毫米波随机码调相调幅船用防撞雷达的制作方法

专利名称：毫米波随机码调相调幅船用防撞雷达的制作方法
技术领域：
本发明涉及无线电波发射与接收探测目标方位、距离和速度的技术领域，具体是一种毫米 波随机码调相调幅船用防撞雷达。
背景技术：
当前，海洋航运和内陆江河湖泊航运、渔业迅速发展，船只大量增多，港口、航道越来越 拥挤，常有船只超载、超速，尤其两船或多条船交汇时其惯性力冲击掀起大波浪，影响航向， 不易正确操纵，致使船只相互碰撞或撞击桥墩，严重时沉船，甚至桥梁塌陷。在遇暴风雨等恶 劣天气时引发事故概率更大。因此，海洋航运、渔业生产、江河湖泊航运应用雷达防撞保障航 行安全在迅速发展，迫切需要技术先进、功能完善的防撞雷达。从技术方面分析FM-CW调频连 续波防撞雷达局限于检测单一目标，调制信号仅用单一频率的周期信号作为检测标志，不能对 观察区域内所有目标同时无模糊测定距离和速度。相邻多个目标回波相互交调、串扰使得很难 分辨其检测数据，影响判断。脉冲PD雷达发射脉宽，遮挡回波信号的接收，存在距离盲区不能 近距检测防撞，缺少对多个可能碰撞目标检测和跟踪能力，船只密集的水域应用防撞雷达抗相 互干扰问题势必解决，随机信号连续波雷达虽有很高的抗干扰能力，有望高性能环境电磁兼容 EMC，但因连续波雷达天线发射能量辐射泄漏阻塞，影响检测回波接收信号，尤其弱小目标信号 难以检测。防撞预警雷达作用距离较近，要求船体所处的水面具有全方位安全航行防撞功能。 此外，简单显示器对相邻目标难以分辨，不能显示多个目标全景图像，相对位置、距离远近及 移动速度欠缺预警。现有防撞雷达缺少用传感器信号构成闭环控制的功能，缺少水域环境天线 自适应控制，缺少自动避障、减速和刹船的智能控制，能见度差或航行遇险情不能及时帮助司 机解危避免事故。

发明内容
本发明的目的是提供在同一水域相邻多艘船只航行互不干扰、共存运行，全方位检测所处 水域可能发生碰撞目标的亳米波随机码调相调幅船用防撞雷达。
本发明技术方案设有环形器、中放、存储器RAM、数字信号处理器DSP、双口存储器 MM、微控制器MCU、接口 I/O、水面摄像传感器、本船速传感器、卫星定位传感器GPS、声光 报警器、图像显示器CRT、方向舵控制器、减速器、点火/熄灭控制器、键盘，还设有收/发两 用准光集成介质透镜天线阵列、波束开关、频率合成器、收/发开关T/R" T/R2、 T/R3、宽带噪 声发生器、随机码发生器A、调相器、倍频与功放、随机码发生器B、调幅器、低噪声高放、分 谐波混频器、随机序列异步选通门、数字中频正交检波器、数字脉压相关器，天线装设在船顶
5高位处，设成水平环形阵或环绕桅杆成圆环阵，DSP编码脉冲分配序列接入波束开关、CRT，全 方位循环扫描探测水面可能碰撞的目标，频率合成器可编程分频器预置端、数控振荡器数控 端、数字脉压相关器可变延迟线数控端分别经接口 I/O与MCU相接，频率合成器输出fc3接入 DSP为时钟信号，宽带噪声发生器噪声谱接入随机码发生器A、随机码发生器B，频率合成器输 出fcu接入随机码发生器A为采样时钟信号，fc2接入随机码发生器B为采样时钟信号，生成相 互独立的双随机码，随机码发生器A输出接入调相器、数字脉压相关器，随机码发生器B输出 随机序列接入调幅器，随机序列高电平逻辑"1"接入T/R2、 T/R3，低电平逻辑"0"接入T/R" 随机序列异步选通门，收/发开关T/R2、 T/R3分别接在倍频与功放的输入/输出端，调幅器串接 在倍频与功放直流电源端，T/Ri接在环形器输出至低噪声高放输入之间，随机序列异步选通门 接在中放输出至数字中频正交检波器输入之间，频率合成器输出fN接入调相器为载频一半或四 分之一频率，调相射频经倍频与功放二或四倍频、功放为雷达载频fQ接至T/R2、环形器馈入天 线阵列发射，频率合成器输出ft接入分谐波混频器为二或四内在倍频本振信号fL、频率合成器 输出fi接入数字中频正交检波器为相干基准信号，f"为数字中频正交检波器模数转换器A/D 采样时钟信号，fcs为数字中频正交检波器数字低通滤波器LPF时钟信号，fc9为数字中频正交 检波器抽取器时钟信号，回波射频经天线阵列、波束开关、环形器、T/Rk低噪声高放、分谐 波混频器、中放，在随机序列异步选通门选取再经数字中频正交检波器解调接入数字脉压相关 器，相关输出数据存入存储器RAM后接入DSP数据总线，DSP与MCU数据总线、地址总线、控 制线经双口存储器RAM汇接并提供仲裁信号，MCU输入/输出经接口 I/O连接水面摄像传感器、 本船速传感器、卫星定位传感器GPS、声光报警器、CRT、方向舵控制器、减速器、点火/熄灭 控制器、键盘，DSP软件设计片内分组时分复用数据重排、动目标显示MTI、快速傅里叶变换 FFT、距离旁瓣抑制、恒虚警处理CFAR， MCU系统软件编程包括主程序和数据采集、薮据处理、 对象控制子程序，中放检出自动增益控制电压经滤波、放大接入低噪声高放、中放自动增益 AGC控制端，频率合成器、宽带噪声发生器、随机码发生器A、随机码发生器B，波束开关、环 形器、收/发开关T/R" T/R2、 T/R3、调相器、调幅器、倍频与功放、低噪声高放、分谐波混频 器、中放集成一体，屏蔽；
