门，频率合成器输出f_c1时钟信号接入计数器时钟端Cp与单稳态触发器输入端，计数器可编程控制端经接口I/O接入MCU，水面摄像传感器、本船速传感器、卫星定位传感器GPS信号经接口I/O接入MCU控制生成n路时分脉冲，高电平逻辑“1”接入收/发开关T/R₂，低电平逻辑“0”接入T/R₁，f₁、f₂、fn组调制信号接入编码开关，计数器数据端、单稳态触发器输出端与译码器输入对接，译码器输出与编码开关控制端相接构成n组调制信号按频率递增或递减的n路时分脉冲压控毫米波调频器，调频输出接至T/R₂、环形器、波束开关，准光集成介质透镜天线阵列发射，回波射频经准光集成介质透镜天线阵列、波束开关、环形器、T/R₁、低噪声高放、分谐波混频器、中放，在时分电路时序异步选通门选取按发射编码f₁′、f₂′、fn′的n组信号依次接入声表器件SAW匹配滤波器组，经多目标信号提取电路相干检波器I/Q、模数转换器A/D、数据缓冲存储器FIFO接入DSP数据总线；

光栅扫描图像显示器CRT由坐标变换器、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坐标变换器、波束开关，多目标回波信号在DSP运算数据经双口存储器RAM接入微处理器MCU接口I/O送至显示控制器，该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、数模转换器D/A、标尺、字符产生器、显像管X-Y-Z偏转系统，其中坐标变换器、数模转换器D/A、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。

本技术方案由水面摄像结合本船速、卫星定位传感器GPS信号MCU控制n路时分脉冲、n组调制信号频率与波形的捷变，时分编码n路脉冲锁相调频发射，相对快速的同时全方位检测所处水域可能发生碰撞的多个目标无模糊测距、测速，脉内线性调频加宽信号瞬时带宽，脉压匹配滤波及加权获取大信噪比高分辨力，发射一路接收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，时分脉冲高电平逻辑“1”前沿时T/R₂接通发射，T/R₁关断接收，后沿时进入低电平逻辑“0”T/R₂关断发射，T/R₁接通接收，时分时序异步选通门选取目标信号后沿检测，从时间上完全隔离发射能量泄漏，提高弱小目标信号检测增大雷达作用距离，后沿检测消除发射脉宽遮挡避免盲距实现近距防撞，改善动态范围；DSP抑制虚警识别与本船最近距离的目标，当前方无船由司机设定速度航行，出现船只时雷达检测其信号，跟踪至最近船只，控制本船速保持安全距离，偏离安全距离时声光报警，逼近危险距离MCU指令方向舵控制器自动避障或减速甚至熄灭发动机的智能控制，其控制参考水面摄像和本船速信号、GPS当前所处位置作出数据处理抉择，保障船只航行安全，起到能见度差航行司机不易看清楚的避障功能，极大提高防撞性能；全相参雷达信号多个基准频率、时钟信号取自同一个恒温晶振信号，与其成整数倍关系，确保收/发载频、中频解调、调制信号、A/D转换采样相干性，保证时分脉位准确，提高抗干扰能力；发射频率锁定基频输出谐频为雷达载频，与分谐波混频内在倍频组合，低成本获取毫米波高端载频，宽带脉压测距高分辨力和测速高精度；准光集成介质透镜天线毫米波传输损耗小增益高，抗振防尘、防水雾蚀强，DSP电扫波束检测多目标视野宽广，方位角分辩力高，精确。

