一種新體制的高頻地波雷達設計與實現

楊 釗，吳雄斌，張 蘭

(武漢大學電子信息學院，湖北武漢 430072)

0 引言

高頻地波雷達可以實現對視距外海洋狀態和海上目標的大范圍、高精度和全天候的實時監測[1]，因此，高頻地波雷達在海洋監測和國防等領域具有獨特的應用前景和優勢，成為了立體化海洋信息監測的重要工具之一。

現有的高頻地波雷達系統根據天線布置的不同，常被分為緊湊型和陣列型。緊湊型高頻地波雷達具有代表性的是CODAR公司開發的SeaSonde系統[2]，該系統利用便攜式小型化的接收天線，可以靈活地部署在復雜的地形中。陣列型雷達系統比較有代表性的有德國的WERA[3]雷達系統和國內武漢大學的OSMAR系列雷達[4]等。與緊湊型雷達相比，陣列型高頻地波雷達可以獲得更高的方位角分辨率，能夠更好地進行復雜海況監測和目標檢測等，但是其接收陣列往往較大，尤其是在對探測目標方位分辨率要求比較高的應用場合，連接天線和接收機之間的電纜有時需要數百米長。這會產生兩個問題：第一，長電纜使雷達變得非常“沉重”且架設困難，從而造成雷達站選址難，雷達部署所需時間長、維護成本很高，非常不利于雷達的應用與推廣。第二，過長的電纜可能會導致回波信號的衰減，降低了接收信號的信噪比，從而縮小雷達的最大探測距離。因此，改變陣列式雷達的應用難題，研究一種新體制的系統使陣列式雷達變得輕便、靈活，使其能夠更好地適應環境需求，具有重要的意義和價值。

雖然地波雷達在去電纜方面的研究較少，但是在其他領域有過相關研究，如機載雷達中把接收前端從接收系統物理位置中分離出來直接與饋線連接，大大縮短X波段饋線波導長度，從而減小饋線系統損耗[5]；在互聯汽車領域，也存在很長的射頻同軸電纜可能導致噪聲系數和信號損耗增大的問題，設計者通過使得射頻前端放置得更靠近天線，減少電纜長度，從而減少電纜帶來的插入損耗，提高系統信噪比[6]。對于數據傳輸問題，各類無線通信技術近年在雷達系統中得到應用，基于WiFi的數據傳輸系統在多線激光雷達系統的應用[7]，考慮使用無線網橋來實現無線傳輸[8]，用來解決去掉長電纜之后帶來的數據傳輸的問題。

本文提出了一種新體制的高頻地波雷達系統，該系統將多通道接收機分為多個裝配在接收機天線附近的獨立的單通道接收單元，該系統可以突破電纜的束縛，系統輕便靈活，方便在復雜環境下的應用和推廣。

1 新體制雷達設計思路和整體方案

傳統的高頻地波雷達系統通常由收發天線、多通道接收機、發射機、上位機和電纜等部分組成[9]。發射端，由多通道接收機產生發射信號，經發射機進行功率放大后通過電纜傳送到天線輻射出去；接收端，海面/目標等的回波信號經天線進入接收通道，首先經過接收電纜進入多通道接收機的射頻前端，經放大、濾波和解調等一系列處理后的基帶信號傳送至上位機進行后續的反演。

傳統的高頻地波雷達系統示意圖如圖1(a)所示，多通道接收機、發射機和上位機往往位于雷達站的室內或者專用的設備倉內，收發天線架設在海邊，便于檢測海洋目標和海洋狀態，天線和接收機、發射機之間用電纜連接。而對于高精度相控陣高頻雷達，例如WERA雷達系統，天線陣列龐大，所需的電纜數量較多，長度較長，雖然MIMO技術的應用可以在保持天線口徑的前提下減少天線的數量[10]，但仍無法避免長電纜的使用。

為了滿足快速部署和靈活移動雷達的要求，需要對傳統雷達結構需要進行一定程度的改進。因此，本文提出一種新體制的高頻地波雷達系統，如圖1(b)所示。該系統將多通道接收機分為多個裝配在接收機天線附近的獨立的單通道接收單元，將收發天線、單通道接收單元和發射機組成一個獨立收發單元，根據所設計的天線陣型來確定收發單元的數量和配置方式，雷達參數配置和數據傳輸均以無線傳輸的方式進行。這樣可以讓接收機射頻前端盡可能地接近天線，大大縮短發射和接收電纜的長度。

(a) 傳統體制

與之前的探測結構相比較，新體制高頻地波雷達需要解決兩個主要問題：第一，同步問題，即每個獨立收發單元之間需要統一的時鐘標準的問題；第二，數據傳輸問題去掉電纜之后，單通道接收單元和上位機相隔較遠，如何實現有效的數據傳輸。為此，對原接收機進行升級改造，各收發單元之間使用GPS/北斗時鐘同步模塊進行時間和時鐘的同步，數據通過無線網橋進行無線傳輸。

2 單通道接收單元各模塊設計與實現

在新體制下，原來的多通道接收機被分離成一個個獨立的單通道收發單元，通過它們的組陣、組網完成探測，因此其性能將直接影響系統最終的探測性能。單通道收發單元整體設計框圖如圖2所示。

