CN102253373A - 一种提高磁控管雷达改善因子的数字补相接收*** - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种提高磁控管雷达改善因子的数字补相接收***，由时间灵敏度控制***、低噪声放大器、功分器、混频器、压控振荡器、放大滤波、模拟数字转换器、中频IF处理器、相干处理器、光纤接口、BURST(样本)处理及重构、数字模拟转换器、模拟数字转换器、时序电路1.6193M晶振、发射基准组成。本发明克服了现有技术中发射改善因子提高不多的缺点，使磁控管雷达发射***改善因子提高10dB以上，该数字补相接收***的射频接收及数字中频接收部分采用了集成化、通用模块化技术。本发明使磁控管雷达不仅可以发现并跟踪船、舰等大目标，而且可以发现并跟踪飞机等快速小目标，其经济效益及军事效益俱佳。

Description

一种提高磁控管雷达改善因子的数字补相接收***

技术领域

本发明属于雷达技术领域，具体涉及一种提高磁控管雷达改善因子的数字补相接收***。 

背景技术

现代高性能雷达***需要大动态、高线性和理想IQ（正交）质量的接收机，其对传统的模拟接收机提出了很大的挑战，随着高速AD（模数）变换器和DSP（数字信号处理）技术的发展，数字中频接收模块已成为现代雷达提高性能的重要技术之一，其利用中频直接采样，通过高速数字信号处理获得视频IQ信号，具有镜频抑制比高，线性动态范围大、一致性好等优点。但目前的数字中频接收模块大多限于全相参（干）雷达***，而不适用于磁控管体系的非相参或接收相参雷达。由于磁控管***具有成本低，功率大等优点，目前应用仍较广泛，因而通过数字中频技术对现有磁控管体制雷达进行接收数字化和相参化改造，不但能大幅提升动态范围，***灵敏度等指标，而且可使其成为高稳定度的相参***。

由于磁控管价格很低，现在在全国仍有很多磁控管雷达，有的仍然全天候值守，而这些老雷达若加上数字补相技术，不仅可以发现并跟踪船、舰等大目标，而且可以发现并跟踪飞机等快速小目标，其经济效益及军事效益俱佳。

发射注入式锁相是较早出现的一种，其在磁控管放电前注入一个相参信号，微调磁控管的振荡频率使其和注入相参信号的频率差在锁相跟踪（锁相带宽）范围之内，使发射信号和注入信号锁相，从而实现相参发射。其缺点是需要的注入功率较大，一般注入功率只比输出功率小10-20dB左右，注入信号往往需要两级以上的放大器，成本较高。

注入锁相磁控管***由于受到锁定振荡器相位噪声、磁控管振荡器频率不稳和锁相***本身锁相不稳等因素的影响，性能不高，可靠性低，实现成本高。

接收注入式锁相是在接收端将发射样本中频脉冲注入至中频相参振荡器，用于同步相参振荡器，锁相同步后的相参振荡器输出可视为发射脉冲振荡的延续，目前应用最为广泛。该方法的优点是不需要大的注入功率，缺点是相参振荡器从自由振荡状态到锁相需要一定的同步时间，锁相后相参振荡器频率不稳、锁相误差等影响，其相位稳定度较低，同时存在定相精度随距离下降问题，在动目标雷达中其改善因子一般只能达到10-20dB左右。同时由于受模拟电路随温度变化等固有缺点的影响，稳定性差，维护成本高。

模拟中频相参接收在原理上和注入式相参接收相似，其不同之处在于利用声表面波（SAW）器件暂存发射样本中频脉冲，SAW存贮相关卷积器作为中央处理单元在中频段进行复共轭相关处理，消除或减小发射***的不稳定对改善因子的限制。其优点是模拟信号处理速度快，成本低，缺点是SAW器件本身的非理想因素限制了雷达改善因子的进一步提高，运算精度不高，灵活性差，对于发射脉冲较宽的***实现有一定的难度。

