专利名称：一种fmcw船用导航雷达的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种雷达，尤其涉及一种FMCW船用导航雷达，属于雷达导航技术领域。
背景技术：
线性调频连续波(FMCW)雷达是具有高距离分辨率、低发射功率、高接收灵敏度、结构简单等优点，不存在距离盲区，具有比脉冲雷达更好的反隐身、抗背景杂波及抗干扰能力的特点，且特别适用于近距离应用，近年来在军事和民用方面都得到了较快的发展。主要优点可归结为以下三方面I. FMCff最大的优点是其调制很容易通过固态发射机实现；2.要从FMCW系统中提取出距离信息，必须对频率信息进行处理，而现在这一步可以通过基于快速傅立叶变换(以下简称为FFT)的处理器来完成；3. FMCff的信号很难用传统的截获雷达检测到。除了上述优点外，FMCff雷达也存在一些缺点，主要表现在三个方面I.作用距离有限导致FMCW雷达作用距离有限的原因主要有两方面，首先FMCW雷达发射机和接收机是同时工作的，作用距离增大时，发射机泄漏到接收机的功率也增加；其次由于FMCW雷达无盲区，近距离目标回波功率很强，兼顾远距离小目标回波，接收机需要设计较大动态。由于连续波雷达不能同脉冲雷达一样在射频前端设计STC，所以难以达到较大的动态范围。2.距离-速度耦合问题FMCW雷达采用的是超大时带积的线性调频信号，根据雷达信号模糊函数理论，它必然存在距离与速度的耦合问题，这不仅导致系统的实际分辨能力下降，而且会引起运动目标测距误差。例如申请号为02800268的中国专利申请，公开了一种发明名称为“FM-CW雷达装置”的技术方案，其说明书摘要如下“FM-CW雷达装置，包括切换FM-CW波的调制信号发生装置；高速傅里叶变换发送信号和接收信号的差拍信号进行检测处理，计算与目标物体的距离、相对速度的计算装置；根据计算距离确定检测范围控制调制信号的切换的控制装置；切换为变更了发送波的调制频率、三角波频率，发送波的中心频率之一的值的调制信号。把在计算出的最短距离上加上规定距离的距离，或者从固定物体的距离中减去规定距离的距离作为检测范围。”通过对其整体方案分析得知，该专利申请也未解决FMCW雷达所固有的作用距离有限和距离速度耦合问题。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明所要解决的技术问题是，提供一种FMCW船用导航雷达，有效解决发射泄露的问题，提高接收机灵敏度，使整机正常工作，完成了接收机的大动态设计，避免了海上运动目标的距离-多普勒耦合。为解决上述技术问题，本发明采取的技术方案是，一种FMCW船用导航雷达，包括显控终端分系统、天馈分系统、激励器与定时器分系统、接收机分系统和信号处理分系统，其接收机分系统连接天馈分系统、信号处理分系统和显控终端分系统，信号处理分系统连接显控终端分系统，显控终端分系统连接激励器与定时器分系统，天馈分系统连接激励器与定时器分系统。优化的,上述FMCW船用导航雷达,其天馈分系统包括天线、汇流环和步进电机,天线通过汇流环与显控终端分系统传输连接，汇流环设置于齿轮中间部分，步进电机连接天线，天馈分系统还包括有一个用于实现舰首信号的单簧开关。优化的，上述FMCW船用导航雷达，其接收机分系统包括限幅器，限幅器连接预选滤波器，预选滤波器连接低噪放大器，低噪放大器连接滤波器一，滤波器一连接第一混频器，第一混频器连接滤波器二，滤波器二连接一中放大器，一中放大器连接滤波器三，滤波器三连接第二混频器，第二混频器连接二中放大器。优化的，上述FMCW船用导航雷达，其激励器与定时器分系统包括DDS模块和频率 综合器模块，DDS模块包括一个电平转换芯片，电平转换芯片连接FPGA控制器，FPGA控制器连接DDS控制器，FPGA控制器和DDS控制器分别连接电源芯片；所述频率综合器模块分别连接第一混频器、信号处理分系统和第二混频器优化的，上述FMCW船用导航雷达，其信号处理分系统包括A/D采样模块、数字下变频模块、FPGA信号处理模块和DSP信号处理模块，A/D采样模块连接接收机分系统，A/D采样模块连接数字下变频模块，数字下变频模块连接FPGA信号处理模块，FPGA信号处理模块连接DSP信号处理模块；所述DSP信号处理模块连接显控终端分系统。