圖2 單通道收發單元整體設計框圖

每個收發單元系統由接收模塊、發射模塊、收發天線、時鐘同步模塊和數據傳輸模塊等組成，其中接收模塊對回波信號進行處理，發射模塊產生雷達發射波形，天線采用收發共用天線，通過收發開關實現信號分時發射和接收，時鐘同步模塊確保各個收發單元時鐘同步，數據傳輸模塊完成收發單元和上位機之間雷達參數配置和采樣數據傳輸等。

2.1 接收模塊設計

接收模塊的功能對接收到的雷達回波信號進行濾波、放大和采樣。如圖3所示，接收天線接收到雷達回波信號，經過由脈沖控制的收發開關SA630，具有60 dB的隔離度，使用帶通濾波器進行濾波，再由低噪聲放大器GALI-52進行固定增益放大再經帶通濾波器后由AD8331程控放大器調整信號幅度，送入ADS5562采樣芯片進行采樣，采樣芯片最高采樣速率為80 MHz，有效位數是16 bit，在3 MHz輸入時無雜散動態范圍為85 dBc，能夠很好地實現接收模塊采樣。

圖3 接收模塊具體實現框圖

采樣后的數字信號在FPGA中進行數字下變頻(Digital Down Converter, DDC)處理。通過數字混頻實現去載去斜，然后通過濾波抽取得到滿足信號處理實時性要求的低速數字信號[11]，濾波器調用FPGA內部的IP core實現，三級CIC濾波器級聯實現3 000倍抽取，經過DDC之后得到I、Q兩路正交信號，之后通過兩次FFT得到多普勒譜結果。

2.2 發射信號合成模塊設計

發射信號合成模塊的功能是根據上位機軟件設置的雷達波形參數，產生雷達發射所需的波形。圖4為發射通道的結構框圖，上位機通過軟件可以設置接收機的工作模式和頻率，設置的參數通過無線傳輸到FPGA，FPGA控制DDS芯片AD9910產生所設置頻率的波形，之后經過兩級濾波和一級放大，經過收發開關控制，成為發射信號。

圖4 發射信號合成模塊框圖

發射波形為線性調頻中斷連續波(Frequency Modulated Interrupted Continuous Wave，FMICW)，可以進行上掃頻或下掃頻。DDS芯片選用AD9910，14 bit、1 GSPS的直接數字頻率合成器產生需要的波形，通過SPI總線可以由FPGA直接對芯片進行配置，數字斜坡調制模式配置簡單，斜坡采用數字化生成，輸出分辨率為32 bit，可以對頻率、相位或振幅進行編程，同時可以控制上掃頻或是下掃頻波形的產生，斜坡的上下限值、頻率步長和步進速率都可以單獨控制，這使得雷達信號的產生更加快捷靈活。

2.3 時鐘同步模塊設計

GPS同步模塊。時鐘同步模塊接收GPS/北斗衛星信號，提供高精度的10 MHz同步時鐘以及高精度的秒脈沖信號，作為每個收發單元的外同步源，為每個收發單元提供穩定的時鐘參考，保證各個收發單元之間的時鐘和時間同步。在該模式下，系統通過GPS時間信息同步各個接收單元的時間，利用GPS秒脈沖和恒溫晶振生成同步脈沖信號和同步時鐘，一方面，基于同步時鐘和秒脈沖信號產生控制各個接收單元收發的發射脈沖TP，接收脈沖TB，確保在收發共置的工作模式下各個收發模塊均可以正常工作，確保多臺雷達之間不會由于發射接收不同時而導致設備損壞；另一方面，通過每秒同步來保證發射波形相位之間的一致性。

時鐘同步模塊的時頻同步精度對系統性能有較大的影響，時頻不完全同步會造成多普勒譜展寬和收發單元間的通道不一致。因此，每個收發單元均選用同一款高精度時鐘同步模塊，采用GPS/北斗頻率測控技術，授時精度<30 ns，10 MHz頻率輸出日平均穩定度<1×10-12，實時準確度可達5×10-10。

圖5是鎖定狀態下兩個時鐘同步模塊秒脈沖穩定度數據觀測結果，可以看出兩個秒脈沖上升沿時差是緩慢變化的，最大變化為3 min變化30 ns，變化率約為每秒0.17 ns，相對于高頻雷達幾百ms的掃頻周期Tr，這個量很小，可以忽略不計，即對距離譜沒有明顯影響。在多普勒域，對應于10 MHz的載波所帶來的相位變化為0.6°，最大附加多普勒頻移為1/(1 200πTr)，Tr為掃頻周期，在雷達相干積累周期個數低于1 200π時，時間同步誤差所帶來的多普勒頻移小于多普勒分辨率，也可以忽略不計。但是同步精度和信號不同源等原因所帶來的收發單元間的通道不一致性會對目標的方位估計產生影響，需要后續通過船只AIS數據或者應答器作為輔助源進行矯正。