数字相参接收在原理上和模拟中频相参接收相似，利用AD对发射脉冲样本进行取样，然后用该取样值和回波信号进行相关或卷积，实现相位校正，达到消除随机初相的目的，这种方法对改善因子的限制可达30dB。但由于目前该类相参处理一般是在视频线性通道进行的，性能受到线性通道动态范围，IQ信号质量等前端非理想因素影响，同时由于视频AD采样率一般不高（硬件信号处理能力所限），所以对于窄脉冲***，由于发射脉冲样本的采样数较少，定相精度不高，同时也不能实现宽范围的AFC（自动频率跟踪）控制。

相参式等现有技术有对发射改善因子提高不多的缺点，本发明可使磁控管雷达发射***改善因子提高10dB以上。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是运用接收***数字补相技术大幅提高磁控管雷达发射***改善因子，从而使现役的很多磁控管老雷达（很大一部分甚至全天候值守）不仅可以发现并跟踪船、舰等大目标，而且可以发现并跟踪飞机等快速小目标。

目前提高磁控管雷达改善因子均局限在信号处理***中，本发明采用了数字中频接收技术，此数字中频接收模块不仅可以实现中频产生数字信号，而且可以计算相邻脉间的相位差。

本发明解决了提高磁控管雷达改善因子的问题，该数字补相接收***的射频接收及数字中频接收部分采用了集成化、通用模块化技术。

本发明所采用的技术方案是：

一种提高磁控管雷达改善因子的数字补相接收***，由时间灵敏度控制STC***1、低噪声放大器LNA2、功分器3、混频器4、压控振荡器VCO5、第1放大滤波6、第2放大滤波7、模拟数字转换器AD8、中频IF处理器9、相干处理器10、第1光纤接口11、第2光纤接口12、BURST样本处理及重构13、模拟数字转换器AD14、数字模拟转换器DA15、时序电路1.6193M晶振16、发射基准17组成；

天线的脉冲调制回波信号经时间灵敏度控制STC***1处理后连接到低噪声放大器LNA2，低噪声放大器2输出连接功分器3，功分器3的两路输出一路连接混频器4，另一路连接到原雷达***的接受前端；压控振荡器VCO5的输出连接混频器4，混频器4的输出连接第1放大滤波6，第1放大滤波6的输出连接第2放大滤波7，第2放大滤波7的输出连接模拟数字转换器AD8，模拟数字转换器AD8的输出连接中频IF处理器9，中频IF处理器9的输出连接相干处理器10，相干处理器10的输出连接第1光纤接口11，第1光纤接口11的输出连接第2光纤接口12，模拟数字转换器AD14的输出连接BURST样本处理及重构13，BURST样本处理及重构13的输出连接相干处理器10，BURST样本处理及重构13的DAFC数字自频调信号输出连接数字模拟转换器DA15，数字模拟转换器DA15的输出连接压控振荡器VCO5，相干处理器10的Trig触发输出连接BURST样本处理及重构13、中频IF处理器9；

所述一种提高磁控管雷达改善因子的数字补相接收***，采用数字中频接受技术来提高磁控管雷达的改善因子；

所述一种提高磁控管雷达改善因子的数字补相接收***的射频接收和数字中频接收部分采用集成化、通用模块化技术。

射频接收部分的时间灵敏度控制STC***1的射频衰减器、低噪声放大器LNA2、压控振荡器VCO(5)采用单片微波集成电路MMIC技术，其MMIC芯片与外电路采用0.25μm的金丝连接。

射频接收部分的时间灵敏度控制STC***1、低噪音放大器LNA2、压控振荡器5、时序电路1.6193M晶振16、发射基准17、第1放大滤波器6、第2放大滤波器7、混频器4均设计成独立的通用模块，每一通用模块均设置有通用接口，可以通过通用接口为其他***调用。