优化的，上述FMCW船用导航雷达，其天馈分系统还包括有一个功率放大器和一个天线控制，天线包括发射天线和接收天线，显控终端分系统通过天线控制与接收天线连接，接收天线连接低噪放大器；所述发射天线分别连接功率放大器和天线控制。优化的，上述FMCW船用导航雷达，其预选滤波器与低噪放大器之间设置有隔离器一；低噪放大器与滤波器一之间设置有隔离器二。优化的，上述FMCW船用导航雷达，其第二混频器与二中放大器之间设置有SFC滤波器。优化的，上述FMCW船用导航雷达，其SFC滤波器为晶体带阻滤波器，SFC滤波器的阻带中心频率为21. 77MHz, 3dB阻带带宽14KHz ；优化的，上述FMCW船用导航雷达，其天线为微带阵列天线，收发隔离度为70dB。本发明其有以下的有益效果与以往的技术相比，本发明使用自主研发的微带天线，提高了天线隔离度，基本解决了发射机泄露的问题，为后期的回波接收，信号处理打下了良好的基础；在二中频使用了SFC滤波，对近距离目标的回波进行衰减，使接收机的动态范围达到了 IOOdB ;通过对信号调制形式，调制周期进行设计，在导航雷达的使用范围内避免了距离-多普勒耦合。本发明米用多功能的微处理器，超大规模集成电路，FPGA+DSP协同信号处理技术,能够实现扫描间相关处理，弱目标检测，目标跟踪，航迹显示，设置警戒区，GPS显示等功能，且具有很高的可靠性，特别适用于中小型舰船。
下面结合附图及其实施例对本发明进一步详细说明；图I是本发明的系统逻辑框图；图2实本发明的分系统框图；图3是本发明的天馈分系统逻辑框图；图4是本发明的激励器与定时器分系统逻辑框图；图5是本发明的DDS模块系统逻辑框图；图6是本发明的接收机分系统逻辑框图；图7是本发明的信号处理分系统逻辑框图。
具体实施例方式如图I所示，本发明为一种FMCW船用导航雷达，包括显控终端分系统、天馈分系统、激励器与定时器分系统、接收机分系统和信号处理分系统，其接收机分系统连接天馈分系统、信号处理分系统和显控终端分系统，信号处理分系统连接显控终端分系统，显控终端分系统连接激励器与定时器分系统，天馈分系统连接激励器与定时器分系统。天馈分系统包括天线、汇流环和步进电机，天线通过汇流环与显控终端分系统传输连接，汇流环设置于齿轮中间部分，步进电机连接天线，天馈分系统还包括有一个用于实现舰首信号的单簧开关。接收机分系统包括限幅器，限幅器连接预选滤波器，预选滤波器连接低噪放大器，低噪放大器连接滤波器一，滤波器一连接第一混频器，第一混频器连接滤波器二，滤波器二连接一中放大器，一中放大器连接滤波器三，滤波器三连接第二混频器，第二混频器连接二中放大器。激励器与定时器分系统包括DDS模块和频率综合器模块，DDS模块包括一个电平转换芯片，电平转换芯片连接FPGA控制器，FPGA控制器连接DDS控制器，FPGA控制器和DDS控制器分别连接电源芯片；所述频率综合器模块分别连接第一混频器、信号处理分系统和第二混频器。信号处理分系统包括A/D采样模块、数字下变频模块、FPGA信号处理模块和DSP信号处理模块，A/D采样模块连接接收机分系统，A/D采样模块连接数字下变频模块，数字下变频模块连接FPGA信号处理模块，FPGA信号处理模块连接DSP信号处理模块；所述DSP信号处理模块连接显控终端分系统。天馈分系统还包括有一个功率放大器和一个天线控制，天线包括发射天线和接收天线，显控终端分系统通过天线控制与接收天线连接，接收天线连接低噪放大器；所述发射天线分别连接功率放大器和天线控制。预选滤波器与低噪放大器之间设置有隔离器一。低噪放大器与滤波器一之间设置有隔离器二。第二混频器与二中放大器之间设置有SFC滤波器。SFC滤波器为晶体带阻滤波器，SFC滤波器的阻带中心频率为21. 77MHz, 3dB阻带带宽14KHz ;天线为微带阵列天线，收发隔离度为70dB。如图3所示，天馈分系统主要由天线Al、汇流环A2、步进电机A3组成。天线采用自主研发的微带阵列天线，收发隔离度达到了 70dB ;天线与雷达之间通过汇流环A2传输信号。汇流环A2是滑环的一种，安装在齿轮的中间部分，负责为天线的旋转关节连通与传输电源和信号。