金 明 陳 剛 趙仁義 丁智勇

(中國電科安徽博微長安電子有限公司 六安 237010)

一種X波段船用導(dǎo)航雷達設(shè)計

金 明 陳 剛 趙仁義 丁智勇

(中國電科安徽博微長安電子有限公司 六安 237010)

介紹了一種導(dǎo)航雷達的系統(tǒng)構(gòu)成。采用X 波段線形調(diào)頻連續(xù)波體制,結(jié)構(gòu)上采用二單元設(shè)計。雷達收發(fā)一體，采用多脈沖重復(fù)頻率,發(fā)射峰值功率25KW。主要完成海上目標(biāo)探測、標(biāo)繪、船舶航行或停泊過程中監(jiān)視、告警、電子海圖疊加顯示、AIS目標(biāo)的接入顯示、情報上報等功能。

X波段；船用導(dǎo)航雷達；收發(fā)系統(tǒng)；

0 引言

船用導(dǎo)航雷達是用于探測海面目標(biāo)并提供直觀清晰的目標(biāo)距離與方位數(shù)據(jù),根據(jù)需要設(shè)置預(yù)警帶并告警,便于船舶規(guī)避危險障礙物及船舶在天氣較差和夜間行駛等狀況提供導(dǎo)航，它在船用電子中占據(jù)著重要的位置[1-2]。

導(dǎo)航雷達常用波段有兩個S波段(3GHz)和X波段(12GHz)，前者較長用于大型船舶，現(xiàn)今導(dǎo)航雷達主流波段是采用X波段[1-2]，雷達多是采用非相參脈沖幅度調(diào)制，采用單片機或ARM控制形式，對收/發(fā)系統(tǒng)進行信息處理和控制，提升數(shù)據(jù)處理能力，便于雷達組網(wǎng)和控制，降低成本單元成本，也滿足小型化、輕型化要求[3-4]。

本文設(shè)計的一種船舶導(dǎo)航雷達特點如下：采用多脈沖調(diào)制形式；掃描方式是一維機械掃描；天線采用收發(fā)一體微帶陣列天線；發(fā)射機功放采用磁控管；結(jié)構(gòu)應(yīng)用當(dāng)前普遍采用的二單元設(shè)計方法，即天線和收發(fā)機艙外，信號處理及顯控計算機在艙內(nèi)。

1 系統(tǒng)架構(gòu)

本文設(shè)計的導(dǎo)航雷達系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖一所示。該雷達主要由天線、伺服、發(fā)射機、接收機、收發(fā)開關(guān)、射頻控制、電源、終端設(shè)備等組成[5-6]。

全機工作原理框圖如圖1所示。接通顯控終端雷達電源開關(guān)，發(fā)射系統(tǒng)內(nèi)的射頻電源在射頻控制板程序的控制下，給發(fā)射系統(tǒng)內(nèi)的調(diào)制電路饋電、給磁控管燈絲預(yù)熱。當(dāng)3min燈絲預(yù)熱結(jié)束，按下等待、發(fā)射開關(guān)，天線旋轉(zhuǎn)。顯控終端給接收系統(tǒng)發(fā)送加觸發(fā)命令，配電部分給高壓電源板饋電，高壓電源產(chǎn)生充電高壓，充電高壓通過調(diào)制電路充電元件給儲能元件充電，儲能元件充電結(jié)束后處于等待放電狀態(tài)[5-6]。在同步信號的同步下，予調(diào)器觸發(fā)調(diào)制單元導(dǎo)通，儲能元件通過人工線和脈沖變壓器放電，同時發(fā)送矩形調(diào)制脈沖給磁控管，磁控管自激產(chǎn)生的射頻脈沖通過波導(dǎo)饋線系統(tǒng)傳輸。從天線接收到的信號經(jīng)限幅器至接收前端模塊，信號經(jīng)高放與混頻后得到中頻，然后中頻在接收機進行處理后輸出到顯控終端。顯控終端通過射頻控制板實現(xiàn)對收發(fā)機的控制。終端系統(tǒng)可對目標(biāo)回波信號進行點跡濾波、凝聚形成點跡信號并錄取目標(biāo)的相關(guān)參數(shù)，形成后的目標(biāo)航跡數(shù)據(jù)有多路輸出。并能通過雷達的操控界面和操控單元完成對雷達控制功能。

2 收發(fā)分系統(tǒng)

收發(fā)機主要由環(huán)行器、二極管限幅器、微波前端組件、中頻處理、脈沖調(diào)制、功率放大、射頻控制、視頻觸發(fā)產(chǎn)生電路和磁控管電路等部分組成。

雷達發(fā)射信號功率密度為：

(1)

其中:Pt表示發(fā)射入功率，G為增益系數(shù)， R表示距離。

設(shè)σ為雷達天線接收面積為Ae,則雷達收到的信號功率為：

(2)

由公式(2)得出：增益和雷達收到的信號功率一定時,發(fā)射機輸出功率同R4成正比。則要使雷達作用距離更遠,必須增大雷達發(fā)射機的輸出功率，同時雷達增益與作用距離呈正相關(guān),增大增益亦可增大作用距離。雷達系統(tǒng)還需實現(xiàn)抗雨雪、海浪抑制等惡劣天氣狀況處理，也是評判雷達性能的重要參考標(biāo)準(zhǔn)。因此在接收機的靈敏度一定情況下，收發(fā)機單元設(shè)計為：

1)發(fā)射機技術(shù)指標(biāo)

·工作頻率：X波段

·輸出峰值功率： 25kW±1dB

·射頻脈寬：0.07us、0.15us、0.3us、0.5 us、0.7 us、1.2 us

·脈沖重復(fù)頻率：3000Hz、1500Hz、1000Hz、500Hz

2)接收機技術(shù)指標(biāo)