其中，频率合成器由恒温晶振、晶振分频器、高次倍频放大链、混频器、带通滤波器、放 大器、压控振荡器VCO、鉴相器、环路滤波器、环路分频器、注入谐波分频器、数控振荡器NCO 组成，VCO由砷化镓高电子迁移率晶体管GaAsHEMT器件、介质谐振器反馈振荡、变容管压控调 谐，环路分频器由前置分频器和可编程分频器组合，恒温晶振输出第一路信号经高次倍频放大 链与VCO输出信号接入混频器，混频后经带通滤波器、放大器，再经环路分频器接入鉴相器， 第二路信号经晶振分频器接入鉴相器，鉴相输出经环路滤波器压控VCO锁相频率合成，VCO输
出fN为雷达调相器载频一半或四分之一频率，fN经定向耦合器得到分谐波混频器二或四内在倍
频本振f"可编程分频器输出fC1为随机码发生器A采样时钟信号、fC2为随机码发生器B采样 时钟信号、fc3为DSP时钟信号、f(M为MCU时钟信号、fc5为数字脉压相关器时钟信号、fc6为回波数据存储器RAM时钟信号，fc7为数字中频正交检波器模数转换器A/D采样时钟信号、fc8 为数字低通滤波器LPF时钟信号，fc9为抽取器时钟信号，第三路接注入谐波分频器至DDS相位 步进寄存器、N位相位累加器、ROM正弦査找表存储器形成的数控振荡器NCO，输出fic。s"。tn、 fi-sin"。tn为数字中频正交检波器相干基准信号，可编程分频器预置端、数控振荡器NCO数控端 分别经接口 1/0接入MCU;
收/发两用准光集成介质透镜天线阵列，由介质基片微带双偶极振子集成天线、介质透镜、 阵列基座、防护罩构成，介质透镜是一端面为半球体，另一端面为圆柱体截面，介质基片微带 双偶极振子集成天线紧密放置在介质透镜的圆柱截面为馈源，介质透镜半球端面为天线辐射 面，在船顶高位设成水平环形阵列或环绕桅杆圆环阵列，DSP编码脉冲序列接入波束转换开 关、光栅扫描图像显示器CRT坐标变换器；
波束开关是在接收天馈集成PIN 二极管或砷化镓场效应管GaAsFET串、并、串连接的单刀 单掷开关SPST，控制天线阵列由多个SPST组合成单刀多掷开关，控制偏压由数字信号处理器 DSP编码脉冲分配序列经低通网络接入，收/发开关T/Ri、 T/R2、 T/R3由PIN 二极管或砷化镓场 效应管GaAsFET组成串、并，串阵列式单刀单掷SPST开关，T/Ri接在环形器输出至低噪声高放 输入之间，T/R2、 T/R3分别接在倍频与功放的输入/输出端，控制偏压由随机码发生器B输出随 机序列高电平逻辑"1"经低通网络接入T/R2、 T/R3，低电平逻辑"0"经低通网络接入T/R" 随机序列异步选通门；
随机码发生器A、随机码发生器B由同一个宽带噪声源、微波宽带放大器输出，随机码发 生器A由SAW声表带通滤波器、高速或超高速电压比较器、高速或超高速采样保持器、有源积 分器、高速双稳态触发器组成，随机码发生器B由SAW声表带通滤波器、电压比较器、采样保 持器、有源积分器、双稳态触发器组成，宽带噪声源由PN结二极管芯片上设一 P或N扩散限 流环，串联温补二极管，恒流反向偏置为雪崩状态，置于同轴腔或波导腔经微波宽带放大器及 宽带匹配过渡网络输出接入随机码发生器A、随机码发生器B，频率合成器输出fd接入随机码 发生器A为采样时钟信号，fc2接入随机码发生器B为采样时钟信号，随机码发生器A由SAW声 表带通滤波器、高速或超高速电压比较器至高速或超高速采样保持器，经有源积分器反馈接回 高速电压比较器为比较门限，再经高速双稳态触发器、低通网络接入调相器、数字脉压相关器 可变延迟线，随机码发生器B由SAW声表带通滤波器、电压比较器至采样保持器，经有源积分 器反馈接回电压比较器为比较门限，再经双稳态触发器、低通网络接入调幅器，其高电平逻辑 "1"接入收/发转换开关T/R2、 T/R3，低电平逻辑"0"接入收/发转换开关T/R"随机序列异 步选通门；
调相器由衬底未掺杂砷化镓GaAs与未掺杂铝基砷化镓AlGaAs形成交界面的基片上，集成 两组高电子迁移率晶体管HEMT器件对管、四个3dBLange定向耦合器及六个电阻构成两路反射 式电桥调制器，两组HEMT对管栅极分别串一电阻接入调制信号，源极接地，两个3dBLange定 向耦合器分别接在两组HEMT器件对管漏极，交叉耦合到其余两个3dBLange定向耦合器，匹配负载电阻，调相器输入/输出端口可互易，频率合成器VCO输出fN为雷达载频一半或四分之一 频率接调相器，随机码发生器A输出经低通网络接入两路调制器HEMT对管栅极互补控制，生成 0、 Ji二进制BPSK调相信号；
倍频与功放倍频级由磷化铟为衬底砷化镓高电子迁移率InPGaAsHEMT晶体管栅极接入/4阻 抗变换微带线及偏置电路，源极并联在接地阻容，漏极微带线抑制基波和三次谐波，调谐在二 次或四次谐频为雷达载频fo，功放级由InPGaAsHEMT器件栅极接入微带阻抗变换和C类偏置， 源极接地，漏极微带线调谐在fo，并与天线阻抗匹配，倍频与功放直流电源端经低通网络串接 调幅器； '
低噪声高放由一个双栅磷化铟为衬底砷化镓高电子迁移率晶体管InPGaAs冊MT、微带网络 构成，第一栅极接天线回波载频匹配网络，第二栅极为AGC自动增益控制端，接中放AGC检出 电压，源极阻容接地，漏极输出匹配网络接入分谐波混频器SHP，两个肖特基二极管反向并接 在本振信号fL匹配网络与回波载频信号fo匹配网络之间，本振信号fL由频率合成器输出fN经 定向耦合器连接，中频IF经带通网络在本振信号fL匹配网络的一侧取出；