天线Al使用步进电机控制天线Al转动，由显控终端产生时钟信号控制步进电机的转速；船艏信号采用单簧开关A4实现，根据步进电机的控制脉冲与船艏信号配合产生方位信号。如图4、图5所示，激励器与定时器分系统由DDS模块与频率综合器模块组成。DDS模块主要由FPGA、DDS芯片、电平转换芯片、看门狗电路以及电源芯片组成。在该系统中DDS模块采用锯齿波调制方式，产生两种调频带宽信号，以及触发脉冲信号；频率综合器、接收DDS模块产生的基准信号，对信号进行调制，产生I路发射信号，2路本振信号，分别送往发射机和接收机。如图6所示，接收机分系统将天线接收到的目标回波信号进行混频、放大、滤波处理，产生适合处理的中频信号传输到信号处理分系统。由于该接收机中频较低，增益较大，所以采用两次变频的方案。接收天线接收到回波信号后，经过一定的馈线，将回波信号输送到接收信道中。回波信号首先经过限幅器Cl，以防止回波信号过大致使接收信道饱和甚至损毁。然后经由预选滤波器C2滤除带外的干扰信号。低噪放C4将回波信号进行放大，并引入较小的噪声。低噪放前后的隔离器(C3、C5)减小低噪放输入输出的失配引起的反射。之后经过一级滤波器C6，滤除低噪放等器件非线性引起的谐波，进入了第一混频器C7。得到第一中频信号后，对一中频信号进行滤波选频ClO和放大C9后，进入第二混频器CU。第二混频器输出就是第二中频信号。利用晶体带阻滤波器C12的阻带特性对第二中频信号的幅频特性进行调制，最后对调制后的第二中频信号进行放大C13。晶体带阻滤波器的阻带中心频率为21. 77MHz, 3dB阻带带宽14KHz。使得中心频率附近的第二中频信号(近距离目标回波)幅度得到较大的衰减，最大衰减约为40dB。由此可以保证近距离强回波不饱和的情况下，使远距离目标回波可以实现较高增益，实现接收机的大动态范围，总的动态范围达到了 IOOdB以上。如图7所示，信号处理分系统包括A/D采样模块D1，数 字下变频模块D2，FPGA信号处理模块D3和DSP信号处理模块D4。来自接收机的模拟中频信号首先经过A/D采样模块Dl完成信号的数字化过程，通过数字下变频模块D2将中频信号搬移到比较低的频带范围内，再通过FPGA信号处理模块D3时，使用快速傅里叶变换将数字化的时域信号分解到频域，并将处理的结果送往DSP信号模块D4 ；DSP信号处理板对其进行进一步处理从数据中提取目标信息调制成视频数据传送给显控终端进行显示。显控终端分系统，采用基于CPCI (紧凑型外部设备互联标准)的架构，使用Windows XP操作系统和Microsoft Visual C++2008进行开发。该分系统集成了显示功能,控制功能和数据处理功能。其中显示功能主要包括PPI显示和AR显示，显示功能模块采用DirectX技术进行编写，将视频数据直接写入显存，保证了雷达视频的实时显示；控制功能主要指通过串口与DDS模块通信，控制同步信号、发射信号的有无，通过PCI接口与DSP通信、系统设置等，接收雷达视频信号，设置DSP模块工作状态；数据处理功能主要指PPI显数据和AR显数据的接收和显示，以及原始视频数据的录取等，使用数字图像处理的方法对PPI显数据和AR显数据进行处理，增强信号的对比度，使视频清晰饱满。下面结合附图及实施实例对本发明的工作过程做进一步详细说明如图I所示系统上电初始化后等待等待显控终端15发出工作命令，雷达操控人员通过显控终端15发送雷达发射命令时，显控终端15先向天线控制10发送一个“天线环扫”的命令，然后向频综及定时器4发送一个“发射”命令，频综及定时器4根据显控终端15的命令产生发射信号、一本振信号、二本振信号，其中，发射信号送往功率放大器3进行功率放大，然后通过发射天线发送到自由空间；一本振信号和二本振信号分别送往第一混频器和第二混频器。由发射机发出的调频连续波信号经自由空间传播遇到目标发生发射后，部分回波通过接收天线2被接收到，因为回波发生的反射属于漫反射，回波幅度较弱，所以需经过低噪声放大器5，对回波进行放大，放大后的回波送往第一混频器与频综及定时器4送来一本振信号进行混频，使信号载频降到第一中频，第一次降频以后，信号通过一中放大器7进行一次放大，再经过一中滤波器8进行滤波，信号到达第二混频器9，在这里信号经过混频，镜频抑制到达第二中频，进入SFC滤波器，在连续波雷达的回波当中，低频信号是近距离目标的回波，回波反射最强，持续时间最长，如果不加以抑制，会使接收机饱和，而SFC滤波器是一种能使信号按频率不同而衰减的滤波器，信号频率由高到低衰减越来越强，呈非线性变化，经过SFC滤波器的调理，近距离回波得到有效的衰减，避免了接收机饱和的发生。SFC滤波器之后，信号经过二中放大器13的放大，二中滤波器12的滤波，最后的中频模拟信号到达信号处理分系统11。