附图说明

图1本发明雷达技术方案原理图

图2雷达收/发脉冲时序图

图3频率合成器

图4调制信号发生器

图5毫米波时分线性调频器

图6时分电路

图7多目标信号提取电路

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：环形器3、中放6、声表器件SAW匹配滤波器组7、数据缓冲存储器FIFO13、数字信号处理器DSP14、微控制器MCU15、双口存储器RAM16、接口I/O20、水面摄像传感器17、本船速传感器18、卫星定位传感器GPS19、声光报警器21、方向舵控制器22、发动机减速器23、点火/熄灭控制器24、键盘26，还设有收/发两用准光集成介质透镜天线阵列1、波束开关2、收/发开关T/R₁、T/R₂、频率合成器12、时分电路10、低噪声高放4、分谐波混频器5、毫米波时分线性调频器9、调制信号发生器11、多目标信号提取电路8、光栅扫描图像显示器CRT25，其中，收/发两用准光集成介质透镜天线阵列1在船顶高位设成水平环形阵或环绕桅杆为圆环阵，频率合成器12输出f_c2接入DSP14为时钟信号，f_c3接入MCU15为时钟信号，DSP14编码脉冲分配序列接入波束开关2、CRT26，全方位循环扫描探测水面可能碰撞的目标，频率合成器12输出f_c1接入时分电路10为时钟信号、时分电路10预置端经接口I/O20接入MCU15，水面摄像传感器17、本船速传感器18、卫星定位传感器GPS19信号经经接口I/O20接入MCU15控制时分电路10生成n路时分脉冲，高电平逻辑“1”接入收/发开关T/R₂，低电平逻辑“0”接入T/R₁，频率合成器12输出f_N接入毫米波时分线性调频器9锁定基频，二或四次谐频为发射载频f₀，频率合成器12输出f_m接入调制信号发生器11为基准频率，调制信号发生器11频率、波形变换预置端经接口I/O20接入MCU15，水面摄像传感器17、本船速传感器18、卫星定位传感器GPS19信号MCU15控制调制信号发生器11产生n组调制信号频率和波形，在时分电路10编码为频率递增排列的n路脉冲接入毫米波时分线性调频器9，经T/R₂至环形器3、波束开关2，天线阵列发射1，频率合成器12输出f_L接入分谐波混频器5为内在二或四次倍频本振信号、f_i接入多目标信号提取电路为中频相干检波基准信号，回波射频经天线阵列1、波束开关2、环形器3、T/R₁、低噪声高放4、分谐波混频器5、中放6，n路脉冲在时分电路10时序异步选通门选取发射编码的n组目标信号经声表器件SAW匹配滤波器组7、多目标信号提取电路8、数据缓冲存储器FIFO13接入DSP14数据总线，DSP14与MCU15数据总线、地址线、控制线经双口存储器RAM16汇接及提供仲裁信号，接口I/O20分别接入CRT25、声光报警器21、方向舵控制器22、发动机减速器23、点火/熄灭控制器24、键盘26，DSP14软件设计片内分组时分复用数据重排、动目标显示MTI、距离旁瓣抑制、快速傅里叶变换FFT、恒虚警处理CFAR，MCU15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检出自动增益控制AGC电压经滤波、放大接入低噪声高放4、中放6的AGC控制端，频率合成器12、时分电路10、低噪声高放4、分谐波混频器5、波束开关2、环形器3、收/发开关T/R₁、T/R₂、毫米波时分线性调频器9雷达收/发电路集成一体、屏蔽。

收/发两用准光集成介质透镜天线阵列在船顶高位设成水平环形阵列或环绕桅杆圆环阵列，由DSP编码脉冲序列控制波束开关水平全方位逐次循环扫描发射、预警碰撞目标，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。其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。准光集成介质透镜天线损耗小、增益高，收/发互易性强，由于介质透镜机械性能坚固抗振和防尘、防水雾腐蚀良好。

收/发开关T/R₁、T/R₂其PIN管芯分别设在环形器接收、发射分支处，当时分脉冲高电平逻辑“1”前沿时发射支路串联的PIN管正偏导通，并联的PIN管反偏截止，T/R₂接通发射信号，这时T/R₁串联的PIN管反偏为开路，并联的PIN管正偏处于短路，关断接收信号；当时分脉冲后沿时进入低电平逻辑“0”，接收支路串联的PIN管正偏导通，并联的PIN管反偏截止，T/R₁接通，接收信号顺利通过，同时T/R₂串联的PIN管反偏为开路，并联的PIN管正偏短路，关断发射，射频反射回环形器，吸收PIN管的反射功率。

