丁友峰，薛 霞，孫 斌，周 亮

(中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七二四研究所，南京 210003)

0 引言

導(dǎo)航雷達(dá)具有海面探測(cè)能力強(qiáng)、性能穩(wěn)定、可靠性高、體積小巧、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)。以導(dǎo)航雷達(dá)為基礎(chǔ)研究平臺(tái)，對(duì)其回波信號(hào)進(jìn)行采集和二次處理得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。近年來(lái)以導(dǎo)航雷達(dá)為基礎(chǔ)進(jìn)行改裝研制的測(cè)波雷達(dá)已逐步成為一種海洋環(huán)境觀測(cè)的新手段。

隨著高速AD、高性能FPGA 芯片的發(fā)展以及雷達(dá)中頻相參處理技術(shù)的成熟應(yīng)用，對(duì)常規(guī)非相參導(dǎo)航雷達(dá)進(jìn)行改造，采集其中頻信號(hào)并通過(guò)先進(jìn)的數(shù)字相參處理，實(shí)現(xiàn)中頻相參功能，獲得多普勒速度信息，可為目標(biāo)檢測(cè)和海態(tài)測(cè)量等應(yīng)用提供更豐富的數(shù)據(jù)信息。

本文以某型常規(guī)非相參X波段導(dǎo)航雷達(dá)為例，介紹了一種通過(guò)中頻信號(hào)采集、相參信號(hào)聯(lián)合相干處理等實(shí)現(xiàn)中頻相參的技術(shù)設(shè)計(jì)方法。

1 設(shè)計(jì)方法

X波段導(dǎo)航雷達(dá)由天線、收發(fā)機(jī)(含發(fā)射機(jī)、接收機(jī)和馬達(dá)等）、信號(hào)處理器和終端等組成［1］。中頻相參信號(hào)處理所需的中頻信號(hào)由接收機(jī)直接提供，故可保留導(dǎo)航雷達(dá)天線和收發(fā)機(jī)，設(shè)計(jì)中頻采集處理電路和終端顯控軟件，進(jìn)行發(fā)射機(jī)控制和中頻信號(hào)處理。

1.1 導(dǎo)航雷達(dá)接口信號(hào)分析

該型導(dǎo)航雷達(dá)收發(fā)機(jī)控制接口信號(hào)定義見表1、表2。

1.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)雷達(dá)收發(fā)機(jī)接口信號(hào)(見表1），設(shè)計(jì)中放及信號(hào)處理電路，對(duì)導(dǎo)航雷達(dá)中頻回波進(jìn)行采樣、信號(hào)處理，生成回波I、Q 數(shù)據(jù)，通過(guò)千兆以太網(wǎng)傳輸給計(jì)算機(jī)(工控機(jī)或筆記本）。計(jì)算機(jī)進(jìn)行發(fā)射控制、信號(hào)處理和回波顯示。導(dǎo)航雷達(dá)中頻相參處理設(shè)計(jì)框圖見圖1。

表1 導(dǎo)航雷達(dá)收發(fā)機(jī)控制信號(hào)定義

表2 導(dǎo)航雷達(dá)收發(fā)機(jī)輸出信號(hào)定義

圖1 X波段導(dǎo)航雷達(dá)中頻相參處理設(shè)計(jì)框圖

1.3 硬件設(shè)計(jì)

根據(jù)表1，雷達(dá)收發(fā)機(jī)接口信號(hào)特性對(duì)實(shí)現(xiàn)數(shù)字中頻相參處理功能的中頻接收和信號(hào)處理電路進(jìn)行適應(yīng)性設(shè)計(jì)，電路設(shè)計(jì)框圖如圖2所示。

圖2 中頻接收和信號(hào)處理電路設(shè)計(jì)框圖

將雷達(dá)低噪聲接收模塊提供的60 MHz中頻信號(hào)經(jīng)LC 帶通濾波器B60-30P1B 進(jìn)行濾波后采用增益可控芯片AD8369(增益由FPGA 編程控制）進(jìn)行放大;使用14 位A/D 轉(zhuǎn)換器AD6645 進(jìn)行中頻模數(shù)轉(zhuǎn)換，采樣頻率80 MHz;FPGA 模塊采用Virtex-4 以上系列，集成了RAM、加載芯片、千兆網(wǎng)絡(luò)口等。

