CN201259546Y - 时分多通道随机码调相船用防撞雷达 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及无线电定位技术领域，它是时分多通道随机码调相船用防撞雷达。在桅杆或船顶设收/发两用准光集成介质透镜天线环形阵列，由DSP编码脉冲扫描全方位警戒水面可能发生碰撞目标，水面摄像、本船速传感、卫星定位传感GPS数据MCU控制时分毫米波多通道随机码调相，经上变频、R/T₃、倍频与功放、R/T₂、环形器、波束开关、天线阵列发射，回波经天线阵列、波束开关、环形器、R/T₁、低噪声高放、分谐波混频、中放、提取相关多通道信号由DSP与MCU处理控制，同一水域相邻船只航行互不干扰共存运行，具有高性能电磁兼容EMC，遇多个目标DSP抑制虚警确定方位和距离及速度，CRT显示三维全景图像，目标距离越近分辨力越清楚，识别与本船最近距离的目标，小于安全距离控制声光报警，接近危险距离智能避障或减速，其控制参考水面摄像结合本船速和GPS提供当前位置数据抉择，显著提高船只航行安全。

Description

时分多通道随机码调相船用防撞雷达

技术领域

本实用新型涉及无线电波发射与接收探测目标方位、距离和速度的技术领域，具体是一种时分多通道随机码调相船用防撞雷达。

背景技术

当前，海洋航运和内陆江河湖泊航运、渔业迅速发展，船只大量增多，港口、航道越来越拥挤，常有船只超载、超速，尤其两船或多条船交汇时其惯性力冲击掀起大波浪，影响航向不易正确操纵，导致船只相互碰撞或撞击桥墩，严重时沉船，甚至桥梁塌陷。在暴风雨天气恶劣时引发事故概率更大，海洋航运、渔业生产、江河湖泊航运应用雷达防撞正在迅速发展，迫切需要先进防撞雷达保障航行安全。从技术方面分析FM-CW调频连续波防撞雷达局限于检测单一目标，调制信号仅用单一频率的周期信号作为检测标志，不能对观察区域内所有目标同时无模糊测定距离和速度。对可能发生碰撞船只目标大小和距离远近分辨力单一，相邻多个目标回波相互交调、串扰会很难分辨其检测数据，影响判断。脉冲PD雷达发射脉宽遮挡回波信号的接收，存在距离盲区不能近距检测防撞，缺少对多个可能碰撞目标检测和跟踪能力，船只密集的水域应用防撞雷达抗相互干扰问题势必解决，随机信号连续波雷达虽有很高的抗干扰能力，可望有高性能环境电磁兼容EMC，但因连续波雷达天线发射能量辐射泄漏，阻塞接收回波影响检测，尤其弱小目标难能检测到。防撞预警雷达作用距离较近，要求船体所处的水面具有全方位安全航行防撞功能。此外，简单显示器对相邻目标难以分辨，不能显示多个目标全景图像，相对位置、距离远近、移动速度欠缺预警。现有防撞雷达缺少用传感器信号构成闭环控制的功能，缺少水域环境天线自适应控制和自动避障、减速的智能控制，能见度差或航行遇险情不能及时帮助司机解危避免事故。

发明内容

本实用新型的目的是提供同一水域相邻船只航行互不干扰共存运行，相对快速的同时全方位检测所处水域可能发生碰撞的多个目标距离、速度，目标距离越近分辨力越高的时分多通道随机码调相船用防撞雷达。

本实用新型技术方案设有环形器、中放、数据缓冲器FIFO、数字信号处理器DSP、微控制器MCU、双口存储器RAM、接口I/O、水面摄像头、本船速传感器、卫星定位传感器GPS、声光报警器、方向舵控制器、减速器、点火/熄灭控制器、键盘，还设有收/发两用准光集成介质透镜阵列天线、波束转换开关、收/发转换开关T/R₁、T/R₂、T/R₃、频率合成器、时分电路、多元随机码发生器、调相器、倍频与功放、低噪声高放、分谐波混频器、多通道信号提取电路、光栅扫描图像显示器CRT，收/发两用准光集成介质透镜天线阵列在船顶高位设成水平环形阵或环绕桅杆为圆环阵，频率合成器输出f_C2接入DSP为时钟信号，f_C3接入MCU为时钟信号，DSP编码脉冲分配序列接入波束转换开关、CRT，全方位循环扫描探测水面可能碰撞的目标，频率合成器输出f_C1接入时分电路为时钟信号，时分电路计数预置端经接口I/O接入MCU，水面摄像头、本船速传感器、卫星定位传感器GPS信号经接口I/O接入MCU控制时分电路生成n路时分脉冲，高电平逻辑“H”接入收/发转换开关T/R₂、T/R₃，低电平逻辑“L”接入T/R₁，频率合成器输出f_N信号接入调相器为载频的一半或四分之一频率，频率合成器输出f_C41、f_C42、f_C4n信号接入多元随机码发生器为采样保持时钟信号，多元随机码发生器生成n组取值互相独立码频与带宽，经时分编码为码频递增、码元宽度递减分段关联排列n路时分随机码脉冲接入调相器、多通道信号提取电路脉压相关器延迟线，调相射频经T/R₂、倍频与功放二或四倍频、功放为雷达载频f₀接至T/R₃、环形器、波束转换开关、准光集成介质透镜阵列天线发射，频率合成器输出f_N接入分谐波混频器为本振信号f_L、f_i接入多通道信号提取电路为中频相干基准频率，回波射频经准光集成介质透镜阵列天线、波束转换开关、T/R₁、环形器、低噪声高放、分谐波混频器、中放，n路时分脉冲在时分电路时序异步选通门选取n组按发射编码的多元随机码，再经多通道信号提取电路脉压相关处理暂存数据缓冲器FIFO接入DSP数据总线，DSP与MCU数据总线、地址线、控制线经双口存储器RAM汇接并提供仲裁信号，接口I/O分别接入CRT、声光报警器、方向舵控制器、减速器、点火/熄灭控制器、键盘，DSP软件设计片内分组时分复用数据重排、动目标显示MTI、距离旁瓣抑制、快速傅里叶变换FFT、恒虚警处理CFAR，MCU系统软件编程包括主程序和数据采集、数据处理、对象控制子程序，中放自动增益控制AGC电压经滤波、放大接入低噪声高放、中放AGC受控端，波束转换开关、环形器、收/发转换开关T/R₁、T/R₂、T/R₃、频率合成器、时分电路、多元随机码发生器、调相器、倍频与功放、低噪声高放、分谐波混频器、中放射频收/发电路集成一体，屏蔽；

