连续波雷达系统隔离度与雷达作用距离分析

杨 坡，柯 涛，李莲英，宋 佳

(1.中国船舶重工集团公司第七二三研究所，江苏 扬州 225101；2.江苏省产业技术研究院，江苏 南京 210000)

0 引 言

目前，无人机技术发展迅速，尤其是低成本的小型旋翼无人机被广泛应用。无人机如火如荼的发展在方便生活的同时，也带来了安全隐患，无人机挂载侦察设备、小型炸弹、毒品等，对重要政治、军事和经济目标构成危险，无人机“黑飞”还对民航安全构成威胁。因此采用什么手段尽早发现危险，并为妥善处理争取更长的预警时间，引发了相关监管部门广泛关注。

效费比较高的近程小型雷达可以为这些重要目标建立比较有效的预警监控。尤其目前反无人机系统，对雷达探测提出了更高的要求，而连续波雷达由于发射功率低、成本低、分辨率高等特点，近些年来相关技术得到迅速发展，在军、民相关领域得到广泛应用[1]。

雷达方程是指导雷达设计的重要公式。而连续波雷达相比于其它体制雷达，增加了系统隔离，通过收发隔离实现连续工作；因此，需要分析系统隔离度对雷达作用距离的影响，并修正连续波雷达方程。

连续波雷达正是通过连续发射波形，降低了系统对发射功率的要求，提升了性价比。但由此又需要雷达系统收发通道同时工作，收发隔离度成为限制雷达作用距离提升的主要因素。本文通过分析隔离度对雷达接收系统的影响因子，修正连续波雷达方程，对连续波雷达工程设计具有一定的指导意义。

1 系统隔离度影响分析

从雷达距离方程可知：在雷达天线增益、扫描时间、积累回波数等参数已确定的前提下，要提高雷达作用距离必须提高发射功率。但连续波雷达发射功率受隔离度限制，发射信号功率会耦合到接收通道，影响雷达作用距离。主要影响因素表现在：

(1)接收通道饱和

耦合进接收通道的发射信号过大会使接收前端低噪声放大器饱和，失去正常放大功能，造成接收回波信号失真，影响后续检测。

对于单一点目标，连续波雷达接收信号经过低噪放混频后，就变成差频信号，线性调频连续波(LFMCW)雷达的差频输出信号可表示为[2]：

SIF=Msin(2πfIFt+φ0)+n(t)

(1)

式中：n(t)为噪声。

如果差频信号未饱和，经过快速傅里叶变换(FFT)运算后即可得到能量的频域分布，如图1所示。但差频信号一旦饱和，经过FFT运算后得到的频域分布就会失真(如图2所示)，信号频谱失真。因此，在估算调频连续波雷达作用距离之前，需要保证接收系统的动态范围，接收信号一旦饱和，就无法测出目标作用距离。

图1 信号未饱和时能量谱

图2 信号饱和时能量谱

(2)影响接收灵敏度

耦合进接收通道的发射信号会抬高接收机噪声电平，即使泄漏的发射信号没有使低噪声放大器饱和，也会提高噪声电平，降低接收机灵敏度。耦合到接收通道内的发射信号可以视为噪声，该信号经过混频后，除零频信号外，其它频率信号即为探测信号的噪声，该噪声的影响主要分为调幅噪声和调相噪声。

进入雷达接收通道的干扰信号大致可以分为带外干扰射频信号以及带内杂散信号。雷达接收通道对带外信号和带内信号的抑制度是不同的，每部雷达接收通道处理模块各有不同，但基本包含接收天线、低噪声放大器、射频滤波器、放大电路和混频电路、信号处理等六部分[3]，每部分对干扰信号均有放大或抑制作用。最终，带外干扰射频信号以及带内杂散信号均要低于检测门限才不会影响检测信噪比，即发射信号不会干扰雷达探测。

以某型雷达接收通道设计为例，假设天线隔离度DR、低噪声放大D1、射频滤波器抑制度L1、接收放大D2、混频器镜像抑制度L2、信号处理积累增益D3，发射阵面功率P，发射杂散-60 dB，干扰和杂散信号流如图3所示。

图3 接收通道信号分布

根据以上指标设计和测试，最终得到信号处理输出，干扰信号：P-DR+D1-L1+D2-L2+D3，杂散信号：P-60-DR+D1+D2+D3。在接收通道设计过程中，合理分配增益、衰减等指标，避免接收通道信号饱和。

通过以上分析，发射信号进入雷达接收通道，会改变雷达接收系统的信噪比。上文已经定义这种干扰信号即为噪声信号，噪声信号的形式主要分为调幅噪声和调相噪声。发射信号的噪声降低了雷达检测信噪比，最终表现在影响雷达连续波探测距离，因此，必须将影响因素代入雷达方程，对雷达方程进行修正。

2 连续波雷达方程修正

收发共用天线的一次雷达距离方程可由下式表示[4]：

(2)

式中：雷达发射功率为Pt;发射机相位噪声为η;接收系统对干扰信号的抑制度为Dg。

在没有发射干扰的情况下，接收机输出噪声功率N0=kT0Bn。当考虑发射机干扰时，发射信号作为干扰信号，直接影响的就是接收机输出噪声功率，发射信号经隔离后功率为Pt·η/Dg，修正噪声功率N′=(kT0+Pt·η/Dg)Bn。

干扰信号功率为C0=Pt-D，如果C0≤N0，则雷达的检测依然采用(S/N)min，作为其检测门限。如果C0≥N0，则雷达的最小可检测信号需要修正。

因此，修正后的雷达检测门限为(S′/N)min。在计算连续波雷达作用距离时需要考虑隔离度和发射信号相位噪声的影响，故得到连续波雷达方程如下：

(3)

修正后的雷达方程考虑了发射信号在幅度和相位上对雷达检测信噪比的影响，适用于连续波雷达作用距离估算。

3 测量结果和比较

为了验证修正后的连续波雷达方程的正确性，以该雷达方程设计某型雷达，该雷达主要参数：发射功率1 W、收发天线增益27 dB，探测目标RCS为1 m2。通过以上修正后的连续波雷达方程，仿真1组隔离度与雷达作用距离的关系图，如图4所示。

图4 系统隔离度与作用距离关系图

为了验证理论公式的正确性，在与仿真相同参数的某雷达设备上进行外场验证。

试验场景：被试雷达架设在岸基，标准反射体目标漂浮在水面，由拖船拖动，检测雷达作用距离，场景及设备如图5 所示。

图5 测试目标及被试雷达

测试过程：雷达收发天线间距可调整，调整成2种隔离度，分别测试对目标的作用距离，如图6所示。

首先收发天线未经隔离措施，测得隔离度为45 dB，选择1 m2标准反射体，由拖船拖动，测得最大作用距离为770 m。

收发天线经过隔离板隔离，测得隔离度为80 dB，同样目标，由拖船拖动，测得最大作用距离为1 710 m。

图6 系统隔离度与作用距离

4 结 论

本文通过分析隔离度对雷达接收系统的影响因子，修正连续波雷达方程，雷达实测结果证明了隔离度对连续波雷达作用距离理论模型分析的正确性，该修正公式可以作为连续波雷达作用距离仿真计算的依据。