为了克服噪声的影响，提高雷达弱小目标探测设低噪声高放。由于防撞雷达作用距离较近，增益12dB左右即可，因回波信号强弱起伏很大，防止混频输入大信号饱和阻塞，低噪声高放、中放分步自动增益控制AGC，保持接收有足够大的动态范围，适应检测不同距离目标。双栅器件第二栅控制Is对g_m变化特性，源极电阻自给偏压，Is在其电阻压降使栅极产生负偏压，选取合适的I_b和g_m，加上AGC电压可得到良好的控制特性，选用磷化铟为衬底砷化镓高电子迁移率双栅器件InPGaAsHEMT在毫米波高端频率具有低噪声特性，AGC控制范围较大。

分谐波混频器是在鳍线或微带线电路由两个反向并接肖特基二极管，相互保护在过高反压时不被烧毁，回波载频信号与本振信号相差甚远，隔离大于30dB，电路简单，无须耦合电桥和直流电源，利用本振信号产生非线性谐波倍频，与调相载频同取一半或四分之一频率，仅少量毫米波器件可获得高端载频f₀。

图2雷达收/发脉冲时序图，(a)是天线波束开关在DSP编码脉冲分配序列循环扫描一个脉冲Ts的波形，(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及占空因子t₂波形，时分脉冲高电平逻辑“1”前沿时T/R₂接通发射，T/R₁关断接收，后沿时进入低电逻辑”0”T/R₂关断发射，T/R₁接通接收，异步时序选通门选取目标信号。图中(d)、(e)、(f)、(g)浅色波形为时分n路时序脉冲控制n组调制信号压控锁相调频VCO基频，输出谐频为雷达发射载频，脉宽τ与t₁相等，深色波形为时分异步接收目标回波脉冲，(d)收/发脉冲重叠吻合，回波延时Δt＝0，零距离目标无回波产生，(g)回波延时Δt＝max为雷达最大非模糊作用距离对应时间。(e)目标回波脉冲延时Δt＞0，产生回波，(f)回波延时为Δt＜max信号能量最大。可见，距离近回波脉冲窄，信号功率小，而处于近区场辐射较强，信噪比下降不大时近距检测可行，此时信号较弱接收不易饱和阻塞，改善动态范围提高检测概率。后沿检测回波不被发射脉宽遮档，在雷达最大作用距离内无盲区，从时间上完全隔离发射能量的泄漏，改进雷达检测弱小信号目标的能力，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12a输出信号一路经晶振分频器12f与环路分频器12k接入鉴相器12g，鉴相电压经环路滤波器12h压控振荡器VCO12i锁定相位，另一路经倍频放大链12b、12c、12d、12e与VCO12i输出接混频器12l，取和频接入环路分频器12k，使频率反馈下移，减少环路分频器12k分频比，改善相噪特性。VCO12i介质谐振器反馈振荡频稳度较高，变容管调谐范围较宽，经恒温晶振12a锁相频率合成，频稳度优于10^-9/ms，能适于强振动和温差大恶劣环境下工作，提供智能防撞雷达相干检测各精确的基准信号。频率合成器输出f_N信号锁定毫米波时分线性调频器基频，输出谐频为雷达载频f₀，同时f_N经定向耦合器12j为分谐波混频本振信号f_L，其内在倍频与发射倍频相配，低成本获得高载频检测。环路分频器12k可编程分频由MCU接口I/O20接入，输出f_i正交相干检波器I/Q基准信号、调制基准信号f_m、时分时钟信号f_c1、DSP时钟信号f_c2、MCU时钟信号f_c3，可见，多个基准频率和时钟信号与恒温晶振12a频率成整数倍关系，确保收/发信号起始相位、调制信号、A/D转换采样、中频检波相干性及时分脉冲的准确性，抗杂波干扰能力较强。