其中，频率合成器由恒温晶振、晶振分频器、倍频放大链、混频器、压控振荡器VCO、鉴相器、环路滤波器、环路分频器组成，VCO由砷化镓高电子迁移率GaAsHEMT器件、介质谐振器反馈振荡、变容管压控调谐，环路分频器由前置分频器和可编程分频器组合，恒温晶振输出一路经倍频放大链与VCO输出接混频器，通过环路分频器接入鉴相器，另一路经晶振分频器接入鉴相器，鉴相电压经环路滤波器压控VCO构成锁相频率合成，VCO输出f_N接入调相器，调相信号经倍频与功放二或四倍频为雷达载频f₀，同时f_N经定向耦合器接入分谐波混频内在二或四倍频为本振信号f_L，可编程分频预置端经接口I/O接入微控制器MCU，可编程分频输出f_i为中频相干检波基准频率、f_C1为时电路分时钟信号、f_C2为数字信号处理器DSP时钟信号、f_C3为MCU时钟信号、f_C41、f_C42、f_C4n为多元随机码发生器采样保持时钟信号；

收/发两用准光集成介质透镜天线阵列，由介质基片微带双偶极振子集成天线、介质透镜、阵列基座、防护罩构成，介质透镜是一端面为半球体，另一端面为圆柱体截面，介质基片微带双偶极振子集成天线紧密放置在介质透镜的圆柱截面为馈源，介质透镜半球端面为天线辐射面，在船顶高位设成水平环形阵列或环绕桅杆圆环阵列，DSP编码脉冲序列接入波束转换开关、光栅扫描图像显示器CRT坐标变换器；

波束转换开关是在透镜天线天馈波导集成PIN二极管或高电子迁移率晶体管HEMT管芯串、并、串联接为单刀单掷开关SPST，多个波束转换开关由其组合控制成单刀多掷开关，偏压经低通网络接入数字信号处理器DSP编码脉冲分配序列，收/发转换开关T/R1、T/R2、T/R3设在环形器收、发分支处、倍频与功放输入端，PIN或HEMT管芯串、并、串联为单刀单掷开关SPST，其中T/R2、T/R3是双连同步开关，控制偏压经低通网络由时分脉冲高电平逻辑“H”接入T/R2、T/R3，低电平逻辑“L”接入T/R1；

多元随机码发生器由宽带噪声源、微波宽带放大器、n组SAW声表带通滤波器、缓冲放大器、电压比较器、高速电压比较器、超高速电压比较器、采样保持器、高速采样保持器、超高速采样保持器、有源积分器组成，宽带噪声源由PN结二极管，在其管芯设一P或N扩散限流环，管芯衬底基片置热沉，串联温补二极管，置于同轴腔加恒流反偏PN结二极管为雪崩击穿区域，微波宽带放大器通过匹配宽带渐变过渡传输线接入n组SAW声表带通滤波器选取互相独立码频与带宽噪声谱，分别经缓冲放大器接入电压比较器至采样保持器、高速电压比较器至高速采样保持器、超高速电压比较器至超高速采样保持器，频率合成器输出f_C41、f_C42、f_C4n接入相应采样时间的采样保持器、高速采样保持器、超高速采样保持器为时钟信号，在采样保持器或高速采样保持器或超高速采样保持器输出随机二相码元并经有源积分器反馈回电压比较器或高速电压比较器或超高速电压比较器为参考门限，n组随机二相码接入时分电路编码为码频递增、码元宽度递减分段关联排列n路时分随机码脉冲信号接入调相器、多通道信号提取电路脉压相关器延迟线；

调相器由衬底未掺杂砷化镓GaAs与未掺杂铝基砷化镓AlGaAs形成交界面的基片上，集成2组高电子迁移率晶体管HEMT器件对管、4个3dBLange定向耦合器、4个栅极电阻、2个负载电阻构成两路反射式调制器，2组HEMT对管栅极分别串一电阻接入调制信号，源极接地，由2个3dBLange定向耦合器分别接在2组HEMT器件对管漏极，交叉耦合到其余2个3dBLange定向耦合器，2个负载电阻端接射频RF输入或调相BPSK输出，频率合成器VCO输出fN雷达载频一半或四分之一频率接调相器输入口，n组随机码P₁、P₂、P_n时分电路编码n路脉冲经低通滤波网络接入两路调制器HEMT对管栅极，互补控制生成n路时分0、π二进制BPSK调相信号，倍频与功放由磷化铟砷化镓高电子迁移率InPGaAsHEMT器件构成，倍频栅极串联λ/4阻抗变换微带线，源极阻容接地，漏极微带线抑制基波和三次谐波，调谐在二次或四次谐频为雷达载频f₀，功放栅极接微带线阻抗变换网络和C类偏置，源极接地，漏极微带线调谐在f0，并与天线阻抗匹配，倍频与功放漏极分别经低通网络馈入直流电源；

低噪声高放由一个磷化铟砷化镓高电子迁移率双栅InPGaAsHEMT器件、微带线匹配网络构成，第一栅极连接回波载频微带线、共面线匹配网络，第二栅极自动增益控制AGC端，接入中放AGC检出信号，源极阻容接地，漏极输出经匹配网络连接分谐波混频器SHP，频率合成器输出f_N经定向耦合器接入SHP为内在二或四倍频本振信号f_L，混频器由两个肖特基二极管反向并接在本振fL微带线匹配网络与回波载频微带线匹配网络之间，中频信号IF在本振fL匹配网络一侧经带通滤波网络取出；

