船用導航雷達收發系統的設計

王　強，張　飛

(華東電子工程研究所，合肥 230088)

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船用導航雷達收發系統的設計

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系統的設計，闡述了船用導航雷達的工作原理與系統構成，論述了收發系統的設計方法和工作原理，給出了調諧控制、靈敏度時間控制、射頻控制單元的電路設計。

關鍵詞：導航雷達；收發系統；靈敏度時間控制；調諧控制

0引言

船載導航雷達作為一種傳統的無線電導航設備，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揮作用。國外船載導航雷達技術起步較早，技術比較成熟和全面。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品設備制造商。我國在船載導航雷達技術方面明顯落后于國外，但是迅速發展的市場又迫切需求國內能有適用于中小型民用船舶的導航雷達產品[1]。

為滿足船用設備應用需求，導航雷達應具有體積小巧、結構緊湊、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，電磁波經過雨區的衰減也小，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。文章從系統工作原理出發，詳細介紹了發射單元、接收單元以及相互之間的密切聯系，對收發系統的工作原理與控制方式進行了詳細描述，提供了設計思路和應用經驗。

1工作原理

本設計中船用導航雷達從結構形式上簡化為天線單元、信號處理與終端顯示。為了小型化設計，將天線、伺服驅動、發射與接收集成于一體的天線單元，形成室外安裝設備；將信號處理與終端顯示一體化設計，形成室內工作設備；其相互間的連接采用長線電纜傳輸。

系統的電源配電位于一體化終端分機內部，通過長線電纜傳輸為室外的天線驅動、收發單元供電。長線電纜還傳輸串口通訊的控制指令與數據回饋、系統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，系統的工作框圖如圖1所示。

圖1　船用導航雷達系統工作框圖

雷達天線通過環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成接收單元，電源、調制器(包括高壓脈沖變壓器)和磁控管構成發射單元，兩單元緊密結合射頻控制單元共同構成了收發系統[4]。

調制器與電源為磁控管提供陰極高壓、燈絲電源、脈沖調制等信號，射頻控制單元通過控制調制器的觸發時序控制發射機的射頻輸出。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帶通濾波后進行對數放大形成視頻脈沖，將視頻脈沖送信號處理進行檢測與數據處理，作為目標檢測的依據。

根據系統需求，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設定，如工作模式、時序控制、發射開關機控制、接收增益控制等，還可向終端送出收發系統的各種狀態參數，如工作電壓、電流、故障回饋等。

1.1接收單元的設計

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，形成調諧指示信號；一路經信號放大、衰減后信號分成2路(一路經檢波后形成STC檢測信號，一路經STC、AGC、濾波、對數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諧指示信號，向接收前端送出調諧控制電壓；接收STC檢測信號，向接收單元送出STC控制信號；根據系統要求實現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、混頻的集成設計，噪聲系數為3.5 dB，增益為7 dB，中頻濾波放大器噪聲系數指標為1.5 dB，增益28 dB，之后的增益可控衰減電路綜合噪聲系數為10 dB，可控增益最大為30 dB。則由噪聲系數計算公式可得:

(1)

從而得到接收機噪聲系數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調諧控制

接收前端的內部功能框圖如圖4所示。

圖4　接收前端內部功能框圖

接收前端內部通過調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整受控。

在圖2中，由于接收前端輸出的中頻信號經過了60 MHz窄帶濾波，輸出的調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，需要通過調諧電壓控制VCO調節。

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

1.1.3STC控制

雷達系統根據天線轉動，帶動光電轉換開關形成艦首信號和方位脈沖。天線轉動一圈產生一個艦首脈沖，類似于地面雷達的定北信號，方位脈沖是將天線轉動一圈平均分配的多個方位扇區。

圖5　調諧控制示意圖

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，依據近程STC檢測信號電平計算每個扇區的平均海雜波電平，從而計算最佳的海雜波衰減曲線并產生STC控制電壓的時間函數。

圖6展示了通過平均海雜波電平而產生的海雜波和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。如果調節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發射單元設計

發射單元的工作框圖如圖7所示。

圖7　發射單元工作框圖

發射電源提供發射單元工作所必需的各種電源電壓，如陰極高壓、燈絲電源、觸發驅動電壓、監控電源等。發射單元的時序受控于射頻控制單元送出的4路觸發脈沖，這4路觸發脈沖共同作用于調制電路形成發射調制脈沖，經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，經模/數轉換后將檢測到的數據通過串口上傳終端上位機。雷達系統對發射機的工作參數進行設置，如重復周期、工作脈寬設定以及發射機開啟或關閉等控制都是通過串口控制的。射頻控制單元依據系統送來的同步時序及工作參數的設定產生并輸出相應的觸發脈沖[6]。

依據雷達的應用需求，發射脈沖分短脈沖、中脈沖和長脈沖，發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給出了實測發射輸出所檢測到的波形。

圖8　發射脈沖輸出波形

1.3射頻控制單元的設計

射頻控制單元是收發系統的重要組成部分，承擔了大量的控制與檢測功能，滲透到收發單元的每個設計細節，是雷達終端與收發系統的控制樞紐。本設計采用嵌入式可編程技術實現小型化，射頻控制電路采用現場可編程門陣列(FPGA)與單片機(MCU)結合的設計方式，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通訊，傳輸控制指令、參數設置和收發系統的各種狀態、數據。將串口通訊的發送數據、接收數據經FPGA、MCU串行級聯，在編程應用中有很大的靈活性，既可以通過FPGA的硬件編程實現通訊控制，也可通過MCU的軟件編程實現通訊控制功能。FPGA與MCU通過地址總線和數據總線可相互共享各自的數據。如果通訊速率要求較高，數據傳輸量較大，建議采用FPGA設計實現。為簡化設計，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，采用快速并行模數轉換器(ADC)和數模轉換器(DAC)通過FPGA控制實現，而對于實時性要求不高的調諧指示、調諧電壓設置，采用慢速串行ADC和DAC通過MCU控制實現，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，將所有采樣數據根據需要通過串口上傳。FPGA還提供大量的I/O接口，實現諸如系統同步脈沖輸入、各種故障狀態檢測，以及包括4路發射觸發脈沖在內的各種收發單元控制。

為提高數字電路的抗干擾能力，對電路的電源和地線合理規劃、布局，所有輸入、輸出的信號根據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結束語

本文論述的船用導航雷達借鑒國外成熟技術，實現了小型化、多功能的國產化設計，經實測發射單元采用12 kW的磁控管有效探測距離可達40 km，系統工作穩定、可靠，對于打破長期由國外產品壟斷的國內船用導航雷達市場具有重要意義。

參考文獻：

[1]何超.基于DSP的嵌入式數字船舶導航雷達信號處理系統的設計與實現[D].成都：電子科技大學，2007.

[2]席澤敏，夏惠誠.航海雷達目標檢測[M].北京:電子工業出版社，2009.

[3]丁鷺肥，耿富錄.雷達原理[M].3版.西安:西安電子科技大學出版社,2002.

[4]弋穩.雷達接收機技術[M].北京:電子工業出版社，2006.

[5]李永平，趙桂榮，趙月蘭,等.嵌入式軟件系統開發技術的研究[J].天津理工學院學報，2001，17(4):82-85.

[6]雷琴.數字化船載雷達——嵌入式系統軟件設計[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