王　強，張　飛

(華東電子工程研究所，合肥 230088)

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船用導航雷達收發(fā)系統(tǒng)的設(shè)計

王強，張飛

(華東電子工程研究所，合肥 230088)

摘要：介紹了一種船用導航雷達收發(fā)系統(tǒng)的設(shè)計，闡述了船用導航雷達的工作原理與系統(tǒng)構(gòu)成，論述了收發(fā)系統(tǒng)的設(shè)計方法和工作原理，給出了調(diào)諧控制、靈敏度時間控制、射頻控制單元的電路設(shè)計。

關(guān)鍵詞：導航雷達；收發(fā)系統(tǒng)；靈敏度時間控制；調(diào)諧控制

0引言

船載導航雷達作為一種傳統(tǒng)的無線電導航設(shè)備，在船舶近海定位、引導船舶進/出港、窄航道航行以及避碰中發(fā)揮作用。國外船載導航雷達技術(shù)起步較早，技術(shù)比較成熟和全面。英國的RAYMARINE(雷松)公司，日本的JRC公司等都是全球知名的航運電子產(chǎn)品設(shè)備制造商。我國在船載導航雷達技術(shù)方面明顯落后于國外，但是迅速發(fā)展的市場又迫切需求國內(nèi)能有適用于中小型民用船舶的導航雷達產(chǎn)品[1]。

為滿足船用設(shè)備應用需求，導航雷達應具有體積小巧、結(jié)構(gòu)緊湊、操作簡單、高可靠性等特點。船用雷達射頻脈沖的工作波段以X波段(9 300～9 500 MHz)和S波段(2 900～3 100 MHz)為主，這2種波段的雷達通常被稱為3 cm雷達和10 cm雷達[2]。在天線尺寸相同的情況下，前者具有較高的方位分辨率，有利于近距離探測；后者受雨雪雜波和海浪雜波的干擾較小，電磁波經(jīng)過雨區(qū)的衰減也小，有利于遠距離探測[3]。

本文論述的船用雷達選用以X波段點頻9.41 GHz工作的磁控管工作模式，脈沖寬度0.07～1.2 μs，脈沖重頻500～3 000 Hz。文章從系統(tǒng)工作原理出發(fā)，詳細介紹了發(fā)射單元、接收單元以及相互之間的密切聯(lián)系，對收發(fā)系統(tǒng)的工作原理與控制方式進行了詳細描述，提供了設(shè)計思路和應用經(jīng)驗。

1工作原理

本設(shè)計中船用導航雷達從結(jié)構(gòu)形式上簡化為天線單元、信號處理與終端顯示。為了小型化設(shè)計，將天線、伺服驅(qū)動、發(fā)射與接收集成于一體的天線單元，形成室外安裝設(shè)備；將信號處理與終端顯示一體化設(shè)計，形成室內(nèi)工作設(shè)備；其相互間的連接采用長線電纜傳輸。

系統(tǒng)的電源配電位于一體化終端分機內(nèi)部，通過長線電纜傳輸為室外的天線驅(qū)動、收發(fā)單元供電。長線電纜還傳輸串口通訊的控制指令與數(shù)據(jù)回饋、系統(tǒng)同步時序以及接收機檢測到的視頻信號。按照單元功能劃分，系統(tǒng)的工作框圖如圖1所示。

圖1　船用導航雷達系統(tǒng)工作框圖

雷達天線通過環(huán)形器連接接收前端的射頻輸入和磁控管的射頻輸出，接收前端與中頻放大構(gòu)成接收單元，電源、調(diào)制器(包括高壓脈沖變壓器)和磁控管構(gòu)成發(fā)射單元，兩單元緊密結(jié)合射頻控制單元共同構(gòu)成了收發(fā)系統(tǒng)[4]。

調(diào)制器與電源為磁控管提供陰極高壓、燈絲電源、脈沖調(diào)制等信號，射頻控制單元通過控制調(diào)制器的觸發(fā)時序控制發(fā)射機的射頻輸出。接收前端將接收到的60 MHz中頻信號送至中頻放大電路進行檢測與增益控制，將處理后的中頻信號經(jīng)帶通濾波后進行對數(shù)放大形成視頻脈沖，將視頻脈沖送信號處理進行檢測與數(shù)據(jù)處理，作為目標檢測的依據(jù)。

根據(jù)系統(tǒng)需求，射頻控制單元對接收中頻進行靈敏度時間控制(STC)與自動增益控制(AGC)，為接收前端提供調(diào)諧電壓，使其輸出較理想的中頻信號，同時該單元還與終端進行串口通訊，接受來自終端的控制指令與參數(shù)設(shè)定，如工作模式、時序控制、發(fā)射開關(guān)機控制、接收增益控制等，還可向終端送出收發(fā)系統(tǒng)的各種狀態(tài)參數(shù)，如工作電壓、電流、故障回饋等。