模拟数字转换器8、模拟数字转换器14、中频IF处理器9、相干处理器10、样本处理及重构13、数字模拟转换器15、以及第1光纤接口11、第2光纤接口12构成数字中频接收模块；

数字中频接收模块中的电路均采用表面贴装器件并集成于一块双面印制板上；

结构上数字中频接收模块和数字信号处理DSP***由光纤接口自由连接，传输信号方便快捷。

数字中频接收模块采用先进的发射脉冲分析算法。

本发明的积极效果是：

本发明采用集成化、通用模块化设计技术实现数字补相接收***，运用该数字补相接收***提高了磁控管雷达改善因子。数字相参接收在原理上和模拟中频相参接收相似，利用AD对发射脉冲样本进行取样，然后用该取样值和回波信号进行相关或卷积，实现相位校正，达到消除随机初相的目的，这种方法对改善因子的限制可达30dB。

数字补相接收***射频接收的STC，其射频衰减器采用MMIC（单片微波集成电路）技术，其MMIC芯片与外电路采用0.25μm的金丝连接技术，提高了***集成化程度（LNA及VCO也采用了该技术），STC、LNA、VCO、时序电路1.6193M晶振、发射基准、放大滤波及混频器均为独立的通用模块，有通用接口，可以为其他***调用。AD、IF处理器、相干处理器、BURST(样本)处理及重构、DA电路均采用表贴器件，构成数字中频接收模块，该数字中频接收模块采用数字电路集成技术，集成于一块双面印制板上，构成一个独立的通用模块，可以为其他***（包括相干***）所调用。在结构上数字中频接收模块和DSP***由（光纤接口板）自由连接，传输信号方便快捷。

本发明采用了电路的通用模块化设计技术，最大限度简化了电路结构，实现自身集成化。

本发明典型应用于磁控管雷达***。该发明的射频模块可通用于C波段的射频***，其数字中频接收模块配有先进的发射脉冲分析算法，可应用于磁控管非相参或接收相参***及全相参雷达，对于磁控管***，其能提供数字定相，输出功率校正，数字AFC等功能，对于全相参雷达，其能进一步利用速调管发射脉冲样本进行数字相位校正 ，发射功率校正等。其也可以作为雷达***前端性能测试的强大工具。

本发明具有很高的工程实用价值，其军事价值和经济价值十分可观。

附图说明

图1为本发明的结构原理图。

图2为本发明的计数器线性码—非线性码的电路图。

图3为本发明的A/D、运放及射极跟随电路图。

图4为本发明的VCO电路图。

图5为本发明的混放电路图。

图6为本发明的晶振倍频电路图。

图7为本发明的数字中频接收模块原理图。

具体实施方式

本发明克服了发射注入式、接收注入式、模拟中频相参式等现有技术中发射改善因子提高不多的缺点，使磁控管雷达发射***改善因子提高10dB以上，该数字补相接收***的射频接收及数字中频接收部分采用了集成化、通用模块化技术。

本发明的硬件的组成如图1所示：本发明由时间灵敏度控制（STC）***1、低噪声放大器（LNA）2、功分器3、混频器4、压控振荡器（VCO）5、第1放大滤波6、第2放大滤波7、模拟数字转换器（AD）8、中频（IF）处理器9、相干处理器10、第1光纤接口11、第2光纤接口12、BURST(样本)处理及重构13、模拟数字转换器（AD）14、数字模拟转换器（DA）15、时序电路1.6193M晶振16、发射基准17组成组成，其中，时间灵敏度控制（STC）***1连接低噪声放大器（LNA）2，低噪声放大器输出连接功分器3，功分器输出连接混频器4，压控振荡器（VCO）5的输出连接混频器4，混频器的输出连接第1放大滤波6，第1放大滤波6的输出连接第2放大滤波7，第2放大滤波7的输出连接模拟数字转换器（AD）8，模拟数字转换器的输出连接IF（中频）处理器9，中频（IF）处理器的输出连接相干处理器10，相干处理器的输出连接第1光纤接口11，第1光纤接口11的输出连接第2光纤接口12，模拟数字转换器（AD）14的输出连接BURST(样本)处理及重构11，BURST(样本)处理及重构的输出连接相干处理器10，BURST(样本)处理及重构的DAFC（数字自频调）信号输出连接数字模拟转换器（DA）15，数字模拟转换器（DA）的输出连接压控振荡器（VCO）5，相干处理器10的Trig(触发)输出连接BURST(样本)处理及重构13、中频（IF）处理器9。

