楊 釗，吳雄斌，張 蘭

(武漢大學(xué)電子信息學(xué)院，湖北武漢 430072)

0 引言

高頻地波雷達可以實現(xiàn)對視距外海洋狀態(tài)和海上目標(biāo)的大范圍、高精度和全天候的實時監(jiān)測[1]，因此，高頻地波雷達在海洋監(jiān)測和國防等領(lǐng)域具有獨特的應(yīng)用前景和優(yōu)勢，成為了立體化海洋信息監(jiān)測的重要工具之一。

現(xiàn)有的高頻地波雷達系統(tǒng)根據(jù)天線布置的不同，常被分為緊湊型和陣列型。緊湊型高頻地波雷達具有代表性的是CODAR公司開發(fā)的SeaSonde系統(tǒng)[2]，該系統(tǒng)利用便攜式小型化的接收天線，可以靈活地部署在復(fù)雜的地形中。陣列型雷達系統(tǒng)比較有代表性的有德國的WERA[3]雷達系統(tǒng)和國內(nèi)武漢大學(xué)的OSMAR系列雷達[4]等。與緊湊型雷達相比，陣列型高頻地波雷達可以獲得更高的方位角分辨率，能夠更好地進行復(fù)雜海況監(jiān)測和目標(biāo)檢測等，但是其接收陣列往往較大，尤其是在對探測目標(biāo)方位分辨率要求比較高的應(yīng)用場合，連接天線和接收機之間的電纜有時需要數(shù)百米長。這會產(chǎn)生兩個問題：第一，長電纜使雷達變得非?！俺林亍鼻壹茉O(shè)困難，從而造成雷達站選址難，雷達部署所需時間長、維護成本很高，非常不利于雷達的應(yīng)用與推廣。第二，過長的電纜可能會導(dǎo)致回波信號的衰減，降低了接收信號的信噪比，從而縮小雷達的最大探測距離。因此，改變陣列式雷達的應(yīng)用難題，研究一種新體制的系統(tǒng)使陣列式雷達變得輕便、靈活，使其能夠更好地適應(yīng)環(huán)境需求，具有重要的意義和價值。

雖然地波雷達在去電纜方面的研究較少，但是在其他領(lǐng)域有過相關(guān)研究，如機載雷達中把接收前端從接收系統(tǒng)物理位置中分離出來直接與饋線連接，大大縮短X波段饋線波導(dǎo)長度，從而減小饋線系統(tǒng)損耗[5]；在互聯(lián)汽車領(lǐng)域，也存在很長的射頻同軸電纜可能導(dǎo)致噪聲系數(shù)和信號損耗增大的問題，設(shè)計者通過使得射頻前端放置得更靠近天線，減少電纜長度，從而減少電纜帶來的插入損耗，提高系統(tǒng)信噪比[6]。對于數(shù)據(jù)傳輸問題，各類無線通信技術(shù)近年在雷達系統(tǒng)中得到應(yīng)用，基于WiFi的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)在多線激光雷達系統(tǒng)的應(yīng)用[7]，考慮使用無線網(wǎng)橋來實現(xiàn)無線傳輸[8]，用來解決去掉長電纜之后帶來的數(shù)據(jù)傳輸?shù)膯栴}。

本文提出了一種新體制的高頻地波雷達系統(tǒng)，該系統(tǒng)將多通道接收機分為多個裝配在接收機天線附近的獨立的單通道接收單元，該系統(tǒng)可以突破電纜的束縛，系統(tǒng)輕便靈活，方便在復(fù)雜環(huán)境下的應(yīng)用和推廣。

1 新體制雷達設(shè)計思路和整體方案

傳統(tǒng)的高頻地波雷達系統(tǒng)通常由收發(fā)天線、多通道接收機、發(fā)射機、上位機和電纜等部分組成[9]。發(fā)射端，由多通道接收機產(chǎn)生發(fā)射信號，經(jīng)發(fā)射機進行功率放大后通過電纜傳送到天線輻射出去；接收端，海面/目標(biāo)等的回波信號經(jīng)天線進入接收通道，首先經(jīng)過接收電纜進入多通道接收機的射頻前端，經(jīng)放大、濾波和解調(diào)等一系列處理后的基帶信號傳送至上位機進行后續(xù)的反演。