多通道信号提取电路由n组I/Q相干检波器、低通滤波器LF、模数转换器A/D组成，中放输出在时分电路译码器n路异步时序选通门选取P₁′、P₂′、P_n′组回波信号接入对应的I/Q相干检波器，其检波器分同相I支路、正交Q支路两个乘法器，频率合成器输出f_i为中频相干基准信号，接入I支路，移相π/2接入Q支路，两路分解信号分别经LF、A/D接入脉压相关处理器，其脉压相关处理器由现场可编程门阵列FPGA构成带抽头可变延迟线Z^-1横向滤波器FIR，n路时分编码脉冲接入调相器、脉压相关处理器抽头可变延迟线Z^-1，横向滤波器FIR输入的一端连接多通道信号提取电路A/D，另一端与可变延迟线Z^-1各抽头相接，横向滤波器FIR输出经回波数据缓冲器FIFO接入数字信号处理器DSP数据总线；

时分电路由现场可编程门阵列FPGA组建可编程计数器、译码器、单稳态触发器、编码开关、时序异步选通门组成，计数器Cp、单稳态触发器定时输入端接入频率合成器输出f_C1时钟信号，计数器可编程预置经接口I/O接入微控制器MCU，路况摄像传感器、本船速传感器、卫星定位传感器GPS信号经接口I/O接入MCU控制时分电路生成n路时分脉冲，高电平逻辑“H”接入收/发转换开关T/R₂、T/R₃，低电平逻辑“L”接入T/R₁，多元随机码发生器独立选取码频与码元宽度P₁、P₂、P_n组随机码调制信号分别接入编码开关，计数器数据端、单稳态触发器输出接译码器对应控制端，译码器各输出端与编码开关对号相接构成n组随机码信号码频递增、码元宽度递减分段关联排列n路时分脉冲接入调相器、多通道信号提取电路脉压相关器延迟线，调相信号经T/R₂、倍频与功放、T/R₃、环形器、波束转换开关、准光集成介质透镜阵列天线发射，回波RF经准光集成介质透镜阵列天线、波束转换开关，环形器、T/R₁、低噪声高放、分谐波混频器、中放，在时分电路n路时序异步选通门选取发射时分编码P₁′、P₂′、P_n′的n组复调制信号接入多通道信号提取电路I/Q相干检波器、模数转换器A/D、脉压相关处理器经回波数据缓冲器FIFO接入数字信号处理器DSP数据总线，DSP与MCU数据总线、地址线、控制线由双口存储器RAM汇接并提供仲裁信号；

光栅扫描图像显示器CRT由坐标变换器、图像存储器RAM、地址选择I/O控制器、数模转换器D/A、标尺产生器、字符产生器、图形颜色产生器、显示控制器、辉亮电路、显像管X-Y-Z偏转系统组成，数字信号处理器DSP编码脉冲分配序列接入坐标变换器、波束转换开关，多通道回波信号经DSP谱分析数据由微控制器MCU接口I/O送至显示控制器，显示控制器分别连接坐标变换器、地址选择I/O控制器、图像存储器RAM、数模转换器D/A、标尺、字符产生器、显像管X-Y-Z偏转系统，其中坐标变换器、数模转换器D/A、标尺、字符及图形颜色产生器分别还接入辉亮电路控制显像管调辉电极。

本技术方案在桅杆或船顶高位处设置准光集成介质透镜收/发天线阵列，DSP编码脉冲分配序列所对应时间CRT坐标变换器导出识别目标所处位置，全方位警戒可能碰撞的目标，发射信号由水面摄像头、本船速传感器，卫星定位传感器GPS信号MCU控制生成n个时分信道，随机信号码频与带宽SAW声表带通滤波器选取，采样保持器分段关联采样，码频与带宽独立产生，时分编码为码频递增、码元宽度递减关联排列n路多元随机码调相发射，目标距离由远至近码频增高、码元宽度线性变窄，快速相对的同时检测多个目标或单个目标在多通道中检测积累，距离越近分辨力越高，多谱勒频移越大，三维图像细节分辨越清楚，DSP抑制水面虚警识别与本船最近距离的目标，前方无船时由司机设定速度航行，出现船只雷达控制本船速保持安全距离，偏离安全距离声光报警，逼近危险距离MCU指令避障器自动避障或启动减速器、刹船器智能控制，起到能见度差航行不易看清楚的避障功能，极大提高防撞性能，与连续波随机码雷达相比，保持随机信号雷达高性能环境电磁兼容EMC，检测分辨多目标性能显著提高；n路随机码调相收/发时分异步后沿检测，时间上隔离发射能量泄漏到接收系统，提高弱小目标信号的检测能力，增大雷达作用距离，后沿检测消除发射脉宽遮挡回波避免盲距，改善动态范围，实现近距防撞；频率合成多个基准频率和时钟信号，保障收/发载频、中频起始相位一致、时分脉位精确，雷达载频取一半或四分之一频率调相，二或四倍频、功放发射与分谐波混频本振内在二或四倍频接收，以少量高端毫米波器件获取高载频测距/测速性能；准光集成介质透镜天线传输损耗小、增益高、成本低，抗振防尘防蚀强，在DSP波束循环扫描检测多个目标视野宽广，方位角分辩力高，精确。