圖5 秒脈沖穩定度測試結果

2.4 數據傳輸模塊設計

數據傳輸模塊實現FPGA和上位機之間的無線數據傳輸，考慮到陣列口徑和接收機采樣數據率，要求無線傳輸距離至少要在100 m以上，數據率不高于20 Mbit/s，因此采用基于無線網橋的百兆無線網傳輸技術。

具體實現方式為FPGA芯片通過GMII接口和電路板上的Gigabit PHY芯片88E1111通信，將數據打包，再由Gigabit PHY芯片把數據通過無線傳輸模塊傳輸給無線網橋，通過無線方式傳輸給上位機，通信協議采用 UDP(User Datagram Protocol，UDP)通信協議。考慮到陣列式雷達陣列口徑，因此無線傳輸距離至少要在100 m以上，該無線網橋提供20 dBm的發射功率，可以有效地確保隔離和分集接收，有效傳輸距離超過5 km，可以滿足系統要求，數據傳輸模塊框圖如圖6所示。

圖6 數據傳輸模塊框圖

通信用的無線網橋天線是雙極化定向天線，工作頻段為5.8 GHz，總帶寬為900 MHz，不同的無線鏈路占用不同的信道，無線網橋會對信道進行偵測，動態分配，因此各單元通信之間不會產生干擾。

3 實驗結果

3.1 收發單元射頻前端性能測試

射頻前端的技術指標主要包括通道增益、靈敏度、動態范圍[12]等。

增益測試進行三次以確保結果準確性，得到輸出信號功率分別是-41.5，-41.4和-41.5 dBm，取三次平均值，得到輸入7 MHz信號時射頻前端增益為35 dB。

靈敏度測試使用外部信號源，信號源信號的大小為-40 dBm，經過70 dB衰減器衰減，輸入射頻前端的信號大小為-110 dBm，此時為最小輸入信號，使用MATLAB處理采樣后的信號，結果如圖7(a)所示。可以看出，信號為7 MHz，信號高于底噪10 dBm，因此模擬前端的靈敏度為-110 dBm。

圖7 模擬前端靈敏度動態范圍測試

經過測試，射頻前端的最大不失真信號為 -40 dBm，如圖7(b)所示，因此射頻前端的動態范圍為70 dB。

3.2 閉環測試結果

在閉環測試中，掃頻信號是由發射模塊產生并通過衰減器輸入到接收模塊，該信號設置了時間延遲以模擬90 km處的目標回波，根據實際波形來測試系統的最小可檢測信號。測試條件為：發射使用7 MHz掃頻信號，掃頻帶寬為30 kHz，掃頻周期設置為125 ms，給出閉環距離譜的結果如圖8所示。

圖8 7 MHz掃頻信號閉環距離譜

由圖8可看出,回波在第18距離元，距離分辨率為5 km，和預設目標位置一致。此外，在不計入相干積累增益的前提下，在最低可檢測信噪比設為10 dB時，接收機工作于7 MHz掃頻時最小可檢測電平為-125 dBm。

閉環測試結果表明接收機的各模塊均工作正常，可以完成距離和多普勒譜信息的測量，進行相應的現場實驗驗證。

3.3 現場實驗結果

為了驗證新體制雷達系統的性能，2019年10月在福建省龍海地波雷達站進行了現場實驗。雷達發射7.5 MHz的調頻掃頻中斷連續波，掃頻周期125 ms，掃頻帶寬30 kHz，相位偏置設置315°，對應多普勒譜上位置為-1 Hz，單通道發射功率為200 W左右。

得到的單根天線回波譜圖如圖9(a)所示，相干積累時間為5 min，該回波譜中心位置多普勒頻率為-1 Hz，與設置相符合，位于中心兩邊的是一階海洋回波，雷達可探測到200 km處的海洋回波，在多普勒頻率為-0.9 Hz，距離為40 km的位置可以看到疑似目標信息。

圖9 雷達回波多普勒譜

此外，用兩個單通道收發單元進行了兩路發射兩路接收實驗，兩個單通道設備用GPS進行時頻同步，發射功率為100 W左右，發射信號進行了相位調制，兩路收發單元由GPS同步模塊進行時鐘和時間的同步，得到的回波譜圖如圖9(b)所示。左邊回波譜中心位置多普勒頻率為-2 Hz，右邊回波譜中心位置多普勒頻率為1 Hz，與設置相符合，并無明顯的偏移和明顯多普勒譜展寬。結果表明，通過GPS同步的收發單元可以接收到兩路發射的回波信號，多普勒回波譜清晰可區分，該結果也論證了由多個收單元進行組陣和組網探測的可行性。

4 結束語

本文針對傳統地波雷達探測中因雷達系統與天線陣列之間的長連接電纜限制而導致的一系列問題，提出了一種新體制的雙頻高頻地波雷達系統。在完成單通道接收單元設計與實現后，通過閉環實驗測試了系統的性能，并通過海邊現場實驗對整個單通道收發單元進行了檢測，得到了穩定的海洋回波和目標信息。實驗結果表明，在新的體制和設計結構下，單通道收發單元各方面的性能指標達到預期，為進行后續的基于該收發單元的組陣、組網實驗奠定了基礎。