線性調頻連續波雷達抗干擾設計

趙艷秋，李　偉

(1.中國船舶重工集團公司第723研究所，揚州 225001;2.中國重工海博威(江蘇)科技發展有限公司，揚州 225001)

?

線性調頻連續波雷達抗干擾設計

趙艷秋1,2，李偉1,2

(1.中國船舶重工集團公司第723研究所，揚州 225001;2.中國重工海博威(江蘇)科技發展有限公司，揚州 225001)

摘要：線性調頻連續波(LFMCW)雷達與脈沖雷達相比具有獨特的優點，應用的領域越來越廣泛。以鋸齒波為例，分析了LFMCW雷達抗干擾采取的措施，對LFMCW雷達抗同頻干擾設計具有指導意義。

關鍵詞：線性調頻連續波；鋸齒波頻率調制；三角波頻率調制；抗干擾

0引言

頻率調制連續波雷達(LFMCW)與脈沖雷達相比具有獨特的優點，如距離分辨力高、發射功率低且結構簡單。同時LFMCW雷達要求較低的發射功率，而信號處理系統更為簡單，具有體積小、重量輕的優勢[1]。雖然隨著技術的進步，連續波雷達應用的領域越來越廣泛，如場面監視、防撞、導航等，但難免在某種條件下或時間段出現多部雷達的載頻基本相同。如果不采取任何措施，這2部雷達都會把對方雷達所發射的電磁波顯示在各自的雷達畫面上形成嚴重的干擾，影響雷達的正常使用。如果有多條安裝同一型號雷達的作戰艦艇在一起執行任務，相互之間的同頻干擾會達到十分嚴重的程度，各自都無法正常發現、錄取目標。參考文獻[2]詳細分析了LFMCW雷達的各種干擾源情況，對LFMCW雷達面臨的各種干擾進行了詳細的分析。在參考文獻[2]的基礎上，對LFMCW雷達如何抗干擾進行了進一步的分析設計。

1LFMCW雷達基本工作原理

依據調頻方式不同，調頻連續波可分為鋸齒波、三角波，它們均為線性調頻連續波。

LFMCW雷達的組成框圖如圖1所示[3]，發射機產生連續高頻等幅波，其頻率在時間上按鋸齒或三角形規律變化，目標回波和發射機直接耦合過來的信號加到接收機混頻器內。在無線電波傳輸到目標并返回天線的這段時間內，發射機頻率較回波頻率已有了變化，因此在混頻器輸出端便出現了差頻電壓。當在不同距離處存在多個目標時，差拍信號為各個目標差拍信號的線性疊加，但在頻率上卻是分離的。所以，無論是單目標或多目標情況，都可以從差拍信號中獲取目標的距離信息[4-5]。

鋸齒波、三角波線性調頻連續波的發射波形與目標回波的波形如圖2和圖3所示。其中f0(t)表示發射的波形，f0(t-td)表示目標回波，fb表示目標回波的差頻。

圖1　LFMCW雷達方框圖

圖2　鋸齒調頻連續波雷達頻率時間關系

圖3　三角調頻連續波雷達頻率時間關系

下面以鋸齒調頻連續波為例分析LFMCW雷達的抗干擾設計。

2LFMCW雷達抗干擾設計

考慮到波形調整、信號處理時間等因素，LFMCW雷達的發射波形設計如圖4所示，T為調頻時寬(信號持續時間)，Tr為重復周期，Tr-T為逆程時間，Δt為整個發射波形的周期，Δt約等于波束駐留時間，即完成單個波束內目標測量的時間，Δt內包含n個連續發射周期為T的鋸齒波形或三角波。

圖4　線性調頻波形

干擾源為脈沖雷達和不同型號的連續波雷達時，根據參考文獻[2]的計算結果，連續波的回波能量與干擾源的能量的量級大約在10-3。連續波雷達做完差頻后，在接收端要做模擬帶通濾波器設計(如圖5)，把差頻信號濾出。濾波器的設計根據連續波回波信號的最大頻偏設計。根據圖4，可以通過調節發射信號的起始時間來控制兩者的差頻，只要兩者的差頻大于連續波雷達的目標回波的最大頻偏，則該干擾即落在濾波器帶外，且濾波器帶外的設計一般可以達到-30 dB。干擾信號即可濾掉。

圖5　模擬濾波器

對干擾源為同型號連續波雷達的干擾影響：

(1) 2部雷達工作在相同量程下

混頻后干擾信號對應2段差頻,即圖6所示的AB段和BC段。其中AB段為一固定的差頻，BC段的斜率與干擾fi(t-tdi)的斜率相同，且該段的最小頻點f(B)遠大于目標的最大頻偏。只要2部雷達發射觸發之間相差一定時延，同一時刻干擾與本雷達之間的頻差f(AB)超過目標回波的最大頻偏，干擾信號經過濾波器后即可濾掉。

圖6　2部雷達工作在相同量程下的差頻

(2) 2部雷達工作在不同量程下

2部雷達的調頻斜率不同，混頻后干擾信號如圖7中AB段和BC段所示。其中BC段的斜率與干擾fi(t-tdi)的斜率相同，且該段的最小頻點f(B)遠大于目標的最大頻偏。根據濾波器的設計，AB段的頻偏為f(A)，大于該量程下目標回波的最大頻偏約1.1倍，可保證回波信號不被干擾。

圖7　2部雷達工作在不同量程下的差頻

假設該雷達有5個工作量程，則同型號雷達的干擾存在5種，該雷達工作在第1個量程下，則5種干擾的時延td1、td2、td3、td4、td5，回波信號最大頻偏(即差頻信號)為:

(1)

干擾與本雷達的頻偏為:

(2)

雷達設計時，每種量程下有最大的工作量程，對

因此，在多部相同連續波雷達工作時，可以通過延時發射觸發時間的方式進行抗干擾，延時時間可以設置成連續變換的或者固定抗干擾等級，對應不同的調頻速度，既保證抗同頻效果，又不影響雷達工作。以參考文獻[2]中圖6(a)為例，本雷達與同型雷達在相同工作量程下，改變本雷達的發射觸發時間后，干擾的變化情況如圖8所示；以參考文獻[2]中圖6(c)為例，本雷達與同型雷達在不同工作量程下，改變本雷達的發射觸發時間后，干擾的變化情況如圖9所示。其中，B0為雷達的調頻帶寬，Bi為干擾雷達的調頻帶寬。

圖8　同型雷達相同工作量程下干擾的時域圖與頻域圖

圖8(a)為在相同工作量程下，本雷達的射頻信號f0(t)與其他同型雷達的射頻信號fi(t-tdi)的時域圖及兩者差頻信號的頻域圖；圖8(d)為圖8(a)對應的距離圖，其中本雷達的射頻信號f0(t)相比其他同型雷達的射頻信號fi(t-tdi)，在時間上提前Δt；圖8(b)為在相同工作量程下，改變本雷達的發射觸發時間后，本雷達的射頻信號f0(t)與其他同型雷達的射頻信號fi(t-tdi)的時域圖及兩者差頻信號的頻域圖；圖8(e)為圖8(b)對應的距離圖，本雷達的射頻信號f0(t)相比其他同型雷達的射頻信號fi(t-tdi)，在時間上提前Δt1;圖8(c)為在相同工作量程下，改變本雷達的發射觸發時間后，本雷達的射頻信號f0(t)與其他同型雷達的射頻信號fi(t-tdi)的時域圖及兩者差頻信號的頻域圖；圖8(f)為圖8(c)對應的距離圖，其中本雷達的射頻信號f0(t)相比其他同型雷達的射頻信號fi(t-tdi)，在時間上提前Δt2。Δt2>Δt1>Δt。

圖9　同型雷達不同工作量程下干擾的時域圖與頻域圖

圖9(a)為在不同工作量程下，本雷達的射頻信號f0(t)與其他同型雷達的射頻信號fi(t-tdi)的時域圖及兩者差頻信號的頻域圖；圖9(d)為圖9(a)對應的距離圖，其中本雷達的射頻信號f0(t)相比其他同型雷達的射頻信號fi(t-tdi)，在時間上提前Δt；圖9(b)為在不同工作量程下，改變本雷達的發射沖觸發時間后，本雷達的射頻信號f0(t)與其他同型雷達的射頻信號fi(t-tdi)的時域圖及兩者差頻信號的頻域圖；圖9(e)為圖9(b)對應的距離圖，本雷達的射頻信號f0(t)相比其他同型雷達的射頻信號fi(t-tdi)，在時間上提前Δt1;圖9(c)為在不同工作量程下，改變本雷達的發射觸發時間后，本雷達的射頻信號f0(t)與其他同型雷達的射頻信號fi(t-tdi)的時域圖及兩者差頻信號的頻域圖；圖9(f)為圖9(c)對應的距離圖，其中本雷達的射頻信號f0(t)相比其他同型雷達的射頻信號fi(t-tdi)，在時間上提前Δt2。Δt2>Δt1>Δt。

從圖8、圖9的仿真結果可以看出，變化發射觸發的時間，可以最終達到抑制干擾的效果。

3結束語

近些年因為國內外學者對LFMCW雷達的深入研究，LFMCW雷達有了長足的發展，LFMCW雷達的應用越來越廣泛。通過上述理論分析，該方法可以有效抑制同頻干擾。在后續開展的雷達設計中，將進一步驗證該方法的實際可行性及抗同頻干擾的有效性。

參考文獻

[1]凌太兵.LFMCW雷達運動目標檢測與距離速度去耦合[D].成都：電子科技大學，2013.

[2]趙艷秋.LFMCW雷達干擾源分析[J].艦船電子對抗，2014，37(6)：33-35.

[3]丁鷺飛，耿富錄，陳建春.雷達原理[M].北京：電子工業出版社，2009.

[4]楊帆.LFMCW雷達信號處理算法及研究[D].西安：西安電子科技大學，2007.

[5]王月鵬.對稱三角線性調頻連續波雷達技術研究[D].西安：西安電子科技大學，2005.

Anti-jamming Design of LFMCW Radar

ZHAO Yan-qiu1,2,LI Wei1,2

(1.The 723 Institute of CSIC,Yangzhou 225001,China；2.CSIC Haibowei (Jiangsu) Technology Development Co.Ltd，Yangzhou 225001,China)

Abstract:Linear frequency modulation continuous wave (LFMCW) radar has especial advantages comparing with pulse radar,and has been applied more and more widely.Taking the sawtooth wave as example,this paper analyzes the anti-jamming measures of LFMCW radar,which is of guidance meaning for the design of anti-synchronous jamming of LFMCW radar.

Key words:linear frequency modulation continuous wave;sawtooth wave frequency modulation;triangle wave frequency modulation,anti-jamming

DOI:10.16426/j.cnki.jcdzdk.2016.01.011

中圖分類號：TN958.94

文獻標識碼：A

文章編號：CN32-1413(2016)01-0054-04

收稿日期:2015-02-06