1.1接收單元的設(shè)計

接收單元的工作框圖如圖2所示。

圖2　接收單元工作框圖

接收前端將接收的射頻信號通過混頻成為所需的中頻，一路經(jīng)信號放大、60 MHz帶通濾波、采樣保持以及檢波放大以后，形成調(diào)諧指示信號；一路經(jīng)信號放大、衰減后信號分成2路(一路經(jīng)檢波后形成STC檢測信號，一路經(jīng)STC、AGC、濾波、對數(shù)放大等形成信號處理所需的視頻信號)。

射頻控制單元接收調(diào)諧指示信號，向接收前端送出調(diào)諧控制電壓；接收STC檢測信號，向接收單元送出STC控制信號；根據(jù)系統(tǒng)要求實現(xiàn)AGC的增益控制。

1.1.1指標分析

接收機指標分解簡圖如圖3所示。

圖3　接收機指標分解框圖

由于接收前端采取了限幅、低噪聲放大器、混頻的集成設(shè)計，噪聲系數(shù)為3.5 dB，增益為7 dB，中頻濾波放大器噪聲系數(shù)指標為1.5 dB，增益28 dB，之后的增益可控衰減電路綜合噪聲系數(shù)為10 dB，可控增益最大為30 dB。則由噪聲系數(shù)計算公式可得:

(1)

從而得到接收機噪聲系數(shù)FS=3.9 dB。

按照接收通道的靈敏度計算公式:

Smin=-114+10lgB+FS

(2)

式中:接收機信號帶寬B為40 MHz，因此接收機的臨界靈敏度為Smin=-94.1 dBm。

由于接收機的線性動態(tài)范圍為60 dB，接收機輸入端最大信號功率電平(1 dB增益壓縮點)為:

1.1.2調(diào)諧控制

接收前端的內(nèi)部功能框圖如圖4所示。

圖4　接收前端內(nèi)部功能框圖

接收前端內(nèi)部通過調(diào)諧電壓控制壓控振蕩器(VCO)的本振頻率，使混頻輸出的中頻信號可以調(diào)整受控。

在圖2中，由于接收前端輸出的中頻信號經(jīng)過了60 MHz窄帶濾波，輸出的調(diào)諧指示信號電平越高表明中頻信號越接近60 MHz，電平越低信號偏離越嚴重，需要通過調(diào)諧電壓控制VCO調(diào)節(jié)。

調(diào)諧操作的啟動命令、手動設(shè)定值、調(diào)諧指示信號等都采用串行數(shù)據(jù)形式在終端系統(tǒng)和射頻控制單元之間收發(fā)傳遞，可以實現(xiàn)自動調(diào)諧或手動調(diào)諧。控制方式與調(diào)諧過程如圖5所示。自動調(diào)諧即搜索與跟蹤的過程，尋找在5 V和25 V之間調(diào)諧電壓范圍內(nèi)調(diào)諧指示信號變得最大的那個調(diào)諧點。

1.1.3STC控制

雷達系統(tǒng)根據(jù)天線轉(zhuǎn)動，帶動光電轉(zhuǎn)換開關(guān)形成艦首信號和方位脈沖。天線轉(zhuǎn)動一圈產(chǎn)生一個艦首脈沖，類似于地面雷達的定北信號，方位脈沖是將天線轉(zhuǎn)動一圈平均分配的多個方位扇區(qū)。

圖5　調(diào)諧控制示意圖

射頻控制單元接收到信號處理送來的艦首和方位的同步時序信號后，依據(jù)近程STC檢測信號電平計算每個扇區(qū)的平均海雜波電平，從而計算最佳的海雜波衰減曲線并產(chǎn)生STC控制電壓的時間函數(shù)。

圖6展示了通過平均海雜波電平而產(chǎn)生的海雜波和STC控制電壓。例如，如果前面的一個強海雜波被手動STC消除了，那么在其后面的較弱的目標回波也被消除了。如果調(diào)節(jié)STC將目標回波留在后面，那么前面的海雜波信號也保留。在這種情況下，利用STC控制每個方位的海雜波差異來獲得整體上的最佳畫面。

圖6　自動STC控制示意圖

1.2發(fā)射單元設(shè)計

發(fā)射單元的工作框圖如圖7所示。

圖7　發(fā)射單元工作框圖

發(fā)射電源提供發(fā)射單元工作所必需的各種電源電壓，如陰極高壓、燈絲電源、觸發(fā)驅(qū)動電壓、監(jiān)控電源等。發(fā)射單元的時序受控于射頻控制單元送出的4路觸發(fā)脈沖，這4路觸發(fā)脈沖共同作用于調(diào)制電路形成發(fā)射調(diào)制脈沖，經(jīng)脈沖變壓器隔離升壓后送給磁控管，使之輸出射頻功率脈沖[5]。