图4调制信号发生器，可编程分频器N分频预置端、数字波形变换器WV计数预置端经接口I/O20接入MCU，频率合成器输出f_m为基准频率信号，设11a、11b、11n组相邻频率调制信号，并留有一定的频率间隔防止信号串扰，n组调制信号在水面摄像结合本船速、GPS信号MCU控制下，n组锁相环PLL产生调制信号频率和波形的捷变，其输入前置分频器M分频为fr，输出可编程分频器N分频为fs，锁相环PLL锁定时fr/M＝fs/N，压控振荡器VCO输出频率fs＝frN/M，数字波形变换器WV将其变换为三角波或锯齿波或正弦波，输出f₁、f₂、f_n的n组调制信号，n组调制信号在时分电路10编码开关输出n路时序脉冲信号，时分轮流压控毫米波调频器9调频。

图5毫米波时分线性调频器，n组调制信号f₁、f₂、f_n在时钟信号f_c1控制的时分电路按时序编码为频率递增排列加到毫米波时分线性调频器9，为了保证毫米波载频和线性调频信号的相干性，雷达载频与基准信号相位严格同步，引用频率合成器输出f_N信号与压控振荡器VCO基频在鉴相器DP相位比较，环路滤波器LF滤除杂波噪声锁定基频，经截止波导仅允许二或四次谐频输出为雷达载频f₀。n路时分编码调制信号经求和节点∑实现VCO有源时分线性锁相调频，谐频为载频具有宽带调频优点，VCO或调制信号若有偏差就会产生误差信号V_d，闭环控制VCO相位随时保持与基准信号同步。

图6时分电路，计数器10a可编程预置经接口I/O20接入MCU，水面摄像和本船速、GPS信号MCU控制计数器10a改变二进-十进计数生成n路时分脉冲，高电平逻辑“1”前沿时T/R₂接通发射，T/R₁关断接收，后沿时进入低电平逻辑“0”T/R₂关断发射，T/R₁接通接收单稳态触发器10b由时钟信号f_c1触发对时分脉冲定时为t₁为雷达发射脉宽τ，占空因子t₂为雷达检测最大作用距离。计数器输出在译码器10c形成n路时序控制n组调制信号，经编码开关10d将f₁、fx、f_n排列为频率递增时分脉冲依次压控毫米波时分线性调频器9，经T/R₂、环形器、馈送天线发射，中放6回波信号在时分电路时序异步选通门10e选取f₁′、f₂′、f_n′，在其后沿进行检测，从时间上完全隔离发射能量泄漏到接收系统，提高弱小目标信号的检测能力，增大检测雷达作用距离，后沿检测消除发射脉宽遮挡避免盲距实现近距防撞，并改善动态范围。时分电路既控制雷达n路调制信号编码发射，接收回波又在其时序异步选通门选取，时分电路时间分割检测多目标信号，脉内线性调频加宽信号瞬时带宽，脉压匹配滤波加权获取大的信噪比高分辨力，发射一路接收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，时分多通道检测多个目标，在时域、频域、空域有序进行，检测信号在频率、时间双重编码识别多目标有较强抗干扰性能。

图7多目标信号提取电路，中频信号n路脉冲在时分电路10时序异步选通门选取，接入声表器件SAW匹配滤波器组7对回波中频信号f₁′、f₂′、f_n′防混叠和脉压匹配及加权，脉冲压缩网络与发射调频相关匹配，获取高信噪比信息传输。此时，意味着目标回波信号处理从时域转为频域，雷达目标的全部信息蕴含于中频复调制信号之中，因此，在回波信号数字化处理之前，将其中频去掉，零中频的同相/正交相干检波，输出零中频基带信号。图中8a、8b、8n正交相干检波器I/Q，分I支路和Q支路两个乘法器，取频率合成器输出fi信号及移相π/2为相参本振信号，雷达中频回波信号同相/正交两路相干检波进行多目标信号提取。这复调制信号被分解成实部和虚部，信号的幅度和相位两个信息都保存下来，经模数变换器A/D暂存数据缓冲存储器FIFO13。数据缓冲存储器FIFO13使多个目标数据先进先出，提高DSP14运算速度。