如图4所示，模拟中频信号道道信号处理分系统11后，首先经过AD采样电路转化为数字信号，再通过DDC数字下变频芯片将信号转化为零中频I、Q信号，然后通过FPGA芯片对信号做FFT快速傅里叶变换，将时域信号变换到频域，变换后的信号通过EMIFB接口通过异步传输的形式发给DSP，DSP经过求模，对数运算，恒虚警处理，目标检测处理，视频量化处理等，将FPGA传过来的数据处理成视频数据传送给上位机显示。显控终端分系统接收到视频数据后，将视频数据转换成RGB信号送往显示器显示。此外，显控终端分系统还负责整个雷达的状态控制，电罗经，GPS, AIS设备的控制等。本发明解决的技术问题如下I、发射泄露问题的解决在FMCW体制雷达中，如果发射信号和噪声泄露到接收机中将会直接影响接收机灵敏度，甚至破坏整机正常工作。泄露的影响可以从两个方面看一方面，如果泄露信号太强，将会使接收机饱和，破坏混频器工作，不能够有正确的中频输出；另一方面，即使泄露信号不太强，没有引起接收机饱和，但其中的噪声也会影响接收机的灵敏度。泄露的主要原因是收发天线隔离度太差和收发信道的隔离度太差。FMCW雷达原理样机采用收发天线分离形式，提高收发天线的隔离度；收发信道电路采用屏蔽盒结构设计提高隔离度。经过测试，收发信道间的隔离度可以达到80dB，收发天线隔离度可以达到70dB，有效解决了原理样机的发射泄露问题。2、接收机的大动态设计由于FMCW雷达无盲区，近距离目标回波功率很强，兼顾远距离小目标回波，接收机需要设计较大动态。由于连续波雷达不能同脉冲雷达一样在射频前端设计STC，所以只能在信号经过去斜混频后设计SFC滤波器来增加接收系统的动态范围。现有的接收机噪声系数为6. 9dB，接收机灵敏度设计值为131dBm，由于仪器限制测试到IlOdBm后无法继续，根据噪声系数超过设计值O. 9dB及不考虑积累增益计算应该在122dBm左右。本发明由于在二中实现了 SFC滤波，接收机动态范围接近于100dB。3、距离-多普勒耦合的解决调频连续波雷达实现测距的原理是通过目标回波与发射信号进行去斜混频，从而在频域得到目标的距离信息。由于运动目标存在多普勒信息，所以获取的目标距离信息有误差，存在距离-多普勒耦合问题。为了解决距离-多普勒耦合问题，我们试验了三角调制、锯齿波调制的多种形式。采用三角调制方式，正负向调制信号的目标回波配对是关键技术。经过试验，验证该方法对单目标检测是非常有效的，适用于对空雷达。但是由于地面或海上雷达回波的复杂性，很难设计出有效的配对方法。变斜率锯齿波调制测距原理与三角调制基本相同，不同点在于多普勒对变斜率锯齿波的回波影响 是同向的，而对三角波的影响是反向的。从频谱配对的角度来说更容易一些，但是变调频斜率的锯齿波需要精确估算目标回波的中心频率，需要进行更多的计算。根据海上目标的低速度的特点，设定其多普勒频率在X波段有一个上限。根据公 2V
式人=I当目标速度在80节时，其多普勒频率约为2. 7KHZ。将信号形式的调频斜率提高，使距离单元的频率带宽加大，那么海上最快的目标也不可能越过距离单元。这样就避免了海上运动目标的距离-多普勒耦合。与以往的技术相比，本发明使用自主研发的微带天线，提高了天线隔离度，基本解决了发射机泄露的问题，为后期的回波接收，信号处理打下了良好的基础；在二中频使用了SFC滤波，对近距离目标的回波进行衰减，使接收机的动态范围达到了 IOOdB ;通过对信号调制形式，调制周期进行设计，在导航雷达的使用范围内避免了距离-多普勒耦合。本发明米用多功能的微处理器，超大规模集成电路，FPGA+DSP协同信号处理技术,能够实现扫描间相关处理，弱目标检测，目标跟踪，航迹显示，设置警戒区，GPS显示等功能，且具有很高的可靠性，特别适用于中小型舰船。当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不限于上述举例，本技术领域的普通技术人员，在本发明的实质范围内，作出的变化、改型、添加或替换，都应属于本发明的保护范围。
