超外差式數(shù)字化雷達(dá)接收機(jī)主要指標(biāo)分析與技術(shù)研究

孫玨 武超

（中國船舶重工集團(tuán)公司第七二三研究所 江蘇省揚(yáng)州市 225001）

超外差式數(shù)字化雷達(dá)接收機(jī)使用范圍廣，性能穩(wěn)定可靠，相對(duì)于傳統(tǒng)的模擬式接收機(jī)而言，體積更小，便于安裝與技術(shù)維護(hù)，是現(xiàn)階段普遍使用的雷達(dá)接收機(jī)。本文以接收機(jī)的工作原理為切入點(diǎn)，重點(diǎn)分析影響雷達(dá)工作性能的技術(shù)參數(shù)，在此基礎(chǔ)上討論設(shè)計(jì)雷達(dá)接收機(jī)的技術(shù)實(shí)現(xiàn)方法[1]。

1 雷達(dá)接收機(jī)的基本結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要包括：

（1）射頻端，通常也稱為高頻發(fā)射信號(hào)端；

（2）功率放大器，主要針對(duì)混頻后的中頻信號(hào)；

（3）信號(hào)檢波與視頻輸出至顯示終端。

接收天線收到的射頻段信號(hào)，通常接入保護(hù)裝置，并經(jīng)過前期預(yù)白化處理進(jìn)行降噪后進(jìn)行混頻，此時(shí)重點(diǎn)是要與發(fā)射端的本級(jí)載波信號(hào)頻率進(jìn)行匹配，將接收信號(hào)降至中頻端，便于進(jìn)一步的信號(hào)處理過程。同時(shí)進(jìn)行功率放大和濾波降噪，獲得能夠直接用于終端顯示的基帶信號(hào)[2]。考慮到接收信號(hào)一般還伴有電磁干擾與環(huán)境噪聲因素，需要自適應(yīng)信號(hào)處理技術(shù)與功率控制設(shè)備對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理，使得接收端能夠得到信號(hào)質(zhì)量佳的基帶信號(hào)。

2 雷達(dá)接收機(jī)的指標(biāo)參數(shù)

對(duì)于雷達(dá)接收機(jī)的工作性能最高標(biāo)準(zhǔn)是信號(hào)處理時(shí)保持技術(shù)參數(shù)的線性水平以及能夠維持在較大動(dòng)態(tài)幅度內(nèi)的接收區(qū)間，這就要求對(duì)接收信號(hào)在接收端要具有較強(qiáng)的噪聲與雜聲抑制效果，且功率放大與匹配濾波的要能夠設(shè)計(jì)得貼合基帶信號(hào)特征[3]。

2.1 接收靈敏度指標(biāo)分析

靈敏度主要是定義了雷達(dá)接收機(jī)能夠接收信號(hào)電平值的最小范圍。靈敏度越高，證明接收機(jī)的接收性能越強(qiáng)，能夠捕捉弱信號(hào)的能力就越強(qiáng)，即雷達(dá)的探測(cè)距離就更遠(yuǎn)。通常情況下，一般將接收機(jī)靈敏度定義為在輸出信號(hào)具備一定信噪比S?N前提下，輸入端信號(hào)的最小電平值Smin，即最小信噪比與噪聲功率之積：

根據(jù)式（1）所示，可以看出，當(dāng)輸入信號(hào)的電平值超過最小接收范圍，此時(shí)接收機(jī)能夠正常工作并通過功率放大和匹配濾波，得到最終的輸出信號(hào)，反之則信號(hào)不能夠被正常接收，將淹沒在背景噪聲中。值得注意的是，并不是接收靈敏度越高，代表接收機(jī)的工作性能越好，這主要是由于靈敏度與工作帶寬密切相關(guān)，希望接收的信號(hào)越多，帶寬就要越大，導(dǎo)致接收的無用信號(hào)增多，這對(duì)于接收機(jī)信號(hào)濾波與降噪的影響就會(huì)增大，且虛警情況會(huì)大幅增加，接收端信號(hào)檢測(cè)的概率就會(huì)隨之降低。因此，在接收機(jī)設(shè)計(jì)過程中需要平衡指標(biāo)參數(shù)的取值范圍，以最優(yōu)化的設(shè)計(jì)思路取得性能最優(yōu)化效果。

2.2 工作帶寬指標(biāo)分析

工作帶寬主要是針對(duì)接收機(jī)正常工作時(shí)的頻率范圍而定義的，通常情況下，接收機(jī)一直處于復(fù)雜電磁環(huán)境中，面臨的噪聲、干擾與雜波、其他信號(hào)的影響較大，因此需要接收機(jī)能夠具有一定的工作帶寬，并且能夠保持較好的工作性能[4]。帶寬主要由射頻端、頻率放大器以及混頻器的性能共同決定，與雷達(dá)工作用途息息相關(guān)，不同使用目的的雷達(dá)接收機(jī)帶寬選擇區(qū)別較大。