数字信号处理器DSP14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，对多个目标差拍的距离和相对速度频谱分析。经距离旁瓣抑制完成快速傅里叶变换FFT、恒虚警处理CFAR，根据剩余杂波的强度自动调节检测门限，使虚警概率保持在允许值内，超过门限的信号作出相关信息处理，以确定是否真实目标，确实是，则对目标的距离、速度及方位角度等数据送到图像显示器。DSP14识别与本船最近距离的目标，前方无船由司机设速航行，出现船只时雷达测其信号，跟踪至最近船只，控制本船速保持安全距离，偏离安全距离声光报警，逼近危险距离时MCU指令方向舵控制器自动避障或启动减速器、甚至熄灭发动机智能控制。雷达信号软件编程由DSP14、MCU引导程序和主程序组成，DSP14主程序主要完成快速傅里叶FFT变换，得到目标回波信号的频率和相位信息，将处理完的数据传递给MCU内存，等待下一步由路况摄像、本船速和卫星定位传感器GPS信号综合数据处理控制执行机构。

双口存储器RAM使DSP与MCU交换数据双方握手操作，每个数据在双口RAM中按字节由低到高占用，双口存储器RAM提供仲裁信号避免DSP与MCU数据处理发生竞争。

图8光栅扫描图像显示器，坐标变换25a是将数字信号处理器DSP13控制编码脉冲分配多波束转换的周期时序信号变换为二进制的数字图像X、Y数据，并为图像存储器RAM25b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25b实质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，适应多个路障目标复杂信息图形的显示，显示控制器25e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25f、字符25g及图形颜色产生器25h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25i和图像X-Y-Z偏转系统25j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25c，扫描数据为图像RAM的读出地址，将图像信息同步读出。

本图像显示力求简明可辨，适于不经专业培训的司机即能快速判别读取防撞雷达图像显示所需的信息，多目标雷达回波信号经数字信号处理器DSP14、微控制器MCU15控制，回波信息数据存储在图像RAM25b之中，然后在光栅扫描产生电路的同步下读出图像数据、数模转换器D/A，25d和辉亮电路25i加至CRT的调辉电极上，即可动态显示多个目标方位、距离信号图形和相对变化的速度信号三维全景图像。

本实施例雷达载频为76.5GHz，发射输出峰值功率5.2W，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±2.5°，垂直方位角3.2°，天线增益34dB，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Ls17dB，最大作用距离为1600m，最小作用距离20m，时分通道数量n设有16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控制调整时分信道，视水域环境控制通道量检测目标，最近目标识别时间＜260μs，本船时速50km/h能平稳制动，目标角度分辨力≤2°目标距离分辨力≤1m，速度分辨力＜1.2km/h。

Claims (10)

1、一种毫米波时分调频船用多目标检测防撞雷达，设有环形器、中放、声表器件SAW匹配滤波器组、数据缓冲存储器FIFO、数字信号处理器DSP、微控制器MCU、双口存储器RAM、接口I/O、水面摄像传感器、本船速传感器、卫星定位传感器GPS、声光报警器、方向舵控制器、发动机减速器、点火/熄灭控制器、键盘，其特征在于：还设有收/发两用准光集成介质透镜天线阵列、波束开关、收/发开关T/R₁、T/R₂、频率合成器、时分电路、低噪声高放、分谐波混频器、毫米波时分线性调频器、调制信号发生器、多目标信号提取电路、光栅扫描图像显示器CRT，其中，收/发两用准光集成介质透镜天线阵列在船顶高位设成水平环形阵或环绕桅杆为圆环阵，频率合成器输出f_c2接入DSP为时钟信号，f_c3接入MCU为时钟信号，DSP编码脉冲分配序列接入波束开关、CRT，全方位循环扫描探测水面可能碰撞的目标，频率合成器输出f_c1接入时分电路为时钟信号、时分电路预置端经接口I/O接入MCU，水面摄像传感器、本船速传感器、卫星定位传感器GPS信号经经接口I/O接入MCU控制时分电路生成n路时分脉冲，高电平逻辑“1”接入收/发开关T/R₂，低电平逻辑“0”接入T/R₁，频率合成器输出f_N接入毫米波时分线性调频器锁定基频，二或四次谐频为发射载频f₀，频率合成器输出f_m接入调制信号发生器为基准频率，调制信号发生器频率、波形变换预置端经接口I/O接入MCU，水面摄像传感器、本船速传感器、卫星定位传感器GPS信号MCU控制调制信号发生器产生n组调制信号频率和波形，在时分电路编码为频率递增排列的n路脉冲接入毫米波时分线性调频器，经T/R₂至环形器、波束开关，天线阵列发射，频率合成器输出f_L接入分谐波混频器为内在二或四次倍频本振信号、f_i接入多目标信号提取电路为中频相干检波基准信号，回波射频经天线阵列、波束开关、环形器、T/R₁、低噪声高放、分谐波混频器、中放，n路脉冲在时分电路时序异步选通门选取发射编码的n组目标信号经声表器件SAW匹配滤波器组、多目标信号提取电路、数据缓冲存储器FIFO接入DSP数据总线，DSP与MCU数据总线、地址线、控制线经双口存储器RAM汇接及提供仲裁信号，接口I/O分别接入CRT、声光报警器、方向舵控制器、发动机减速器、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，中放检出自动增益控制AGC电压经滤波、放大接入低噪声高放、中放AGC控制端，频率合成器、时分电路、低噪声高放、分谐波混频器、波束开关、环形器、收/发开关T/R₁、T/R₂、毫米波时分线性调频器雷达收/发电路集成一体、屏蔽。

