CN109557512A - 一种高灵敏度和高动态范围的雷达接收机 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种高灵敏度和高动态范围的雷达接收机，属雷达接收设备技术领域。它由数字噪声产生器、第一组数字滤波器等构成，接收信号经射频放大器放大送模拟滤波器滤除雷达工作频带外信号；数字噪声产生器生成高斯白噪声并将其送给第一组数字滤波器滤除雷达工作频带内白噪声，并将此白噪声送D/A转换器将数字白噪声信号转换为模拟白噪声信号，模拟白噪声信号经信号叠加器与接收信号叠加后送给A/D转换器采样，采样信号送至混频器混频、经数字相位正交检波器检波，最后将中频I/Q信号送第二组数字滤波器滤波后送至信号处理分机。省去中频放大，增加噪声仿真，实现更高灵敏度高和动态范围，可在强噪声环境中更远距离准确探测更微弱信号。

Description

一种高灵敏度和高动态范围的雷达接收机
技术领域
本发明涉及一种高灵敏度和高动态范围的雷达接收机，属雷达接收设备技术领域。
背景技术
接收机是现代雷达系统的重要组成部分，通常，雷达接收机的工作流程是：滤波——从噪声和干扰信号中提取天线接收的微弱高频信号——经射频放大——滤波——混频——中频放大——A/D采样——检波——最后送至信号处理机或由计算机控制的雷达终端设备。灵敏度和动态范围是衡量雷达接收机接收微弱信号的能力及能否高效、正常运转的重要指标。传统的雷达接收机需要对天线接收的信号进行射频和中频两级放大才能达到A/D采样的门限，在进行射频和中频放大过程中，噪声和目标信号同时被放大，这样就使得接收机的A/D采样有效位数、灵敏度和动态范围被大大降低，严重影响雷达的工作性能。因此十分有必要研制一种高灵敏度和高动态范围的雷达接收机，省去中频放大环节，实现更高的A/D有效位数，且灵敏度高、动态范围大，使雷达的探测距离更远，并能在强噪声环境中准确探测出更微弱的目标信号。
发明内容
本发明的目的在于，针对上述现有技术的不足，提供一种通过省去中频放大环节，增加噪声仿真部件，实现更高的A/D有效位数，且灵敏度高，动态范围大，使雷达的探测距离更远，并能在强噪声环境中准确探测出更微弱的目标信号的高灵敏度和高动态范围的雷达接收机。
本发明是通过如下的技术方案来实现上述目的的：
一种高灵敏度和高动态范围的雷达接收机，它由射频放大器、模拟滤波器、数字噪声产生器、第一组数字滤波器、D/A转换器、信号叠加器、A/D转换器、本机振荡器、信号混频器、数字相位正交检波器和第二组数字滤波器构成，所述射频放大器的输入端与雷达天线连接，其输出端连接模拟滤波器；对雷达天线反馈传输给接收机的信号进行射频放大及输出；其特征在于：接收机本体将雷达天线传输过来的接收信号馈送给射频放大器，接收信号经过射频放大器放大后输送至模拟滤波器，模拟滤波器将雷达工作频带以外的信号滤除；与此同时，数字噪声产生器生成高斯白噪声，并将高斯白噪声输送给第一组数字滤波器滤除雷达工作频带内的白噪声，并将数字滤波后的白噪声输送给D/A转换器，D/A转换器将数字白噪声信号转换为模拟白噪声信号，模拟白噪声信号通过信号叠加器与接收信号进行叠加，随后将此叠加信号输送给A/D转换器进行采样，将采样检波信号输送至混频器与本振信号进行混频，经数字相位正交检波器检波，最后，将中频I/Q信号输送至第二组数字滤波器进行滤波，并将滤波后的信号输送至信号处理分机。
所述的模拟滤波器的输出端与信号叠加器的输入端连接，滤除射频带外信号，并输出此滤波后的回波信号。
