连续波雷达直达波对消子系统设计

摘要：为了提高连续波穿墙生命探测雷达目标的生命回波信号的检测效果，在发射机和接收机之间增加直达波对消子系统模块。在2．4 GHz频段，采用射频集成芯片进行直达波对消子系统的硬件设计。根据对消后的实时功率检测结果，通过微处理器的自动搜索控制程序，调节对消估计信号的幅度和相位，最后实现对消比大于40 dB的直达波射频频段自动对消效果，有效地降低连续波雷达的强直达波的干扰。
关键词：连续波雷达；射频干扰；直达波对消；2．4 GHz频段

0 引言
    连续波体制穿墙生命探测雷达的直达波干扰相对于目标的生命回波信号具有很强的能量，对目标回波信号的检测造成了严重干扰。直达波干扰也称载波泄漏或同频干扰，主要是指发射机发出的微波波束经静止障碍物反射产生的同频反射回波和收发端耦合产生的同频耦合波。直达波干扰会直接导致接收机性能指标下降，甚至接收机前端饱和，使雷达不能正常工作，因此必需要解决连续波雷达的直达波干扰问题。
    本文用射频对消方法，结合自动控制原理，把发射端的本振信号引入到接收输入端，然后通过相位和幅度调节产生对消估计信号，使其与接收机接收到的强直达波进行矢量相加，达到去除直达波干扰的目的。该子系统用作频率为2．4 GHz的连续波体制穿墙生命探测雷达接收机前端的信号预处理子系统。

1 直达波对消设计原理分析
1．1 对消基本原理分析
    直达波对消基本原理的矢量表示如图1所示，在矢量坐标平面，对消估计信号S1(t)与直达波干扰信号Sr(t)进行矢量相加，当对消估计信号S1与直达波干扰信号Sr幅度相等，相位相反时，矢量相加后达到功率完全对消的理想状态，从而达到抑制直达波干扰的目的。
    本文参考雷达振荡源信号经幅度衰减和移相的方法得到对消估计信号的原理，加以改进并进行硬件设计。
    假设本地发射机发射的本振信号为S0(t)，接收机接收的直达波干扰信号为Sr(t)，对消估计信号为S(t)，理想对消的基本思想的数学表达式为：
    Sr(t)+S(t)=0      (1)
    由于墙壁、废墟等产生强回波的物体都是静止的，所以Sr(t)中的幅度Ar和相位θ，在对消过程中将保持不变。对消估计信号的幅度A和相位θ，变化范围分别为(Amin，Amax)和(0，2π)，A，θ在这其取值区间内存在：
    Ar=A；θr=θ+π      (2)
    使得S与Sr幅度相等，相位相反，满足式(1)，达到对消的理想状态。由此可以看出通过本振信号的幅度和相位变换得到对消估计信号S。
1．2 对消系统效果评价分析
    如图1所示，实际产生的对消估计信号S1和直达波干扰信号Sr不可能完全达到幅度相等、相位相反，所以对消会不彻底，两者将会合成一个新的矢量信号Se，称为对消后剩余误差信号。为了评价对消性能，引入对消比的概念，把直达波干扰信号功率P和对消后剩余误差信号功率Pe之比定义为对消比，单位为dB。对消比D数学表示为：
   
    实际对消估计信号S1和理想对消估计信号S的幅度偏差的百分比记为△A，△A=(|S1|-|s|)／|S|，相位偏移量记为△θ。对消剩余矢量Se的幅度为：
   
    根据上述关系式，利用Matlab软件仿真，可得到幅度偏差△A、相位偏移量△θ与对消比D的等值曲线关系图。如图2所示为幅度偏差在10％以内，最大相位偏移量为10°的对消比等值曲线图，当幅度差值为0，相位偏移为0时，对消比达到最佳值，理论上为无穷大。对于大于30 dB的高对消比而言，其相位偏移量应在(-2°，2°)之间，幅度差异在4％以内，达到40 dB，相位和幅度要求将非常苛刻。对消电路必须采用闭环的调整电路才能实现，而且对硬件设计的稳定性和精度要求较高。

2 对消子系统设计
2．1 对消子系统模型分析
    对消系统结构框图如图3所示，本振信号S0(t)通过相位调节电路和幅度调节电路产生对消估计信号S1(t)，对消估计信号S1(t)和回波信号的直达波干扰信号Sr(t)进行对消，检波电路把功率检测结果反馈给单片机控制电路，单片机控制程序根据检波结果自动调节相位和幅度
控制信号，最终得到最佳的对消效果，对消输出信号为Sout(t)进入下一级信号处理单元。

    程序控制算法对最优搜索算法进行简化，设定搜索步长，依次进行单一变量调节，达到最佳实际对消状态，程序持续输出最佳的相位和最佳幅度控制信号。设定控制算法重复运行限制条件，当环境改变超过限定条件时，控制程序自动进行下一次幅度和相位的最佳控制信号的搜索。
2．2 主要模块硬件原理图设计介绍
    本振信号使用发射机提供的2．4 GHz连续波RF信号，回波信号由接收机提供，两者通过SMA接头连接进入对消子系统。程序控制处理模块及外围A／D，D／A转换电路由STM32F103型基于ARM核心的微控制器和相应的线性电压放大器及外围电路、接口匹配电路组成。对消子系统射频模块主要由射频模拟移相器HMC928LP5E，射频模拟衰减器MAX19790，HPP2F型3 dB无源耦合器，对数检波器AD8313及各自的外围电路组成，如图4所示为对消射频模块的原理图。

    综合各个模块的指标，该子系统的工作频率为2．3～2．5 GHz，RF输入最大功率为10 dBm，幅度连续调节范围为40 dBm，相位连续调节范围为450°。由于幅度和相位调节都是射频连续调节模拟芯片，所以精度更高。

3 对消实验调试与分析
    基于连续波雷达实际工作情况，为了方便操作，直接进行单一频率发射信号模块和对消子系统组成实验系统联调，发射信号通过一定的衰减，用来模拟回波信号中的直达波信号，两路信号接入对消子系统进行对消，对消前后的信号通过频谱仪观察。
    首先在不连接对消模块，用频谱仪测得对消前模拟直达波信号的频率和大小。再连接对消模块，测得对消后的输出信号的频率和大小。图5为对消前后的频谱图，对消前的信号大小为-15．05 dBm，对消后的信号大小为-62．59 dBm，频率相同，此时对消比为47．54dB。对消后的信号非常接近噪声信号，测试过程中对消后的信号甚至可以淹没在噪声信号中。通过频谱仪观察对消实验结果表明对消子系统能获得较明显的对消效果。

4 结语
    本文根据直达波对消的基本思想，分析了对消的基本数学原理和对消系统效果评价。结合对消子系统结构模块，用RF集成电路进行硬件设计。通过微处理器程序进行控制，实现自动对消。最后进行了2．4．GHz的RF信号对消测试实验，验证了系统的有效性。