CN104714217A - 一种用于脉冲多普勒雷达中零距离标定系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于脉冲多普勒雷达中零距离标定系统及方法，标定系统包括环形器、限幅器、低噪声放大器、隔离器、混频器、延迟线、上变频器、第一放大器、第二放大器、功分器和天线；其中依次串联的环形器、限幅器、隔离器、低噪声放大器、隔离器、混频器组成了接收通道；延迟线及前后的阻抗匹配网络组成了延迟通道；依次连接的上变频器、隔离器、第一放大器、隔离器、第二放大器、环形器和天线组成了发射通道，在发射通道和接收通道之间连接延迟通道，将电信号转化为声信号在传声介质中进行时间延迟传播。

Description

一种用于脉冲多普勒雷达中零距离标定系统及方法

技术领域

本发明涉及微波毫米波雷达技术领域，通过将技术成熟的声体波延迟线(L波段)应用于微波、毫米波脉冲多普勒雷达零距离标定系统中，实现在雷达调试时对零距离进行标定的一种新技术。

背景技术

现有的雷达零距离标定系统是通过雷达对预先设定的近区某固定目标进行跟踪测距后，以此固定目标(通常选择调试现场周围的某一固定铁塔)作为雷达零距离标定的基准值，对脉冲多普勒雷达进行零距离标定。该系统主要缺陷有：一是由于受天气、风力等外界环境影响，固定目标摇动会影响标定精度；二是固定目标的距离是通过GPS等定位方法进行距离标定的，精度只能达到米级；三是固定目标比较大，回波信号位置不固定，每次标定的数值有偏差，标定一致性不高；四是固定目标回波易受周围建筑物的影响，产生干扰，导致标定误差大。

声体波(BAW：Bulk Acoustic Wave)延迟技术是通过声体波延迟器件实现对高频信号的传播时间进行延迟。声体波延迟线(BAW Delay Line)是一种声体波延迟器件，一般由输入和输出薄膜换能器、传声介质、输入和输出匹配网络构成，其中薄膜换能器由底电极、氧化锌(ZnO)薄膜和上电极组成。其工作原理是：当微波信号通过输入匹配网络到达输入薄膜换能器时，通过压电薄膜的逆压电效应将电信号转变为声信号在传声介质中传播。当声信号到达输出薄膜换能器时，再通过压电效应将声信号变成为电信号，通过输出匹配网络输出。由于声信号的传播速度比电信号慢10⁴量级，因此可以在较短传声介质内获得较长的延时。声体波延迟线的优点是结构简单、体积小、重量轻、温度稳定性好，与同轴电缆延迟线相比，声体波延迟线可以在较小的体积实现较长延迟。

脉冲多普勒雷达零距离标定是雷达实现精确测距功能的重要环节，可以测量目标距离也是雷达的一个突出优点。测距的原理是当雷达工作时，发射机经天线向空间发射一串重复周期一定的高频脉冲，如果在电磁波传播的途径上有目标存在，那么雷达就可以接收到由目标反射回来的回波。由于回波信号往返于雷达和目标之间，它将滞后于发射脉冲一个时间。然后，通过雷达信号处理机计算出回波与零距离的时间间隔，就可得到雷达与目标间的距离。因此，在雷达测距中零距离的准确标定将直接影响距离测量的精度。

发明内容

要解决的技术问题

针对原标定方法中存在的标定精度不高、标定系统复杂、工作效率不高和调试场地易受气候影响等问题和缺陷，通过采用声体波延迟线、射频综合协理技术和收发一体化设计技术，本发明提出一种新的用于脉冲多普勒雷达调试中零距离标定系统及方法，提高雷达的测距精度和标定效率。

技术方案

一种用于脉冲多普勒雷达中零距离标定系统，包括环形器、限幅器、低噪声放大器、隔离器、混频器、延迟线、上变频器、第一放大器、第二放大器、功分器和天线；其中依次串联的天线、环形器、限幅器、隔离器、低噪声放大器、隔离器、混频器组成了接收通道；延迟线及前后的阻抗匹配网络组成了延迟通道；依次串联的上变频器、隔离器、第一放大器、隔离器、第二放大器、环形器和天线组成了发射通道；混频器的输出端连接延迟通道的输入阻抗匹配，延迟通道的输处阻抗匹配连接发射通道的上变频器；接收通道和发射通道通过环形器共用一个天线，功分器的两个输出端分别连接混频器和上变频器，将本振信号一分为二分别输入到混频器和上变频器。

