CN1786734A - 一种改善高频地波雷达接收机动态范围的方法和电路 - Google Patents

Abstract

一种改善高频地波雷达接收机动态范围的方法和电路，其特征在于：海洋回波信号经接收天线后，分为两路或多路，在以远近程压地波信号作为基准信号的时序控制电路的控制下，近海回波经过较大衰减进入接收机的模拟前端，而远海回波直接进入接收机的模拟前端，使接收机在不同探测距离上具有不同的灵敏度，从而实现了接收机的数字时间增益控制。本发明既严格保留了回波的幅度信息和相位信息，又可减小高频地波雷达系统对接收机动态范围的要求，相当于提高了接收机的瞬时动态范围，可极大地增加相控阵雷达系统的作用范围。

Description

一种改善高频地波雷达接收机动态范围的方法和电路

技术领域

本发明属于高频地波海洋雷达环境监测技术领域，特别是涉及一种改善高频地波雷达接收机动态范围的方法。

背景技术

高频地波雷达主要用于探测大面积的海洋表面状态及海上低空低速移动目标。雷达接收机将同时收到幅度相差甚大的远距离和近距离的回波信号，致使接收机需要较高的动态范围，同时由于高频地波雷达采用相干的相控阵体制，要求多通道接收机具有稳定的幅频特性和相频特性。虽然采用高性能器件、自动增益控制电路、近程时间增益控制电路和对数放大器等方法都可提高接收机的动态范围，但对接收系统的幅频特性和相频特性将产生较大的畸变，或使系统增益随输入信号瞬时变化，这些特性都不适合采用相干的相控阵体制下的高频地波雷达系统。而采用直接波抑制方法，设计直接波抑制信号，使其后沿比发射脉冲的后沿落后30us。可抑制离雷达4.5km以内的回波信号120dB以上。虽然直接波抑制信号后沿比发射脉冲的后沿落后越多，对接收机动态范围的要求越低，但近海盲区就越大，有时不能满足实际要求。

发明内容

针对上述问题，本发明提出一种改善高频地波雷达接收机动态范围的方法和电路，该方法在严格保留了回波的幅度信息和相位信息的同时，减小了对接收机动态范围的要求，相当于提高了接收机的瞬时动态范围，可极大地增加相控阵雷达系统的作用范围。

在线性调频中断连续波的体制下，雷达发射信号为门控脉冲调制的线性调频信号。设T为扫频周期，T_s是单个扫频步骤完成时间。f₁为发射信号起始频率，f₂扫频终止频率，B＝f₁-f₂为扫频宽度。

在一个扫频周期之内，门控前发射信号可以写成

             S(t)＝cos(2πf₁t+παt²+₁) 0＜t＜T                (1)

其中α＝B/T为线性调频斜率，₁为信号的初始相位，则门控后输出为

                 S_t(t)＝S(t)g(t)                            (2)

这里， $g\left(t\right)=\underset{n=0}{\overset{p-1}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{rect}\left[\frac{t-\mathrm{nq}-\frac{T_P}{2}}{T_p}\right]$ 为门控信号。其波形下图所示。

                      线性调频中断连续波的工作波形

若位于R距离处有一目标以径向速度v做匀速运动，则雷达的目标回波信号相对发射信号的延时τ可表示为

$\mathrm{\τ}=\frac{2R}{c}+\frac{2v}{c}t---\left(3\right)$

则目标散射回波信号可以表示为

                 S_r(t)＝K_Rg_R(t)g(t-τ)S(t-τ)               (4)

其中K_R为诺顿传播衰减因子，g_R(t)为压地波信号。

尽管接收机采用匹配滤波器能获得最大的信噪比，但为了减小距离旁瓣电平，通常采用失配的脉冲压缩滤波器，即对匹配滤波器在频域或幅度上进行加权。回波信号的匹配滤波过程是由混频、低通滤波和傅立叶变换来等效完成的。接收机的本振信号是未门控的FMCW信号，输出可以表示为

              S_I＝FT{[K_Rg_R(t)g(t-τ)S(t-τ)S(t)]*LPF}       (5)

其中FT表示傅立叶变换，LPF表示低通滤波器，*代表卷积。观察上式可以发现，g_R(t)g(t-τ)这一项只是对不同距离元的回波乘了一个不同的系数，表明接收机对其时间利用率不同，而不影响单个距离元上解调信号的频率成分。对τ来说，式(3)中的第二项(速度项)相比第一项(距离项)一般来说要小很多，可以忽略第二项。因此，较小的τ对应于近距离的海洋回波，通过采用合适的压地波形，能减少近距回波的时间利用率。从而减小近海回波的能量，有效地压制近海回波。