所述的数字噪声产生器与第一组数字滤波器的输入端连接，产生特定功率的离散高斯白噪声信号，并输出此特定功率的离散高斯白噪声信号至第一组数字滤波器。
所述的第一组数字滤波器的输出端连接D/A转换器的输入端,滤除雷达频带以内的离散高斯白噪声信号，并输出滤波后的离散高斯白噪声信号至D/A转换器。
所述的D/A转换器的输出端与信号叠加器的输入端连接，将滤波后的离散高斯白噪声由离散信号转换成模拟白噪声信号，并输出模拟白噪声信号至信号叠加器。
所述的信号叠加器的输出端与A/D转换器连接，将滤波后的回波信号与模拟白噪声信号进行叠加处理，并输出叠加信号至A/D转换器。
所述的A/D转换器的输出端与信号混频器的输入端连接，对叠加信号进行A/D转换，获得离散信号x(n)，并将离散信号x(n)输出至信号混频器。
所述的信号混频器的输出端与数字相位正交检波器的输入端连接，信号混频器的本振端连接有本机振荡器，将射频信号与本振信号进行混频得到中频信号x 1(n)，并将中频信号x 1(n)输出至数字相位正交检波器。
所述的数字相位正交检波器与第二组数字滤波器连接，对离散中频信号x 1(n)进行数字正交变换得到中频I/Q信号，并将中频I/Q信号输出至第二组数字滤波器。
所述的第二组数字滤波器与信号处理分机连接，滤除高频分量，得到基带I/Q信号，最后，将基带I/Q信号发送至信号处理分机。
本发明与现有技术相比的有益效果在于：
该高灵敏度和高动态范围的雷达接收机，通过减少中频一级放大，增加数字噪声产生器、第一组数字滤波器、D/A转换器、信号叠加器，设计以高斯白噪声模拟数字噪声产生器生成的高斯白噪声，以正弦信号模拟雷达发射脉冲信号，且设计的正弦信号的功率幅度要远低于噪声功率幅度，经滤波、将正弦信号与高斯白噪声叠加，由于信号功率幅度远小于噪声功率幅度，因此，经过上述滤波的高斯白噪声与正弦信号叠加后就间接提高了信号包络。与传统雷达接收机相比，在硬件条件及环境条件均相同的情况下，本发明具有更高的灵敏度和动态范围，因而具有更强的探测能力和更高的增益，可探测到更远的距离和更微弱的目标信号；实际操作实验过程表明：当信号比噪声低58分贝时，本发明仍然可以从噪声中检测出信号。换言之，当目标信号强度相同时，本发明与现有技术相比，不需要天线接收机具有很高的增益就可以检测到目标信号，大大降低了对硬件的要求，从而降低硬件成本，有效提高雷达整机水平和工作性能，使雷达具有更强的探测能力和更高的探测精度，且适应在更恶劣环境条件下工作，即实现在强噪声环境中准确探测出更微弱的目标信号。解决了现有对天线接收信号需要射频和中频两级放大才能达到A/D采样门限，在两级放大过程中噪声和目标信号同时被放大，使得接收机的A/D采样有效位数、灵敏度和动态范围被大大降低，严重影响雷达的工作性能的问题。
附图说明
图1为一种高灵敏度和高动态范围的雷达接收机的工作原理结构示意图；
图2为一种高灵敏度和高动态范围的雷达接收机的仿真高斯白噪声信号经第一组数字滤波器滤波后的波形示意图；
图3为仿真高斯白噪声信号经第一组数字滤波器滤波后的白噪声与回波信号叠加后的波形示意图；
图4为仿真高斯白噪声信号与回波信号叠加后的叠加信号经过A/D转换器采样后的波形示意图；
图5为通过A/D转换器对叠加信号进行A/D转换，获得离散信号x(n)，离散信号x(n)与本振信号混频后的波形示意图；
图6为仿真高斯白噪声信号平均幅度为8及信号平均幅度为0.5时，本发明一种高灵敏度和高动态范围的雷达接收机的信号波形示意图；
