基于跳頻技術的FMCW 雷達超寬帶調頻抗干擾方法分析

張國政

（空軍工程大學，陜西 西安 710038）

FMCW 雷達是一種具有持續波、信號頻段調節能力的信號，能夠進行遠程探測，排除客觀條件的干擾。客觀干擾條件包括：云霧、暴風等。雷達信號進行探測時，可24 小時持續進行，不會發生探測中斷問題，極具探測優勢。探測結果較為精準，使其在船舶平穩運行、工業生產檢查等多個行業中被廣泛應用。

1 相關理論

1.1 跳頻技術

1.1.1 技術概述

跳頻技術是指收發兩個設備，在特定信號頻段載波中，進行訊號傳輸。此時接收訊號的設備，跳頻技術會形成具有波動性的訊號，或稱為脈沖噪聲。跳頻技術傳輸的訊號，可采取特殊設計方式，以此消除信號傳輸形成的干擾。跳頻傳輸的信號，應達到FCC 規范，使用不少于75 個跳頻信號，跳頻間隔時間設定為400ms。

跳頻科技是一種使用廣泛的擴頻方法，對收發兩個主體的載波頻率，使用前期設定完成規律，創建新型離散性的通信路徑。通信中引入跳頻科技，偽隨機動態碼的引導下，使載波頻率發生動態改變。通信科技的信號傳輸中，跳頻科技是使用“碼序列”方式，高效完成多頻通信，具有碼控跳頻的信號傳輸特點。

1.1.2 技術優勢

（1）信號隱藏性。跳頻通信形式與原有頻率的信號傳輸方式對比時，跳頻傳輸更具信號隱藏功能，不易被截獲。在對方未掌握跳頻規則時，無法有效獲取傳輸資料。（2）信號傳輸平穩性。跳頻通信方式表現出較強的抗干擾優勢。如果信號傳輸期間，有部分頻點受到干擾，其他正常頻段可完成通信。跳頻通信組成中含有短時間窄帶程序，能夠與各類窄帶相容，保持電臺信息互通，可提升設備科技的升級能力。

1.1.3 跳頻圖的形成

收發雙方的通信任務，采取事前約定方式，擬定跳頻圖案進行頻率跳變。此種跳頻方式可稱為一般跳頻。在科技進步后，給出了適應型跳頻形式，可進行頻率、功率兩個因素的適應性調整。跳頻傳輸中，頻率圖能夠有效反映收發信號的頻率波動特征，確保收發信號的可循性，防止被他人獲知。一般情況下，跳頻碼序列的設計方式有三種：一是m；二是M；三是Rs。各類碼序列給出的跳頻圖均具有隨機性，此種隨機碼的形成，可使用移位寄存器獲取；此結構具有組成簡易、性能平穩、跳頻圖案同步速度快等優勢；此種碼序列方式，能夠適應較長時間段的信號傳輸。

1.1.4 跳頻技術的運行條件

等同于其他類型的數字信號傳輸技術，跳頻技術能夠進行多種信號同步，比如載波、幀。跳頻技術應用時，載頻表現出序列隨機性，為保證信號傳輸質量，收發兩端需進行跳頻圖案的同步設計，保證在相同時間跳頻規則的一致性。為此，在信號傳輸時，需進行跳頻規則的同步處理。跳頻科技進行規則同步時，共有兩個同步要求：一是短時間內高效完成同步；二是確保同步效果。跳頻電臺在進行同步處理時，含有精確時鐘、FFT 捕獲等方法。跳頻科技實踐應用時，會融合各類同步方法。掃描環節會記錄步頭節點的頻率，駐留環節會提取步頭存儲的同步資料，以此達到雙發跳頻規則的同步目標。具有適應能力的跳頻技術，對其進行同步處理，含有頻率更新段的更新環節，以此更新受干擾位置的頻點，保持雙方頻率規則的一致性，防止通信失敗。

1.2 FMCW雷達

1.2.1 FMCW概述

FMCW可稱為可調節頻率的、持續傳輸的信號波，FMCW雷達是使用此種信號波進行高精度距離測量的技術。測量期間，信號傳輸頻率的浮動規則為“三角波”。FMCW收發信號的頻率具有浮動規則的一致性，均為“三角波”，波中含有一組時間差，利用較小間隔的時間差獲取目標距離。