数字中频正交检波器由模数转换器A/D、同相I、正交Q两路数字乘法器、数字低通滤波器 LPF、抽取器组成，频率合成器输出fc 为A/D采样时钟信号，fcs为LPF时钟信号，fc9为抽取 器时钟信号，中放带通滤波器经随机序列异步选通门选取接入A/D，其输出分别接I、 Q支路两
路数字乘法器输入的一端，频率合成器数控振荡器NCO输出信号fiCOS"。tn、 fi-Sin"。tn相应连
接I、 Q支路两路乘法器另一输入端，I、 Q两路数字乘法器输出串联数字低通滤波器LPF、抽取 器接入数字脉压相关器，数字脉压相关器由I、 Q支路移位寄存器、延迟线、相关运算阵列、求 和相加器组成，延迟线是由抽头移位寄存器及开关电路组成可变延迟线，开关电路控制端经接 口 I/O接入微控制器MCU，频率合成器输出fC5接入延迟线移位寄存器、I、 Q支路移位寄存器 为时钟信号，随机码发生器A输出接入数字脉压相关器可变延迟线产生延时码，数字中频正交 检波器经抽取器输出信号在I、 Q支路移位寄存器循环移位，与可变延迟线延时码对应接入相关 运算阵列至求和相加器，相关输出数据存入存储器RAM后接入数字信号处理器DSP数据总线。
本发明技术方案由一个宽带噪声源产生两个相互独立码元的随机码发生器，随机码发生器A 调相测距/测速，随机码发生器B幅度键控调相载频二次调制，随机序列异步控制收/发转换开 关，高电平逻辑"1"前沿时T/R2、 T/R3接通倍频与功放级发射，T/R!关断接收，后沿时进入低 电平逻辑"0" T/R2、 T/R3关断倍频与功放，T/Ri接通接收，随机序列异步选通门选取目标；调 相/调幅双重随机编码异步检测，大为增强不断变化的随机性，同一水域相邻多艘船只相对方向 航行，发射信号相互照射扫掠，尽管干扰信号必然进入对方接收通道，其随机信号是随机变量 的时间过程早己发生变化，'起不了对目标回波相关处理干扰作用，互不干扰共存运行，不影响 对方雷达正常防撞，具有很强的抗干扰环境电磁兼容性EMC，后沿检测避免发射脉宽遮挡的盲 区，抑制发射能量泄漏提高接收灵敏度；准光集成介质透镜天线阵列传输毫米波损耗小增益 高，机械性能坚固抗振动强、防尘防蚀，成本低；反射式电桥调相器相互抵消寄生参量引起的相幅误差，精度高；数字中频正交检波器用一个A/D完成中频相干采样，其数控振荡器NCO输 出fi相干基准信号保证相位差90° ;频率合成多个高稳频基准频率和时钟信号，保障雷达载 频收/发、脉位同步，载频取二分之一或四分之一频率，其谐频与分谐波混频本振内在倍频组 合，少量器件获得毫米波處端载频测距测速高分辨力；DSP抑制虚警识别与本船最近距离的目 标，当前方无船由司机设速航行，出现船只时雷达测其信号，跟踪至最近船只，控制本船速保 持安全距离，偏离安全距离声光报警，逼近危险距离MCU指令方向舵控制器自动避障或启动减 速器智能控制。如遇迎面相撞的险情，其时间是两船速度之和，安全距离急剧縮短，要求驾驶 素质、经验更高，相应地智能防撞雷达自适应控制系统反映速度为ms级，比人类反映快得多， 在无机械故障条件下人控是不能替代的，起到能见度差航行司机不易看清楚的避障功能，极大 提高防撞性能。


图1本发明雷达技术方案原理图
图2雷达收/发信号时序图
图3频率合成器
图4双随机二相码发生器
图5调相/调幅电路
图6回波信号提取电路 具体实施方法
参照图1，本发明具体实施方法和实施例设有环形器3、中放6、存储器RAM19、数字信 号处理器DSP20、双口存储器RAM21、微控制器MCU22、接口 1/024、水面摄像传感器16、本船 速传感器17、卫星定位传感器GPS23、声光报警器26、图像显示器CRT30、方向舵控制器27、 减速器28、点火/熄灭控制器29、键盘25，还设有收/发两用准光集成介质透镜天线阵列1、波 束开关2、频率合成器9、收/发开关T/R" T/R2、 T/R3、宽带噪声发生器13、随机码发生器 A14、调相器11、倍频与功放10、随机码发生器B15、调幅器12、低噪声高放4、分谐波混频 器5、随机序列异步选通门7、数字中频正交检波器8、数字脉压相关器18,天线阵列l装设在 船顶高位处，设成水平环形阵或环绕桅杆成圆环阵，DSP20编码脉冲分配序列接入波束开关2、 CRT30,全方位循环扫描探测水面可能碰撞的目标，频率合成器9可编程分频器预置端、数控振 荡器数控端、数字脉压相关器18可变延迟线数控端分别经接口 1/024与MCU22相接，频率合成 器9输出fc3接入DSP20为时钟信号，宽带噪声发生器13噪声谱接入随机码发生器A14、随机 码发生器B15，频率合成器9输出fd接入随机码发生器A14为采样时钟信号，fc2接入随机码 发生器B15为采样时钟信号，生成相互独立的双随机码，随机码发生器A14输出接入调相器 11、数字脉压相关器18，随机码发生器B15输出随机序列接入调幅器12,随机序列高电平逻辑 "1"接入T/R2、 T/fo，低电平逻辑"0"接入T/R"随机序列异步选通门7，收/发开关T/R2、 T/R3分别接在倍频与功放10的输入/输出端，调幅器12串接在倍频与功放10直流电源端，T/Ri接在环形器3输出至低噪声高放4输入之间，随机序列异步选通门7接在中放6输出至数 字中频正交检波器8输入之间，频率合成器9输出fN接入调相器11为载频一半或四分之一频 率，调相射频经倍频与功放10 二或四倍频、功放为雷达载频fo接至T/R2、环形器3馈入天线 阵列1发射，频率合成器9输出fN接入分谐波混频器5为二或四内在倍频本振信号fL、频率合 成器9输出fi接入数字中频正交检波器8为相干基准信号，fc7为数字中频正交检波器8模数 转换器A/D采样时钟信号，fc8为数字中频正交检波器8数字低通滤波器LPF时钟信号，fc9为 数字中频正交检波器8抽取器时钟信号，回波射频经天线阵列1、波束开关2、环形器3、 T/R!