图7为仿真高斯白噪声信号平均幅度为8及信号平均幅度为0.5时，传统超外差式雷达接收机的信号波形示意图。
具体实施方式
下面结合附图对该高灵敏度和高动态范围的雷达接收机的实施方式作进一步详细说明：
一种高灵敏度和高动态范围的雷达接收机，它由射频放大器、模拟滤波器、数字噪声产生器、第一组数字滤波器、D/A转换器、信号叠加器、A/D转换器、本机振荡器、信号混频器、数字相位正交检波器和第二组数字滤波器构成，所述射频放大器的输入端与雷达天线连接，其输出端连接模拟滤波器；对雷达天线反馈传输给接收机的信号进行射频放大及输出；
接收机本体将雷达天线传输过来的接收信号馈送给射频放大器，接收信号经过射频放大器放大后输送至模拟滤波器，模拟滤波器将雷达工作频带以外的信号滤除；与此同时，数字噪声产生器生成高斯白噪声，并将高斯白噪声输送给第一数字滤波器滤除雷达工作频带内的白噪声，并将数字滤波后的白噪声输送给D/A转换器，D/A转换器将数字白噪声信号转换为模拟白噪声信号，模拟白噪声信号通过信号叠加器与接收信号进行叠加，随后将此叠加信号输送给A/D转换器进行采样，将采样检波信号输送至混频器与本振信号进行混频，经数字相位正交检波器检波，最后，将中频I/Q信号输送至第二数字滤波器进行滤波，并将滤波后的信号输送至信号处理分机。
所述的模拟滤波器的输出端与信号叠加器的输入端连接，滤除射频带外信号，并输出此滤波后的回波信号。
所述的数字噪声产生器与第一组数字滤波器的输入端连接，产生特定功率的离散高斯白噪声信号，并输出此特定功率的离散高斯白噪声信号至第一组数字滤波器。
所述的第一组数字滤波器的输出端连接D/A转换器的输入端,滤除雷达频带以内的离散高斯白噪声信号，并输出滤波后的离散高斯白噪声信号至D/A转换器。
所述的D/A转换器的输出端与信号叠加器的输入端连接，将滤波后的离散高斯白噪声由离散信号转换成模拟白噪声信号，并输出模拟白噪声信号至信号叠加器。
所述的信号叠加器的输出端与A/D转换器连接，将滤波后的回波信号与模拟白噪声信号进行叠加处理，并输出叠加信号至A/D转换器。
所述的A/D转换器的输出端与信号混频器的输入端连接，对叠加信号进行A/D转换，获得离散信号x(n)，并将离散信号x(n)输出至信号混频器。
所述的信号混频器的输出端与数字相位正交检波器的输入端连接，信号混频器的本振端连接有本机振荡器，将射频信号与本振信号进行混频得到中频信号x 1(n)，并将中频信号x 1(n)输出至数字相位正交检波器。
所述的数字相位正交检波器与第二组数字滤波器连接，对离散中频信号x 1(n)进行数字正交变换得到中频I/Q信号，并将中频I/Q信号输出至第二组数字滤波器。
所述的第二组数字滤波器与信号处理分机连接，滤除高频分量，得到基带I/Q信号，最后，将基带I/Q信号发送至信号处理分机（参见图1～7）。
本发明申请人的设计思路是：一般来说可以将雷达接收机分为超外差式、超再生式、晶体视放式和调谐高频(TRF)式等四种类型。灵敏度表示雷达接收机接收微弱信号的能力，雷达接收机能接收的信号越微弱，则表示接收机的灵敏度越高，雷达的作用距离也就越远；因此，接收机灵敏度的高低，直接影响到雷达的工作性能。通常用最小可检测信号功率S i, min来表示雷达接收机的灵敏度,当接收机的输入信号功率达到S i, min时，接收机就能正常接收并在输出端检测出这一信号；如果信号功率低于此值，则信号将被淹没在噪声干扰之中，不能被可靠地检测出来。动态范围表示雷达接收机正常工作所容许的输入信号强度变化的范围，即：接收机开始出现过载时的输入功率与最小可检测功率之比。