2.3 動(dòng)態(tài)范圍指標(biāo)分析

動(dòng)態(tài)范圍是衡量接收機(jī)性能的一個(gè)重要指標(biāo)，主要指的是使接收機(jī)能夠?qū)邮招盘?hào)進(jìn)行檢測(cè)而又使接收信號(hào)不失真的輸入信號(hào)的大小范圍，通常指的是信號(hào)電平幅度。如果接收信號(hào)過大，會(huì)引起放大器的失真和引入噪聲，信號(hào)過小，信號(hào)無法被檢測(cè)到，即輸入信號(hào)強(qiáng)度變化最大與最小范圍。最小的信號(hào)電平幅度以實(shí)際接收端能夠接收到的信號(hào)電平為準(zhǔn)，而最大值則一般按照雷達(dá)接收機(jī)使用情況進(jìn)行設(shè)置[5]。當(dāng)出現(xiàn)由于接收信號(hào)電平值超過接收機(jī)設(shè)置的最大值門限時(shí)，會(huì)導(dǎo)致功率放大器無法正常工作，出現(xiàn)過飽和的情況。當(dāng)剛出現(xiàn)此類情況時(shí)，把接收信號(hào)功率與檢測(cè)門限值之比稱為接收機(jī)的動(dòng)態(tài)范圍。當(dāng)要求接收機(jī)動(dòng)態(tài)范圍較大時(shí)，需要對(duì)功率放大器、混頻器和濾波電路等設(shè)置保護(hù)措施和信號(hào)的降噪預(yù)處理，以確保接收機(jī)的正常工作。

2.4 匹配濾波指標(biāo)分析

圖1：超外差式數(shù)字化雷達(dá)接收機(jī)結(jié)構(gòu)框圖

圖2：接收機(jī)功率放大器動(dòng)態(tài)范圍的輸出曲線

圖3：雷達(dá)接收機(jī)AGC電路設(shè)計(jì)流程圖

匹配濾波指的是基于最大輸出信噪比準(zhǔn)則（最大輸出信噪比準(zhǔn)則、最小均方誤差準(zhǔn)則、最小錯(cuò)誤概率準(zhǔn)則等）的信號(hào)輸出模式，即利用濾波后信號(hào)功率與噪聲功率之比（輸出信號(hào)為濾波器響應(yīng)與輸入信號(hào)的時(shí)域卷積），得出基于最大信號(hào)瞬時(shí)功率與噪聲平均功率之比，再反解得出濾波器響應(yīng)。在接收機(jī)工作中，匹配濾波可以用來解調(diào)基頻帶脈沖信號(hào)，基頻帶脈沖信號(hào)意指信號(hào)內(nèi)容為同一波形信號(hào)乘上一個(gè)常數(shù)，在每個(gè)周期出現(xiàn)，每個(gè)周期中代表著或多或少的信息量。

2.5 工作穩(wěn)定性指標(biāo)分析

對(duì)于接收機(jī)而言，工作穩(wěn)定主要是針對(duì)接收機(jī)的工作環(huán)境、設(shè)備條件以及受到外界干擾時(shí)，運(yùn)行狀態(tài)（輸出信號(hào)、帶寬變化以及設(shè)備性能等）是否處于穩(wěn)定狀態(tài)，能否通過自適應(yīng)的信號(hào)處理技術(shù)減少外部因素帶來的影響。現(xiàn)階段，雷達(dá)接收機(jī)普遍采取了工作性能穩(wěn)定的設(shè)備，以及自適應(yīng)算法以盡量降低外界因素的影響，取得了較好的效果。

2.6 抗干擾指標(biāo)分析

雷達(dá)接收機(jī)的抗干擾技術(shù)是非常重要的，對(duì)于性能的影響很大，能夠?qū)е陆邮諜C(jī)無法正常輸出信號(hào)或輸出信號(hào)無法使用，破壞整個(gè)工作過程。現(xiàn)在針對(duì)有源干擾的處理技術(shù)較為成熟，并能夠有效降低環(huán)境噪聲、雜波以及無關(guān)信號(hào)等無源干擾的影響。主要技術(shù)手段包括：增大雷達(dá)的發(fā)射頻率；改變雷達(dá)的工作頻率；擴(kuò)展雷達(dá)的工作頻率；提高雷達(dá)天線的方向性；動(dòng)目標(biāo)顯示等[6]。與此同時(shí)，當(dāng)接收機(jī)能夠具備較寬的工作動(dòng)態(tài)范圍與接收靈敏度的動(dòng)態(tài)優(yōu)化時(shí)，接收機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)較好地抗干擾效果，保證輸出信號(hào)質(zhì)量。