根据电波传播理论，不同距离时间段的回波信号的强弱相差甚大。因此，在不同的距离时间段，接收机采用不同的增益，目的是使每个距离时间段之间的最大信号电平、最小信号电平基本一样，此时对接收机动态范围的要求将取决于每个距离时间段的大小。只要适当划分各个距离时间段，即可降低对接收机动态范围的要求。具体特点如下：

1、高频电磁波在海面上的衰减速度与距离成非线性关系，故距离时间段的划分应是不均匀的。距离越近，高频电磁波衰减得更快，距离时间段应取得越小，距离越远，衰减比较缓慢，距离时间段应取得越大，以保证每个距离时间段上的回波信号强度差基本一样。

2、系统增益、灵敏度的要求按最远探测距离计算。

3、对于不同的距离时间段，在系统前端增加纯电阻制成的不同的衰减网络，数字式减小各距离时间段的增益，之后在软件中予以补偿。

4、纯电阻衰减网络的稳定性和一致性好，严格保留了回波的幅度特性和相位特性。

5、采用数字控制方式，电路简单、易行。用PIN管进行增益切换，开关特性好。

距离时间段划分得越细，动态范围的条件越容易满足。但硬件控制就越复杂，软件补偿也将更困难，且使信号的畸变更大，因此应合理划分各个距离时间段。

基于以上的设计思想，本发明提供的技术解决方案是：一种改善高频地波雷达接收机动态范围的方法，其特征在于：海洋回波信号经接收天线后，分为两路或多路，在以远近程压地波信号作为基准信号的时序控制电路的控制下，近海回波经过较大衰减进入接收机的模拟前端，而远海回波直接进入接收机的模拟前端，使接收机在不同探测距离上具有不同的灵敏度，从而实现了接收机的数字时间增益控制。

一种改善高频地波雷达接收机动态范围的电路，其特征在于：它有衰减器、时序控制电路和模拟开关；衰减器的输入端接天线，衰减器有两路或N路，N大于2，其中一路为远海回波通路，其衰减器为门控衰减器，其他为近海回波通路，其衰减器由门控衰减器串接固定衰减器组成，衰减器输出端接模拟开关；时序控制电路输入端接压地波信号，输出分为两类，一类控制门控衰减器，有2根或N根，分别对应的与远近海回波通路的门控衰减器连接，一类控制模拟开关，有1根或N-1根，分别对应的与远近海回波通路的衰减器输出端连接。

如上所述的电路，其特征在于：所述的门控衰减器主要由PIN开关二极管组成，PIN开关二极管D3、电容C3和PIN开关二极管D4串联，电感L1连接在电源VCC和开关二极管D3输入端间，电感L2连接在电源VCC和开关二极管D4输入端间，电阻R1、R2分别连接在开关二极管D3、D4输出端和时序控制电路输出端之间，开关二极管D3输入端通过耦合电容C1、C2和稳压二极管D1、D2组成的稳压电路接射频输入，开关二极管D4输出端通过耦合电容C4作为射频输出，接模拟前端。在门控信号的控制下，利用PIN开关二极管的正向导电和反向截止特性，实现开关转换，从而达到衰减信号的目的。

如上所述的电路，其特征在于：所述的固定衰减器由纯电阻组成T型网络或π型网络，实现输入输出50欧姆的阻抗匹配和20dB的固定衰减。

如上所述的电路，其特征在于：所述的时序控制电路每一路由一个异或门和一个非门组成。以两路为例，其作用是将输入的近程压地波信号和远程压地波信号转换成门控信号1和门控信号2，分别控制门控衰减器1、门控衰减器2和模拟开关。

本发明应用于高频地波雷达接收机中，置于接收天线和接收机之间。海洋回波信号经接收天线进入本电路后，分为两路，在时序控制电路的控制下，近海回波经过较大衰减进入接收机的模拟前端，而远海回波直接进入接收机的模拟前端，从而实现了接收机的数字时间增益控制。由于该电路由PIN开关二极管、纯电阻特性的元器件组成，故本发明既严格保留了回波的幅度信息和相位信息，又可减小对接收机动态范围的要求，相当于提高了接收机的瞬时动态范围，可极大地增加相控阵雷达系统的作用范围。

附图说明

图1是本发明实施例中的系统组成框图。

图2是本发明实施例中的门控衰减器电路原理图。

图3是本发明实施例中的固定衰减器T型网络电路原理图。

图4是本发明实施例中的固定衰减器π型网络电路原理图。

图5是本发明实施例中的时序控制电路原理图。

图6是本发明实施例中的时序关系图。

图7是本发明实施例中的采用N段压地波的系统组成框图。

图8是本发明实施例中的采用4段压地波的时序控制电路原理图。

图9是图8的时序关系图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明作进一步详细的描述。

参见图1，本发明实施例中的一种改善高频地波雷达接收机动态范围的方法和电路，主要包括二个完全相同的门控衰减器、一个固定衰减器、一个模拟开关和一个时序控制电路。

图2中的门控衰减器主要由PIN开关二极管组成，当门控信号为高电平时，二极管D3和D4由于反偏而处于反向截止状态，此时输入端和输出端断路，输出端无输出，达到衰减信号的目的。当门控信号为低电平时，电源电流分别经电感L1和L2、二极管D3和D4、电阻R1和R2使二极管D3和D4导通，此时输入信号经耦合电容C1、C2、C3、C4直接到达输出端，从而达到信号直通的目的。其中D1和D2为过压保护二极管，C5为去耦电容。