传统意义上的超外差式雷达接收机需要对信号进行射频和中频两级放大才能达到A/D转换器的采样门限，在进行射频和中频两级放大过程中，噪声和目标信号同时被放大，从而导致A/D转换器的采样门限的有效位数、灵敏度和动态范围被大大降低，严重影响到雷达的工作性能。
为使超外差式雷达接收机能够获得更高的灵敏度和更大的动态范围，本发明申请人在雷达接收机中省去中频放大环节，只保留射频放大这一级放大环节，同时通过增加数字噪声产生器生成高斯白噪声信号，增加第一组数字滤波器滤除雷达工作频带以外的信号，及增加D/A转换器将滤波后的高斯白噪声信号转换为模拟白噪声信号，以实现更高的A/D转换器的采样门限的有效位数，灵敏度高，动态范围大，使雷达的探测距离更远，并能在强噪声环境中准确探测出更微弱的目标信号，有效提升雷达整机工作性能的目标。
高灵敏度和高动态范围的雷达接收机的仿真实现过程如下：
以高斯白噪声模拟数字噪声产生器生成的高斯白噪声，以正弦信号模拟雷达发射的脉冲信号，且设计的正弦信号的功率幅度要远远低于噪声功率的幅度：假设信号载频为f 0，设计第一组数字滤波器，对数字噪声产生器生成的高斯白噪声进行滤波处理，然后将正弦信号与滤波后的高斯白噪声通过叠加器进行叠加，由于正弦信号的功率幅度远小于噪声功率幅度，因此，经过滤波后的高斯白噪声和正弦信号叠加后就间接提高了信号包络，信号包络提高便可以省略再次放大的过程。然后，将叠加后的信号进行四舍五入取整，利于A/D转换器进行数据采样，随后，将取整后的信号与特定信号进行混频，最后，设计第二组数字滤波器对混频信号进行滤波，滤除噪声，保留信号。
具体仿真实验及结果如下：
1）以功率大小为8的高斯白噪声，模拟数字噪声产生器生成的高斯白噪声，以载频为100M的正弦波信号模拟回波信号，对传统超外差式接收机进行仿真实验，实验结果发现当正弦波信号幅度小于0.5时就无法检测到目标信号了（参见图7），仿真实验结果见下表1。
表1 传统超外差式接收机仿真实验结果
2）采用上述同样条件对本发明进行仿真实验，实验结果表明：当正弦波信号幅度为0.01时，本发明仍能准确地检测到目标信号（参见图6），仿真实验结果见下表2。
表2 本发明仿真实验结果
经过上述仿真实验可得出以下结论：本发明一种高灵敏度和高动态范围的雷达接收机，在高斯白噪声平均幅度值为8时，脉冲信号幅度值最小可取到0.01，即可知，当信号比噪声低58分贝时，本发明接收机仍能可靠地从噪声中检测出目标信号。
本发明一种高灵敏度和高动态范围的雷达接收机，在减少一级中频放大的情况下，可在强噪声环境中检测更微弱的目标信号，极大提高了目标信号可见度，换言之，当被探测的目标信号幅度一样时，本发明对雷达硬件技术的要求标准可以放宽很多，这样，就有效降低了雷达整机的硬件成本，提高了雷达的性价比和工作性能，使超外差式雷达具有更强的探测能力和更高的探测精度，以解决传统雷达在强噪声环境中探测能力差和探测精度低的问题。
以上所述只是本发明的较佳实施例而已，上述举例说明不对本发明的实质内容作任何形式上的限制，所属技术领域的普通技术人员在阅读了本说明书后依据本发明的技术实质对以上具体实施方式所作的任何简单修改或变形，以及可能利用上述揭示的技术内容加以变更或修饰为等同变化的等效实施例，均仍属于本发明技术方案的范围内，而不背离本发明的实质和范围。