傳統(tǒng)的高頻地波雷達系統(tǒng)示意圖如圖1(a)所示，多通道接收機、發(fā)射機和上位機往往位于雷達站的室內(nèi)或者專用的設(shè)備倉內(nèi)，收發(fā)天線架設(shè)在海邊，便于檢測海洋目標(biāo)和海洋狀態(tài)，天線和接收機、發(fā)射機之間用電纜連接。而對于高精度相控陣高頻雷達，例如WERA雷達系統(tǒng)，天線陣列龐大，所需的電纜數(shù)量較多，長度較長，雖然MIMO技術(shù)的應(yīng)用可以在保持天線口徑的前提下減少天線的數(shù)量[10]，但仍無法避免長電纜的使用。

為了滿足快速部署和靈活移動雷達的要求，需要對傳統(tǒng)雷達結(jié)構(gòu)需要進行一定程度的改進。因此，本文提出一種新體制的高頻地波雷達系統(tǒng)，如圖1(b)所示。該系統(tǒng)將多通道接收機分為多個裝配在接收機天線附近的獨立的單通道接收單元，將收發(fā)天線、單通道接收單元和發(fā)射機組成一個獨立收發(fā)單元，根據(jù)所設(shè)計的天線陣型來確定收發(fā)單元的數(shù)量和配置方式，雷達參數(shù)配置和數(shù)據(jù)傳輸均以無線傳輸?shù)姆绞竭M行。這樣可以讓接收機射頻前端盡可能地接近天線，大大縮短發(fā)射和接收電纜的長度。

(a) 傳統(tǒng)體制

與之前的探測結(jié)構(gòu)相比較，新體制高頻地波雷達需要解決兩個主要問題：第一，同步問題，即每個獨立收發(fā)單元之間需要統(tǒng)一的時鐘標(biāo)準(zhǔn)的問題；第二，數(shù)據(jù)傳輸問題去掉電纜之后，單通道接收單元和上位機相隔較遠，如何實現(xiàn)有效的數(shù)據(jù)傳輸。為此，對原接收機進行升級改造，各收發(fā)單元之間使用GPS/北斗時鐘同步模塊進行時間和時鐘的同步，數(shù)據(jù)通過無線網(wǎng)橋進行無線傳輸。

2 單通道接收單元各模塊設(shè)計與實現(xiàn)

在新體制下，原來的多通道接收機被分離成一個個獨立的單通道收發(fā)單元，通過它們的組陣、組網(wǎng)完成探測，因此其性能將直接影響系統(tǒng)最終的探測性能。單通道收發(fā)單元整體設(shè)計框圖如圖2所示。

圖2 單通道收發(fā)單元整體設(shè)計框圖

每個收發(fā)單元系統(tǒng)由接收模塊、發(fā)射模塊、收發(fā)天線、時鐘同步模塊和數(shù)據(jù)傳輸模塊等組成，其中接收模塊對回波信號進行處理，發(fā)射模塊產(chǎn)生雷達發(fā)射波形，天線采用收發(fā)共用天線，通過收發(fā)開關(guān)實現(xiàn)信號分時發(fā)射和接收，時鐘同步模塊確保各個收發(fā)單元時鐘同步，數(shù)據(jù)傳輸模塊完成收發(fā)單元和上位機之間雷達參數(shù)配置和采樣數(shù)據(jù)傳輸?shù)取?/p>

