CN103954937B - 一种宽范围高精度微波测距雷达系统设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种宽范围高精度微波测距雷达系统设计方法，针对宽范围、高精度的雷达系统设计问题，步骤如下：1、通过波形和时序设计，使远距离测量发射和接收分时工作，近距离测量采用大带宽、时宽信号，发射接收同时工作；2、采用发射通路、接收通路隔离设计，保证有效的采集接收回波；3、发射泄露信号剔除技术，抑制近距发射泄露信号对回波检测的影响。本发明采用脉冲雷达实现了测量范围15m-16km、测量精度120m以上0.33%*R，120m以下0.4m。

Description

一种宽范围高精度微波测距雷达系统设计方法

技术领域

本发明涉及一种宽范围高精度微波测距雷达系统，属于空间微波雷达测量技术领域。

背景技术

微波测距雷达项目研制来源于探月二期工程中嫦娥三号GNC分系统微波测距测速敏感器的型号研制，为着陆下降过程提供距离信息，测量范围要求15m-16km，精度要求120m以上0.33%*R，120m以下0.4m。

目前远距离雷达主要选用脉冲体制，近距雷达测量技术主要有调频连续波和窄脉冲测量技术。

脉冲测量技术是通过计算接收信号与发射信号的延时来测量距离，通过波形设计，使得发射波门、接收波门在时间上不重合，避免发射链路干扰接收链路，便于提高发射功率，增加作用距离。

调频连续波测距是通过发射信号和回波信号的差频获得距离，由于发射通道、接收通道同时工作，接收通道会受到发射泄露信号影响，当回波信号被淹没在发射泄露信号中时，调频连续波体制雷达无法工作。因此调频连续波测距技术主要用于近距测量，且工作原理与脉冲延时测距不同，两种体制合成比较困难，不能实现整个着陆过程要求的15m-16km作用范围。

窄脉冲测量技术属于脉冲测量技术的一种，设计要求发射波门、接收波门在时间上不重合，因此最近距离决定了最大脉冲宽度，测量距离越近，发射波门越窄。窄脉冲测量技术一方面由于发射脉冲窄，导致占空比低，进而影响测量距离；另一方面，由于脉冲窄，其调制带宽较低，因此测量精度低。

按照着陆过程测距要求近距测量至15m，120m以下测量精度0.4m，经分析要同时满足测量范围和测量精度，测距脉冲宽度需小于100ns，信号带宽大于100M，即调频斜率大于1*10¹⁵Hz/s，工程上很难实现。

窄脉冲近距测量可以通过频率步进综合合成大带宽信号，但其处理方式与普通脉冲测距处理方式有较大差异，难以实现远、近距离统一设计。

发明内容

本发明的技术解决问题：克服现有技术的不足，提供了一种宽范围高精度微波测距雷达系统设计方法，通过波形和时序设计，将脉冲测距与泄露对消技术结合，在工程可实现的前提下，提高发射、接收隔离度，使用脉冲体制实现远、近距高精度脉冲测距。

本发明技术解决方案：

一种宽范围高精度微波测距雷达系统设计方法，实现方式如下：

（1）雷达发射通道发射信号与雷达接收通道接收信号同时进行，接收天线范围覆盖发射通道使得发射泄露的线性调频信号完整接收；

所述雷达发射信号采用宽脉冲波形，时宽大于3us、信号带宽大于100MHz;

（2）采用收发天线分置，通过增益控制和收发通道隔离保证接收和发射通道隔离度；

所述发射天线采用阶梯喇叭天线，所述接收天线采用光壁喇叭天线进而实现天线高隔离度；

（3）发射通道泄露信号剔除：

设发射信号为S(t)：

$S\left(t\right)=A*\mathrm{rect}\left(\frac{t}{\mathrm{\τ}}\right)\cos (2\mathrm{\π}{f}_{0}t+\frac{k*t^2}{2})$

其中 $\mathrm{rect}\left(\frac{t}{\mathrm{\τ}}\right)=\left\{\begin{array}{cc}1& \left|\frac{t}{\mathrm{\τ}}\right|\≤\frac{1}{2}\\ 0& \left|\frac{t}{\mathrm{\τ}}\right|>\frac{1}{2}\end{array}\right.$ 、τ为脉冲宽度、A为信号幅度，k为调频斜率；