Claims (10)

1.一种高灵敏度和高动态范围的雷达接收机，它由射频放大器、模拟滤波器、数字噪声产生器、第一组数字滤波器、D/A转换器、信号叠加器、A/D转换器、本机振荡器、信号混频器、数字相位正交检波器和第二组数字滤波器构成，所述射频放大器的输入端与雷达天线连接，其输出端连接模拟滤波器；对雷达天线反馈传输给接收机的信号进行射频放大及输出；其特征在于：接收机本体将雷达天线传输过来的接收信号馈送给射频放大器，接收信号经过射频放大器放大后输送至模拟滤波器，模拟滤波器将雷达工作频带以外的信号滤除；与此同时，数字噪声产生器生成高斯白噪声，并将高斯白噪声输送给第一数字滤波器滤除雷达工作频带内的白噪声，并将数字滤波后的白噪声输送给D/A转换器，D/A转换器将数字白噪声信号转换为模拟信号，模拟白噪声信号通过信号叠加器与接收信号进行叠加，随后将此叠加信号输送给A/D转换器进行采样，将采样检波信号输送至混频器与本振信号进行混频，经数字相位正交检波器检波，最后，将中频I/Q信号输送至第二数字滤波器进行滤波，并将滤波后的信号输送至信号处理分机。
2.根据权利要求1所述的高敏感度和高动态范围的雷达接收机，其特征在于：所述的模拟滤波器的输出端与信号叠加器的输入端连接，滤除射频带外信号，并输出此滤波后的回波信号。
3.根据权利要求1所述的高敏感度和高动态范围的雷达接收机，其特征在于：所述的数字噪声产生器与第一组数字滤波器的输入端连接，产生特定功率的离散高斯白噪声信号，并输出此特定功率的离散高斯白噪声信号至第一组数字滤波器。
4.根据权利要求1所述的高敏感度和高动态范围的雷达接收机，其特征在于：所述的第一组数字滤波器的输出端连接D/A转换器的输入端,滤除雷达频带以内的离散高斯白噪声信号，并输出滤波后的离散高斯白噪声信号至D/A转换器。
5.根据权利要求1所述的高敏感度和高动态范围的雷达接收机，其特征在于：所述的D/A转换器的输出端与信号叠加器的输入端连接，将滤波后的离散高斯白噪声由离散信号转换成模拟白噪声信号，并输出模拟白噪声信号至信号叠加器。
6.根据权利要求1所述的高敏感度和高动态范围的雷达接收机，其特征在于：所述的信号叠加器的输出端与A/D转换器连接，将滤波后的回波信号与模拟白噪声信号进行叠加处理，并输出叠加信号至A/D转换器。
7.根据权利要求1所述的高敏感度和高动态范围的雷达接收机，其特征在于：所述的A/D转换器的输出端与信号混频器的输入端连接，对叠加信号进行A/D转换，获得离散信号x(n)，并将离散信号x(n)输出至信号混频器。
8.根据权利要求1所述的高敏感度和高动态范围的雷达接收机，其特征在于：所述的信号混频器的输出端与数字相位正交检波器的输入端连接，信号混频器的本振端连接有本机振荡器，将射频信号与本振信号进行混频得到中频信号x 1(n)，并将中频信号x 1(n)输出至数字相位正交检波器。
9.根据权利要求1所述的高敏感度和高动态范围的雷达接收机，其特征在于：所述的数字相位正交检波器与第二组数字滤波器连接，对离散中频信号x 1(n)进行数字正交变换得到中频I/Q信号，并将中频I/Q信号输出至第二组数字滤波器。
10.根据权利要求1所述的高敏感度和高动态范围的雷达接收机，其特征在于：所述的第二组数字滤波器与信号处理分机连接，滤除高频分量，得到基带I/Q信号，最后，将基带I/Q信号发送至信号处理分机。
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