本发明的具体工作原理是：

数字补相接收***功能：由天线的脉冲调制的微弱回波信号，经STC1后，经LNA2放大后，由功分器3功分两路，一路到原雷达***的接收前端，另一路到混频器4与压控振荡器（VCO）5来的本振信号混频，输出中频信号到第1放大滤波器6放大滤波后，再经第2放大滤波器7放大滤波，此中频信号加到模拟数字转换器（AD）8采样后将采样值送到中频（IF）处理器9进行中频处理，处理结果送相干处理器10处理，BURST数据同时送入32位浮点协处理器进行实时高精度频谱分析，以提取发射脉冲各种信息，该类信息反馈给中频相干处理模块10用于对回波数据的相干处理，最后综合成多普勒数字I/Q信号，I/Q信号通过高速第1光纤接口11送至本地（异地）信号处理器。所有的中频相参处理，BURST频谱分析，AFC控制等均在数字中频接收模块内部实时处理，现场采样，现场处理，在接收端配合第2光纤接口12，可以在去掉原有***信号处理器的数据采集模块，自频调***，甚至定时电路后方便地使用自己的数字信号处理器，此时一个常规雷达已经升级为高性能接收相参多普勒***了。既可以输出串行的16位DAFC用于调整数控本振的频率，也可以通过外配的AFC DA模块控制一般VCO本振的振荡频率，对于通过调谐磁控管频率的稳频***则其可以使用其输出频率调整控制信号UP（频率上调）、DOWN（频率下调控制）和LOCK（锁定指示）信号，因而可方便的和不同雷达***的自频调电路接口。升级为高性能接收相参多普勒***后，雷达***的发射改善因子相应得到提高。

***集成、通用模块化原理是：

集成化一：射频接收内STC1，其射频衰减器采用MMIC（单片微波集成电路）技术，其MMIC芯片与外电路采用0.25μm的金丝连接等微型化技术，提高了***集成化程度（LNA2及VCO5也采用了该技术）；

集成化二：AD（8、14）、中频IF处理器9、相干处理器10、BURST(样本)处理及重构13、DA15电路均采用表贴器件，（再加上第1光纤接口11及第2光纤接口12）构成数字中频接收模块，该数字中频接收模块内电路采用数字电路集成技术，集成于一块双面印制板上，在结构上数字中频接收模块和DSP***由光纤接口（微型接口），自由连接，传输信号方便快捷。

通用模块化：射频接收STC1、LNA2、VCO5、时序电路1.6193M晶振16、发射基准17、第1放大滤波6、第2放大滤波7及混频器4均为独立的通用模块，有通用接口，可以为其他***调用。数字中频接收模块也为一个独立的通用模块，可以为其他***（包括相干***）所调用。

数字补相接收***内各部分的工作原理：

图2及图3为灵敏度时间控制（STC）***；

灵敏度时间控制（STC）有时又称近程增益控制或时间增益控制，其含义就是在近距离时使接收机的灵敏度降低(用控制放大器的增益或数控衰减器的办法)以防止近程杂波使接收机发生饱和，在远距离使接收机保持原来的增益和灵敏度，以保证小目标的获取和检测。

STC是由一个射频衰减器及其STC信号产生器组成。射频衰减器是由PIN管衰减器组成的。STC信号产生器用以产生一个随时间延迟变化的偏置电流。它是由距离计数器，一个EPLD(电可编程存贮器)，一个D/A（数/模）变换器和一个电流驱动器(有的射频衰减器里包含有电流驱动器)组成。