设距离为R，则回波可以表示为：

$\begin{array}{c}{S}_r\left(t\right)=L_1*A*\mathrm{rect}\left(\frac{t-t_r}{\mathrm{\τ}}\right)\cos \left(2\mathrm{\π}{f}_0(t-t_r)\right)+\frac{k*{(t-t_r)}^2}{2}\\ +L_2*A*\mathrm{rect}\left(\frac{t}{\mathrm{\τ}}\right)\cos (2\mathrm{\π}{f}_{0}t+\frac{k*t^2}{2})\end{array}$

其中t_r<τ，L1为回波信号衰减、L2为泄露信号衰减；

信号s(t)的匹配滤波器的时域脉冲响应为：

h(t)=s^*(-t)

则回波信号经匹配滤波器后的输出为：

s_o(t)=s_r(t)*h(t)

运算后，取其包络如下：

$\left|s_0\left(t\right)\right|=L_2*\left|\mathrm{\&tau;Sa}\left(\mathrm{\&pi;k\&tau;t}\right)\mathrm{rect}\left(\frac{t}{2\mathrm{\&tau;}}\right)\right|+L_1*\left|\mathrm{\&tau;Sa}\left(\mathrm{\&pi;k\&tau;}(t-t_r)\right)\mathrm{rect}\left(\frac{(t-t_r)}{2\mathrm{\&tau;}}\right)\right|$

其中第一项为泄露信号的匹配滤波结果，信号宽度为τ'

${\mathrm{\&tau;}}^{\&prime;}=\frac{1}{\mathrm{k\&tau;}}=\frac{1}{B}$

B为线性调频信号带宽；

将泄漏信号剔除即可。

所述测距雷达的发射和接收通道在电装过程内壁贴吸波材料，外部盖板缝隙涂导电胶，提高发射通道和接收通道的隔离度；波导装配完成后涂导电胶，并用钼丝包覆，减小波导泄露。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

（1）本发明使用脉冲体制实现月球着陆过程的距离测量范围15m-16km，精度要求120m以上0.33%；120m以下0.4m的测量精度要求。远近距离统一采用脉冲体制测距，降低了系统设计难度，简化了软件处理流程，提高了系统的集成度和可靠性。

附图说明

图1是本发明微波测距雷达系统组成框图；

图2是本发明典型脉冲测量雷达时序图；

图3是本发明大时宽带宽脉冲信号近距离测量时序图；

图4是本发明脉冲压缩处理前后信号示意图。

具体实施方式

下面结合附图进一步说明本发明的工作原理和工作过程：

如图1所示，本发明微波测距雷达系统包括系统控制器、频率综合器、信号处理器、发射通道、接收通道、波导和天线组成。

系统控制器向数字信号处理器发出工作启动控制信号，数字信号处理器开始工作，产生所需的雷达发射波形信号，发射信号经发射通道上变频至射频频率，然后经功放，再通过天线发射出去。回波信号经接收天线接收后，馈入接收通道进行放大、下变频，送给数字信号处理器进行A/D采样和相关处理。同时，数字信号处理器控制接收机的接收增益，使A/D工作在合适的电平范围内。

系统控制器是系统的对外接口，将外部一次电转化为内部单机所需的二次电源，供各个单机使用；接收、执行和转发外部遥控指令；将测量结果组帧输出。

频率综合器产生各种高稳定度的基准信号，包括射频本振信号、中频本振信号、A/D采样时钟信号等。

信号处理器根据距离段产生相应的发射波形给发射机，同时采集接收机的输出回波信号，对采样后的信号进行DDC、脉冲压缩等处理，计算出波束向的距离和速度值。

发射通道将信号处理器输出的中频LMF信号上变频至Ka波段，并放大至所需功率；接收通道将射频回波信号下变频至中频，并对信号滤波和放大，根据自动增益控制信号，将回波信号放大至所需幅度。

天线主要功能是将发射的射频信号按照规定的方向辐射出去，以及接收经过月面散射的回波信号送给接收机。

一种宽范围高精度微波测距雷达系统设计方法，实现方式如下：

（1）雷达发射通道发射信号与雷达接收通道接收信号同时进行，接收天线范围覆盖发射通道使得发射泄露的线性调频信号完整接收；

所述雷达发射信号采用宽脉冲波形，时宽大于3us、信号带宽大于100MHz;

波形和时序设计

典型的脉冲体制雷达要求发射、接收在时间上分开，若要达到最近距离15m的测量要求，收发分时工作则要求发射脉冲极窄，信号不易产生，平均发射功率也很小，所以采用宽脉冲波形设计，设计时宽大于3us；为达到系统要求的测量精度，需要使用宽带线性调频信号，信号带宽大于100MHz。