、低噪声高放4、分谐波混频器5、中放6,在随机序列异步选通门7选取再经数字中频正 交检波器8解调接入数字脉压相关器18，相关输出数据存入存储器RAM19后接入DSP20数据总 线，DSP20与MCU22数据总线、地址总线、控制线经双口存储器RAM21汇接并提供仲裁信号， MCU22输入/输出经接口 1/024连接水面摄像传感器16、本船速传感器17、卫星定位传感器 GPS23、声光报警器26、 CRT30、方向舵控制器27、减速器28、点火/熄灭控制器29、键盘 25， DSP20软件设计片内分组时分复用数据重排、动目标显示MTI、快速傅里叶变换FFT、距离 旁瓣抑制、恒虚警处理CFAR， MCU22系统软件编程包括主程序和数据采集、数据处理、对象控 制子程序，中放6检出自动增益控制电压经滤波、放大接入低噪声高放4、中放6自动增益AGC 控制端，频率合成器9、宽带噪声发生器13、随机码发生器A14、随机码发生器B15，波束开关 2、环形器3、收/发开关T/R" T/R2、 T/R3、调相器11、调幅器12、倍频与功放9、低噪声高 放4、分谐波混频器5、中放6集成一体，屏蔽。
收/发两用准光集成介质透镜天线阵列，在船顶高位设成水平环形阵列或环绕桅杆圆环阵 列，由DSP编码脉冲序列控制波束转换开关水平全方位逐次循环扫描发射、预警碰撞目标，DSP 编码脉冲序列在所对应时间光栅扫描图像显示器CRT坐标变换器导出识别目标所处位置。其介 质透镜半球体为辐射面，短圆柱体横截面紧密放置介质基片微带集成天线为馈源，模拟集成天 线无穷厚介质基片消除表面波，改变圆柱体长度可获得合适的波束宽度的准光高斯束辐射高辨 力方向性，设物镜能进一步得到合适的方向性。准光集成介质透镜天线损耗小、增益高，收/发 互易性强，由于介质透镜机械性能坚固抗振和防尘、防水雾腐蚀良好。
收/发转换开关T/Rk T/R2、 T/R3为单刀单掷开关SPST，其中T/R2、 T/R3为双连同步开 关，开关器件采用PIN 二极管或砷化镓场效应管GaAsFET，随机码发生器B输出随机序列逻辑 "1"前沿时正偏为导通状态，接通倍频与功放，调幅器键控调相载频，经环形器、波束开关、 天线阵列发射，同时T/Ri其PIN管或GaAsFET管处于反偏截止，切断回波输入信号，关断接 收，当T/Ri其PIN管或GaAsFET管在随机序列后沿时进入逻辑"0"正偏为导通状态，接收回 波信号，T/R2、 T/R3的PIN,管或GaAsFET管处于反偏截止切断倍频与功放输入/输出信号。单管 开关隔离度和频带较小，多管串、并、串结构并与收、发隔离器组合得到所需性能。设T/R2、 T/R3控制倍频与功放输入/输出，并在直流电源端串接调幅器，深度调幅键控和隔离度。
倍频与功放采用磷化铟为衬底砷化镓高电子迁移率晶体管InPGaAsHEMT，有较宽的工作频带和较高的功率增益，器件功耗热耗小，倍频级源极阻容接地自给偏压，漏极微带网络抑制基 波和奇次谐波，功放级按C类偏置有较高的效率。取雷达载频一半或四分之一频率接入调相 器，二或四倍频与功放为雷达载频fo，与分谐波混频本振内在倍频组合，降低频率合成器输出 高端毫米波频率的要求，少量器件即达到雷达载频收/发。
克服噪声的影响，提高雷达弱小目标探测设低噪声高放。防撞雷达作用距离近，增益10dB 即可，由于回波信号强弱起伏很大，防止混频输入大信号饱和阻塞，高放、中放均设自动增益 控制AGC，保持接收有足够大的动态范围，以适应检测不同距离目标。双栅器件第二栅控制Is 对gm变化特性，源极电阻自给偏压，Is在其电阻压降使栅极产生负偏压，选取合适的Ib和 g ，加上AGC电压可得到良好的控制特性，选用磷化铟为衬底砷化镓高电子迁移率双栅器件 InPGaAsHEMT在毫米波高端频率具有低噪声特性，AGC控制范围较大。
分谐波混频器SPH是在鳍线或微带线电路由两个反向并接肖特基二极管，相互保护在过高 反压时不被烧毁，回波载频信号与本振信号相差甚远，隔离大于30dB，电路简单，无须耦合电 桥和直流电源，利用本振信号产生非线性谐波倍频，与调相载频同取一半或四分之一频率，仅 少量毫米波器件可获得高端载频fo。
本发明雷达收/发电路集成一体，简化电路连接，省略波导和同轴接头，提高雷达自身工程 电磁兼容性和可靠性。
图2雷达收/发脉冲*序图，(a)是DSP编码脉冲分配序列控制天线波束扫描的一个波形 Ts， (b)是随机码发生器B输出随机序列的波形，高电平逻辑"1"前沿时T/R2、 T/R3接通发 射，T/Ri关断接收，后沿时进入低电平逻辑"0" T/R2、 T/R3关断发射，T/Ri接通接收，探测周 围水面可能发生碰撞的船只或其它漂浮物。(c)是雷达发射调相/调幅随机序列波形，图中(d)、 (e)、 (f)、 (g)浅色波形是发射随机码调相/调幅信号，深色波形为随机序列异步接收到的目标 回波，漂浮目标，深色波形是时分异步接收目标回波脉冲，其中(d)收/发脉冲重叠吻合，回波 延时At^，目标距离为零时无回波产生，(g)回波延时At: max为雷达检测目标最大的作用距 离，(e)、 (f)收/发脉冲的延时At〉0， At<max，可看到，不同距离目标At不同的延时。目标 距离产生延时，距离越近脉宽越窄，功率变小，而近区场辐射强，信噪比下降不大时仍可检测 到目标回波。雷达收/发异步工作时间上完全隔离发射信号能量泄漏，极大提高检测弱小目标信 号的能力。本发明采用同一个宽带噪声源产生相互独立的两个随机码，雷达载频双重随机编码 调相/调幅汽船防撞雷达，在同一水域环境相邻船只极低的码元相关概率，船只密集航行互不干 扰高性能电磁兼容性EMC迖到随机码连续波雷达、脉冲雷达不具备的优点。