图2为计数器及线性码-非线性码电路图，其主要原理是11位非线性记数器，其非线性可随要求而改变，其由EPM7128集成电路实现。

图3所示电路为A/D、运放及射极跟随电路，AD568将12位非线性码转换为模拟电压，经AD840运放由射极跟随输出非线性锯齿电压给VCO（压控振荡器）电路。

图4所示为VCO电路，集成VCO输出的射频信号经定向耦合器，耦合器的主电路为二本振信号，耦合器的信号经电阻衰减网络经检波二级管给LM339电压比较器，检测二本振的故障情况。

图5所示为混频器、及放大滤波1电路，回波信号经由V1、V2限幅二极管限幅后，经LNA（低噪放）放大后，由五级微带滤波器滤波，与本振信号混频，经ERA-5单片放大器放大后，经LC滤波[第1放大滤波]后经五位数控衰减器后经ERA-5单片放大器放大经LC（电感电容）滤波[第2放大滤波]后输出中频信号。

图6所示为晶振倍频电路，由三极管V1与石英晶体CRY1形成晶振电路，单片放大器MAV-11放大与LC滤波器形成二倍频电路，信号经三极管V2放大后与LC滤波器形成五倍频电路，其信号经SGA4586放大后，由电阻衰减网络后，经ERA-5SM单片放大器LC滤波器形成五倍频电路，这样本电路共倍频50次。

图7所示为数字中频接收模块原理框图，数字中频接收模块硬件部分分为数字中频接收模块和接口板两部分。数字中频接收模块完成中频采样，数字中频处理，相干处理和数字下变频，IQ光纤传输及转换。接口板完成光纤接口，自身触发和定时产生，模拟IQ的DA输出等。

自接收机的中频回波信号IF（中频）和发射脉冲中频样本（BURST）通过高速AD采样， IF采样值送入中频处理器进行正交化，匹配滤波等处理，而BURST信号在采样后送入BURST分析器进行发射脉冲样本分析，分析内容包括发射脉冲的幅度、频率和相位三要素。为了提高发射脉冲样本的分析精度，BURST分析器采用32位浮点高精度处理。BURST分析器根据估计出的频率和理想值之差送出数字频率控制信号（DAFC），同时送出频率上调/下调控制电平。BURST分析器同时将触发射脉冲相位和幅度以及频率等信息传至相干处理器用于信号重构，相干处理器根据BURST重构信息与IF信号进行数字相干处理及回波功率校正，以消除发射功率脉间抖动的影响，最后经过综合得到16位的视频I、Q信号，IQ信号通过光纤接口送往信号处理器，在信号处理端由光纤接口板将串行的IQ数据还原为16位并行IQ信号，同时提供给DSP***IQCLK（正交时钟）信号和***时钟（SCLK）。数字中频接收模块送出的一个高速参考时钟SCLK可作为信号处理器的***时钟用于产生触发等信号，实现收发和信号处理的完全同步。

脉冲分析器输出的DAFC信号通过串行方式传送，AFC码字长为16位，其适用于采用数字本振***，如果***需要模拟电压AFC控制，则通过DA接口板输出模拟AFC信号。对于传统的调整磁控管频率的***，则可使用其输出的频率上调/下调电平进行磁控管谐振频率的调谐控制，该数字中频接收模块的频率跟踪的最大范围可达IF±20MHz。

为了能够正确地获得发射脉冲样本，信号处理器上传一个发射同步触发，该上传触发通过光纤传送，以消除电缆传送可能导致的触发沿恶化。数字中频接收模块的上行光缆还支持信号处理器动态设置数字中频接收模块，如改变发射脉冲的宽度、IQ速率等，但对于一般的应用，上行接口信号仅需将参考触发脉冲连入，数字中频接收模块可根据缺省设置工作，简化了和信号处理器的接口关系。对信号处理而言，光纤接口卡的输出可以看作以前传统模拟接收方案中的AD变换器输出，用其取代原来DSP***的AD数据采集板即可，信号处理器无需作其他变动。