值得注意的是，為保證雷達(dá)發(fā)射頻率的穩(wěn)定度，發(fā)射機(jī)的調(diào)諧控制信號(hào)須具有較高的精度和穩(wěn)定度。

1.4 軟件設(shè)計(jì)

數(shù)字化中頻信號(hào)經(jīng)數(shù)字正交、相位校正、FIR 濾波抽取、抗同頻干擾、PPP處理、數(shù)字測(cè)頻和DDS 補(bǔ)償?shù)纫幌盗刑幚砗?，可?shí)現(xiàn)中頻相參功能［2］。軟件主要分為兩部分:VHDL中頻處理軟件和VC終端顯控處理軟件。

1.4.1 VHDL中頻處理軟件設(shè)計(jì)

FPGA 是實(shí)現(xiàn)中頻相參處理的核心硬件處理器，采用VHDL 硬件描述語(yǔ)言對(duì)其進(jìn)行設(shè)計(jì)開發(fā)，實(shí)現(xiàn)數(shù)字正交相干檢波和相位校正，完成零中頻IQ兩路數(shù)據(jù)的生成，并通過(guò)千兆網(wǎng)接口實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)外發(fā)。

(1）數(shù)字正交相干檢波

A/D 采樣后的信號(hào)和數(shù)字本振信號(hào)相乘后，完成頻譜搬移到零中頻的過(guò)程，最后再經(jīng)過(guò)一個(gè)低通濾波器，即可得到零中頻的I、Q信號(hào)，從而完成了數(shù)字正交相干檢波過(guò)程。

圖3 DDS 原理框圖

圖4 相位校正原理框圖

圖5 終端顯控處理軟件的結(jié)構(gòu)示意圖

數(shù)字本振信號(hào)采用DDS方式實(shí)現(xiàn)，DDS的原理框圖如圖3所示，采用了相位幅度相關(guān)合成信號(hào)方法。

(2）數(shù)字相位校正

因雷達(dá)采用的是磁控管自主振蕩式發(fā)射機(jī)，其每一個(gè)發(fā)射脈沖的高頻起始相位是隨機(jī)的，無(wú)法采用相參處理技術(shù)對(duì)雷達(dá)回波進(jìn)行信號(hào)處理。為了能夠進(jìn)行相參處理，通過(guò)耦合一部分發(fā)射回波來(lái)對(duì)接收回來(lái)的回波進(jìn)行相位校正，從而實(shí)現(xiàn)中頻相參。

對(duì)回波視頻輸出信號(hào)進(jìn)行與發(fā)射相關(guān)的相位旋轉(zhuǎn)后，來(lái)自磁控管振蕩器的隨機(jī)初相、本振信號(hào)源的抖動(dòng)相位、基準(zhǔn)信號(hào)源的抖動(dòng)相位均完全得到消除，數(shù)學(xué)合成并用于多普勒處理的正交I、Q兩路信號(hào)僅保留反映目標(biāo)運(yùn)動(dòng)特性的相位信息。令I(lǐng)(發(fā)）、Q(發(fā)）為發(fā)射耦合視頻的出信號(hào)，I(收）、Q(收）為回波視頻輸出信號(hào)，則相位校正原理框圖如圖4所示。

(3）千兆網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸

借助于FPGA 內(nèi)嵌的MAC和GMII 接口及千兆網(wǎng)物理層芯片PHY，對(duì)VHDL 代碼進(jìn)行封裝，在EN信號(hào)的控制下將上述信號(hào)處理生成的IQ 數(shù)據(jù)依次送入FIFO 即可完成網(wǎng)絡(luò)IQ 數(shù)據(jù)傳輸。

1.4.2 VC終端顯控處理軟件

X波段海態(tài)雷達(dá)的終端設(shè)備可使用工控計(jì)算機(jī)或筆記本電腦，使用VC 軟件實(shí)現(xiàn)回波強(qiáng)度解析、數(shù)字測(cè)頻、PPP測(cè)速、抗同頻、回波顯示等一系列處理。終端顯控處理軟件的結(jié)構(gòu)示意圖見圖5。