图3频率合成器，由恒温晶振9a为基准源，输出第一路信号由阶跃管倍频、放大器组成高 次倍频链9b、 9c、 9d、 9e，与压控振荡器VC09i接入混频器9n，混频后经带通滤波器、放大器 9m，再经由前置分频器91、可编程分频器9k组合的环路分频器接入鉴相器9g;第二路信号经 晶振分频器9f接入鉴相器9g，输出经环路滤波器9h压控VC09i锁相频率合成，VC09i输出fN 毫米波雷达载频fo的一半或四分之一频率调相，经定向耦合器9j为分谐波混频器6本振fL激
11励内在倍频混频，可编程分频器9k输出fd为随机码发生器A采样时钟信号、fc2为随机码发生器B采样时钟信号，fc3为DSP时钟信号，fc4为MCU时钟信号、fcs为数字脉压相关器时钟信号、fc6为回波数据RAM时钟信号，f"为A/D采样时钟信号，fc8为数字低通滤波器LPF时钟信号，fc9为抽取器时钟信号；第三路由注入谐波分频器9o接至DDS数控振荡器NC09p为时钟信号，相位步进寄存器暂存频率控制字的数据，N位相位累加器在时钟作用下不断地进行频率控制字累加，对频率2n周期内相位采样，正弦查表存储器ROM存有一个周期的正弦波数据，
查表地址对应形成输出fi余弦c。S。。tn、正弦-sin"。tn为数字中频正交检波器同相I支路、正交
Q支路基准信号，数控查表输出fi相干基准信号相位差精确为90° ， VC09i锁相输出与晶振倍频放大链混频进行频率反馈下移，减小环路前置分频器91分频比，改善相噪特性。采用恒温晶振9a频率合成频稳度很高，确保收/发载频起始相位、数字中频正交检波解调、A/D采样等多个时钟信号与其成整数倍关系，正确无误。
图4双随机二相码发生器，宽带噪声源13在极宽的频率范围内生成均匀、平坦的噪声，带宽达数个至数十个倍频程，抑制闪烁不可控噪声的产生至关重要，故在噪声器件PN结二极管其管芯设置P或N扩散限流环，使击穿电压比其高，限制击穿范围直接位于P区或N区，消除结区边缘不可控微等离子区击穿，得到PN结均匀击穿抑制不可控闪烁噪声的产生。管芯衬底基片置热沉，降低结温产生稳定的噪声谱。恒流源反偏在雪崩击穿区域，稳定的载流子雪崩倍增电流起伏产生随机散弹噪声，幅频呈正态分布。由于噪声产生受温度影响码元正负极性概率，串联温补二极管减少其影响。噪声管和温补管及偏置、微波宽带放大器置于同轴腔或波导腔隔离外界电磁场的干扰带限放大噪声频谱，匹配宽带网络过渡传输线分别接入随机码产生器A14、随机码产生器B15。现以随机码产生器B14为例，SAW声表带通滤波器a选取合适的码频与带宽，SAW声表带通滤波器a可供选用的中心频率范围广，带通滤波特性在频域上十分陡峭，插入损耗小，经电压比较器b选择噪声正负极性，频率合成器输出采样时钟信号fC1、 fc2控制采样保持器c进行周期采样、保啤，有源积分器d反馈回电压比较器b为均值门限比较,输出保持正负电平概率、随机序列占空比基本相等的随机二相码元，由双稳态触发器e输出接外电路。随机码产生器A14用于调相器11雷达载频发射和回波数字脉压相关器18处理目标距离/速度信息，达到测距高分辨力码频与带宽取值相对较大，采样时间取值快，因此器件工作速度相应选高速或超高速。随机码产生器B15用于调幅器12幅度键控调相载频，随机序列高电平逻辑"1"前沿时收/发转换开关T/R2、 T/R3接通倍频与功放输入/输出发射信号，T/Ri关断接收；后沿时进入低电平逻辑"0" T/R2、 T/R3关断倍频与功放输入/输出，T/Ri接通接收，随机序列异步选通门7选取目标信号。
两组随机码发生器码频与带宽、采样时钟信号取值不同，产生相互独立的双随机码。基于随机信号是随机变量的时间过程，无周期性重复，调相/调幅双重随机编码异步检测，大大增强不断变化的随机性，同一水域相邻环境多艘船只相对方向行驶，允许使用宽波束天线，发射信号相互照射扫掠，尽管干扰信号必然进入对方接收通道， 达双随机码收/发信号变化极快，起不了对目标回波相关处理干扰作用，因此互不干扰共存运行。
图5调相/调幅电路，随机码调相器11是在砷化镓基片上集成两组高电子迁移率晶体管HEMT对管、四个3dBLange定向耦合器及六个电阻构成两路反射式调制器，是一种冷HEMT平衡推挽模式调制器，其调制电压互补控制，两路调制器输出为复数相加，矢量合成0、 n二进制BPSK调相信号，输入/输出端口可互易。当一组对管栅极调制信号为正偏电压时，管子导通呈短路，使其3dBLange定向耦合器射频电压反射系数为负，当栅极调制信号为夹断电压时，管子沟道夹断呈开路，射频电压反射系数为正，反射波经3dBLange定向耦合器叠加输出对应管子通、断其相位差为0至3i变化，两路反射式调制器相互抵消寄生参量引起振幅和相位的误差，得到优良的BPSK调相，确保雷达高精度检测。频率合成器9输出ft为调相器11载频，随机码发生器A14选取宽带噪声发生器13输出的合适码频与带宽，相应采样时钟信号触发生成随机码脉冲，控制调相器两组HEMT对管栅极。栅路串联电阻限流，偏压经低通网络阻止载频进入。随机码发生器A14输出同时还接入数字脉压相关器18相关处理目标回波信号。选取宽带噪声发生器13合适码频与带宽，相应采样时钟信号触发生成随机码发生器B15随机序列脉冲，驱动调幅器12键控倍频与功放10，并控制收/发转换开关T/R2、 T/R3。
