连续波雷达直波泄露抑制技术研究

冯健康 黄根全 谢敏

(西安电子工程研究所 西安 710100)

0 引言

连续波雷达与脉冲雷达相比较有诸多的技术和战术优点，如测量精度高、杂波抑制能力强，从发射功率层面上易于实现低截获、体积小、重量轻、功耗小等。但由于连续波雷达同时发收存在严重的发射信号直波泄露，这将直接影响雷达接收系统的正常工作，其一强的发射直波泄露信号将会饱和中放，甚至使混频器饱和，从而阻塞接收机;其二强的直波泄露信号携带的噪声也很强，导致本来很容易检测的目标回波信号被泄露噪声淹没，降低接收机灵敏度;其三强的直波泄露信号可能从动目标检测滤波器的副瓣进入产生虚假目标。连续波雷达收发隔离一直是限制连续波雷达广泛应用和发展的主要因素，如何有效解决连续波雷达收发隔离问题，把发射信号的直波泄露抑制到足够低的程度有着重要意义。通常连续波雷达在实际工程中抑制发射直波泄露信号技术措施主要有基于电磁波传输特性的空间物理隔离技术;基于收发信号特性的接收通道对消技术和基于信号多普勒处理杂波抑制技术的接收机中频滤波技术和数字信号处理滤波技术。物理隔离对连续波雷达直波泄露信号及其信号携带噪声均有抑制，但滤波和对消技术仅能够对发射直波泄露信号具有抑制作用，但对信号携带的噪声却不能较好抑制，为此本文通过分析连续波雷达灵敏度出发，对连续波雷达的检测能力作了分析。

1 发射直波泄露抑制技术

1.1 收发天线空间物理隔离技术

空间物理隔离技术就是根据电磁波传输理论和特性在收发空间上实施的发射直波泄露信号隔离技术措施。在早期单天线的连续波雷达中常常采用环形隔离器来解决收发隔离问题，但目前隔环形器的隔离水平只能达到40dB 左右。采用收发天线分离技术可以有效提高隔离度，而且增大收发天线间距可以提高收发隔离，一般收发天线间距增加一倍隔离度可提高6dB，但这将受雷达体积重量限制。空间物理隔离度大小还与工作频率、收发天线波束宽度、副瓣等参数有关，同时也与连续波雷达发射与接收电路的电磁屏蔽技术有关。通常在收发天线间加装吸收性U 型隔离板(见图1)，对发射天线侧向辐射的电磁波进行吸收和隔离，这种隔离措施使收发天线间的电磁波不能直视传输，隔离效果十分明显［1］。但单纯使用U 型金属隔离板时，由于金属隔离板的安装，在雷达结构上产生了不连续点，当电磁波照射到U 型隔离板上时，在结构不连续处可能会激起表面导波(即表面波)，表面波沿着隔离板传波，在结构不连续处表面波转变成辐射源，产生非镜面散射，对隔离度产生影响。通常会在金属隔离板表面加贴吸波材料，使表面波传输到结构不连续处之前，已被充分衰减，从而减弱非镜面散射如图2所示，例如:某“X”波段连续波测速雷达，发射功率为44dBm，收发天线采用微带平面贴片天线阵结构，收发天线分离，且之间加装金属隔离板，测试接收天线耦合到功率为-36dBm(隔离度约为80dB)，在金属隔离板外侧面贴吸波材料，测试接收天线耦合到功率为-45dBm(隔离度约为89dB)，在金属隔离板外侧面贴高阻表面光子晶体吸波材料，测试接收天线耦合到功率为-51dBm(隔离度约为95dB)［2］。

图1 收发天线U 型隔离板示意图

图2 收发天线隔离板加装吸波材料

1.2 接收通道对消技术

接收通道对消技术就是构造一个与发射直波泄露信号幅度相等，相位相反的信号，然后与接收机接收信号进行相加(或合成)，从而达到降低发射直波泄露信号的技术。从对消技术在连续波雷达实施部位分为射频对消技术和中频对消技术;从对消技术功能分为开环对消技术和自适应闭环对消技术;从对消技术实现方式可分为模拟式和数字式等。

雷达接收通道是否实施对消技术，要根据发射直波泄露信号是否导致接收机饱和，是采用射频对消还是采用中频对消技术，要看发射直波泄露信号导致接收通道放大链输出饱和在那一级，如果接收机射频放大输出饱和，那么必须采用射频对消技术措施。如果接收机中频放大输出饱和，可以采用中频对消技术措施，接收通道采用中频对消技术要比射频对消技术电路实施难度相对较小。

