CN105116386B - 自适应最大中频能量跟踪雷达接收系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种自适应最大中频能量跟踪雷达接收系统，包括射频前端、触发板、中频放大器板、雷达终端，射频前端包括低噪声放大器、双平衡混频器、本地振荡器，触发板包括微处理器、可编程门阵列、信号缓冲处理模块、模数转换模块、数模转换模块，中频放大器板包括能量电压转换电路、低噪声中频放大电路、带通滤波器电路、对数放大检波电路、推完输出电路，雷达终端包括一终端处理显示模块。本发明设计了一基于最大中频能量跟踪的全新的接收系统，彻底改变了传统导航雷达接收系统的自动频率控制方式，有效克服了传统频率跟踪方式由于雷达发射机磁控管频谱变化，导致的小目标发现能力的下降问题。雷达接收系统的数字化，提高了其可靠性和扩展性。

Description

自适应最大中频能量跟踪雷达接收系统
技术领域
本发明专利涉及非相参船用导航雷达技术领域，具体地说，是自适应最大中频能量跟踪雷达接收系统。
背景技术
船用导航雷达主要用于海上目标的探测与跟踪，辅助船舶导航避碰，保障航行安全。随着船舶航行环境的日益复杂，导航雷达的性能直接关系到船舶的航行安全和船上人员的生命安危。
目前船用导航雷达普遍采用雷达磁控管作为雷达发射机的微波功率放大器件，由于磁控管的发射频率会随时间和温度变化而发生改变，这使得下变频后的最佳中心频率点偏离固定频率，如果雷达接收系统无法跟踪磁控管的频率变化，还是把跟踪最佳频率稳定在固定频率，这时的雷达中频回波并不处于最佳调谐位置，回波能量会减弱，影响雷达对小目标的探测能力，增加船只航行中的安全隐患。
发明内容
本发明提出了一种自适应最大中频能量跟踪雷达接收系统，其目的之一在于，改进传统导航雷达接收系统仅把由混频器下变频后的中频信号的中心频率稳定在固定频率的自动频率跟踪方法，设计一基于最大中频能量跟踪的全新的接收系统，使雷达中频回波始终处于最佳调谐位置；其目的之二在于，雷达接收系统把处于最大中频能量处的雷达中频回波信号进行对数放大检波，产生雷达视频回波信号，并发送到雷达显示器进行显示。
为了实现上述目的，本发明的技术方案是：
自适应最大中频能量跟踪雷达接收系统，包括射频前端、触发板、中频放大器板、雷达终端，射频前端和中频放大器板之间通过线缆相连，触发板的各路信号和中频放大器板之间通过线缆相连，雷达终端和触发板之间通过串口线连接，射频前端包括低噪声放大器、双平衡混频器、本地振荡器，触发板包括微处理器、可编程门阵列、信号缓冲处理模块、模数转换模块、数模转换模块，中频放大器板包括能量电压转换电路、低噪声中频放大电路、带通滤波器电路、对数放大检波电路、推完输出电路，雷达终端包括一终端处理显示模块，由导航雷达发射机发射的部分射频脉冲信号通过环形器进入雷达接收系统成为射频漏脉冲信号，该射频漏脉冲信号进入射频前端，并经过低噪声放大器放大后，与本地振荡器发出的本地振荡器信号混频后下变频为中频漏脉冲信号，然后进入中频放大器板的能量电压转换电路，能量电压转换电路根据中频漏脉冲信号的能量大小，转化为对应的模拟电压信号并传被输到触发板，该模拟电压信号被模数转换电路采样成为数字电压信号，该数字电压信号进入微处理器进行自动频率跟踪算法处理，经处理后的信号被输送到数模转换电路产生本振控制电压信号，本振控制电压信号改变了射频前端的本振频率，即改变了下变频后的中频漏脉冲信号的频谱，触发板的微处理器中的最大能量跟踪算法会不断地改变本振控制电压信号直到下变频后的中频漏脉冲信号通过能量电压转换模块后输出的电压值最大，此时的中频漏脉冲信号为最大能量处。