附图说明

图1本实用新型船用雷达技术方案原理图

图2雷达收/发脉冲时序图

图3频率合成器

图4时分电路

图5多元随机码发生器

图6时分随机码调相器

图7时分多通道信号提取电路

图8光栅扫描图像显示器

具体实施方法

参照图1，本实用新型具体实施方法和实施例设有：环形器3、中放6、数据缓冲器FIFO13、数字信号处理器DSP14、微控制器MCU16、双口存储器RAM15、接口I/O19、水面摄像头17、本船速传感器18、卫星定位传感器GPS26、声光报警器20、方向舵控制器21、减速器23、点火/熄灭控制器24、键盘25，还设有收/发两用准光集成介质透镜阵列天线1、波束转换开关2、收/发转换开关T/R₁、T/R₂、T/R₃、频率合成器12、时分电路10、多元随机码发生器11、调相器9、倍频与功放8、低噪声高放4、分谐波混频器5、多通道信号提取电路7、光栅扫描图像显示器CRT22，收/发两用准光集成介质透镜天线阵列1在船顶高位设成水平环形阵或环绕桅杆为圆环阵，频率合成器12输出f_C2接入DSP14为时钟信号，f_C3接入MCU16为时钟信号，DSP14编码脉冲分配序列接入波束转换开关2、CRT22，全方位循环扫描探测水面可能碰撞的目标，频率合成器12输出f_C1接入时分电路10为时钟信号，时分电路10计数预置端经接口I/O19接入MCU16，水面摄像头17、本船速传感器18、卫星定位传感器GPS26信号经接口I/O19接入MCU16控制时分电路10生成n路时分脉冲，高电平逻辑“H”接入收/发转换开关T/R₂、T/R₃，低电平逻辑“L”接入T/R₁，频率合成器12输出f_N信号接入调相器9为载频的一半或四分之一频率，频率合成器12输出f_C41、f_C42、f_C4n信号接入多元随机码发生器11为采样保持时钟信号，多元随机码发生器11生成n组取值互相独立码频与带宽，经时分编码为码频递增、码元宽度递减分段关联排列n路时分随机码脉冲接入调相器9、多通道信号提取电路7脉压相关器延迟线，调相射频经T/R₂、倍频与功放8二或四倍频、功放为雷达载频f₀接至T/R₃、环形器3、波束转换开关2、准光集成介质透镜阵列天线1发射，频率合成器12输出f_N接入分谐波混频器5为本振信号f_L、f_i接入多通道信号提取电路7为中频相干基准频率，回波射频经准光集成介质透镜阵列天线1、波束转换开关2、T/R₁、环形器3、低噪声高放4、分谐波混频器5、中放6，n路时分脉冲在时分电路10时序异步选通门选取n组按发射编码的多元随机码，再经多通道信号提取电路7脉压相关处理暂存数据缓冲器FIFO13接入DSP14数据总线，DSP14与MCU16数据总线、地址线、控制线经双口存储器RAM15汇接并提供仲裁信号，接口I/O19分别接入CRT22、声光报警器20、方向舵控制器21、减速器23、点火/熄灭控制器24、键盘25，DSP14软件设计片内分组时分复用数据重排、动目标显示MTI、距离旁瓣抑制、快速傅里叶变换FFT、恒虚警处理CFAR，MCU16系统软件编程包括主程序和数据采集、数据处理、对象控制子程序，中放6自动增益控制AGC电压经滤波、放大接入低噪声高放4、中放6的AGC受控端，波束转换开关2、环形器3、收/发转换开关T/R₁、T/R₂、T/R₃、频率合成器12、时分电路10、多元随机码发生器11、调相器9、倍频与功放8、低噪声高放4、分谐波混频器5、中放6射频收/发电路集成一体，屏蔽。

收/发两用准光集成介质透镜天线阵列在船顶高位设成水平环形阵列或环绕桅杆圆环阵列，由DSP编码脉冲序列控制波束转换开关水平全方位逐次循环扫描发射、预警碰撞目标，DSP编码脉冲序列在所对应时间光栅扫描图像显示器CRT坐标变换器导出识别目标所处位置。其介质透镜半球体为辐射面，短圆柱体横截面紧密放置介质基片微带集成天线为馈源，模拟集成天线无穷厚介质基片消除表面波，改变圆柱体长度可获得合适的波束宽度的准光高斯束辐射高辨力方向性。准光集成介质透镜天线损耗小、增益高，收/发互易性强，由于介质透镜机械性能坚固抗振和防尘、防水雾腐蚀良好。

为了克服噪声的影响，提高雷达弱小目标探测设低噪声高放。防撞雷达作用距离近，增益10dB即可，由于回波信号强弱起伏很大，防止混频输入大信号饱和阻塞，高放、中放均设自动增益控制AGC，保持接收有足够大的动态范围，以适应检测不同距离目标。双栅器件第二栅控制I_S对g_m变化特性，源极电阻自给偏压，I_S在其电阻压降使栅极产生负偏压，选取合适的I_b和g_m，加上AGC电压可得到良好的控制特性，选用磷化铟为衬底砷化镓高电子迁移率双栅器件InPGaAsHEMT在毫米波高端频率具有低噪声特性，AGC控制范围较大。

分谐波混频器SPH是在鳍线或微带线电路由两个反向并接肖特基二极管，相互保护在过高反压时不被烧毁，回波载频信号与本振信号相差甚远，隔离大于30dB，电路简单，无须耦合电桥和直流电源，利用本振信号产生非线性谐波倍频，与调相载频同取一半或四分之一频率，仅少量毫米波器件可获得高端载频f₀。

时分随机码调相雷达发扬随机信号是随机变量的时间过程的本质，在同一水域多条船只相邻航行，发射信号相互照射扫掠必然进入对方接收系统，基于随机码无周期性重复并早已发生变化，起不了对目标回波相关处理的干扰作用，不影响对方雷达正常工作运行，显示出优良的抗干扰环境电磁兼容性EMC，使其船只密集的水域装备防撞雷达保障航行安全成为现实。

本发明雷达收/发电路集成一体简化电路连接，省略波导和同轴接头，提高雷达自身工程电磁兼容性和可靠性。

图2雷达收/发脉冲时序图，(a)是DSP编码脉冲分配序列控制天线波束扫描波形T_S，(b)是时分电路时钟信号f_C1波形，(c)是单稳态触发器定时脉冲t₁、占空因了t₂的波形，水面摄像头、本船速传感器、卫星定位传感器GPS信号在MCU控制时分电路生成n路时分脉冲，高电平逻辑“H”上沿时收/发转换开关T/R₂、T/R₃接通发射，T/R₁关断接收，下沿时进入低电平逻辑“L”，T/R₂、T/R₃关断发射，T/R₁接通接收，时分电路时序异步选通门选取目标回波信号。(d)、(e)、(f)、(g)浅色波形是n组随机码调相信号时分n路发射脉冲，脉宽τ与t₁相等，探测周围水面可能发生碰撞的船只或其它漂浮目标，深色波形是时分异步接收目标回波脉冲，其中(d)收/发脉冲重叠吻合，回波延时Δt＝0，目标距离为零时无回波产生，(g)回波延时Δt＝max为雷达检测目标最大的作用距离，(e)、(f)收/发脉冲的延时Δt>0，Δt<max，可看到，不同距离目标Δt不同的延时。目标距离产生延时，距离越近脉宽越窄，功率变小，而近区场辐射强，信噪比下降不大时可检测目标回波。雷达收/发异步工作时间上完全隔离发射信号能量泄漏，极大提高检测弱小目标信号的能力，达到随机码连续波雷达、脉冲雷达不具备的优点。

