FMCW雷达数字对消技术研究

祁 全，胡怀春，王冬华，吴 梅

(中国船舶重工集团公司第七二四研究所，南京 211153)

0 引 言

与脉冲体制雷达相比，单天线FMCW体制雷达具有体积小、发射峰值功率低、测距精度高、无测距盲区、抗干扰能力强等显著优点。但是，由于系统同时收发，一部分发射信号将泄漏进接收机中。泄漏信号会导致接收机前端LNA饱和，甚至阻塞接收机，恶化接收机噪声系数；其近端相噪也可能会湮没接收机前端微弱的回波信号，降低接收机灵敏度和动态范围[1]。这严重制约了FMCW雷达在军民领域的广泛应用。因此，提高单天线FMCW雷达系统收发隔离性能的对消技术应运而生。

1988年，荷兰飞利浦实验室研制的X波段单天线FMCW导航雷达PILOT采用模拟对消技术，实现了泄漏信号的有效对消[2]。该系统使用全模拟器件，响应速度快，但工作不够灵活，且存在直流漂移问题。2006年，美国加利福尼亚大学Kaihui Lin等人对模拟对消系统进行改进，提出采用超外差结构和数字处理相结合的方案[3]，通过DSP电路对泄漏信号进行数字域处理，获得了出色的控制精度和对消性能，同时解决了模拟对消系统中存在的直流漂移问题。

本文结合目前单天线FMCW雷达对消技术的理论研究和工程实践针对数字对消技术展开研究。

1 对消基本理论

图1 信号矢量原理图

根据上述分析，对消性能由泄漏信号与对消信号之间的幅相误差决定，幅相误差越小，则对消性能越好。对消性能可通过对消比进行评判，表征对消系统中的对消深度。对消比定义如式(1)所示[3]。

(1)

(2)

根据式(2)，利用MATLAB软件得到对消比与幅相误差关系的仿真结果，如图2所示。由图可知，为获得30 dB的对消深度，幅度误差应在±0.25 dB以内，相位误差应在±1.8°以内。

图2 对消深度仿真结果

2 对消系统研制

2.1 系统设计

对消系统与收发前端构成闭环反馈系统，对射频泄漏信号实时自适应对消，其原理框图如图3所示。

按实现功能不同，对消系统由馈通单元、误差检测单元和DSP电路3部分组成[3,5]。馈通单元的作用是产生对消信号，经耦合器与接收端的泄漏信号进行对消。误差检测单元实现系统对消残余检测，对残余泄漏信号进行外差下混频产生误差调制中频，并将误差调制中频送至DSP电路进行信号处理。DSP电路对参考外差中频与误差调制中频进行A/D采样，数字正交解调，利用LMS算法产生控制矢量，再经D/A转换为I/Q信号，反馈至馈通单元，实时调制对消信号的幅度和相位。当环路收敛后，系统就能实现对射频泄漏信号的自适应对消。

图3 对消系统原理框图

2.2 系统分析

如引言所述，单天线FMCW雷达对收发隔离度有较高要求。为保证接收机前端处在线性工作状态，要求泄漏信号经低噪声放大后不应超过低噪放输出1 dB点，如下式所示：

PT-I+G≤Po1dB

(3)

式中，PT为发射功率，Po1dB为低噪放输出1 dB点，I为收发隔离度，G为低噪放增益，则收发隔离度满足下式要求：

I≥PT+G-Po1dB

(4)

式(4)给出了接收机线性工作时收发隔离度指标的最低要求。若不满足该式，则接收机前端就将处在非线性工作状态甚至饱和而阻塞接收机。为便于理解收发隔离度的指标要求，本文通过举例说明。

假设发射功率为30 dBm，接收机射频低噪放输出1 dB点为10 dBm，增益为25 dB。代入式(4)，收发隔离度应满足I≥30+25-10=45 dB。在含有对消系统的FMCW雷达收发系统中，收发隔离度主要受环形器隔离度、天线驻波及对消系统性能决定。一般情况下，由环形器隔离度和天线驻波性能产生的隔离度约20 dB，则对消系统需要实现的隔离度至少应为45-20=25 dB，才能保证接收机前端处于线性工作状态。

影响对消系统性能的关键因素有收发链路功率分配、射频路径延时和自适应对消算法[3-5]。

收发链路上共级联4个耦合器，其作用是对相关信号进行功率分配或合成。上行链路耦合器因引入插损而降低发射信号功率。因此，上行链路宜选择较大耦合度的耦合器。下行链路耦合器引入的插损会影响接收机噪声系数和灵敏度，而耦合器的耦合度又直接影响馈通信号功率。因此，下行链路耦合器的耦合度选择需折中考虑。

对消系统中存在3条射频信号路径：泄漏路径、馈通路径和本振路径，如图3中虚线所示。泄漏路径和馈通路径的延时差决定着系统的对消深度，而馈通路径和本振路径的延时差决定着系统的对消带宽[3]。在电讯设计时，需充分考虑电路布局、射频路径走线电长度和相关元器件延迟等。

DSP电路基于FPGA实现自适应对消算法，主要包括希尔伯特变换、正交解调，以及I/Q控制矢量迭代更新部分。I/Q控制矢量迭代采用LMS算法[4]，其收敛门限和迭代精度决定着对消系统的稳定性和控制精度。

2.3 系统测试结果

对消系统的测试原理框图如图4(a)所示，实物测试平台如图4(b)所示。

图4 对消系统测试框图及实物测试平台

对消系统测试结果如图5所示。图5(a)是点频对消测试结果，对消比≥44 dB。图5(b)是扫频速率为50 MHz/ms的三角波对消测试结果，对消比≥41 dB。图5(c)是扫频速率为150 MHz/ms的三角波对消测试结果，对消比≥32 dB。图5(d)是扫频速率为150 MHz/5ms的三角波对消测试结果。与图5(c)对比分析可知，调频信号的高频端部分对消效果不够显著。根据文献[3]所述分析，此时射频路径间延时效应开始显现，若不考虑高频部分对消，其对消比≥43 dB。

通过图5(b)、图5(c)两图对比可得，相同扫频时间下，随着扫频带宽增加，对消性能恶化9 dB。通过图5(c)、图5(d)两图对比可得，相同扫频带宽下，随着扫频时间增加，对消性能改善11 dB。

≈-20lg(Δφ)

(5)

图5 对消系统测试结果

3 结束语

近年来，在国家协同创新政策背景下，单天线FMCW雷达因其独特性能而备受边防、安防、要地防御等军民两用领域青睐，众多科研院所和民营企业都在进行相关产品的开发。本文研制了基于数字对消技术的X波段对消试验系统，给出了研制方案、系统分析和测试结果，具有较好的对消性能，对后续相关雷达产品的工程研制具有一定指导和借鉴意义。