一种X波段船用导航雷达设计

金 明 陈 刚 赵仁义 丁智勇

(中国电科安徽博微长安电子有限公司 六安 237010)

一种X波段船用导航雷达设计

金 明 陈 刚 赵仁义 丁智勇

(中国电科安徽博微长安电子有限公司 六安 237010)

介绍了一种导航雷达的系统构成。采用X 波段线形调频连续波体制,结构上采用二单元设计。雷达收发一体，采用多脉冲重复频率,发射峰值功率25KW。主要完成海上目标探测、标绘、船舶航行或停泊过程中监视、告警、电子海图叠加显示、AIS目标的接入显示、情报上报等功能。

X波段；船用导航雷达；收发系统；

0 引言

船用导航雷达是用于探测海面目标并提供直观清晰的目标距离与方位数据,根据需要设置预警带并告警,便于船舶规避危险障碍物及船舶在天气较差和夜间行驶等状况提供导航，它在船用电子中占据着重要的位置[1-2]。

导航雷达常用波段有两个S波段(3GHz)和X波段(12GHz)，前者较长用于大型船舶，现今导航雷达主流波段是采用X波段[1-2]，雷达多是采用非相参脉冲幅度调制，采用单片机或ARM控制形式，对收/发系统进行信息处理和控制，提升数据处理能力，便于雷达组网和控制，降低成本单元成本，也满足小型化、轻型化要求[3-4]。

本文设计的一种船舶导航雷达特点如下：采用多脉冲调制形式；扫描方式是一维机械扫描；天线采用收发一体微带阵列天线；发射机功放采用磁控管；结构应用当前普遍采用的二单元设计方法，即天线和收发机舱外，信号处理及显控计算机在舱内。

1 系统架构

本文设计的导航雷达系统结构框图如图一所示。该雷达主要由天线、伺服、发射机、接收机、收发开关、射频控制、电源、终端设备等组成[5-6]。

全机工作原理框图如图1所示。接通显控终端雷达电源开关，发射系统内的射频电源在射频控制板程序的控制下，给发射系统内的调制电路馈电、给磁控管灯丝预热。当3min灯丝预热结束，按下等待、发射开关，天线旋转。显控终端给接收系统发送加触发命令，配电部分给高压电源板馈电，高压电源产生充电高压，充电高压通过调制电路充电元件给储能元件充电，储能元件充电结束后处于等待放电状态[5-6]。在同步信号的同步下，予调器触发调制单元导通，储能元件通过人工线和脉冲变压器放电，同时发送矩形调制脉冲给磁控管，磁控管自激产生的射频脉冲通过波导馈线系统传输。从天线接收到的信号经限幅器至接收前端模块，信号经高放与混频后得到中频，然后中频在接收机进行处理后输出到显控终端。显控终端通过射频控制板实现对收发机的控制。终端系统可对目标回波信号进行点迹滤波、凝聚形成点迹信号并录取目标的相关参数，形成后的目标航迹数据有多路输出。并能通过雷达的操控界面和操控单元完成对雷达控制功能。

2 收发分系统

收发机主要由环行器、二极管限幅器、微波前端组件、中频处理、脉冲调制、功率放大、射频控制、视频触发产生电路和磁控管电路等部分组成。

雷达发射信号功率密度为：

(1)

其中:Pt表示发射入功率，G为增益系数， R表示距离。

设σ为雷达天线接收面积为Ae,则雷达收到的信号功率为：

(2)

由公式(2)得出：增益和雷达收到的信号功率一定时,发射机输出功率同R4成正比。则要使雷达作用距离更远,必须增大雷达发射机的输出功率，同时雷达增益与作用距离呈正相关,增大增益亦可增大作用距离。雷达系统还需实现抗雨雪、海浪抑制等恶劣天气状况处理，也是评判雷达性能的重要参考标准。因此在接收机的灵敏度一定情况下，收发机单元设计为：

1)发射机技术指标

·工作频率：X波段

·输出峰值功率： 25kW±1dB

·射频脉宽：0.07us、0.15us、0.3us、0.5 us、0.7 us、1.2 us

·脉冲重复频率：3000Hz、1500Hz、1000Hz、500Hz

2)接收机技术指标

·类型：对数放大、低噪声前端

·中心频率：60 MHz

·噪声系数：4.5dB

·增益：≥80dB(含低噪声前端)

