淺談頻率步進雷達及其系統實現

張煒

摘要：目前越來越多的寬頻帶雷達投入到空管監視領域，一次雷達經常采用CHIRP技術實現遠距離探測并提高距離分辨率。采用合成技術，將一串窄帶脈沖合成大帶寬信號從而實現高分辨力，該信號以波形易于生成、對接收機帶寬要求低、ADC采樣率容易滿足等優點成為復雜目標探測的主要信號形式。因此頻率步進信號在新體制雷達中將會占有重要的位置，具有非常重要的意義。

關鍵詞：頻率步進信號

1 頻率步進信號理論

采用矩形子脈沖合成頻率進步信號是比較典型的做法，當頻率進步信號的合成帶寬一定時，其距離分辨率也就決定了，而矩形子脈沖模式下，脈沖重復頻率決定了雷達的不模糊作用距離，重復頻率越高，不模糊距離越大，相應數據率就很低，反之數據率就會很高，因此矩形脈沖的數據率與不模糊作用距離就成了一對矛盾。用CHIRP子脈沖代替矩形脈沖，可以解決數據率與作用距離的關系，子脈沖為CHIRP的頻率步進信號稱為調頻步進信號。

2 調頻頻率步進信號處理流程

對于調頻步進信號處理，首先要進行子脈沖匹配濾波得到壓縮后的窄脈沖，其次對窄脈沖作脈間IFFT處理。調頻步進高分辨處理成像。

上述關于調頻步進信號處理的方法是在目標靜止的前提下，實際目標經常是運動的，其處理方法也會有所不同。

3 寬帶頻率步進雷達系統的設計

3.1 參數設計

本文參考CAMBER雷達的設計方法，采用脈沖壓縮比為320的線性調頻信號，脈沖寬度20微秒，占空比20%，重復頻率10K。權衡系統的各方面性能及同時能滿足所需的距離分辨率要求（0.3米），信號的合成帶寬定為1024M赫茲，調頻點設計為128個，子脈沖帶寬16M赫茲。

3.2 系統總體組成及部件設計

3.2.1 頻率綜合器設計

頻率綜合器主要實現寬頻帶雷達信號的產生，包括中頻信號生成和射頻信號生成兩個部分。其中中頻信號的產生采用直接數字頻率合成原理（DDS），射頻段則采用倍頻器和混頻器實現。

3.2.2 接收機設計

信號經過腔體濾波器引起功率損失1dB，最后一級中頻濾波引起功率損失3dB。每個隔離器引起的功率損失為0.5dB，此外在兩次變頻時，會引起回波功率的大幅降低，下降10dB，功分器引起4 dB功率損失，因此整個接收之路會引起功率下降31dB。接收機輸入信號動態范圍為-106～-30dB，接收機噪聲系數4dB，中頻輸出信號距中心頻率1.5倍信號帶寬外諧波抑制可達45dBc。

3.2.3 處理機系統設計

該系統信號處理機應包括如下功能：

①對工作時序進行控制，保證整個雷達系統的正常工作；②對A/D 中頻采樣的進行數字接收處理，完成數字正交下變頻和濾波抽??；③采用相位導出測距和測速算法實現目標徑向距離和速度的精確測量；④利用精確測量獲得的速度信息，對目標回波進行速度補償，使用頻域拼接法得到高分辨一維距離像；⑤通過基于寬帶模糊函數的多幀聯合處理算法，完成目標的二維高分辨成像；⑥利用多天線干涉的工作機理完成目標角度的測量。

3.2.4 信號處理機硬件結構

①中頻采集單元采用一塊ZD_6ADC_400M數據采集板實現，該板采用FPGA+ADC思想，采用標準cPCI+ZD總線架構所構建的采集板卡。板載2片高性能Virtex5系列SX95T芯片，可以同時實現6通道數據同時采集，分辨率達14bits，采樣頻率為20～400Msps，觸發電平為3.3VTTL。②定時單元采用一塊ZD_TCR通信定時板，該板基于cPCI 6U標準板型通信定時時鐘板。板載1片高性能FPGA 芯片Virtex IV，提供PCI、內部自定義總線、同步總線、LINK、UART、GPIO。③處理單元采用三塊T2FP6U_4DSP_ZD信號處理板，該板基于高性能DSP芯片TS201實現，采用標準cPCI+ZD總線架構所構建的信號處理板卡。單板載有4片TS201芯片，處理能力達14.4GFLOPs，每片含有四個Link接口，可實現片間互聯、與FPGA和底板互聯等；板間定義了定時同步總線，并通過CPLD與DSP中斷、FPGA相連。④存儲單元采用一塊ZD_FLASH存儲板，該板采用Virtex5 Pro系列FPGA+C6455系列DSP的架構，集成多片Nand Flash，單板存儲容量可達384GB～1.5TB，單板持續存取帶寬大于600MHz，對外接口采用RapidIO。⑤通信接口單元采用一塊后IO接口板，該板非通用型板卡，主要采用AM26LS31系列芯片，主要功能是接收外部輸出的各類信號，將RS422差分信號轉換為TTL信號輸入；將TTL信號轉換為RS422信號輸出。⑥信號處理機各單元之間數據傳輸采用一塊SRIO_Switch_ZD板實現，該板基于高性能SRIO交換芯片Tsi568A和TMS32C6455實現數據交換，采用標準cPCI+ZD總線架構，提供RapidIO、以太網以及PCI標準總線接口等。

4 結語

本文分析了基于調頻頻率步進寬帶信號雷達系統設計實現，從調頻頻率步進信號原理、X波段頻率步進雷達系統設計，本文主要完成對調頻頻率步進信號原理分析及X波段頻率步進雷達系統設計。

當前關于X波段頻率步進雷達系統已經取得初步效果，還需要進一步深入研究改善系統的性能。對系統存在的幅/相誤差，研究更加有效的補償算法，將系統誤差

降低至最小。需要完善軟件設計，提高對復雜數據的適應性。