射頻控制單元還接收發(fā)射單元送來的陰極高壓、燈絲電壓、磁控管電流等模擬檢測信號，經(jīng)模/數(shù)轉(zhuǎn)換后將檢測到的數(shù)據(jù)通過串口上傳終端上位機。雷達系統(tǒng)對發(fā)射機的工作參數(shù)進行設(shè)置，如重復周期、工作脈寬設(shè)定以及發(fā)射機開啟或關(guān)閉等控制都是通過串口控制的。射頻控制單元依據(jù)系統(tǒng)送來的同步時序及工作參數(shù)的設(shè)定產(chǎn)生并輸出相應的觸發(fā)脈沖[6]。

依據(jù)雷達的應用需求，發(fā)射脈沖分短脈沖、中脈沖和長脈沖，發(fā)射短脈沖和中脈沖的波形為三角形波。進行信號處理時，它可以抑制如海雜波這樣相對弱的近程回波。圖8給出了實測發(fā)射輸出所檢測到的波形。

圖8　發(fā)射脈沖輸出波形

1.3射頻控制單元的設(shè)計

射頻控制單元是收發(fā)系統(tǒng)的重要組成部分，承擔了大量的控制與檢測功能，滲透到收發(fā)單元的每個設(shè)計細節(jié)，是雷達終端與收發(fā)系統(tǒng)的控制樞紐。本設(shè)計采用嵌入式可編程技術(shù)實現(xiàn)小型化，射頻控制電路采用現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)與單片機(MCU)結(jié)合的設(shè)計方式，其工作框圖如圖9所示。

圖9　射頻控制單元工作框圖

射頻控制單元通過RS422串口與雷達上位機系統(tǒng)通訊，傳輸控制指令、參數(shù)設(shè)置和收發(fā)系統(tǒng)的各種狀態(tài)、數(shù)據(jù)。將串口通訊的發(fā)送數(shù)據(jù)、接收數(shù)據(jù)經(jīng)FPGA、MCU串行級聯(lián)，在編程應用中有很大的靈活性，既可以通過FPGA的硬件編程實現(xiàn)通訊控制，也可通過MCU的軟件編程實現(xiàn)通訊控制功能。FPGA與MCU通過地址總線和數(shù)據(jù)總線可相互共享各自的數(shù)據(jù)。如果通訊速率要求較高，數(shù)據(jù)傳輸量較大，建議采用FPGA設(shè)計實現(xiàn)。為簡化設(shè)計，MCU的時鐘由FPGA分頻后提供。

對于實時性要求較高的STC檢測與STC控制，采用快速并行模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)和數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)通過FPGA控制實現(xiàn)，而對于實時性要求不高的調(diào)諧指示、調(diào)諧電壓設(shè)置，采用慢速串行ADC和DAC通過MCU控制實現(xiàn)，同時利用MCU自帶的8路ADC檢測各種電源電壓、工作電流等模擬電平信號，將所有采樣數(shù)據(jù)根據(jù)需要通過串口上傳。FPGA還提供大量的I/O接口，實現(xiàn)諸如系統(tǒng)同步脈沖輸入、各種故障狀態(tài)檢測，以及包括4路發(fā)射觸發(fā)脈沖在內(nèi)的各種收發(fā)單元控制。

為提高數(shù)字電路的抗干擾能力，對電路的電源和地線合理規(guī)劃、布局，所有輸入、輸出的信號根據(jù)信號特性增加電磁兼容濾波措施，可有效抑制信號的傳輸串擾。

2結(jié)束語

本文論述的船用導航雷達借鑒國外成熟技術(shù)，實現(xiàn)了小型化、多功能的國產(chǎn)化設(shè)計，經(jīng)實測發(fā)射單元采用12 kW的磁控管有效探測距離可達40 km，系統(tǒng)工作穩(wěn)定、可靠，對于打破長期由國外產(chǎn)品壟斷的國內(nèi)船用導航雷達市場具有重要意義。

參考文獻：

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[6]雷琴.數(shù)字化船載雷達——嵌入式系統(tǒng)軟件設(shè)計[D].杭州：浙江大學，2003.

Design of Transmitting-receiving System for Shipboard Navigation Radar

WANG Qiang,ZHANG Fei

(East China Research Institute of Electronic Engineering，Hefei 230088，China)

Abstract:This paper introduces the design of a transmitting-receiving system of shipboard navigation radar,expatiates the operating theory and system composing of shipboard navigation radar,discusses the design method and operating theory of transmitting-receiving system,presents the circuit design of tuning control,sensitivity time control,radio frequency control unit.

Key words:navigation radar;transmitting-receiving system;sensitivity time control;tuning control

DOI:10.16426/j.cnki.jcdzdk.2016.01.013

中圖分類號：TN957

文獻標識碼：B

文章編號：CN32-1413(2016)01-0062-04

收稿日期:2015-09-21