图3频率合成器，恒温晶振12a信号一路经晶振分频器12f与环路分频器12k接鉴相器12g，鉴相电压经环路滤波器12h压控VCO12i锁定相位，恒温晶振12a信号另一路经倍频放大链12b、12c、12d、12e与VCO12i输出接入混频器121，取和频接入环路分频器12k，使VCO12i频率反馈频率下移，减小环路分频器12k分频比，改善系统相噪特性。VCO12i介质谐振器反馈振荡频稳度较高、变容管调谐范围较宽。由恒温晶振为参考锁相频率合成，频稳度很高，短稳优于10^-10/ms量级，能适于振动强温差大恶劣环境高精度相干检测，频率合成器12输出fN接入时分随机码调相、倍频、功放为雷达载频f₀，同时f_N经定向耦合器12j为分谐波混频本振信号f_L，内在倍频减低毫米波频率输出的要求。环路分频器12k可编程分频器经接口I/O19接入MCU程控，输出f_i为中频相干检波基准信号、f_C1为时分电路时钟信号、f_C2为DSP时钟信号、f_C3为MCU时钟信号、f_C41、f_C42、f_C4n为多元随机码发生器采样保持器时钟信号，因此，频率合成频稳度与恒温晶振同级，收/发载频及中频起始相位一致，时分脉冲、多元随机码采样时间准确，保证雷达高精度检测。

图4时分电路，计数器10a可编程预置端经接口I/O19接入MCU，水面摄像和本船速信息及卫星定位传感器GPS本船所处当前位置相关数据在MCU控制改变二进-十进计数生成时分脉冲，高电平逻辑“H”控制收/发转换开关T/R₂、T/R₃接通发射，T/R₁关断接收，低电平逻辑“L”开关反之。可编程计数器10a时钟端、单稳态触发器10b输入端在时钟信号f_C1的触发下，定时t₁为发射脉宽，可编程计数器10a输出在译码器10c形成n路时分脉冲控制n组随机码调相信号，经编码开关10d输出P₁、P₂、P_n时分脉冲依次在调相器9射频调相和多通道信号提取电路7脉压相关处理。在时序异步选通门10e选取中放6的P₁′、P₂′、P_n′回波脉冲，从时间上完全隔离发射能量泄漏到接收机，提高弱小目标信号检测能力，增大雷达作用距离，后沿射脉宽的遮挡避免盲距，改善动态范围，实现近距防撞检测。时分电路10时间分割为n个信道，随机信号码频与带宽递增分段关联，码元宽度独立采样产生递减关联，目标距离由远到近码频增高，码元宽度线性地变窄，相对快速的同时检测多个目标或单个目标在多个通道中检测积累数据，目标距离越近分辨力越高，多谱勒频移越大，三维图像细节分辨越清楚，极大提高防撞性能。与连续波随机码雷达相比，保持随机信号雷达高性能电磁兼容性EMC，全方位检测可能发生碰撞的船只目标，分辨多目标显著提高。

图5多元随机码发生器，由一个宽带噪声源11a在极宽的频率范围内产生均匀、平坦的噪声，其带宽达数十个倍频程。为此，抑制闪烁不可控噪声非常重要，故在噪声发生器件PN结二极管其管芯设置P或N扩散限流环，使击穿电压比其高，限制击穿范围直接位于P区或N区，消除结区边缘不可控微等离子区击穿，得到PN结均匀击穿抑制不可控噪声的产生。管芯衬底基片置热沉，降低结温产生稳定的噪声频谱。由于噪声产生受温度影响码元正负极性概率，串联温补二极管减少其影响。噪声管、温补管与偏置及匹配电路置于同轴腔，加恒流反偏工作在雪崩击穿区域，稳定的载流子雪崩倍增电流起伏生成随机散弹噪声，幅频呈正态分布。由微波宽带放大器11b总体带限放大，经匹配宽带过渡传输线接入n组随机码发生器11c、11d、11n产生P₁、P₂、P_n多元随机二相码元序列。n组随机码产生电路结构均同，取值互相独立。现以随机码产生器11c为例，SAW声表带通滤波器11_C1选取中心频率±ω₀，带宽B₀带限噪声码频通过缓冲放大器11_C2经电压比较器11_C3选择正负极性，在时钟信号f_C41控制采样保持器11_C4采样、保持输出码元，有源积分器11_C5将输出随机码反馈回电压比较器11_C3为参考门限，正负电平概率、脉冲占空比基本相等。

基于码元宽度取决于时钟采样周期，测距分辨力愈高要求码元脉冲愈窄，时钟频率相应也就愈高。为此，引用高速、超高速电压比较器均值比较，高速、超高速采样保持器进行码频递增采样、保持输出多元随机码，经时分编排达到检测距离越近分辨力越高提高防撞功能，所以时钟信号f_C41、f_C41、f_C41相应地对分段码频控制采样，产生递减关联的码元宽度。

图6时分随机码调相器，是一种冷高电子迁移率晶体管HEMT平衡推挽模式调制器，它由2组HEMT对管、4个3dBLange定向耦合器及6个电阻构成两路反射式调制器，调制电压互补控制，两组调制器输出为复数相加，矢量合成0、π二进制BPSK调相信号，输入/输出端口可互易。当1组对管栅极调制信号为正偏电压时，管子导通呈短路，使其3dBLange定向耦合器射频RF电压反射系数为负，当栅极调制信号为夹断电压时，管子沟道夹断呈开路，射频RF电压反射系数为正，反射波经3dBLange定向耦合器叠加输出对应管子通、断其相位差为0至π变化，两路反射式调制器相互抵消寄生参量引起振幅和相位的误差，获得优良的BPSK调相性能。频率合成器12输出f_N接入调相器9，时分电路10在时钟信号f_c1触发下n组随机码P₁、P₂、P_n时分编码生成n路脉冲调相多个信道。偏压经低通网络阻止射频，栅极电阻用来限流。调相射频由收/发转换开关T/R₂、T/R₃控制倍频与功放8输入/输出发射载频f₀，n组随机码同时接入多通道信号提取电路7脉压相关处理回波信号。