所述的天线采用矩形喇叭天线。

一种利用用于脉冲多普勒雷达中零距离标定系统实现的零距离标定方法，步骤如下：

步骤1：雷达的发射信号从环行器进入接收通道，经过限幅、隔离、放大、隔离后进入混频器，与本振信号混频后将雷达的发射信号的频谱搬移到延迟线的工作频段；

步骤2：经过频谱搬移后的发射信号在延迟线输入端经过阻抗匹配后转化为声信号在传声介质中进行时间延迟传播，在延迟线输出端又转化为电信号经过阻抗匹配后输出；

步骤3：将时间延迟后的电信号送入上变频器，与本振信号混频后将电信号频谱搬移到雷达工作频段，通过隔离、放大到雷达所需的信号幅度，然后经过隔离器和环形器，送至天线发射回雷达，作为标定信号。

有益效果

本发明提出的一种用于脉冲多普勒雷达中零距离标定系统及方法，具有如下优点：

1、采用该技术研制的标定系统，电路简单可靠，对雷达信号的处理稳定可靠，延时精度高(精度能达到50ns)，而且该系统可在标准计量站进行准确标定，保证标定系统性能指标的一致性，从而保证雷达系统标定的精度。

2、该系统在雷达调试场地就可进行，可全天候工作，不需专人值守，操作简便，大大缩短调试时间，提高了工作效率和经济效益。该系统已成功应用于某型雷达，实现了预期的性能要求，解决了雷达零距离标定的难题。

3、解决了脉冲多普勒雷达零距离标定的难题，提高了标定精度，实用价值高，具有一定的通用性。

附图说明

图1标定系统工作原理框图

图2声体波延迟线原理图

具体实施方式

现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：

本发明采用技术成熟的声体波延迟线来实现雷达信号的时间延迟，该声体波延迟线工作于1～2GHz射频信号，延迟线在此工作频段的插入损耗小，延迟精度高，制造工艺和实现技术都比较成熟，而雷达的工作频率在C(中心频率为6.5GHz)、X波段(中心频率为10.5GHz)，延迟线直接应用于雷达的工作频率显然不能满足要求。为了解决此难题，该技术提出通过频谱搬移技术和射频匹配技术将雷达信号频谱搬移到延迟线的工作频率(中心频率为1.5GHz，带宽200MHz)，在完成时间延迟后，再将信号频谱搬移到雷达的工作频率，从而实现了雷达信号的时间延迟，也即在距离上实现了准确标定。

在接收通道电路的设计中，采用了宽带、高动态、低噪声匹配的设计技术，接收前端采用耐高功率的宽带限幅器，扩大接收通道的动态范围，信号放大采用低噪声宽带单片集成电路，在简化电路复杂度的基础上，通过低噪声匹配技术进行噪声匹配，满足接收通道的噪声系数和放大增益。

在延迟通道电路的设计中，由于声体波延迟线输入输出端表现为感性阻抗，因此，在设计中延迟线的输入输出端阻抗匹配将非常关键，该技术中采用了带载能力强的放大器，通过适当的阻抗匹配技术，使延迟线工作于最佳状态，即：插入损耗最小，端口反射系数最小，信号失真度最小，进而保证了系统所需信号质量。

在发射通道电路的设计中，按照雷达接收信号的幅度大小要求，合理分配放大电路中各级放大器的增益，采用功率匹配技术，使功率放大器工作于线性放大状态，保证输出信号的功率匹配和信号质量。