在时序设计方面，不再要求发射接收分时，而是强调发射、接收波门同时打开，接收波门完全覆盖发射波门，目的是将发射泄露的线性调频信号完整接收，只有将发射泄露信号完全接收，才能在脉冲压缩处理时达到匹配压缩，避免失配脉压造成信号展宽，保证发射泄露信号不会影响到有效测量范围内的回波信号检测。

（2）采用收发天线分置，通过增益控制和收发通道隔离保证接收和发射通道隔离度；

所述发射天线采用阶梯喇叭天线，所述接收天线采用光壁喇叭天线进而实现天线高隔离度；

发射通路和接收通路隔离设计

由于发射、接收同时工作，因此采用收发天线分置，通过增益控制和收发通道隔离设计，保证有效的采集接收回波。

图2和图3的对比可以看出，典型脉冲测距雷达在波形设计中将发射、接收波门在时间上分开，因此不用考虑发射泄露信号对接收信号的影响；而采用大时宽、带宽脉冲发射信号，发射波门和接收波门同时打开，发射信号会通过波导、天线等各个途径泄露到接收通路中，和回波信号叠加，进而影响回波信号放大、采集和处理，因此必须在系统设计之初就将发射通路、接收通路隔离度纳入系统指标。

同时，测距雷达的发射和接收通道在电装过程内壁贴吸波材料，外部盖板缝隙涂导电胶，提高发射通道和接收通道的隔离度；波导装配完成后涂导电胶，并用钼丝包覆，减小波导泄露。

（3）发射通道泄露信号剔除：

设发射信号为S(t)：

$S\left(t\right)=A*\mathrm{rect}\left(\frac{t}{\mathrm{\&tau;}}\right)\cos (2\mathrm{\&pi;}{f}_{0}t+\frac{k*t^2}{2})$

其中 $\mathrm{rect}\left(\frac{t}{\mathrm{\&tau;}}\right)=\left\{\begin{array}{cc}1& \left|\frac{t}{\mathrm{\&tau;}}\right|\&le;\frac{1}{2}\\ 0& \left|\frac{t}{\mathrm{\&tau;}}\right|>\frac{1}{2}\end{array}\right.$ 、τ为脉冲宽度、A为信号幅度，k为调频斜率；

设距离为R，则回波可以表示为：

$\begin{array}{c}{S}_r\left(t\right)=L_1*A*\mathrm{rect}\left(\frac{t-t_r}{\mathrm{\&tau;}}\right)\cos \left(2\mathrm{\&pi;}{f}_0(t-t_r)\right)+\frac{k*{(t-t_r)}^2}{2}\\ +L_2*A*\mathrm{rect}\left(\frac{t}{\mathrm{\&tau;}}\right)\cos (2\mathrm{\&pi;}{f}_{0}t+\frac{k*t^2}{2})\end{array}$

其中t_r<τ，L1为回波信号衰减、L2为泄露信号衰减；

如图3所示的时序图，与普通雷达回波信号接收、采集和检测相比，若采用大时宽带、宽脉冲信号实现近距离测量，在数据处理中还需要考虑发射泄露信号对回波采集、检测的影响。由于发射信号是宽带信号，且通道增益控制也不固定，因此在射频、中频和视频都难实现对消。

采用近距泄露信号剔除技术的前提是测量距离较近，回波信号较强，可以通过提高天线隔离度、控制通道增益等，保证泄露信号不足以使接收通道饱和，信号处理器能有效的采集到回波信号，通过脉冲压缩处理技术，将泄漏信号剔除，有效的检测回波信号。

如图4所示，接收信号在脉冲压缩处理前是叠加在一起的；经过脉冲压缩处理后的信号，泄露信号和回波信号在距离向已经分离；由于泄露信号在距离向位置固定且小于最小距离测量范围，因此可以在信号检测前将其剔除，且不影响回波信号的检测和测量。

信号s(t)的匹配滤波器的时域脉冲响应为：

h(t)=s^*(-t)

则回波信号经匹配滤波器后的输出为：

s_o(t)=s_r(t)*h(t)