图7时分多通道信号提取电路，中放6回波信号n路脉冲在时分电路10时序异步选通门选取接入7a、7b、7n组I/Q相干检波器、低通滤波器LF、模数转换器A/D，这时，目标回波信号处理从时域转为频域，雷达目标的全部信息蕴含于中频复调制信号之中，因此，在回波信号数字化处理之前，将其中频去掉，即回波信号进行零中频的同相/正交相干检波(或称零中频相参混频)，输出零中频基带信号。图中I/Q相干检波器分I支路和Q支路两个乘法器，频率合成器的输出fi信号接入I支路，移相π/2接入Q支路为相参的本振信号，雷达中频回波信号经同相/正交两路相干检波，进行多通道信号提取。这复调制信号被分解成实部和虚部，信号的幅度和相位两个信息都保存下来，它们分别经过LF、A/D，在横向滤波器RIF进行脉压相关处理，对回波中频信号P₁′、P₂′、P_n′脉压，其脉压系数由发射调相随机码经延迟线Z^-1相关匹配，获取尖锐的图钉函数高信噪比信息，经回波数据缓冲器FIFO13送入数字信号处理器DSP14。

回波数据缓冲器FIFO13将n路时分多通道目标检测数据先进先出存储和读取，使DSP14运算速度大为提高。双口存储器RAM可使DSP与微控制器MCU双方握手操作交换数据，每个数据在双口RAM中按字节由低到高占用，提供仲裁信号避免DSP与MCU数据处理发生竞争。

目标回波I/Q正交相干检波和脉压相关处理复调制信号被分解成实部和虚部，信号幅度和相位两个信息都保存下来，此信号送到回波数据存储器RAM暂存，数字信号处理器DSP片内分组时分复用进行数据重排、动目标显示MTI、距离旁瓣抑制、快速傅里叶变换FFT，恒虚警处理CFAR。FFT等效于大量的距离门和多普勒滤波器组，对目标相对运动差拍的距离和速度频谱分析及距离旁瓣的抑制。完成FFT运算，恒虚警电路CFAR加以处理，根据剩余杂波的强度自动调节检测门限，使虚警概率保持在允许值内，超过门限的信号作出相关信息处理，以确定是否真实目标，确实是，则对目标的距离、速度及方位角度等数据送到图像显示器，DSP14识别与本船最近距离的目标，前方无船可由司机设定速度航行，出现船只时雷达测出信号跟踪至最近目标，控制速度保持安全距离，偏离安全距离时声光报警，目标距离逼近危险状态时MCU指令避障器自动避障或启动减速器、刹船器智能控制，MCU根据水面摄像、本船速度，并参考卫星定位传感器GPS本船所处当前位置相关数据作出其抉择数据处理控制执行机构，起到能见度差航行不易看清楚避障功能。DSP14片内分组时分复用数据输入流水处理、输出。运算浮点较大或通道n个数较多时可以相应采用多片DSP串/并工作。

图8光栅扫描图像显示器，坐标变换22a是将DSP14控制天线多波束转换的周期时序信号变换为二进制的数字量图像X、Y数据，并为图像存储器RAM22b提供图像信息的地址，它是采用高速乘法器矢量产生的方法实现坐标转换。图像存储器22b实质是一个大容量的随机读写RAM，其地址与图形上的像素相等，即一址一像素，适应多个路障目标复杂信息图形的显示，显示控制器22e具有显示定时、显示控制信号产生和光栅扫描、编址功能，标尺22f、字符22g及图形颜色产生器22h为图像显示提供刻度定位和文字说明的标志及色彩，辉亮电路22i和图像X-Y-Z偏转系统22j是CRT必备的电路和部件，光栅扫描产生后形成水平X、垂直Y扫描及其辉亮Z信号，加至CRT的偏转控制，通过地址选择控制器22c，扫描数据为图像RAM的读出地址，将图像信息同步读出。

光栅扫描图像显示清晰可辨，动态目标反映速度极快，多通道雷达回波信号经数字信号处理器DSP14多重运算经微控制器MCU控制，其回波信息数据存储在图像存储器RAM之中，然后在光栅扫描产生电路的同步下读出图像数据，数模转换器D/A和辉亮电路将其数据加至CRT的调辉电极上，动态显示多个目标的方位和距离、相对变化速度的三维全景图像。

本实施例在船顶高处设置环形天线阵列，介质透镜天线波束水平方位角±2.5°，垂直方位角3.2°，天线增益34.6dB，旁瓣-22dB，数字信号处理器DSP编码脉冲分配序列全方位循环扫描警戒可能碰撞的目标。频率合成器VCO输出f_N频率38.250GHz时分随机码调相，经2倍频76.500GHz功放为发射载频f₀，输出峰值功率2.3W，分谐波混频本振内在2倍频接收目标回波。波束转换开关扫描速率50ms/Hz，确保波束扫掠距离为600m处150m宽的水面更新，时分n最大12，由12组宽带噪声码频产生多元随机码时分编码调相、脉压相关处理多目标信号，码频与带宽递增分段关联，码元宽度独立产生时分编码，目标距离由远至近码频增高、码元宽度线性变窄，相对快速的同时全方位检测目标积累数据信息，目标距离越近分辨力越高，目标多谱勒频移越大，三维图像细节分辨越清楚，DSP抑制虚警识别与本船最近距离的目标，偏离安全距离时声光报警，逼近危险距离MCU指令避障器自动避障或启动减速器、刹船器智能控制，极大提高防撞性能。雷达噪声系数Fn15dB，毫米波载频大气传输损耗La和系统损耗Ls16dB，最大作用距离为1500m，最小作用距离15m，水面摄像、本船速传感器、卫星定位传感器GPS信号MCU调整时分信道，视水域环境检测目标，最近目标识别时间<560μs，本船时速60km/h能平稳制动，目标角度分辨力≤2°目标距离分辨力≤1m，速度分辨力<1.2km/h。

Claims (10)