图3中的固定衰减器是由三个电阻、按T型网络形式组成的，用于实现输入输出50欧姆的阻抗匹配和20dB的固定衰减。

图4中的固定衰减器是由三个电阻，按π型网络形式组成的，用于实现输入输出50欧姆的阻抗匹配和20dB的固定衰减。

图5中的时序控制电路是由一个异或门和一个非门电路组成的。一路将输入的近程压地波信号和远程压地波信号异或后再取反作为门控信号1输出，另一路直接将远程压地波信号作为门控信号2输出。

图6给出了系统的时序关系。其中t₁为雷达的发射期，t₂为接收期，t₃近海盲区的延时。t₄为近程接收时间窗，t₅为远程接收时间窗。

图8和图9给出了4段压地波信号控制的实施例。4段压地波信号分别经异或门和非门输出4路门控信号给门控衰减器，同时4路门控信号再通过8-3编码器输出两根控制线，控制4选1模拟开关。

当雷达处于发射期时，近程压地波和远程压地波均为高电平，则图1中门控信号1和门控信号2也为高电平，门控衰减器1和2均处于衰减状态，A、B两点的电压很低，以保护接收机的模拟前端。

在雷达接收期t₃期间，近程压地波和远程压地波也均为高电平，则图1中门控信号1和门控信号2也为高电平，门控衰减器1和2均处于衰减状态，达到抑制近海盲区回波信号的目的。

在雷达接收期t₄期间，近程压地波为低电平，远程压地波为高电平，此时图1中门控信号1为低电平，门控衰减器1处于导通状态。门控信号2为高电平，门控衰减器2处于衰减状态，模拟开关接通A支路，此时近海内的回波信号经过门控衰减器1、20dB的固定衰减器和模拟开关到达模拟前端。

在雷达接收期t₅期间，近程压地波和远程压地波均为低电平，图1中门控信号1为高电平，门控衰减器1处于衰减状态。而门控信号2为低电平，此时门控衰减器2处于导通状态，模拟开关接通B支路，远海的回波信号经过门控衰减器2和模拟开关到达模拟前端，从而实现远海回波信号无衰减地通过本电路。

Claims (6)

1、一种改善高频地波雷达接收机动态范围的方法，其特征在于：海洋回波信号经接收天线后，分为两路或多路，在以远近程压地波信号作为基准信号的时序控制电路的控制下，近海回波经过较大衰减进入接收机的模拟前端，而远海回波直接进入接收机的模拟前端，使接收机在不同探测距离上具有不同的灵敏度，从而实现了接收机的数字时间增益控制。

2、一种改善高频地波雷达接收机动态范围的电路，其特征在于：它有衰减器、时序控制电路和模拟开关；衰减器的输入端接天线，衰减器有两路或N路，N大于2，其中一路为远海回波通路，其衰减器为门控衰减器，其他为近海回波通路，其衰减器由门控衰减器串接固定衰减器组成，衰减器输出端接模拟开关；时序控制电路输入端接压地波信号，输出分为两类，一类控制门控衰减器，有2根或N根，分别对应的与远近海回波通路的门控衰减器连接，一类控制模拟开关，有1根或N-1根，分别对应的与远近海回波通路的衰减器输出端连接。

3、如权利要求2所述的电路，其特征在于：所述的门控衰减器主要由PIN开关二极管组成，PIN开关二极管D3、电容C3和PIN开关二极管D4串联，电感L1连接在电源VCC和开关二极管D3输入端间，电感L2连接在电源VCC和开关二极管D4输入端间，电阻R1、R2分别连接在开关二极管D3、D4输出端和时序控制电路输出端之间，开关二极管D3输入端通过耦合电容C1、C2和稳压二极管D1、D2组成的稳压电路接射频输入，开关二极管D4输出端通过耦合电容C4作为射频输出，接模拟前端。。

4、如权利要求2或3所述的电路，其特征在于：所述的固定衰减器由纯电阻组成T型网络或π型网络。

5、如权利要求2或3所述的电路，其特征在于：所述的时序控制电路每一路由一个异或门和一个非门组成。

6、如权利要求4所述的电路，其特征在于：所述的时序控制电路每一路由一个异或门和一个非门组成。

Images