1.2.2 連續波雷達

此種雷達具備回傳信息分析功能，判斷回傳信號的多普勒偏移情況。脈沖雷達在進行距離測量時，脈沖寬度取值直接決定著距離檢測質量，分辨長度無法精細至小于15m 的范圍，限制了脈沖雷達的可用范圍。因此，脈沖雷達無法用于大氣層的探測任務。在1960年研發成功的連續波雷達，可用于大氣環境的探測活動，具有較強探測靈敏性，能夠增加距離分辨的清晰性，使用大氣層環境的各類環境，比如大氣回波、邊界層波動等。此外，連續波雷達可結合邊界層氣象特點，給出觀測資料。在50ms 時間范圍內，可進行特定方向的雷達信號發射，在另一端進行信號回收，測定頻率差值，判斷目標物與監測站的間距。連續波雷達分辨長度最小值hmin 的計算方法如下：

在公式中，c 表示光速，f 表示連續波的頻率浮動值，k 表示常數，用于判斷分析器的信號分析能力。當頻率浮動值為200MH 時，hmin=1.5m。

1.2.3 技術問題

一般類型的FMCW 雷達運行時，利用調制信號方式進行測距控制，系統組成包括天線、壓控振蕩設備（以下簡稱“VCO”）等。其中，VCO 是一種寬帶振蕩設備，具有電調諧特征。如果未對其進行線性調整，跳頻線性結合會達到百分數級別。結合雷達測距的技術特點，當VOC 線性結果不高時，收發信號之間存在一定頻率偏差問題，會增加收發信號之間的頻譜展寬，無法保障雷達測距結果的精確性。為此，對此種測距給予一定補充處理。

在電路設計方面，去除VCO 的失真問題，加強電路優化、相位調整等。此類補償方式，均無法切實提升測距結果的精度級別，會相應增加系統運行負擔。

1.2.4 技術融合

引入跳頻科技，有效解決雷達收發信號存在的頻譜無序疊加問題。在技術融合時，合理調整VCO 傳輸的信號，進行跳變調整，以此減少相同傳輸路徑中的信號混合問題。此種技術融合方法，無序進行電路優化，可降低系統運算量，提升系統運行能力，積極解決頻譜無序的技術難點。在跳頻技術融合下，可增加雷達帶寬的優化能力，合理去除信號干擾問題，保障VOC窄帶寬信號收發的有序性，達到抗干擾的技術目標。為此，以下內容開展無序信號形成、跳頻技術融合的仿真分析，驗證跳頻技術融合的可行性。

2 信號無序疊加的形成

FMCW 雷達中含有三角、鋸齒兩種信號波形，相比而言，三角波更具探測優勢，主要表現在遠程探測、高效探測兩個方面，能夠有效排除遠程探測干擾，積極應對多普勒耦合，保證探測信息的精確性。為此，在研究時，以三角波形為重點，研究其雷達信號的無序疊加形成過程。現階段，FMCW 探測程序建立時，以毫米級為信號類型，探測方法有兩種：一是振蕩探測；二是倍頻探測。在振蕩探測時，VCO 干擾的排除方法，主要是在直流電壓條件下，合理調整變容二極管，保持傳輸信號、直流電壓處于同步變化狀態。在使用倍頻探測方法時，利用較低頻段的VCO，對其進行倍頻器處理，達到信號頻段調整的目標。在探測中使用的低頻VCO，在進行振蕩處理時，使用變容二極管。然而，二極管的使用，攜帶一定電調諧特征。為此，VCO 在傳出信號時，表現出非線性特征。

假設VCO 傳出的信號中，傳出信號頻率為f1，回傳信號頻率為f2，f1 與f2 的傳出時延為t，f1 的初期傳出信號頻率為f0，調整信號頻率的帶寬參數為B，調整周期為D，f △+表示在三角波信號增長段中f1 與f2 的差值，f △-表示在三角波信號下滑段中f1 與f2的差值。設定運動目標并未發生位置改變，保證探測結果的代表性，設定被測主體與雷達信號的相對運動速度為v，獲取信號產生多普勒偏差結果為f3，此時f △+不等于f △-。當f3=0，則有f △+=f △-=f3。在第i 次發生頻率差值時，形成的中心頻率為f30（i），則△f30（i）對應的是頻譜變幅。頻譜變化的幅度，會增加頻譜無序疊加的嚴重性。