图6回波信号提取电路，数字中频正交检波器8是在回波信号数字化处理之前，将其中频去掉，使回波信号进行零中频的数字同相/正交相干检波(或称零中频相参混频)输出零中频基带信号，用一个模数变换器A/D81对中频回波信号采样，其采样时钟信号fc7由频率合成器输出，采样率应满足奈奎斯特定理。I、 Q两路乘法器82进行复数字下变频，频率合成器NCO输
出fic。s"。tn、 fi-sin。。tn分别接入I、 Q两路乘法器，相干基准信号相位差精确为90° ，数字低
通滤波器LPF83时钟信号fcs、抽取器84时钟信号fc9均由频率合成器输出。回波信号经数字低通滤波器LPF83滤波传入抽取器84采样率减少的转换，数字脉压相关器18将数字中频正交检波器8的抽取器84输出信号，与随机码发生器A14、延迟线182为参考信号，在I、 Q支路移位寄存器181、相关运算阵列183、求和相加器184相关处理，相关输出码元出现最大值，即为数字脉压相关器18主峰匹配获取高信噪比尖锐图钉函数信息的检测。频率合成器输出时钟信号fcs触发I、 Q支路移位寄存器181、可变延迟线182， MCU接口 1/033与可变延迟线182数控端相接，可变延迟线在雷达探测目标最大作用距离范围内MCU控制开关步进，改变脉压系数冲击响应可获取不同距离、速度目标数据。
目标回波I/Q正交相干检波和脉压相关处理复调制信号被分解成实部和虚部，信号幅度和相位两个信息都保存下来，此信号在回波数据存储器RAM19暂存后，送到数字信号处理器DSP20进行片内分组时分复用数据重排、快速傅里叶变换FFT谱分析、距离旁瓣抑制、动目标显示MTI和恒虚警处理CFAR。 FFT等效于大量的距离门和多普勒滤波器组，对目标相对运动差拍的距离和速度频谱分析及距离旁瓣的抑制。完成FFT运算由恒虚警电路CFAR加以处理，根据剩余杂波的强度自动调节检测门限，使虚警概率保持在允许值内，超过门限的信号作出相关信息处理，以确定是否目标，如果是，则对目标的距离、速度及方位角度等数据送到图像显示 器。当前方无船由司机设定速度航行，出现船只时雷达测其信号跟踪至最近船只，控制本船速 保持安全距离，偏离安全距离时声光报警，逼近危险距离时MCU指令方向舵控制器智能避障或 启动减速器减速，甚至熄灭发动机控制。这种控制是参考水面摄像船只稀密度和本船速卫星定 位传感器GPS提供本船当前所处位置信息作出抉择数据处理控制执行机构。如遇迎面相撞的险 情，其时间是两船速度之和，安全距离急剧縮短，.要求驾驶素质、经验更高，相应地智能防撞 雷达自适应控制系统反映速度为ms级，比人类反映快得多，在无机械故障条件下人控是不能替 代的，极大提高防撞性能。，
数据放入数字信号处理器DSP片外回波存储器RAM， DSP执行运算速度大为提高，双口存储 器RAM使DSP与微控制器MCU交换数据双方握手操作，每个数据在双口 RAM中按字节由低到高 占用，双口 RAM提供仲裁信号避免DSP与MCU发生数据处理竞争。
本实施例在船顶高处设置环形天线阵列，介质透镜天线波束水平方位角5.5° ，垂直方位角 5.2° ，天线增益34. 6dB，旁瓣_23. 7dB，数字信号处理器DSP编码脉冲分配序列全方位循环扫 描警戒可能碰撞的目标。调相码元带宽为1.2GHz，调幅脉宽10ns，频率合成器输出fN频率 38. 250GHz调相，2倍频与功放为76. 500GHz雷达发射载频fo，输出峰值功率2. 5W，分谐波混频 本振内在2倍频接收回波。波束开关扫描速率50ms/Hz，确保波束扫掠距离为500m处100 m宽 的水面更新，DSP抑制虚警识别与本船最近距离的目标，偏离安全距离时声光报警，逼近危险 距离MCU指令避障器自动避障或启动减速器、刹船器智能控制，极大提高防撞性能。雷达噪声 系数Fnl7dB，毫米波载频大气传输损耗La和系统损耗Lsl6dB，雷达最大作用距离为1500 m， 最小作用距离15 m，最近召标识别时间〈560us,角度分辨力《3° ，距离分辨力《lm，速度 分辨力<1. 2km/h，本船时速70km/h能平稳制动。
权利要求