如图1所示，系统采用收发一体式设计，接收通道和发射通道是通过环形器收发共用一个天线，通过Wilkinson功分器共用一个本振信号，天线采用增益较高的矩形喇叭天线，本振信号采用外接微波信号源或内置本振信号方式进行，对本振的要求是：信号功率大于等于16dBm，信号频率为比雷达工作频率低1.5GHz。本振信号经过功分器后分别送到接收通道和发射通道，作为混频器和上变频器的本振信号。图1中，限幅器型号为XF110A，频带宽度为5-12GHz，性能是保护和扩大接收机的动态范围；宽带低噪声放大器中主要选用了NBB-310型单片放大器，采用低噪声匹配设计技术，保证接收通道的噪声系数和增益；隔离器型号为TG901K，工作频带为8-12G Hz，隔离度大于30dB，插入损耗小于0.5dB，性能是提高信道间的隔离度，保证信号的一致性；混频器和上变频器型号MCA1-12G，工作频带为1-12G Hz，以实现信号频谱的搬移；延迟线型号为BD015200，中心工作频率为1.5GHz，带宽为200MHz，实现信号的时间延迟；第一放大器和第二放大器中主要选用了NBB-310型单片放大器，采用功率匹配技术使放大器工作于功率放大状态，保证信号的输出幅度和线性度；天线采用矩形喇叭天线，频段可覆盖C、X波段，增益大于10dB，保证输入输出信号的正常接收和发射。

在接收通道，通过天线接收到雷达的发射信号，为了扩大接收通道的动态范围，使接收通道工作于小信号线性放大状态，在接收前端加入一能耐受大功率的微波限幅器。接收的雷达信号经限幅、隔离后，进入宽带低噪声放大器，通过采用了低噪声匹配技术，经微波设计软件仿真后达到所要求的性能，放大后的信号通过隔离器后进入宽带混频器。接收信号在混频器中与本振信号混频后，将雷达信号频谱搬移到延迟线的工作频段。

在延迟通道电路中，声体波延迟线性能指标的实现将至关重要，该系统中选用了工作于L波段技术相对成熟的延迟线(声体波延迟线结构和原理示意图如图2所示)，由于声电信号转换会造成插入损耗增大，在延迟线输入与输出端信号如果失配，则会更加恶化插入损耗和回波损耗，甚至会影响到延迟精度。因此，在延迟电路中采用了延迟线前后阻抗匹配技术，通过设计带载能力强的放大电路，与延迟线的感性阻抗匹配达到最佳，使回波损耗降到最低，达到使用要求。

在发射通道中，把时间延迟后的信号送入上变频器，与本振信号(与接收通道信号相同)混频后，将延迟信号频谱搬移到雷达工作频段，经功率放大电路达到雷达所需的信号幅度后，经过环形器，送至天线发射回雷达。该部分电路中采用了功率匹配技术，保证信号达到所需的信号幅度，且不失真地发送回雷达。

雷达在接收该信号后，会在距离显示器中出现一个在固定距离的回波信号，由于该信号的距离(时间延迟)是确定的，以此回波信号作为基准就可对雷达的零距离点(起始时间)进行标定。

Claims (3)

1.一种用于脉冲多普勒雷达中零距离标定系统，其特征在于包括环形器、限幅器、低噪声放大器、隔离器、混频器、延迟线、上变频器、第一放大器、第二放大器、功分器和天线；其中依次串联的天线、环形器、限幅器、隔离器、低噪声放大器、隔离器、混频器组成了接收通道；延迟线及前后的阻抗匹配网络组成了延迟通道；依次串联的上变频器、隔离器、第一放大器、隔离器、第二放大器、环形器和天线组成了发射通道；混频器的输出端连接延迟通道的输入阻抗匹配，延迟通道的输出阻抗匹配连接发射通道的上变频器；接收通道和发射通道通过环形器共用一个天线，功分器的两个输出端分别连接混频器和上变频器，将本振信号一分为二分别输入到混频器和上变频器。

2.根据权利要求1所述的用于脉冲多普勒雷达中零距离标定系统，其特征在于所述的天线采用矩形喇叭天线。

3.一种利用权利要求1所述的用于脉冲多普勒雷达中零距离标定系统实现的零距离标定方法，其特征在于步骤如下：

步骤1：雷达的发射信号从环行器进入接收通道，经过限幅、隔离、放大、隔离后进入混频器，与本振信号混频后将雷达的发射信号的频谱搬移到延迟线的工作频段；

步骤2：经过频谱搬移后的发射信号在延迟线输入端经过阻抗匹配后转化为声信号在传声介质中进行时间延迟传播，在延迟线输出端又转化为电信号经过阻抗匹配后输出；

步骤3：将时间延迟后的电信号送入上变频器，与本振信号混频后将电信号频谱搬移到雷达工作频段，通过隔离、放大到雷达所需的信号幅度，然后经过隔离器和环形器，送至天线发射回雷达，作为标定信号。