(1）數(shù)字測(cè)頻

由于發(fā)射機(jī)采用磁控管，而隨著時(shí)間、溫度、供電等環(huán)境條件的變化，發(fā)射機(jī)磁控管發(fā)射頻率可能會(huì)漂移，范圍可達(dá)幾兆赫茲。磁控管的頻率漂移對(duì)后續(xù)的與回波相位信息有關(guān)的信號(hào)處理精度有很大影響，因此必須對(duì)磁控管的頻率漂移進(jìn)行補(bǔ)償。

采用數(shù)字鑒頻方法，測(cè)出磁控管的頻率漂移，同時(shí)對(duì)數(shù)字正交框中的數(shù)字本振信號(hào)頻率f0進(jìn)行控制以補(bǔ)償磁控管的漂移頻率。

數(shù)字測(cè)頻是在雷達(dá)發(fā)射期間對(duì)60 MHz中頻進(jìn)行的。通過(guò)A/D 采集和數(shù)字正交算法運(yùn)算，得到I和Q信號(hào)，計(jì)算出相位atan(I/Q），則相位的變化正比于頻率。對(duì)多次發(fā)射期間的波形進(jìn)行采集和計(jì)算，并將結(jié)果進(jìn)行平均，則可以實(shí)現(xiàn)更高的測(cè)頻精度。

(2）PPP測(cè)速處理

為提高系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性，并提高系統(tǒng)測(cè)速精度，采用脈沖對(duì)處理器進(jìn)行多普勒信息的測(cè)量。PPP方法與FFT方法的主要區(qū)別就是不需要進(jìn)行頻譜分析。PPP方法的優(yōu)點(diǎn)是運(yùn)算設(shè)備量較小，靈敏度高。

脈沖對(duì)處理的基本原理是基于運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的平均徑向速度可以用相鄰兩個(gè)回波信號(hào)的相位差的平均值來(lái)求得，即

式中，T為雷達(dá)重復(fù)周期，N為相關(guān)平均次數(shù)，?i和γ?i+1分別為相鄰兩個(gè)回波信號(hào)的相位，λ為雷達(dá)波長(zhǎng)。

設(shè)Gi和Gi+1為相鄰兩個(gè)周期的回波信號(hào):

經(jīng)過(guò)公式推導(dǎo)，可以獲得相鄰兩個(gè)回波信號(hào)的相位差:

圖6 PPP處理框圖

Gi+1*Gi即是間隔為T的相關(guān)函數(shù)R(T）。因此，可以得到平均徑向速度為

PPP測(cè)速處理方法見圖6。

(3）回波顯示

雷達(dá)探測(cè)到的中頻回波通過(guò)上述中頻相干信號(hào)處理后，使用DirectDraw技術(shù)設(shè)計(jì)回波的實(shí)時(shí)P 顯。為了顯示直觀，回波的速度顯示部分可設(shè)置速度-顏色映射，完成PPP測(cè)速后，不同速度的目標(biāo)回波信號(hào)以不同的顏色進(jìn)行顯示。

2 設(shè)備組成

X波段導(dǎo)航雷達(dá)中頻相參處理設(shè)備組成圖見圖7。

圖7 X波段導(dǎo)航雷達(dá)中頻相參處理組成結(jié)構(gòu)圖

3 結(jié)束語(yǔ)

本文討論了一種通過(guò)對(duì)傳統(tǒng)非相參導(dǎo)航雷達(dá)進(jìn)行改造，采集中頻回波信號(hào)，進(jìn)行一系列相參信號(hào)處理，實(shí)現(xiàn)相參功能的軟、硬件總體設(shè)計(jì)方法。該方法除了可提供多普勒速度等更豐富的數(shù)據(jù)信息外，雷達(dá)結(jié)構(gòu)得到簡(jiǎn)化，設(shè)備量大幅降低，具有良好的應(yīng)用前景。

［1］張潤(rùn)澤.船舶導(dǎo)航雷達(dá)［M］.北京:人民交通出版社，1990.2.

［2］丁玉美，高全西.數(shù)字信號(hào)處理［M］.西安:西安電子科技大學(xué)出版社，2001.