1、一种毫米波随机码调相调幅船用防撞雷达，设有环形器、中放、存储器RAM、数字信号处理器DSP、双口存储器RAM、微控制器MCU、接口I/O、水面摄像传感器、本船速传感器、卫星定位传感器GPS、声光报警器、图像显示器CRT、方向舵控制器、减速器、点火/熄灭控制器、键盘，其特征在于还设有收/发两用准光集成介质透镜天线阵列、波束开关、频率合成器、收/发开关T/R1、T/R2、T/R3、宽带噪声发生器、随机码发生器A、调相器、倍频与功放、随机码发生器B、调幅器、低噪声高放、分谐波混频器、随机序列异步选通门、数字中频正交检波器、数字脉压相关器，天线装设在船顶高位处，设成水平环形阵或环绕桅杆成圆环阵，DSP编码脉冲分配序列接入波束开关、CRT，全方位循环扫描探测水面可能碰撞的目标，频率合成器可编程分频器预置端、数控振荡器数控端、数字脉压相关器可变延迟线数控端分别经接口I/O与MCU相接，频率合成器输出fc3接入DSP为时钟信号，宽带噪声发生器噪声谱接入随机码发生器A、随机码发生器B，频率合成器输出fc1接入随机码发生器A为采样时钟信号，fc2接入随机码发生器B为采样时钟信号，生成相互独立的双随机码，随机码发生器A输出接入调相器、数字脉压相关器，随机码发生器B输出随机序列接入调幅器，随机序列高电平逻辑“1”接入T/R2、T/R3，低电平逻辑“0”接入T/R1、随机序列异步选通门，收/发开关T/R2、T/R3分别接在倍频与功放的输入/输出端，调幅器串接在倍频与功放直流电源端，T/R1接在环形器输出至低噪声高放输入之间，随机序列异步选通门接在中放输出至数字中频正交检波器输入之间，频率合成器输出fN接入调相器为载频一半或四分之一频率，调相射频经倍频与功放二或四倍频、功放为雷达载频f0接至T/R2、环形器馈入天线阵列发射，频率合成器输出fN接入分谐波混频器为二或四内在倍频本振信号fL、频率合成器输出fi接入数字中频正交检波器为相干基准信号，fc7为数字中频正交检波器模数转换器A/D采样时钟信号，fc8为数字中频正交检波器数字低通滤波器LPF时钟信号，fc9为数字中频正交检波器抽取器时钟信号，回波射频经天线阵列、波束开关、环形器、T/R1、低噪声高放、分谐波混频器、中放，在随机序列异步选通门选取再经数字中频正交检波器解调接入数字脉压相关器，相关输出数据存入存储器RAM后接入DSP数据总线，DSP与MCU数据总线、地址总线、控制线经双口存储器RAM汇接并提供仲裁信号，MCU输入/输出经接口I/O连接水面摄像传感器、本船速传感器、卫星定位传感器GPS、声光报警器、CRT、方向舵控制器、减速器、点火/熄灭控制器、键盘，DSP软件设计片内分组时分复用数据重排、动目标显示MTI、快速傅里叶变换FFT、距离旁瓣抑制、恒虚警处理CFAR，MCU系统软件编程包括主程序和数据采集、数据处理、对象控制子程序，中放检出自动增益控制电压经滤波、放大接入低噪声高放、中放自动增益AGC控制端，频率合成器、宽带噪声发生器、随机码发生器A、随机码发生器B、波束开关、环形器、收/发开关T/R1、T/R2、T/R3、调相器、调幅器、倍频与功放、低噪声高放、分谐波混频器、中放集成一体，屏蔽。
2、 根据权利要求l所述的毫米波随机码调相调幅船用防撞雷达，其特征在于频率合成 器由恒温晶振、晶振分频器、高次倍频放大链、混频器、带通滤波器、放大器、压控振荡器VC0、鉴相器、环路滤波器、环路分频器、注入谐波分频器、数控振荡器NCO组成，VC0由砷 化镓高电子迁移率晶体管GaAsHEMT器件、介质谐振器反馈振荡、变容管压控调谐，环路分频 器由前置分频器和可编程分频器组合，恒温晶振输出第一路信号经高次倍频放大链与VC0输 出信号接入混频器，混频后经带通滤波器、放大器，再经环路分频器接入鉴相器，第二路信 号经晶振分频器接入鉴相器，鉴相输出经环路滤波器压控VCO锁相频率合成，VC0输出fN为雷达调相器载频一半或四分之一，fN经定向耦合器得到分谐波混频器二或四内在倍频本振fL，可编程分频器输出fcn为随机码发生器A采样时钟信号、fc2为随机码发生器B采样时钟信号、 fc3为DSP时钟信号、fc4为MCLI时钟信号、fc5为数字脉压相关器时钟信号、fc6为回波数据 存储器RAM时钟信号，fc7为数字中频正交检波器模数转换器A/D采样时钟信号、fcs为数字 低通滤波器LPF时钟信号，frt为抽取器时钟信号，第三路接注入谐波分频器至DDS相位步进 寄存器、N位相位累加器、ROM正弦査找表存储器形成的数控振荡器NCO，输出fic。s"。tn、fi-sin 03。tn为数字中频正交检波器相干基准信号，可编程分频器预置端、数控振荡器NCO数控端分 别经接口 1/0接入MCU。
3、 根据权利要求1所述的毫米波随机码调相调幅船用防撞雷达，其特征在于收/发两 用准光集成介质透镜天线阵列，由介质基片微带双偶极振子集成天线、介质透镜、阵列基座、 防护罩构成，介质透镜是一端面为半球体，另一端面为圆柱体截面，介质基片微带双偶极振 子集成天线紧密放置在介质透镜的圆柱截面为馈源，介质透镜半球端面为天线辐射面，在船 顶高位设成水平环形阵列或环绕桅杆圆环阵列，DSP编码脉冲序列接入波束转换开关、光栅 扫描图像显示器CRT坐标变换器。
4、 根据权利要求l所述的毫米波随机码调相调幅船用防撞雷达，其特征在于:.波束开关 是在接收天馈集成PIN二极管或砷化镓场效应管GaAsFET串、并、串连接的单刀单掷开关SPST， 控制天线阵列由多个SPST组合成单刀多掷开关，控制偏压由数字信号处理器DSP编码脉冲分 配序列经低通网络接入，收/发开关T/Rk T/R2、 T/R3由PIN 二极管或砷化镓场效应管GaAsFET 组成串、并，串阵列式单刀单掷SPST开关，T/Ri接在环形器输出至低噪声高放输入之间，T/R2、 T/R3分别接在倍频与功放的输入/输出端，控制偏压由随机码发生器B输出随机序列高电平逻 辑"1"经低通网络接入T/R2、 T/R3，低电平逻辑"0"经低通网络接入T/R"随机序列异步 选通门。 '