2、根据权利要求1所述的毫米波时分调频船用多目标检测防撞雷达，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、鉴相器、环路滤波器、压控振荡器VCO、环路分频器组成，其中VCO由砷化镓高电子迁移率晶体管GaAsHEMT、介质谐振器反馈振荡，变容管压控调谐，环路分频器由前置分频器和可编程分频器组合，可编程分频器分频控制端经接口I/O接入微控制器MCU，恒温晶振输出分两路，一路经倍频放大链与VCO输出接入混频器后，再经环路分频器接入鉴相器，另一路经晶振分频接入鉴相器，鉴相电压经环路滤波器压控VCO锁相频率合成，VCO输出f_N锁定毫米波时分线性调频器基频，输出谐频为雷达载频f₀，f_N经定向耦合器为分谐波混频器内在倍频本振信号f_L，可编程分频输出f_i为中频相干检波基准信号、f_m为调制基准信号、f_c1为时分时钟信号、f_c2为DSP时钟信号、f_c3为MCU时钟信号。

3、根据权利要求1所述的毫米波时分调频船用多目标检测防撞雷达，其特征在于：收/发两用准光集成介质透镜天线阵列，由介质基片微带双偶极振子集成天线、介质透镜、阵列基座、防护罩构成，介质透镜是一端面为半球体，另一端面为圆柱体截面，介质基片微带双偶极振子集成天线紧密放置在介质透镜的圆柱截面为馈源，介质透镜半球端面为天线辐射面，在船顶高位设成水平环形阵列或环绕桅杆圆环阵列，DSP编码脉冲序列接入波束开关、光栅扫描图像显示器CRT坐标变换器。

4、根据权利要求1所述的毫米波时分调频船用多目标检测防撞雷达，其特征在于：波束开关在天馈波导传输线集成PIN二极管芯片，串、并联为单刀单掷开关SPST，控制偏压经低通网络接入数字信号处理器DSP编码脉冲分配序列，多个SPST波束开关组合成单刀多掷开关，收/发开关T/R₁、T/R₂设在环形器收/发分支处，均由PIN二极管芯片，串、并联为单刀单掷开关SPST，控制偏压经低通网络由时分脉冲高电平逻辑“1”接入T/R₂，低电平逻辑“0”接入T/R₁。

5、根据权利要求1所述的毫米波时分调频船用多目标检测防撞雷达，其特征在于：毫米波时分线性调频器由毫米波压控振荡器VCO、环路滤波器LF、鉴相器DP组成，其VCO由耿管Gunn、超突变结变容管及电容芯片、鳍线波导、悬置微带线构成，鳍线设单脊周期栅，耿管Gunn谐振电路、变容管调谐支路匹配安装在单脊鳍线上，偏压、调制信号经接地旁路电容悬置微带线引入，频率合成器输出f_N与VCO基频信号接入DP，鉴相电压经LF接至VCO变容管压控端，并接入n路时分脉冲线性调频，输出波导隔离基频选取二或四次谐频为雷达发射载频f₀，VCO单独屏蔽。