进一步，由目标反射后进入雷达接收系统的雷达射频回波信号进入中频放大器板，并通过低噪声中频放大电路、带通滤波器电路、对数放大检波电路变成了雷达视频回波信号，该雷达视频回波信号经过推完输出电路，最后被输送到终端处理显示模块进行显示。
进一步，所述双平衡混频器可实现射频输入端、本地振荡器端和中频输出端之间的有效隔离，有效抑制雷达射频回波信号和本地振荡器中的偶次谐波，减小了混频损耗，提高了射频前端的性能。
进一步，所述能量电压转换电路把雷达发射机发射的漏脉冲信号的能量转换成电压信号，其能量和电压间的转换效率高，转换时间短，最大化了自适应中频能量跟踪的性能。
进一步，所述对数放大检波电路用于对雷达中频回波进行对数放大和检波，对数放大可以最大化整个雷达接受系统的动态范围。
进一步，所述推完输出电路提高了对雷达视频回波信号的驱动能力。
进一步，所述触发板具有采样自检功能，可以检测自身和中频放大器板上的供电电压以及其他接收系统的状态，并把检测结果通过信号缓冲处理模块传输到雷达终端进行显示，雷达终端通过串口控制，实时发送指令到触发板，控制整个接收系统的工作状态，从而实现了整个雷达接收系统的数字化。
进一步，所述推完输出电路包括共基极放大器、推完放大器，共基极放大器可克服密勒效应，提高共基极放大器的带宽。
有益效果：本发明设计了一基于最大中频能量跟踪的全新的接收系统，彻底改变了传统导航雷达接收系统的自动频率控制方式，有效克服了传统频率跟踪方式由于雷达发射机磁控管频谱变化，导致的小目标发现能力的下降问题。于此同时，中频放大器板上设计了三种不同的带通滤波器，这可以针对不同发射脉宽合理对应不同的接收带宽，从而增强了整个接收系统的灵敏度。此外，新型导航雷达接收系统实现了接收系统的数字化，可以实时监测接收系统的多项参数，把监测到的性能参数通过串口发送给雷达终端，实现了雷达终端对雷达接收系统的实时自检，确保接收系统工作正常。与此同时，雷达终端可以把各种控制信号通过串口发送至触发板，实现了对雷达接收系统的实时控制。雷达接收系统的数字化，极大提高了其可靠性和扩展性。
本发明的设计原理：自动频率跟踪技术，采用雷达接收系统对磁控管发射的漏脉冲信号进行频率检测，进而改变接收系统中的本地振荡器，使得雷达射频回波信号混频后的中频信号频率稳定，是现代高端船用导航雷达必备配置。本发明是对船用导航雷达发射漏脉冲下变频后的中频漏脉冲信号进行自适应的频率跟踪，补偿雷达磁控管的频率漂移，使导航雷达接收系统的动态范围最大化，增强导航雷达小目标发现能力。
在实现最大中频能量跟踪的同时，雷达的回波信号也由目标反射后进入雷达接收系统，由于雷达视频回波信号和雷达漏脉冲的频谱具有相同的特性，这时雷达射频回波信号也位于最强中频能量处。由目标反射后进入雷达接收系统的雷达射频回波信号进入中频放大器板，并通过低噪声中频放大电路、带通滤波器电路、对数放大检波电路变成了雷达视频回波信号，该雷达视频回波信号经过推完输出电路，最后被输送到终端处理显示模块进行显示。
本发明的雷达接收系统还实现了对雷达射频回波信号的低噪声放大和下变频，下变频后的中频信号再由中频放大器对数放大检波后变为视频信号，视频信号被送到雷达终端进行显示处理。
附图说明
图1为本发明自适应最大中频能量跟踪雷达接收系统的模块结构示意图。
图2为传统导航雷达接收机处于自动频率跟踪时的雷达回波显示效果图。
图3为本发明的自适应最大中频能量跟踪时的雷达回波显示效果图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例：
如图1所示，图中虚线框内为本发明的自适应最大中频能量跟踪雷达接收系统，包括射频前端、触发板、中频放大器板，射频前端和中频放大器板之间通过线缆相连，触发板的各路信号和中频放大器板之间通过线缆相连，触发板通过串口线连接雷达终端。