5、 根据权利要求l所述的毫米波随机码调相调幅船用防撞雷达，其特征在于随机码发 生器A、随机码发生器B由同一个宽带噪声源、微波宽带放大器输出，随机码发生器A由SAW 声表带通滤波器、高速或超高速电压比较器、高速或超高速采样保持器、有源积分器、高速 双稳态触发器组成，随机码发生器B由SAW声表带通滤波器、电压比较器、采样保持器、有 源积分器、双稳态触发器组成，宽带噪声源由PN结二极管芯片上设一 P或N扩散限流环， 串联温补二极管，恒流反向偏置为雪崩状态，置于同轴腔或波导腔经微波宽带放大器及宽带 匹配过渡网络输出接入随机码发生器A、随机码发生器B，频率合成器输出fd接入随机码发 生器A为采样时钟信号，fc2接入随机码发生器B为采样时钟信号，随机码发生器A由SAW声 表带通滤波器、高速或超高速电压比较器至高速或超高速采样保持器，经有源积分器反馈接 回高速电压比较器为比较门限，再经高速双稳态触发器、低通网络接入调相器、数字脉压相关器可变延迟线，随机码发生器B由SAW声表带通滤波器、电压比较器至采样保持器，经有 源积分器反馈接回电压比较器为比较门限，再经双稳态触发器、低通网络接入调幅器，其高 电平逻辑"1"接入收/发转换开关T/R2、 T/R3，低电平逻辑"0"接入收/发转换开关T/R" 随机序列异步选通门。
6、 根据权利要求l所述的毫米波随机码调相调幅船用防撞雷达，其特征在于调相器由 衬底未掺杂砷化镓GaAs与未掺杂铝基砷化镓AlGaAs形成交界面的基片上，集成两组高电子 迁移率晶体管HEMT器件对管、四个3dBLange定向耦合器及六个电阻构成两路反射式电桥调 制器，两组HEMT对管栅极分别串一电阻接入调制信号，源极接地，两个3dBLange定向耦合 器分别接在两组HEMT器件对管漏极，交叉耦合到其余两个3dBLange定向耦合器，匹配负载 电阻，调相器输入/输出端口可互易，频率合成器VCO输出fN为雷达载频一半或四分之一频 率接调相器，随机码发生器A输出经低通网络接入两路调制器HEMT对管栅极互补控制，生成 0、 n二进制BPSK调相信号。
7、 根据权利要求l所述的毫米波随机码调相调幅船用防撞雷达，其特征在于倍频与功 放倍频级由磷化铟为衬底砷化镓高电子迁移率InPGaAs服MT晶体管栅极接x/4阻抗变换微带 线及偏置电路，源极并联在接地阻容，漏极微带线抑制基波和三次谐波，调谐在二次或四次 谐频为雷达载频f。，功放级由InPGaAsHEMT器件栅极接入微带阻抗变换和C类偏置，源极接 地，漏极微带线调谐在f。，并与天线阻抗匹配，倍频与功放直流电源端经低通网络串接调幅 器。 '
8、 根据权利要求l所述的毫米波随机码调相调幅船用防撞雷达，其特征在于低噪声高 放由一个双栅磷化铟为衬底砷化镓高电子迁移率晶体管InPGaAsHEMT、微带网络构成，第一 栅极接天线回波载频匹配网络，第二栅极为AGC自动增益控制端，接中放AGC检出电压，源 极阻容接地，漏极输出匹配网络接入分谐波混频器SHP，两个肖特基二极管反向并接在本振 信号fi匹配网络与回波载频信号fo匹配网络之间，本振信号fL由频率合成器输出fN经定向 耦合器连接，中频IF经带通网络在本振信号fi匹配网络的一侧取出。
9、 根据权利要求1所述的毫米波随机码调相调幅船用防撞雷达，其特征在于数字中频 正交检波器由模数转换器A/D、同相I、正交Q两路数字乘法器、数字低通滤波器LPF、抽取 器组成，频率合成器输出fc7为A/D采样时钟信号，fcs为LPF时钟信号，fc9为抽取器时钟信 号，中放带通滤波器经随机序列异步选通门选取接入A/D，其输出分别接I、 Q支路两路数字乘法器输入的一端，频率合成器数控振荡器NC0输出信号fiCOS。。tn、 fi-Sinw。tn相应连接l、Q支路两路乘法器另一输入端，I、 Q两路数字乘法器输出串联数字低通滤波器LPF、抽取器 接入数字脉压相关器，数字脉压相关器由I、 Q支路移位寄存器、延迟线、相关运算阵列、求 和相加器组成，延迟线是由抽头移位寄存器及开关电路组成可变延迟线，开关电路控制端经 接口 I/O接入微控制器MCU，频率合成器输出fc5接入延迟线移位寄存器、I、 Q支路移位寄 存器为时钟信号，随机码发生器A输出接入数字脉压相关器可变延迟线产生延时码，数字中 频正交检波器经抽取器输出信号在I、 Q支路移位寄存器循环移位，与可变延迟线延时码对应 接入相关运算阵列至求和相加器，相关输出数据存入存储器RAM后接入数字信号处理器DSP 数据总线。
全文摘要
本发明涉及无线电定位技术领域，是一种毫米波随机码调相调幅船用防撞雷达。设准光介质透镜天线环形阵列，由DSP循环扫描波束全方位警戒水面可能发生碰撞的目标，一个宽带噪声源产生两个随机码发生器，随机码发生器A码元调相测距/测速、随机码发生器B码元调幅、收/发转换及后沿检测，双随机码射频经上变频、R/T₃、倍频与功放、R/T₂、隔离器、天线发射，回波经天线阵列、波束开关、隔离器、R/T₁、高放、下变频、中放、随机序列异步选通门、数字中频正交检波器I/Q、数字脉压相关器传入DSP与MCU处理控制，本雷达相邻多艘船只航行互不干扰共存运行，具有很高的环境电磁兼容性EMC，DSP抑制虚警确定目标方位、距离和相对速度，CRT显示三维图像，识别与本船最近距离的目标，小于安全距离声光报警，接近危险距离智能避障或减速，显著提高航行安全。
文档编号G01S13/00GK101661105SQ200810120600
公开日2010年3月3日 申请日期2008年8月28日 优先权日2008年8月28日
发明者阮树成 申请人:阮树成