當兩組相距較小、頻段相似的FMCW 雷達機組共同運行時，相當于在相同路線中運行兩組雷達，極易形成頻譜無序疊加現象。產生此種現象的原因：一是VCO 信號特征引起頻譜發生變動；二是頻率調整時的帶寬較小，可進行信號頻率調整的操作范圍受限，形成頻譜交叉、疊加等問題。時間、頻率的變動范圍，具有相互對應特點。如果雷達探測回傳的信息不具真實性，會直接形成探測結果的偏差問題，無法保障探測質量[1]。

3 跳頻技術消除頻譜無序疊加的過程分析

在較小范圍的帶寬條件下，能夠保證VCO 傳輸電壓、傳出頻率之間的有序性，可進行窄帶區域內的頻率調整處理，便于在較寬頻段區域內進行掃頻操作，即帶寬范圍固定，中心頻率具有可調整性，使雷達傳輸信號運行方式為“寬帶掃頻”，以此減少相鄰信號之間發生疊加，切實排除信號干擾。信號無序疊加現象的形成，主要源于雷達設備處于等同帶寬、相似頻段。在跳頻技術融合時，改變頻段，以此減少頻譜疊加問題。在跳頻技術引入后，差頻信號f △中含有兩類頻段，其一為初期傳輸的頻段，其二為新增的跳頻頻段。在此種情況下，如果發生頻譜無序疊加現象，僅會形成部分位置的頻譜混亂現象。此時僅需進行適當處理，即可恢復信號狀態，排除頻譜無序疊加帶來的不利因素。雷達傳輸的調整頻率信號時，其帶寬表示方法是：Bt=N×B。在關系式中，N 表示跳頻時間，B 表示帶寬。Bt 是指原有信號帶寬B 乘以跳頻時間N 倍，以此有效回避頻譜疊加問題，切實增強雷達相鄰傳輸路線的順暢性。

4 仿真分析

4.1 仿真參數

采用表1 中的仿真數據進行頻譜調整，跳頻頻率具體是指：在VCO 傳輸頻譜調整信號時，使用載波頻率進行處理，此時隨機產生的虛假碼，對數字合成程序形成控制產生的載波頻率。具有隨機性的虛假碼，使用PN 表示，是一種5 級m 序列，可獲取載波頻率。當載波頻率個數為31 時，設定周期值為31，進行隨機跳變處理，以此保證通信質量，減少干擾威脅。

表1 仿真參數

4.2 仿真結果

為獲取對比效果，仿真模擬時，選擇相鄰距離較小的兩組雷達設備。在運行時，初期頻率f0 參數為24GHz，帶寬B 參數為100MHz。仿真結果中，回傳信號的B 值，等同于信號傳輸時的B 值，兩個B 值對應的頻段具有差異性。在仿真運行時，頻譜變動幅度約為1MHz，此時可能發生頻譜無序疊加現象。在使用跳頻技術優化后，差頻信號中含有新增頻帶，在發生無序疊加問題時，此新增頻帶可進行信號修復，以此去除疊加影響。

經仿真發現：跳頻技術頻率調整完成時，傳輸信號擁有兩個可用頻帶，可使回傳、差頻兩組信號均在可用頻帶中，切實減少了頻譜疊加問題；新增的頻帶，可稱為“鏡像頻帶”，具有信號修復能力，保證雷達探測功能的平穩性；跳頻技術，用于優化雷達探測性能、排除干擾因素中，具有可行性[2]。

綜上所述，對FMCW 雷達進行信號優化時，引入跳頻技術，能夠有效消除信號無序疊加問題，切實增加雷達距離、速度探測結果的精準性，積極排查信號疊加帶來的干擾問題。由仿真實踐發現：跳頻技術的合理使用，可改變相鄰雷達的信號傳輸頻段，創建可用的信號傳輸頻帶，積極去除信號混疊問題，確保雷達使用效果。