射频前端包括低噪声放大器、双平衡混频器、本地振荡器。
触发板包括微处理器、可编程门阵列、信号缓冲处理模块、模数转换模块、数模转换模块，触发板是整个自适应最大中频能量跟踪雷达接收系统的控制中枢。主要采样由中放板能量电压转换电路产生的电压信号，实现最大能量跟踪。中频放大器板包括能量电压转换电路、低噪声中频放大电路、带通滤波器电路、对数放大检波电路、推完输出电路，中频放大器板是实现自适应最大中频能量跟踪和成就雷达接收系统小目标探测性能的核心部分。雷达终端包括一终端处理显示模块。
X波段导航雷达发射机发射的射频脉冲信号通过环形器经雷达天线向外辐射，由于环形器的隔离度有限，一部分射频脉冲信号泄漏进入雷达接收系统，即射频漏脉冲信号。射频漏脉冲信号进入射频前端后被低噪声放大器放大，然后与射频前端内的本地振荡器产生的本地振荡器信号进行混频后，下变频为中频漏脉冲信号。中频漏脉冲信号进入中频放大器板。
中频放大器板上的能量电压转换电路能把中频漏脉冲信号的频谱能量按正比转化为模拟电压信号，当中频漏脉冲信号的频谱能量小时，对应输出的电压值也比较低。在雷达发射的初始，触发板会由小到大自动扫描一定电压值范围的本振电压控制信号，不同的本振电压控制信号会使射频前端内的本地振荡器产生不同的本振频率，即本振频率随控制电压由小到大发生变化，不同的本振电压控制信号和射频漏脉冲信号混频后，产生不同频谱能量的中频漏脉冲信号，不同的中频漏脉冲信号进入中频放大器板的能量电压转换电路后，产生不同的模拟电压信号，对应的模拟电压信号通过触发板的模数转换电路采样后成为数字电压信号，该数字电压信号进入微处理器进行自动频率跟踪算法处理，微处理可以找到最大电压值时对应的本振控制电压信号。这时的本振控制电压信号可以使得下混频后的中频漏脉冲信号的能量最大，即此时的本振控制电压信号值即为最佳本振控制电压。当找到最佳本振控制电压后，雷达触发板会在最佳本振控制电压的附近继续进行上述的电压扫描过程，确保中频漏脉冲信号始终处于最佳控制电压值，这就实现了最大中频能量跟踪。由于雷达中频回波信号的频谱特性和雷达漏脉冲的频谱特性一致，这时也确保了雷达射频回波信号下变频后的雷达中频回波信号的频谱能量始终最强。
这时的雷达中频回波信号通过中频放大器板上的低噪声中频放大电路。低噪声中频放大电路基于由两个低噪声三极管BFR183构成的沃尔漫电路，使用沃尔漫电路可以有效减少低噪声中频放大器输入端的密勒效应，提高低噪声中频放大器的带宽。适当选择沃尔漫电路的静态工作点，使得偏置的电流约为10mA，这时使噪声系数最小。由三路带通滤波器组成一带通选择电路，三路带通滤波器采用插入损耗法进行设计。三路不同带通滤波器之间的切换通过双向开关二极管实现。对数放大检波电路使用AD公司的AD8310芯片，AD8310是一个高速电压输出、解调范围为DC至400MHz的对数放大检波芯片，其内部含有六个串联放大器，每个放大器的小信号增益为14.3dB，其内部使用九个检波器，检波范围从-91dBV至4dBV。在100MHz时其对数线性度的典型值在±0.4dB以内，为了发挥AD8310的最佳性能，参考其芯片手册，在AD8310输入端加入输入匹配网络。
经过AD8310对数放大检波后的雷达视频回波信号进入推完输出电路。推完输出电路由共基极放大器和推完放大器组成，共基极放大器可以有效克服密勒效应，提高了共基极放大器的带宽。推完放大器采用正负电源供电。在不处理雷达视频信号时，处于平衡状态，无电流流过，最小化了推完输出电路的功耗，推完输出加强了电路的驱动能力。雷达视频信号经过推完输出电路后，再由电容隔直后通过同轴线缆输送到雷达终端进行显示。