·類型：對數(shù)放大、低噪聲前端

·中心頻率：60 MHz

·噪聲系數(shù)：4.5dB

·增益：≥80dB(含低噪聲前端)

·帶寬：40/10/3MHz

·輸出視頻：75Ω匹配負載

系統(tǒng)發(fā)射時，由控制終端選擇量程和具體變化量以對應(yīng)不同的狀態(tài)，將指令發(fā)送給射頻控制板，它將4個發(fā)射觸發(fā)送至發(fā)射系統(tǒng)內(nèi)的調(diào)制板，4個驅(qū)動電路觸發(fā)不同長度的脈沖。這些輸出的脈沖合在一起產(chǎn)生所設(shè)計的高壓發(fā)射脈沖。發(fā)射短脈沖和中等長度的脈沖的波形為近似三角形波。如圖3所示，窄脈沖0.07us時，發(fā)射4個觸發(fā)脈沖中的1個和發(fā)射功率檢波波形。這樣設(shè)計便于在進行信號處理時，它可以抑制如海雜波這樣相對弱的近程回波。

接收部分由于雷達天線為收發(fā)共用，環(huán)行器用于實現(xiàn)接收和發(fā)射之間的切換。環(huán)行器有3個I/O 端口，中心有一個永磁鐵氧體芯。它用于從一個端口將電磁波按一個特定方向輸出。例如：電磁波從一個與磁控管連接的端口進入并從一個與天線連接的端口輸出而不輸出到與射頻前段連接的端口以保護接收電路不受大電平電磁波的沖擊。接收信號期間，天線送來的接收回波被輸出到接收前端連接的端口以降低接收回波的損耗。來自環(huán)行器的接收回波經(jīng)一個二極管限幅器或收發(fā)限幅器被輸入到接收前端。如果從臨船來的強發(fā)射波被送入，接收前端有被燒毀的危險。為了保護接收前端不受損，二極管限幅器將強回波進行衰減。接收前端由本地振蕩電路、低噪聲放大器電路、衰減電路和一個將接收到的信號下變頻成60MHz中頻信號的頻率變換電路構(gòu)成。

中頻電路由低噪聲放大、STC電路、半對數(shù)放大器電路、帶寬切換開關(guān)濾波器組和視頻檢波電路構(gòu)成。經(jīng)過放大濾波處理后的60MHz中頻信號和視頻信號重疊在一起從中頻板送入處理器單元。視頻信號輸出可以連接到一個現(xiàn)有型號的分顯中。

其實物圖如圖4所示

由于收發(fā)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，發(fā)射機內(nèi)部存在微波泄漏和發(fā)射機散熱問題，將直接影響整機可靠性。為解決這個問題，發(fā)射系統(tǒng)腔體增加調(diào)制隔腔、外部增加一個屏蔽罩，既減少微波輻射，同時在罩內(nèi)增加風(fēng)機利于散熱、優(yōu)化結(jié)構(gòu)空間。

導(dǎo)航雷達系統(tǒng)工作時, 可將雷達回波疊加顯示在符合S57格式的電子海圖上，可根據(jù)雷達量程同步放大縮小海圖顯示范圍,最終得到雷達電子海圖顯示如圖5所示。

3 小結(jié)

該船舶監(jiān)視雷達主要完成海上目標(biāo)探測、標(biāo)繪(ATA/ARPA功能)、船舶航行或停泊過程中監(jiān)視、告警、電子海圖疊加顯示、AIS目標(biāo)的接入顯示、情報上報等功能。

該系列產(chǎn)品可在海域監(jiān)視系統(tǒng)中可作為骨干傳感器，探測跟蹤指定海域內(nèi)的各類船只目標(biāo)，并向指揮中心上報數(shù)據(jù)。可對國家邊防水域?qū)嵭腥轿?、全天候遠程動態(tài)監(jiān)控，為國家安全防衛(wèi)提供有效幫助，提高部隊的執(zhí)勤作戰(zhàn)能力。

[1] 郭曉陽,白鵬,陳寶山.X波段款待雷達法設(shè)計的設(shè)計[J].信息通信,2015(6):81.

[2] 劉源.X波段雷達接收機關(guān)鍵組件的優(yōu)化設(shè)計[D].電子科技大學(xué)碩士論文,2012.

[3] 郭雪峰,馬駿,方立軍.一種X波段船用導(dǎo)航雷達射頻子系統(tǒng)[J].雷達與對抗,2013(4):36-38.

[4] 黃文奎,夏冠群,劉文超.線形調(diào)頻連續(xù)波雷達靈敏度頻率控制實現(xiàn)[J].無線通信技術(shù),2004(3):55-57.

[5] 袁同山.一種新型X波段氣象雷達發(fā)射機[J].工業(yè)技術(shù)創(chuàng)新,2015(4):429-431.

[6] Merrill I.Skolnik. Radar Handbook. Beijing: the publishing house of electronics Industry，2003.

DesignofAnX-bandMarineNavigationRadar

Jin Ming, Chen Gang, Zhao Renyi, Ding Zhiyong

(Anhui Brainwave Chang’an Electronics Co.,Ltd of CETC, Lu’an Anhui 237010)

System architecture of a marine navigation radar is introduced. The radar is an X-band LFMCW system which adopts two-unit structure. Multi-pulse repetition frequency is used and transmit peak power is 25kW. Main function of the radar is to detect and track objects, display their tracks; provide surveillance, warning and electronic chart overlay display; receive and display target from AIS as well as information reporting.

X-band; marine navigation radar; transmit/receive subsystem

2017-05-31

金明(1989-)，男，碩士研究生。研究方面為電子信息技術(shù)。

TN95

A

1008-8652(2017)03-019-03