·带宽：40/10/3MHz

·输出视频：75Ω匹配负载

系统发射时，由控制终端选择量程和具体变化量以对应不同的状态，将指令发送给射频控制板，它将4个发射触发送至发射系统内的调制板，4个驱动电路触发不同长度的脉冲。这些输出的脉冲合在一起产生所设计的高压发射脉冲。发射短脉冲和中等长度的脉冲的波形为近似三角形波。如图3所示，窄脉冲0.07us时，发射4个触发脉冲中的1个和发射功率检波波形。这样设计便于在进行信号处理时，它可以抑制如海杂波这样相对弱的近程回波。

接收部分由于雷达天线为收发共用，环行器用于实现接收和发射之间的切换。环行器有3个I/O 端口，中心有一个永磁铁氧体芯。它用于从一个端口将电磁波按一个特定方向输出。例如：电磁波从一个与磁控管连接的端口进入并从一个与天线连接的端口输出而不输出到与射频前段连接的端口以保护接收电路不受大电平电磁波的冲击。接收信号期间，天线送来的接收回波被输出到接收前端连接的端口以降低接收回波的损耗。来自环行器的接收回波经一个二极管限幅器或收发限幅器被输入到接收前端。如果从临船来的强发射波被送入，接收前端有被烧毁的危险。为了保护接收前端不受损，二极管限幅器将强回波进行衰减。接收前端由本地振荡电路、低噪声放大器电路、衰减电路和一个将接收到的信号下变频成60MHz中频信号的频率变换电路构成。

中频电路由低噪声放大、STC电路、半对数放大器电路、带宽切换开关滤波器组和视频检波电路构成。经过放大滤波处理后的60MHz中频信号和视频信号重叠在一起从中频板送入处理器单元。视频信号输出可以连接到一个现有型号的分显中。

其实物图如图4所示

由于收发系统结构紧凑，发射机内部存在微波泄漏和发射机散热问题，将直接影响整机可靠性。为解决这个问题，发射系统腔体增加调制隔腔、外部增加一个屏蔽罩，既减少微波辐射，同时在罩内增加风机利于散热、优化结构空间。

导航雷达系统工作时, 可将雷达回波叠加显示在符合S57格式的电子海图上，可根据雷达量程同步放大缩小海图显示范围,最终得到雷达电子海图显示如图5所示。

3 小结

该船舶监视雷达主要完成海上目标探测、标绘(ATA/ARPA功能)、船舶航行或停泊过程中监视、告警、电子海图叠加显示、AIS目标的接入显示、情报上报等功能。

该系列产品可在海域监视系统中可作为骨干传感器，探测跟踪指定海域内的各类船只目标，并向指挥中心上报数据。可对国家边防水域实行全方位、全天候远程动态监控，为国家安全防卫提供有效帮助，提高部队的执勤作战能力。

[1] 郭晓阳,白鹏,陈宝山.X波段款待雷达法设计的设计[J].信息通信,2015(6):81.

[2] 刘源.X波段雷达接收机关键组件的优化设计[D].电子科技大学硕士论文,2012.

[3] 郭雪峰,马骏,方立军.一种X波段船用导航雷达射频子系统[J].雷达与对抗,2013(4):36-38.

[4] 黄文奎,夏冠群,刘文超.线形调频连续波雷达灵敏度频率控制实现[J].无线通信技术,2004(3):55-57.

[5] 袁同山.一种新型X波段气象雷达发射机[J].工业技术创新,2015(4):429-431.

[6] Merrill I.Skolnik. Radar Handbook. Beijing: the publishing house of electronics Industry，2003.

DesignofAnX-bandMarineNavigationRadar

Jin Ming, Chen Gang, Zhao Renyi, Ding Zhiyong

(Anhui Brainwave Chang’an Electronics Co.,Ltd of CETC, Lu’an Anhui 237010)

System architecture of a marine navigation radar is introduced. The radar is an X-band LFMCW system which adopts two-unit structure. Multi-pulse repetition frequency is used and transmit peak power is 25kW. Main function of the radar is to detect and track objects, display their tracks; provide surveillance, warning and electronic chart overlay display; receive and display target from AIS as well as information reporting.

X-band; marine navigation radar; transmit/receive subsystem

2017-05-31

金明(1989-)，男，硕士研究生。研究方面为电子信息技术。

TN95

A

1008-8652(2017)03-019-03