3 雷達(dá)接收機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用策略

對(duì)于數(shù)字化雷達(dá)接收機(jī)而言，不僅要求其能夠自動(dòng)化接收并處理信號(hào)，此外還要具備較強(qiáng)的自適應(yīng)性，能夠適應(yīng)不同的工作環(huán)境、工作模式，持續(xù)保持穩(wěn)定可靠的輸出，因此需要對(duì)其中涉及到信號(hào)處理算法的核心技術(shù)進(jìn)行針對(duì)性的設(shè)計(jì)與應(yīng)用調(diào)整，從而保證系統(tǒng)工作的穩(wěn)定和準(zhǔn)確。

3.1 設(shè)計(jì)接收機(jī)的動(dòng)態(tài)范圍輸出

對(duì)于接收機(jī)的功率放大器而言，當(dāng)輸入信號(hào)的幅度值較小，根據(jù)線性響應(yīng)機(jī)制，此時(shí)輸出信號(hào)Uout會(huì)隨之增大，此時(shí)功放能夠保持穩(wěn)定工作的狀態(tài)[7]。但是，一旦出現(xiàn)輸入信號(hào)電平峰值過大，導(dǎo)致功放出現(xiàn)過飽和狀態(tài)，此時(shí)無法保持可靠穩(wěn)定的工作狀態(tài)，即輸出信號(hào)Uout不會(huì)隨之增大，導(dǎo)致輸出特性曲線會(huì)出現(xiàn)拐點(diǎn)，性能急劇下降，如圖2所示，此時(shí)接收機(jī)無法正常工作。根據(jù)圖中顯示的通道偏轉(zhuǎn)量1dB點(diǎn)或P-1點(diǎn)，可以作為計(jì)算動(dòng)態(tài)范圍的基準(zhǔn)量，此時(shí)判斷輸出曲線開始出現(xiàn)拐點(diǎn)，即接收機(jī)不再具備正常工作的能力。

對(duì)于接收機(jī)能夠有效降低過飽和現(xiàn)象，可設(shè)計(jì)其動(dòng)態(tài)范圍D來表示[4]，其公式可以表示如下：

式中，Pmin為接收機(jī)能夠檢測(cè)到弱信號(hào)功率的最小值；Pmax為接收機(jī)在保證不出現(xiàn)過飽和現(xiàn)象時(shí)，能夠檢測(cè)到強(qiáng)信號(hào)功率的最大值。

3.2 調(diào)整接收機(jī)的自動(dòng)增益控制

由于接收機(jī)工作模式，無法有效解決工作帶寬與靈敏度之間的匹配，只能夠在參數(shù)選擇上進(jìn)行優(yōu)化，因此如何高效使用自動(dòng)增益控制技術(shù)(AGC)，是值得深入研究的。AGC的工作原理是通過使放大電路的增益能夠自適應(yīng)地隨著輸入信號(hào)幅度變化而靈活調(diào)整的控制方法，是針對(duì)功率放大器的增益進(jìn)行調(diào)節(jié)的過程[8]。通常情況下，主要是為了使著隨輸入信號(hào)電平變化，降低引起的輸出信號(hào)電平變化，如圖3所示，這是AGC電路設(shè)計(jì)流程圖，由檢波器與RC組成，能夠有效實(shí)現(xiàn)功率增益的調(diào)整，利用線性放大和壓縮放大的有效組合對(duì)輸出信號(hào)進(jìn)行調(diào)整。當(dāng)弱信號(hào)輸入時(shí)，線性放大電路工作，保證輸出信號(hào)的強(qiáng)度；當(dāng)輸入信號(hào)達(dá)到一定強(qiáng)度時(shí)，啟動(dòng)壓縮放大電路，使輸出幅度降低，即AGC功能可以通過改變輸入輸出壓縮比例自動(dòng)控制增益的幅度。

因此，對(duì)于現(xiàn)代雷達(dá)技術(shù)而言，如何能夠利用信息化手段實(shí)現(xiàn)對(duì)電磁信號(hào)的自動(dòng)搜尋、解析以及輸出等工作，并能夠有效實(shí)現(xiàn)工作的可靠穩(wěn)定，需要不斷優(yōu)化調(diào)整接收機(jī)工作參數(shù)，自適應(yīng)環(huán)境條件以及抗干擾能力，即需要ACG電路設(shè)計(jì)更穩(wěn)定可靠，接收機(jī)能夠獲得更大的動(dòng)態(tài)范圍，從而有效保證接收機(jī)的工作性能。

4 結(jié)束語

對(duì)于超外差式數(shù)字化雷達(dá)接收機(jī)而言，如何充分發(fā)揮其工作性能，并保證其工作的可靠穩(wěn)定是值得研究的問題。接收機(jī)指標(biāo)參數(shù)的科學(xué)分析對(duì)于系統(tǒng)運(yùn)行的狀態(tài)影響較大，通過智能調(diào)整參數(shù)設(shè)置和采取適合雷達(dá)工作用途的技術(shù)應(yīng)用手段，有效提升了雷達(dá)接收機(jī)性能，并有利于技術(shù)人員熟悉、使用和維護(hù)保養(yǎng)雷達(dá)接收機(jī)。