运算后，取其包络如下：

$\left|s_0\left(t\right)\right|=L_2*\left|\mathrm{\&tau;Sa}\left(\mathrm{\&pi;k\&tau;t}\right)\mathrm{rect}\left(\frac{t}{2\mathrm{\&tau;}}\right)\right|+L_1*\left|\mathrm{\&tau;Sa}\left(\mathrm{\&pi;k\&tau;}(t-t_r)\right)\mathrm{rect}\left(\frac{(t-t_r)}{2\mathrm{\&tau;}}\right)\right|$

其中第一项为泄露信号的匹配滤波结果，信号宽度为τ'

${\mathrm{\&tau;}}^{\&prime;}=\frac{1}{\mathrm{k\&tau;}}=\frac{1}{B}$

B为线性调频信号带宽；

将泄漏信号剔除即可。

脉冲压缩处理前如果需要将发射泄露信号剔除需要使脉冲宽度小于最近测量距离，以15m为例，需要小于100ns；经过脉冲压缩处理后，脉冲带宽τ'只与信号带宽B有关，要满足压缩后泄露信号小于15m，需要带宽大于10MHz。

目前该技术已应用于微波测距测速敏感器系统设计，经过多次校飞和吊车等外场试验验证，满足测量范围15m-16km，精度优于120m以上0.33%*R，120m以下0.4m系统指标要求。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。

Claims (2)

1.一种宽范围高精度微波测距雷达系统设计方法，其特征在于实现方式如下：

(1)雷达发射通道发射信号与雷达接收通道接收信号同时进行，接收天线范围覆盖发射通道使得发射泄漏的线性调频信号完整接收；

所述雷达发射信号采用宽脉冲波形，时宽大于3us、信号带宽大于100MHz；

(2)采用收发天线分置，通过增益控制和收发通道隔离保证接收和发射通道隔离度；

所述发射天线采用阶梯喇叭天线，所述接收天线采用光壁喇叭天线进而实现天线高隔离度；

(3)发射通道泄漏信号剔除：

设发射信号为s(t)：

$s\left(t\right)=A*rect\left(\frac{t}{\mathrm{\&tau;}}\right)cos(2{\mathrm{\&pi;f}}_{0}t+\frac{k*t^2}{2})$

其中 $rect\left(\frac{t}{\mathrm{\&tau;}}\right)=\left\{\begin{array}{cc}1& \left|\frac{t}{\mathrm{\&tau;}}\right|\&le;\frac{1}{2}\\ 0& \left|\frac{t}{\mathrm{\&tau;}}\right|>\frac{1}{2}\end{array}\right.,$ τ为脉冲宽度、A为信号幅度，k为调频斜率；

设距离为R，则回波可以表示为：

$\begin{array}{c}{s}_r\left(t\right)=L_1*A*rect\left(\frac{t-t_r}{\mathrm{\&tau;}}\right)cos\left(2{\mathrm{\&pi;f}}_0\right(t-t_r)+\frac{k*{(t-t_r)}^2}{2})\\ +L_2*A*rect\left(\frac{t}{\mathrm{\&tau;}}\right)\cos (2{\mathrm{\&pi;f}}_{0}t+\frac{k*t^2}{2})\end{array}$

其中t_r<τ，L₁为回波信号衰减、L₂为泄漏信号衰减；

信号s(t)的匹配滤波器的时域脉冲响应为：

h(t)＝s^*(-t)

则回波信号经匹配滤波器后的输出为：

s_o(t)＝s_r(t)*h(t)

运算后，取其包络如下：

$\left|s_0\left(t\right)\right|=L_2*\left|\mathrm{\&tau;}Sa\left(\mathrm{\&pi;}k\mathrm{\&tau;}t\right)rect\left(\frac{t}{2\mathrm{\&tau;}}\right)\right|+L_1*\left|\mathrm{\&tau;}Sa\left(\mathrm{\&pi;}k\mathrm{\&tau;}\right(t-t_r\left)\right)rect\left(\frac{(t-t_r)}{2\mathrm{\&tau;}}\right)\right|$

其中第一项为泄漏信号的匹配滤波结果，信号宽度为τ'

${\mathrm{\&tau;}}^{\&prime;}=\frac{1}{k\mathrm{\&tau;}}=\frac{1}{B}$

B为线性调频信号带宽；

将泄漏信号剔除即可。

2.根据权利要求1所述的一种宽范围高精度微波测距雷达系统设计方法，其特征在于：所述测距雷达的发射和接收通道在电装过程内壁贴吸波材料，外部盖板缝隙涂导电胶，提高发射通道和接收通道的隔离度；波导装配完成后涂导电胶，并用钼丝包覆，减小波导泄漏。