1、一种时分多通道随机码调相船用防撞雷达，设有环形器、中放、数据缓冲器FIFO、数字信号处理器DSP、微控制器MCU、双口存储器RAM、接口I/O、水面摄像头、本船速传感器、卫星定位传感器GPS、声光报警器、方向舵控制器、减速器、点火/熄灭控制器、键盘，其特征在于：还设有收/发两用准光集成介质透镜阵列天线、波束转换开关、收/发转换开关T/R₁、T/R₂、T/R₃、频率合成器、时分电路、多元随机码发生器、调相器、倍频与功放、低噪声高放、分谐波混频器、多通道信号提取电路、光栅扫描图像显示器CRT，收/发两用准光集成介质透镜天线阵列在船顶高位设成水平环形阵或环绕桅杆为圆环阵，频率合成器输出f_c2接入DSP为时钟信号，f_c3接入MCU为时钟信号，DSP编码脉冲分配序列接入波束转换开关、CRT，全方位循环扫描探测水面可能碰撞的目标，频率合成器输出f_c1接入时分电路为时钟信号，时分电路计数预置端经接口I/O接入MCU，水面摄像头、本船速传感器、卫星定位传感器GPS信号经接口I/O接入MCU控制时分电路生成n路时分脉冲，高电平逻辑“H”接入收/发转换开关T/R₂、T/R₃，低电平逻辑“L”接入T/R₁，频率合成器输出f_N信号接入调相器为载频的一半或四分之一频率，频率合成器输出f_c41、f_c42、f_c4n信号接入多元随机码发生器为采样保持时钟信号，多元随机码发生器生成n组取值互相独立码频与带宽，经时分编码为码频递增、码元宽度递减分段关联排列n路时分随机码脉冲接入调相器、多通道信号提取电路脉压相关器延迟线，调相射频经T/R₂、倍频与功放二或四倍频、功放为雷达载频f₀接至T/R₃、环形器、波束转换开关、准光集成介质透镜阵列天线发射，频率合成器输出f_N接入分谐波混频器为本振信号f_L、f_i接入多通道信号提取电路为中频相干基准频率，回波射频经准光集成介质透镜阵列天线、波束转换开关、T/R₁、环形器、低噪声高放、分谐波混频器、中放，n路时分脉冲在时分电路时序异步选通门选取n组按发射编码的多元随机码，经多通道信号提取电路脉压相关处理暂存数据缓冲器FIFO接入DSP数据总线，DSP与MCU数据总线、地址线、控制线经双口存储器RAM汇接并提供仲裁信号，接口I/O分别接入CRT、声光报警器、方向舵控制器、减速器、点火/熄灭控制器、键盘，DSP软件设计片内分组时分复用数据重排、动目标显示MTI、快速傅里叶变换FFT、距离旁瓣抑制、恒虚警处理CFAR，MCU系统软件编程包括主程序和数据采集、数据处理、对象控制子程序，中放自动增益控制AGC电压经滤波、放大接入低噪声高放、中放AGC受控端，波束转换开关、环形器、收/发转换开关T/R₁、T/R₂、T/R₃、频率合成器、时分电路、多元随机码发生器、调相器、倍频与功放、低噪声高放、分谐波混频器、中放射频电路集成一体，屏蔽。

2、根据权利要求1所述的时分多通道随机码调相船用防撞雷达，其特征在于：频率合成器由恒温晶振、晶振分频器、倍频放大链、混频器、压控振荡器VCO、鉴相器、环路滤波器、环路分频器组成，VCO由砷化镓高电子迁移率GaAsHEMT器件、介质谐振器反馈振荡、变容管压控调谐，环路分频器由前置分频器和可编程分频器组合，恒温晶振输出一路经倍频放大链与VCO输出接混频器，通过环路分频器接入鉴相器，另一路经晶振分频器接入鉴相器，鉴相电压经环路滤波器压控VCO构成锁相频率合成，VCO输出f_N接入调相器，调相射频经倍频与功放二或四倍频为雷达载频f₀，同时f_N经定向耦合器接入分谐波混频内在二或四倍频为本振信号f_L，可编程分频预置端经接口I/O接入微控制器MCU，可编程分频输出f_i为中频相干检波基准频率、f_c1为时电路分时钟信号、f_c2为DSP时钟信号、f_c3为MCU时钟信号、f_c41、f_c42、f_c4n为多元随机码发生器采样保持时钟信号。

3、根据权利要求1所述的时分多通道随机码调相船用防撞雷达，其特征在于：收/发两用准光集成介质透镜天线阵列，由介质基片微带双偶极振子集成天线、介质透镜、阵列基座、防护罩构成，介质透镜是一端面为半球体，另一端面为圆柱体截面，介质基片微带双偶极振子集成天线紧密放置在介质透镜的圆柱截面为馈源，介质透镜半球端面为天线辐射面，在船顶高位设成水平环形阵列或环绕桅杆圆环阵列，DSP编码脉冲序列接入波束转换开关、光栅扫描图像显示器CRT坐标变换器。

4、根据权利要求1所述的时分多通道随机码调相船用防撞雷达，其特征在于：波束转换开关是在透镜天线天馈波导集成PIN二极管或高电子迁移率晶体管HEMT管芯串、并、串联接为单刀单掷开关SPST，多个波束转换开关由其组合控制成单刀多掷开关，偏压经低通网络接入数字信号处理器DSP编码脉冲分配序列，收/发转换开关T/R1、T/R2、T/R3设在环形器收、发分支处、倍频与功放输入端，PIN或HEMT管芯串、并、串联为单刀单掷开关SPST，其中T/R2、T/R3是双连同步开关，控制偏压经低通网络由时分脉冲高电平逻辑“H”接入T/R2、T/R3，低电平逻辑“L”接入T/R1。

5、根据权利要求1所述的时分多通道随机码调相船用防撞雷达，其特征在于：多元随机码发生器由宽带噪声源、微波宽带放大器、n组SAW声表带通滤波器、缓冲放大器、电压比较器、高速电压比较器、超高速电压比较器、采样保持器、高速采样保持器、超高速采样保持器、有源积分器组成，宽带噪声源由PN结二极管，在其管芯设一P或N扩散限流环，管芯衬底基片置热沉，串联温补二极管，置于同轴腔加恒流反偏PN结二极管为雪崩击穿区域，微波宽带放大器通过匹配宽带渐变过渡传输线接入n组SAW声表带通滤波器选取互相独立码频与带宽噪声谱，分别经缓冲放大器接入电压比较器至采样保持器、高速电压比较器至高速采样保持器、超高速电压比较器至超高速采样保持器，频率合成器输出f_c41、f_c42、f_c4n接入相应采样时间的采样保持器、高速采样保持器、超高速采样保持器为时钟信号，在采样保持器或高速采样保持器或超高速采样保持器输出随机二相码元并经有源积分器反馈回电压比较器或高速电压比较器或超高速电压比较器为参考门限，n组随机二相码接入时分电路编码为码频递增、码元宽度递减分段关联排列n路时分随机码脉冲信号接入调相器、多通道信号提取电路脉压相关器延迟线。