权利要求
1.一种FMCW船用导航雷达，包括显控终端分系统、天馈分系统、激励器与定时器分系统、接收机分系统和信号处理分系统，其特征在于所述接收机分系统连接天馈分系统、信号处理分系统和显控终端分系统，信号处理分系统连接显控终端分系统，显控终端分系统连接激励器与定时器分系统，天馈分系统连接激励器与定时器分系统。
2.根据权利要求I所述的FMCW船用导航雷达，其特征在于所述天馈分系统包括天线、汇流环和步进电机，天线通过汇流环与显控终端分系统传输连接，汇流环设置于齿轮中间部分，步进电机连接天线，天馈分系统还包括有一个用于实现舰首信号的单簧开关。
3.根据权利要求I所述的FMCW船用导航雷达，其特征在于所述接收机分系统包括限幅器，限幅器连接预选滤波器，预选滤波器连接低噪放大器，低噪放大器连接滤波器一，滤波器一连接第一混频器，第一混频器连接滤波器二，滤波器二连接一中放大器，一中放大器连接滤波器三，滤波器三连接第二混频器，第二混频器连接二中放大器。
4.根据权利要求I所述的FMCW船用导航雷达，其特征在于所述激励器与定时器分系统包括DDS模块和频率综合器模块，DDS模块包括一个电平转换芯片，电平转换芯片连接FPGA控制器，FPGA控制器连接DDS控制器，FPGA控制器和DDS控制器分别连接电源芯片；所述频率综合器模块分别连接第一混频器、信号处理分系统和第二混频器。
5.根据权利要求I所述的FMCW船用导航雷达，其特征在于所述信号处理分系统包括A/D采样模块、数字下变频模块、FPGA信号处理模块和DSP信号处理模块，A/D采样模块连接接收机分系统，A/D采样模块连接数字下变频模块，数字下变频模块连接FPGA信号处理模块，FPGA信号处理模块连接DSP信号处理模块；所述DSP信号处理模块连接显控终端分系统。
6.根据权利要求I所述的FMCW船用导航雷达，其特征在于所述天馈分系统还包括有一个功率放大器和一个天线控制，天线包括发射天线和接收天线，显控终端分系统通过天线控制与接收天线连接，接收天线连接低噪放大器；所述发射天线分别连接功率放大器和天线控制。
7.根据权利要求3所述的FMCW船用导航雷达，其特征在于所述预选滤波器与低噪放大器之间设置有隔离器一；所述低噪放大器与滤波器一之间设置有隔离器二。
8.根据权利要求3所述的FMCW船用导航雷达，其特征在于所述第二混频器与二中放大器之间设置有SFC滤波器。
9.根据权利要求3所述的FMCW船用导航雷达，其特征在于所述SFC滤波器为晶体带阻滤波器，SFC滤波器的阻带中心频率为21. 77MHz, 3dB阻带带宽14KHz。
10.根据权利要求2所述的FMCW船用导航雷达，其特征在于所述天线为微带阵列天线，收发隔离度为70dB。
全文摘要
本发明公开了一种FMCW船用导航雷达，包括显控终端分系统、天馈分系统、激励器与定时器分系统、接收机分系统和信号处理分系统，其接收机分系统连接天馈分系统、信号处理分系统和显控终端分系统，信号处理分系统连接显控终端分系统，显控终端分系统连接激励器与定时器分系统，天馈分系统连接激励器与定时器分系统。使用自主研发的微带天线，提高了天线隔离度，基本解决了发射机泄露的问题，为后期的回波接收，信号处理打下了良好的基础；在二中频使用了SFC滤波，对近距离目标的回波进行衰减，使接收机的动态范围达到了100dB；通过对信号调制形式，在导航雷达的使用范围内避免了距离-多普勒耦合，具有很高的可靠性，特别适用于中小型舰船。
文档编号G01S13/34GK102680966SQ201210144829
公开日2012年9月19日 申请日期2012年5月11日 优先权日2012年5月11日
发明者刘艳, 吕永红, 吴宝杰, 周忠武, 徐海燕, 程俊贤, 纪玉翀 申请人:青岛瑞普电气有限责任公司