Claims (5)

1.一种提高磁控管雷达改善因子的数字补相接收***，其特征在于由时间灵敏度控制STC***（1）、低噪声放大器LNA（2）、功分器（3）、混频器（4）、压控振荡器VCO（5）、第1放大滤波（6）、第2放大滤波（7）、模拟数字转换器AD（8）、中频IF处理器（9）、相干处理器（10）、第1光纤接口（11）、第2光纤接口（12）、BURST样本处理及重构（13）、模拟数字转换器AD（14）、数字模拟转换器DA（15）、时序电路1.6193M晶振（16）、发射基准（17）组成；

天线的脉冲调制回波信号经时间灵敏度控制STC***（1）处理后连接到低噪声放大器LNA（2），低噪声放大器（2）输出连接功分器（3），功分器（3）的两路输出一路连接混频器（4），另一路连接到原雷达***的接受前端；压控振荡器VCO（5）的输出连接混频器（4），混频器（4）的输出连接第1放大滤波（6），第1放大滤波（6）的输出连接第2放大滤波（7），第2放大滤波（7）的输出连接模拟数字转换器AD（8），模拟数字转换器AD（8）的输出连接中频IF处理器（9），中频IF处理器（9）的输出连接相干处理器（10），相干处理器（10）的输出连接第1光纤接口（11），第1光纤接口（11）的输出连接第2光纤接口（12），模拟数字转换器AD（14）的输出连接BURST样本处理及重构（13），BURST样本处理及重构（13）的输出连接相干处理器（10），BURST样本处理及重构（13）的DAFC数字自频调信号输出连接数字模拟转换器DA（15），数字模拟转换器DA（15）的输出连接压控振荡器VCO（5），相干处理器（10）的Trig触发输出连接BURST样本处理及重构（13）、中频IF处理器（9）；

所述一种提高磁控管雷达改善因子的数字补相接收***，采用数字中频接受技术来提高磁控管雷达的改善因子；

所述一种提高磁控管雷达改善因子的数字补相接收***的射频接收和数字中频接收部分采用集成化、通用模块化技术。

2.如权利要求1所述的一种提高磁控管雷达改善因子的数字补相接收***，其特征在于：射频接收部分的时间灵敏度控制STC***（1）的射频衰减器、低噪声放大器LNA（2）、压控振荡器VCO(5)采用单片微波集成电路MMIC技术，其MMIC芯片与外电路采用0.25μm的金丝连接。

3.如权利要求1所述的一种提高磁控管雷达改善因子的数字补相接收***，其特征在于：射频接收部分的时间灵敏度控制STC***（1）、低噪音放大器LNA（2）、压控振荡器（5）、时序电路1.6193M晶振（16）、发射基准（17）、第1放大滤波器（6）、第2放大滤波器（7）、混频器（4）均设计成独立的通用模块，每一通用模块均设置有通用接口，可以通过通用接口为其他***调用。

4.如权利要求1所述的一种提高磁控管雷达改善因子的数字补相接收***，其特征在于：模拟数字转换器（8）、模拟数字转换器（14）、中频IF处理器（9）、相干处理器（10）、样本处理及重构（13）、数字模拟转换器（15）、以及第1光纤接口（11）、第2光纤接口（12）构成数字中频接收模块；

数字中频接收模块中的电路均采用表面贴装器件并集成于一块双面印制板上；

结构上数字中频接收模块和数字信号处理DSP***由光纤接口自由连接，传输信号方便快捷。

5.如权利要求1所述的一种提高磁控管雷达改善因子的数字补相接收***，其特征在于：数字中频接收模块采用先进的发射脉冲分析算法。

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