6、根据权利要求1所述的毫米波时分调频船用多目标检测防撞雷达，其特征在于：调制信号发生器由并行的n组前置分频器M、锁相环PLL、可编程分频器N、数字波形变换器WV组成，频率合成器输出f_m接入调制信号发生器为基准频率，可编程分频器N分频预置端、数字波形变换器WV计数预置经接口I/O接入微控制器MCU，水面摄像传感器、本船速传感器、卫星定位传感器GPS信号经接口I/O接入MCU控制调制频率递增的n组锁相环PLL产生频率和波形变换，输入接前置分频器M，输出接可编程分频器N数字波形变换器WV，可变为三角波或锯齿波或正弦波f₁、f₂、f_n的n组调制信号。

7、根据权利要求1所述的毫米波时分调频船用多目标检测防撞雷达，其特征在于：低噪声高放由一个双栅磷化铟为衬底砷化镓高电子迁移率晶体管InPGaAsHEMT、微带线匹配网络构成，第一栅极接入回波射频匹配网络微带线，第二栅极为自动增益控制AGC控制端，接入中放AGC输出电压，源极阻容接地，漏极经匹配网络微带线接分谐波混频器，频率合成器输出f_N经定向耦合器接入分谐波混频器为本振信号f_L，分谐波混频器由两个肖特基二极管反向并接在本振信号f_L微带匹配网络与回波射频信号RF微带匹配网络之间，中频信号IF在本振信号f_L网络一侧经带通滤波网络取出。

8、根据权利要求1所述的毫米波时分调频船用多目标检测防撞雷达，其特征在于：多目标信号提取电路由声表器件SAW匹配滤波器组、相干检波器I/Q、模数转换器A/D组成，中放输出在时分电路n路异步时序选通门选取f₁′、f₂′、f_n′组回波信号接入声表器件SAW匹配滤波器组、相干检波器I/Q，其检波器由I支路、Q支路两个乘法器构成，频率合成器输出中频相干信号f_i接I支路，移相π/2接Q支路为相干基准本振，输出经A/D、回波数据存储器RAM接入数字信号处理器DSP数据总线。

9、根据权利要求1所述的毫米波时分调频船用多目标检测防撞雷达，其特征在于：时分电路由现场可编程门阵列PFGA组构计数器、单稳态触发器、译码器、编码开关、时序异步选通门，频率合成器输出f_c1时钟信号接入计数器时钟端Cp与单稳态触发器输入端，计数器可编程控制端经接口I/O接入MCU，水面摄像传感器、本船速传感器、卫星定位传感器GPS信号经接口I/O接入MCU控制生成n路时分脉冲，高电平逻辑“1”接入收/发开关T/R₂，低电平逻辑“0”接入T/R₁，f₁、f₂、f_n组调制信号接入编码开关，计数器数据端、单稳态触发器输出端与译码器输入对接，译码器输出与编码开关控制端相接构成n组调制信号按频率递增或递减的n路时分脉冲压控毫米波调频器，调频输出接至T/R₂、环形器、波束开关，准光集成介质透镜天线阵列发射，回波射频经准光集成介质透镜天线阵列、波束开关、环形器、T/R₁、低噪声高放、分谐波混频器、中放，在时分电路时序异步选通门选取按发射编码f₁′、f₂′、f_n′的n组信号依次对接声表器件SAW匹配滤波器组，经多目标信号提取电路相干检波器I/Q、模数转换器A/D、数据缓冲存储器FIFO接入DSP数据总线。

10、根据权利要求1所述的毫米波时分调频船用多目标检测防撞雷达，其特征在于：光栅扫描图像显示器CRT由坐标变换器、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坐标变换器、波束开关，多目标回波信号在DSP运算数据经双口存储器RAM接入微处理器MCU接口I/O送至显示控制器，该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、数模转换器D/A、标尺、字符产生器、显像管X-Y-Z偏转系统，其中坐标变换器、数模转换器D/A、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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