如图2、3所示，图2和图3为同一个时间对相同目标范围探测的结果。图2为传统导航雷达接收机在自动频率跟踪时的雷达回波的显示效果，图3为本发明的自适应最大中频能量跟踪雷达接收系统的雷达回波效果。图3中用白色虚线框框出的远距离处小目标在图2中没有显示出来，由此可知自适应最大中频能量跟踪雷达接收系统具有更好的小目标探测能力。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (8)

1.自适应最大中频能量跟踪雷达接收系统，其特征在于，包括射频前端、触发板、中频放大器板、雷达终端，射频前端和中频放大器板之间通过线缆相连，触发板的各路信号和中频放大器板之间通过线缆相连，雷达终端和触发板之间通过串口线连接，射频前端包括低噪声放大器、双平衡混频器、本地振荡器，触发板包括微处理器、可编程门阵列、信号缓冲处理模块、模数转换模块、数模转换模块，中频放大器板包括能量电压转换电路、低噪声中频放大电路、带通滤波器电路、对数放大检波电路、推完输出电路，雷达终端包括一终端处理显示模块，由导航雷达发射机发射的部分射频脉冲信号通过环形器进入雷达接收系统成为射频漏脉冲信号，该射频漏脉冲信号进入射频前端，并经过低噪声放大器放大后，与本地振荡器发出的本地振荡器信号混频后下变频为中频漏脉冲信号，然后进入中频放大器板的能量电压转换电路，能量电压转换电路根据中频漏脉冲信号的能量大小，转化为对应的模拟电压信号并传被输到触发板，该模拟电压信号被模数转换电路采样成为数字电压信号，该数字电压信号进入微处理器进行自动频率跟踪算法处理，经处理后的信号被输送到数模转换电路产生本振控制电压信号，本振控制电压信号改变了射频前端的本振频率，即改变了下变频后的中频漏脉冲信号的频谱，触发板的微处理器中的最大能量跟踪算法会不断地改变本振控制电压信号直到下变频后的中频漏脉冲信号通过能量电压转换模块后输出的电压值最大，此时的中频漏脉冲信号为最大能量处。
2.根据权利要求1所述的自适应最大中频能量跟踪雷达接收系统，其特征在于，由目标反射后进入雷达接收系统的雷达射频回波信号进入中频放大器板，并通过低噪声中频放大电路、带通滤波器电路、对数放大检波电路变成了雷达视频回波信号，该雷达视频回波信号经过推完输出电路，最后被输送到终端处理显示模块进行显示。
3.根据权利要求1所述的自适应最大中频能量跟踪雷达接收系统，其特征在于，所述双平衡混频器可实现射频输入端、本地振荡器端和中频输出端之间的有效隔离，有效抑制雷达射频回波信号和本地振荡器中的偶次谐波。
4.根据权利要求1所述的自适应最大中频能量跟踪雷达接收系统，其特征在于，所述能量电压转换电路把雷达发射机发射的漏脉冲信号的能量转换成电压信号。
5.根据权利要求1所述的自适应最大中频能量跟踪雷达接收系统，其特征在于，所述对数放大检波电路用于对雷达中频回波进行对数放大和检波，对数放大可以最大化整个雷达接受系统的动态范围。
6.根据权利要求1所述的自适应最大中频能量跟踪雷达接收系统，其特征在于，所述推完输出电路提高了对雷达视频回波信号的驱动能力。
7.根据权利要求1所述的自适应最大中频能量跟踪雷达接收系统，其特征在于，所述触发板具有采样自检功能，可以检测自身和中频放大器板上的供电电压以及其他接收系统的状态，并把检测结果通过信号缓冲处理模块传输到雷达终端进行显示，雷达终端通过串口控制，实时发送指令到触发板，控制整个接收系统的工作状态，从而实现了整个雷达接收系统的数字化。
8.根据权利要求1所述的自适应最大中频能量跟踪雷达接收系统，其特征在于，所述推完输出电路包括共基极放大器、推完放大器，共基极放大器可克服密勒效应，提高共基极放大器的带宽。
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