2.1 接收模塊設(shè)計

接收模塊的功能對接收到的雷達回波信號進行濾波、放大和采樣。如圖3所示，接收天線接收到雷達回波信號，經(jīng)過由脈沖控制的收發(fā)開關(guān)SA630，具有60 dB的隔離度，使用帶通濾波器進行濾波，再由低噪聲放大器GALI-52進行固定增益放大再經(jīng)帶通濾波器后由AD8331程控放大器調(diào)整信號幅度，送入ADS5562采樣芯片進行采樣，采樣芯片最高采樣速率為80 MHz，有效位數(shù)是16 bit，在3 MHz輸入時無雜散動態(tài)范圍為85 dBc，能夠很好地實現(xiàn)接收模塊采樣。

圖3 接收模塊具體實現(xiàn)框圖

采樣后的數(shù)字信號在FPGA中進行數(shù)字下變頻(Digital Down Converter, DDC)處理。通過數(shù)字混頻實現(xiàn)去載去斜，然后通過濾波抽取得到滿足信號處理實時性要求的低速數(shù)字信號[11]，濾波器調(diào)用FPGA內(nèi)部的IP core實現(xiàn)，三級CIC濾波器級聯(lián)實現(xiàn)3 000倍抽取，經(jīng)過DDC之后得到I、Q兩路正交信號，之后通過兩次FFT得到多普勒譜結(jié)果。

2.2 發(fā)射信號合成模塊設(shè)計

發(fā)射信號合成模塊的功能是根據(jù)上位機軟件設(shè)置的雷達波形參數(shù)，產(chǎn)生雷達發(fā)射所需的波形。圖4為發(fā)射通道的結(jié)構(gòu)框圖，上位機通過軟件可以設(shè)置接收機的工作模式和頻率，設(shè)置的參數(shù)通過無線傳輸?shù)紽PGA，F(xiàn)PGA控制DDS芯片AD9910產(chǎn)生所設(shè)置頻率的波形，之后經(jīng)過兩級濾波和一級放大，經(jīng)過收發(fā)開關(guān)控制，成為發(fā)射信號。

圖4 發(fā)射信號合成模塊框圖

發(fā)射波形為線性調(diào)頻中斷連續(xù)波(Frequency Modulated Interrupted Continuous Wave，F(xiàn)MICW)，可以進行上掃頻或下掃頻。DDS芯片選用AD9910，14 bit、1 GSPS的直接數(shù)字頻率合成器產(chǎn)生需要的波形，通過SPI總線可以由FPGA直接對芯片進行配置，數(shù)字斜坡調(diào)制模式配置簡單，斜坡采用數(shù)字化生成，輸出分辨率為32 bit，可以對頻率、相位或振幅進行編程，同時可以控制上掃頻或是下掃頻波形的產(chǎn)生，斜坡的上下限值、頻率步長和步進速率都可以單獨控制，這使得雷達信號的產(chǎn)生更加快捷靈活。

2.3 時鐘同步模塊設(shè)計

GPS同步模塊。時鐘同步模塊接收GPS/北斗衛(wèi)星信號，提供高精度的10 MHz同步時鐘以及高精度的秒脈沖信號，作為每個收發(fā)單元的外同步源，為每個收發(fā)單元提供穩(wěn)定的時鐘參考，保證各個收發(fā)單元之間的時鐘和時間同步。在該模式下，系統(tǒng)通過GPS時間信息同步各個接收單元的時間，利用GPS秒脈沖和恒溫晶振生成同步脈沖信號和同步時鐘，一方面，基于同步時鐘和秒脈沖信號產(chǎn)生控制各個接收單元收發(fā)的發(fā)射脈沖TP，接收脈沖TB，確保在收發(fā)共置的工作模式下各個收發(fā)模塊均可以正常工作，確保多臺雷達之間不會由于發(fā)射接收不同時而導(dǎo)致設(shè)備損壞；另一方面，通過每秒同步來保證發(fā)射波形相位之間的一致性。