图3 自适应闭环对消系统原理框图

开环对消技术是基于发射直波泄露信号幅度、相位相对稳定为前提，在雷达工作之前，雷达自动关闭对消信号，雷达系统直接检测出发射直波泄露信号的幅相值，然后雷达自动发射关闭，并开启对消信号，调整对消信号幅度和相位，直至雷达系统测量对消信号的幅度与发射直波泄露信号的幅度相等，相位相反。固化对消信号幅度和相位调整值，开启发射和对消信号，便自动完成了开环对消功能。自适应闭环对消技术方案是采用自动控制原理，把发射信号样本和接收信号进行相关处理，控制矢量调制器的相移和幅度大小来对消接收机接收到的发射直波泄露信号［3］，其系统框图如图3所示。

模拟式采用矢量解调器把发射直波泄露信号分解为I、Q 信号，经过有源滤波放大网络后，通过矢量调制器构造一个与发射直波泄露信号等副反向的信号，通过耦合器馈入接收通道。数字式是采用DSP及A/D、D/A 等数字信号处理模块对发射直波泄露信号进行量化和分解，并选择多种自适应算法来改善收敛速度。实现对消目的。

1.3 接收机中频滤波和数字信号处理器滤波技术

接收机中频滤波技术就是根据发射直波泄露信号与目标回波信号在频域的分布特性差别实施中频放大链频域滤波，该技术一般在混频和中频放大链之间实施，其目的是发射直波泄露信号经场放和混频后，对发射直波泄露信号在中频放大之前进行抑制，从而保证发射直波泄露信号通过中频放大输出不饱和。而数字信号处理器滤波技术就是当连续波雷达通过收发天线的空间物理隔离技术措施和接收机放大链实施对消技术和中频频域滤波措施后，发射直波泄露信号的中频接收机输出信号虽然没有饱和但还比较大情况下，进而通过数字信号处理器采用多普勒处理抑制杂波的原理对发射直波泄露信号滤波的技术。

2 连续波雷达检测能力的分析

连续波雷达收发天线分离原理框图如图4所示。频综激励信号经过放大后通过发射天线发射，与发射天线分离的接收天线接收信号(包括目标回波信号和发射直波泄露信号)进入场放放大，然后进入射频对消模块对发射直波泄露对消，经过混频器后变成中频，中频对消模块继续对发射直波泄露信号的剩余再次对消，中放放大，信号处理器对中放输出进行中频采样、下变频和数字信号处理［4］。

图4 连续波雷达收发天线分离原理框图

雷达直波泄露信号中放输出表达式:

雷达直波泄露信号携带噪声中放输出表达式:

在(1)、(2)式中PISO为发射直波泄露信号的中放输出功率;PINO为发射直波泄露信号携带噪声中放输出功率;PFS为发射天线发射信号功率;PFN为发射信号携带噪声功率;LG为收发空间物理隔离度;GF为场放放大倍数;DF为射频对消模块对消比;LH为混频器损耗;DI为中频对消模块对消比;GI为中放放大倍数。

从(1)和(2)式可以看出，收发空间物理隔离对发射直波泄露信号及其携带噪声具有相同抑制作用，而接收通道中采用的射频对消模块和中频对消模块，仅对发射直波泄露信号进行抑制，发射直波泄露信号携带的噪声却不能抑制。

我们知道:接收机的噪声系数［5］表达式为:

式中F 为噪声系数;Psi，Pni分别为接收机输入端的信号功率和噪声功率;Pso，Pno分别为接收机输出端的信号功率和噪声功率;G为接收机线性电路的功率增益。

对连续波雷达而言:接收机输入的噪声功率由两部分组成:

接收机实际输出的噪声功率Pn0包含三部分噪声表达式:

式中PnAi为接收天线感应的外部噪声功率;PnBi为天线接收信号(包括发射直波泄露和目标回波)携带的噪声功率;PnCi为接收机内部噪声等效到输入端的噪声功率。

把(4)和(5)式代入(3)式，接收机的噪声系数可转换如下公式:

则连续波雷达的灵敏度表示是如下:

把(4)和(6)代入(7)可得

式中Psimin为接收机灵敏度;D 为接收机输出最小可检测信噪比(也称识别因子=)。从(8)式可以看出接收机的灵敏度与接收天线感应的外部的噪声功率PnAi、接收机接收信号携带的噪声功率PnBi、接收机内部噪声等效到输入端的噪声额定功率PnCi之和以及雷达识别因子D 成正比。而接收机接收信号携带的噪声功率PnBi是随着接收信号的强弱同步改变。对于脉冲体制的雷达而言，采用发收分时工作，雷达发射直波泄露信号仅存在发射脉冲期间，而接收机接收目标回波信号期间不存在发射直波泄露信号，因而收发隔离度很高，可以忽略发射直波泄露信号携带噪声的影响。又知脉冲体制雷达以距离单元进行目标回波信号处理和检测，即使近距离、大目标的回波脉冲信号携带的噪声很强，但目标回波信号功率也很强，强信号携带强噪声不影响强信号的检测，同样远距离、小目标回波信号功率很弱，但回波信号携带的噪声功率也很弱，微弱信号携带微弱噪声也不影响弱小目标的检测，但强目标和弱目标回波脉冲信号在时域也可能有部分重叠存在的可能，在这种情况下接收强信号携带的噪声可能会影响相邻弱小目标检测。因此，脉冲雷达也必须考虑频率综合器输出的信号携带的噪声，只要频率综合器满足一定的相位噪声指标，影响脉冲体制雷达接收灵敏度因数决定于公式(8)的PnAi和PnCi两项。对连续波体制雷达而言，采用同时发收的工作方式，接收机接收的发射直波泄露信号、强目标和弱小目标回波信号在时域同时存在，虽然采用收发天线分离技术，可提高收发隔离度，但当收发隔离度不够高时，发射直波泄露信号携带的噪声分量PnBi将不可忽视，直接影响小目标的检测。要保证雷达的检测灵敏度指标要求，就必须提高收发物理隔离度和发射信号自身性能，当收发隔离度受限时，发射信号必须具有低相噪指标。特别是大功率、远距离探测的连续波雷达，为了保证发射直波泄露信号经过接收机放大链后不饱和，除采用收发物理隔离措施，通常还需在接收机通道中采用对消技术，从(2)式可以看出对消技术不能减小发射直波泄露信号携带的噪声，这样接收机接收发射直波泄露信号携带噪声功率PnBi将更大，造成接收机灵敏度大幅度降低，为了获得同样检测灵敏度指标，要求连续波雷达发射信号相位噪声指标更低，也就是雷达频率源必须具有超低相位噪声指标。

那么对连续波雷达系统频率源相位噪声指标，具体说发射信号的相位噪声满足什么指标要求时，雷达接收灵敏度不受太大的影响呢。在(8)式中PnAi、PnCi相对是固定的，而PnBi与雷达发射信号相位噪声指标有关，也与收发物理隔离度大小有关。要使连续波雷达系统灵敏度指标不受或少受接收信号携带噪声的影响，那么必须满足下式(9)。

式中PnAi= k·T0·BR;Pnci= k·Tn·BR;PnBi;代入可得式(10)。

在式(10)中，k 为波尔兹曼常数(1.38 ×10-23焦耳/度);T0为热力学温度(290 °k);Tn为等效噪声温度;BR为接收机线性部分带宽;￡(f)为发射信号单边带相噪谱密度即发射信号的相位噪声。

连续波雷达发射信号单边带相噪谱满足(10)式时，雷达接收灵敏度指标主要由接收天线感应的外部噪声和自身内部噪声决定。

相位噪声的定义:偏离载频f(为指定的频偏)处，单边带相位噪声功率密度(单边带内1Hz 带宽的功率)与载波功率之比。

式中Ps为发射载波功率;ψ(f)为发射信号的相位噪声;为平均相位噪声功率谱密度。

当连续波雷达发射信号的平均相位噪声指标满足(13)式，雷达接收灵敏度指标主要由接收天线感应的外部噪声和自身内部噪声决定。

3 结束语

本文对连续波雷达发射直波泄露信号抑制采用技术措施作了较全面的介绍;结合雷达接收机的噪声系数和灵敏度公式对连续波雷达接收灵敏度进行了分析，得出了连续波雷达不仅要求对发射直波泄露信号具有良好的抑制，从而保证接收机不饱和，同时还必须要求发射信号必须具备超低相位噪声指标要求;参照脉冲雷达，推导出了连续波雷达近似达到脉冲雷达灵敏度指标要求，对发射信号的相位噪声指标要求的计算公式，但愿对工程技术人员有一定的帮助。

［1］王永华，赵迎超，毫米波段连续波雷达天线隔离度设计［J］.火控雷达技术，2014，43(1):98-100.

［2］吕波，郑秋荣，袁乃昌.光子晶体在提高雷达收发隔离中的应用研究［J］.中国电子科学研究院学报，2007，2(5):494-497.

［3］赵青.Ka 频段射频对消连续波雷达前端的研制［J］.电讯技术.2012，52(6):964-968.

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［5］弋稳.雷达接收机技术［M］.电子工业出版社，2005.