6、根据权利要求1所述的时分多通道随机码调相船用防撞雷达，其特征在于：调相器由衬底未掺杂砷化镓GaAs与未掺杂铝基砷化镓AlGaAs形成交界面的基片上，集成2组高电子迁移率晶体管HEMT器件对管、4个3dBLange定向耦合器、4个栅极电阻、2个负载电阻构成两路反射式调制器，2组HEMT对管栅极分别串一电阻接入调制信号，源极接地，由2个3dBLange定向耦合器分别接在2组HEMT器件对管漏极，交叉耦合到其余2个3dBLange定向耦合器，2个负载电阻端接射频RF输入或调相BPSK输出，频率合成器VCO输出f_N雷达载频一半或四分之一频率接调相器输入口，n组随机码P₁、P₂、Pn时分电路编码n路脉冲经低通滤波网络接入两路调制器HEMT对管栅极，互补控制生成n路时分0、π二进制BPSK调相信号，倍频与功放由磷化铟砷化镓高电子迁移率InPGaAsHEMT器件构成，倍频栅极串联λ/4阻抗变换微带线，源极阻容接地，漏极微带线抑制基波和三次谐波，调谐在二次或四次谐频为雷达载频f₀，功放栅极接微带线阻抗变换网络和C类偏置，源极接地，漏极微带线调谐在f₀，并与天线阻抗匹配，倍频与功放漏极分别经低通网络馈入直流电源。

7、根据权利要求1所述的时分多通道随机码调相船用防撞雷达，其特征在于：低噪声高放由一个磷化钢砷化镓高电子迁移率双栅InPGaAsHEMT器件、微带线匹配网络构成，第一栅极连接回波载频微带线、共面线匹配网络，第二栅极自动增益控制AGC端，接入中放AGC检出信号，源极阻容接地，漏极输出经匹配网络连接分谐波混频器SHP，频率合成器输出f_N经定向耦合器接入SHP为内在二或四倍频本振信号f_L，混频器由两个肖特基二极管反向并接在本振f_L微带线匹配网络与回波载频微带线匹配网络之间，中频信号IF在本振f_L匹配网络一侧经带通滤波网络取出。

8、根据权利要求1所述的时分多通道随机码调相船用防撞雷达，其特征在于：多通道信号提取电路由n组I/Q相干检波器、低通滤波器LF、模数转换器A/D组成，中放输出在时分电路译码器n路异步时序选通门选取P₁′、P₂′、Pn′组回波信号接入对应的I/Q相干检波器，其检波器分同相I支路、正交Q支路两个乘法器，频率合成器输出f_i为中频相干基准信号，接入I支路，移相π/2接入Q支路，两路分解信号分别经LF、A/D接入脉压相关处理器，其脉压相关处理器由现场可编程门阵列FPGA构成带抽头可变延迟线Z^-1横向滤波器FIR，n路时分编码脉冲接入调相器、脉压相关处理器抽头可变延迟线Z^-1，横向滤波器FIR输入的一端连接多通道信号提取电路A/D，另一端与可变延迟线Z^-1各抽头相接，横向滤波器FIR输出经回波数据缓冲器FIFO接入数字信号处理器DSP数据总线。

9、根据权利要求1所述的时分多通道随机码调相船用防撞雷达，其特征在于：时分电路由现场可编程门阵列FPGA组建可编程计数器、译码器、单稳态触发器、编码开关、时序异步选通门组成，计数器Cp、单稳态触发器定时输入端接入频率合成器输出f_c1时钟信号，计数器可编程预置经接口I/O接入微控制器MCU，路况摄像传感器、本船速传感器、卫星定位传感器GPS信号经接口I/O接入MCU控制时分电路生成n路时分脉冲，高电平逻辑“H”接入收/发转换开关T/R₂、T/R₃，低电平逻辑“L”接入T/R₁，多元随机码发生器独立选取码频与码元宽度P₁、P₂、P_n组随机码调制信号分别接入编码开关，计数器数据端、单稳态触发器输出接译码器对应控制端，译码器各输出端与编码开关对号相接构成n组随机码信号码频递增、码元宽度递减分段关联排列n路时分脉冲接入调相器、多通道信号提取电路脉压相关器延迟线，调相信号经T/R₂、倍频与功放、T/R₃、环形器、波束转换开关、准光集成介质透镜阵列天线发射，回波射频经准光集成介质透镜阵列天线、波束转换开关，环形器、T/R₁、低噪声高放、分谐波混频器、中放，在时分电路n路时序异步选通门选取发射时分编码P₁′、P₂′、P_n′的n组复调制信号接入多通道信号提取电路I/Q相干检波器、模数转换器A/D、脉压相关处理器经回波数据缓冲器FIFO接入数字信号处理器DSP数据总线，DSP与MCU数据总线、地址线、控制线由双口存储器RAM汇接并提供仲裁信号。

10、根据权利要求1所述的时分多通道随机码调相船用防撞雷达，其特征在于：光栅扫描图像显示器CRT由坐标变换器、图像存储器RAM、地址选择I/O控制器、数模转换器D/A、标尺产生器、字符产生器、图形颜色产生器、显示控制器、辉亮电路、显像管X-Y-Z偏转系统组成，数字信号处理器DSP编码脉冲分配序列接入坐标变换器、波束转换开关，多通道回波信号经DSP谱分析数据由微控制器MCU接口I/O送至显示控制器，显示控制器分别连接坐标变换器、地址选择I/O控制器、图像存储器RAM、数模转换器D/A、标尺、字符产生器、显像管X-Y-Z偏转系统，其中坐标变换器、数模转换器D/A、标尺、字符及图形颜色产生器分别还接入辉亮电路控制显像管调辉电极。

Images