時鐘同步模塊的時頻同步精度對系統(tǒng)性能有較大的影響，時頻不完全同步會造成多普勒譜展寬和收發(fā)單元間的通道不一致。因此，每個收發(fā)單元均選用同一款高精度時鐘同步模塊，采用GPS/北斗頻率測控技術(shù)，授時精度<30 ns，10 MHz頻率輸出日平均穩(wěn)定度<1×10-12，實時準(zhǔn)確度可達5×10-10。

圖5是鎖定狀態(tài)下兩個時鐘同步模塊秒脈沖穩(wěn)定度數(shù)據(jù)觀測結(jié)果，可以看出兩個秒脈沖上升沿時差是緩慢變化的，最大變化為3 min變化30 ns，變化率約為每秒0.17 ns，相對于高頻雷達幾百ms的掃頻周期Tr，這個量很小，可以忽略不計，即對距離譜沒有明顯影響。在多普勒域，對應(yīng)于10 MHz的載波所帶來的相位變化為0.6°，最大附加多普勒頻移為1/(1 200πTr)，Tr為掃頻周期，在雷達相干積累周期個數(shù)低于1 200π時，時間同步誤差所帶來的多普勒頻移小于多普勒分辨率，也可以忽略不計。但是同步精度和信號不同源等原因所帶來的收發(fā)單元間的通道不一致性會對目標(biāo)的方位估計產(chǎn)生影響，需要后續(xù)通過船只AIS數(shù)據(jù)或者應(yīng)答器作為輔助源進行矯正。

圖5 秒脈沖穩(wěn)定度測試結(jié)果

2.4 數(shù)據(jù)傳輸模塊設(shè)計

數(shù)據(jù)傳輸模塊實現(xiàn)FPGA和上位機之間的無線數(shù)據(jù)傳輸，考慮到陣列口徑和接收機采樣數(shù)據(jù)率，要求無線傳輸距離至少要在100 m以上，數(shù)據(jù)率不高于20 Mbit/s，因此采用基于無線網(wǎng)橋的百兆無線網(wǎng)傳輸技術(shù)。

具體實現(xiàn)方式為FPGA芯片通過GMII接口和電路板上的Gigabit PHY芯片88E1111通信，將數(shù)據(jù)打包，再由Gigabit PHY芯片把數(shù)據(jù)通過無線傳輸模塊傳輸給無線網(wǎng)橋，通過無線方式傳輸給上位機，通信協(xié)議采用 UDP(User Datagram Protocol，UDP)通信協(xié)議?？紤]到陣列式雷達陣列口徑，因此無線傳輸距離至少要在100 m以上，該無線網(wǎng)橋提供20 dBm的發(fā)射功率，可以有效地確保隔離和分集接收，有效傳輸距離超過5 km，可以滿足系統(tǒng)要求，數(shù)據(jù)傳輸模塊框圖如圖6所示。

圖6 數(shù)據(jù)傳輸模塊框圖

通信用的無線網(wǎng)橋天線是雙極化定向天線，工作頻段為5.8 GHz，總帶寬為900 MHz，不同的無線鏈路占用不同的信道，無線網(wǎng)橋會對信道進行偵測，動態(tài)分配，因此各單元通信之間不會產(chǎn)生干擾。

3 實驗結(jié)果

3.1 收發(fā)單元射頻前端性能測試

射頻前端的技術(shù)指標(biāo)主要包括通道增益、靈敏度、動態(tài)范圍[12]等。

增益測試進行三次以確保結(jié)果準(zhǔn)確性，得到輸出信號功率分別是-41.5，-41.4和-41.5 dBm，取三次平均值，得到輸入7 MHz信號時射頻前端增益為35 dB。

靈敏度測試使用外部信號源，信號源信號的大小為-40 dBm，經(jīng)過70 dB衰減器衰減，輸入射頻前端的信號大小為-110 dBm，此時為最小輸入信號，使用MATLAB處理采樣后的信號，結(jié)果如圖7(a)所示?？梢钥闯?，信號為7 MHz，信號高于底噪10 dBm，因此模擬前端的靈敏度為-110 dBm。

圖7 模擬前端靈敏度動態(tài)范圍測試

經(jīng)過測試，射頻前端的最大不失真信號為 -40 dBm，如圖7(b)所示，因此射頻前端的動態(tài)范圍為70 dB。

3.2 閉環(huán)測試結(jié)果

在閉環(huán)測試中，掃頻信號是由發(fā)射模塊產(chǎn)生并通過衰減器輸入到接收模塊，該信號設(shè)置了時間延遲以模擬90 km處的目標(biāo)回波，根據(jù)實際波形來測試系統(tǒng)的最小可檢測信號。測試條件為：發(fā)射使用7 MHz掃頻信號，掃頻帶寬為30 kHz，掃頻周期設(shè)置為125 ms，給出閉環(huán)距離譜的結(jié)果如圖8所示。

圖8 7 MHz掃頻信號閉環(huán)距離譜

由圖8可看出,回波在第18距離元，距離分辨率為5 km，和預(yù)設(shè)目標(biāo)位置一致。此外，在不計入相干積累增益的前提下，在最低可檢測信噪比設(shè)為10 dB時，接收機工作于7 MHz掃頻時最小可檢測電平為-125 dBm。

閉環(huán)測試結(jié)果表明接收機的各模塊均工作正常，可以完成距離和多普勒譜信息的測量，進行相應(yīng)的現(xiàn)場實驗驗證。

3.3 現(xiàn)場實驗結(jié)果

為了驗證新體制雷達系統(tǒng)的性能，2019年10月在福建省龍海地波雷達站進行了現(xiàn)場實驗。雷達發(fā)射7.5 MHz的調(diào)頻掃頻中斷連續(xù)波，掃頻周期125 ms，掃頻帶寬30 kHz，相位偏置設(shè)置315°，對應(yīng)多普勒譜上位置為-1 Hz，單通道發(fā)射功率為200 W左右。

得到的單根天線回波譜圖如圖9(a)所示，相干積累時間為5 min，該回波譜中心位置多普勒頻率為-1 Hz，與設(shè)置相符合，位于中心兩邊的是一階海洋回波，雷達可探測到200 km處的海洋回波，在多普勒頻率為-0.9 Hz，距離為40 km的位置可以看到疑似目標(biāo)信息。

圖9 雷達回波多普勒譜

此外，用兩個單通道收發(fā)單元進行了兩路發(fā)射兩路接收實驗，兩個單通道設(shè)備用GPS進行時頻同步，發(fā)射功率為100 W左右，發(fā)射信號進行了相位調(diào)制，兩路收發(fā)單元由GPS同步模塊進行時鐘和時間的同步，得到的回波譜圖如圖9(b)所示。左邊回波譜中心位置多普勒頻率為-2 Hz，右邊回波譜中心位置多普勒頻率為1 Hz，與設(shè)置相符合，并無明顯的偏移和明顯多普勒譜展寬。結(jié)果表明，通過GPS同步的收發(fā)單元可以接收到兩路發(fā)射的回波信號，多普勒回波譜清晰可區(qū)分，該結(jié)果也論證了由多個收單元進行組陣和組網(wǎng)探測的可行性。

4 結(jié)束語

本文針對傳統(tǒng)地波雷達探測中因雷達系統(tǒng)與天線陣列之間的長連接電纜限制而導(dǎo)致的一系列問題，提出了一種新體制的雙頻高頻地波雷達系統(tǒng)。在完成單通道接收單元設(shè)計與實現(xiàn)后，通過閉環(huán)實驗測試了系統(tǒng)的性能，并通過海邊現(xiàn)場實驗對整個單通道收發(fā)單元進行了檢測，得到了穩(wěn)定的海洋回波和目標(biāo)信息。實驗結(jié)果表明，在新的體制和設(shè)計結(jié)構(gòu)下，單通道收發(fā)單元各方面的性能指標(biāo)達到預(yù)期，為進行后續(xù)的基于該收發(fā)單元的組陣、組網(wǎng)實驗奠定了基礎(chǔ)。