單天線FMCW雷達(dá)發(fā)射泄漏信號抑制技術(shù)研究

摘要 針對單天線調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)發(fā)射信號泄漏問題，考慮到自適應(yīng)控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理能力強(qiáng)、準(zhǔn)確靈活等優(yōu)點(diǎn)，提出了自適應(yīng)對消技術(shù)方案，并進(jìn)行了仿真分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果表明，該方案有效抑制了由于收發(fā)隔離不足導(dǎo)致的發(fā)射泄漏信號問題。

由于受到體積、重量、成本等限制，多數(shù)連續(xù)波體制的雷達(dá)導(dǎo)引頭采用單天線技術(shù)，由于收發(fā)隔離不足致使發(fā)射信號泄漏到接收機(jī)中產(chǎn)生泄漏信號，而信號泄漏會導(dǎo)致連續(xù)波體制雷達(dá)接收機(jī)靈敏度下降，中放、微波混頻器或前置低噪聲放大器飽和。

隨著元器件的發(fā)展，毫米波前端器件的飽和功率，如混頻器，可到十幾dBm以上，而在彈載環(huán)境中，連續(xù)波發(fā)射機(jī)功率一般為幾百mW，因此，飽和不是主要問題，只需重點(diǎn)解決接收機(jī)靈敏度下降的問題。同時，考慮到實(shí)際信息過程具有不確定性，本文采用自適應(yīng)數(shù)

字對消技術(shù)綜合處理該信息過程，并使得由于收發(fā)隔離不足導(dǎo)致的發(fā)射泄漏信號得到最大限度的抑制。

1 自適應(yīng)數(shù)字對消基本原理

自適應(yīng)數(shù)字對消系統(tǒng)工作原理如圖1所示。

在該模型中，接收機(jī)有兩個獨(dú)立通道，參考接收通道和主接收通道。參考通道對發(fā)射信號進(jìn)行采樣，主接收通道包含發(fā)射泄漏信號和目標(biāo)回波信號。將主回波信號和參考信號分別送入中頻自適應(yīng)數(shù)字對消器，兩通道所接收到的信號幅度和相位不同，為提取有用的目標(biāo)反射信號，只需調(diào)整接收到的參考信號，使其與主路信號中發(fā)射泄漏信號一致，從而獲得良好的對消效果。

自適應(yīng)濾波器與普通濾波器不同，它的沖激響應(yīng)或?yàn)V波參數(shù)是隨外部環(huán)境的變化而變化的，經(jīng)過一段自動調(diào)節(jié)的收斂時間達(dá)到最佳濾波的要求。對消原理框圖如圖2所示。

設(shè)主回波信號d(n)為目標(biāo)回波信號s(n)與發(fā)射泄漏信號z(n)之和，x(n)為參考信號，x(n)與目標(biāo)回波信號不相關(guān)，但與z(n)具有某種未知的相關(guān)性，x(n)經(jīng)濾波后產(chǎn)生和z(n)相似的信號z’(n)，最終得到系統(tǒng)的輸出

y(n)=s(n)+z(n)-z’(n) (1)

假設(shè)z(n)、x(n)及s(n)是零均值的平穩(wěn)隨機(jī)過程。s(n)與z(n)不相關(guān)。而

y2(n)=s2(n)+(z(n)-z’(n))2+2s(n)(z(n)-z’(n)) (2)

對式(2)兩邊取數(shù)學(xué)期望，由于s(n)與z(n)、x(n)不相關(guān)，s(n)與z’(n)也不相關(guān)，故

E[y2(n)]=E[s2(n)]+E[(z(n)-z’(n))2] (3)

信號功率E[s2(n)]與自適應(yīng)濾波器的調(diào)節(jié)無關(guān)，因此，自適應(yīng)濾波器調(diào)節(jié)使E[y2(n)]最小，即E[(z(n)-z’(n))2]最小。又因?yàn)閦(n)-z’(n)=y(n)-s(n)，所以當(dāng)E[(z(n)-z’(n))2]最小時，自適應(yīng)泄漏信號抵消系統(tǒng)的輸出信號y(n)與有用信號s(n)的均方差E[(y(n)-s(n))2]也最小，在理想情況下，z(n)=z’(n)，則y(n)=s(n)。

但在實(shí)際系統(tǒng)中，從天線接收到的信號比理論分析復(fù)雜，對消比較低。

自適應(yīng)濾波器本身有一個重要的自適應(yīng)算法，該算法可以根據(jù)輸入、輸出及原參量值，按照一定準(zhǔn)則修改濾波參量，以使自適應(yīng)濾波器能有效地跟蹤外部環(huán)境的變化。

目前，自適應(yīng)濾波算法主要有以下3種：

(1)基于維納濾波器理論的最小均方誤差(LMS)算法。LMS算法簡單、運(yùn)算量小、無需計(jì)算相關(guān)函數(shù)和矩陣求逆運(yùn)算，易實(shí)現(xiàn)且在正確條件下，可獲得滿意的性能。其主要缺點(diǎn)是收斂速率較緩慢，而且對抽頭輸入相關(guān)矩陣的最大特征值與最小特征值之比變化敏感，即使這樣，LMS算法仍然應(yīng)用廣泛。

(2)基于最小二乘法的遞推最小二乘法(RLS)算法。RLS算法的優(yōu)點(diǎn)是收斂速度快、跟蹤能力強(qiáng)，但其由于要進(jìn)行矩陣求逆，計(jì)算量較LMS算法大得多，這使其應(yīng)用受到限制。

(3)基于卡爾曼濾波理論的卡爾曼算法?？柭惴ㄊ諗啃阅芎?、跟蹤能力強(qiáng)、收斂速率具有魯棒性(Robust)。對輸入相關(guān)短陣特征值不敏感;并且，該算法適用于平穩(wěn)隨機(jī)過程和非平穩(wěn)隨機(jī)過程。主要缺點(diǎn)是直接使用卡爾曼濾波公式中的矩陣表示式，算法復(fù)雜、運(yùn)算量大、數(shù)值穩(wěn)定性差。

本文選擇LMS算法完成自適應(yīng)數(shù)字對消。

2 理論數(shù)據(jù)仿真分析

仿真結(jié)果如圖3和圖4所示。

圖3(a)中表示主回波信號d(n)，圖3(b)表示目標(biāo)回波信號s(n);圖3(c)表示對消后輸出信號，可以看出，經(jīng)過一段時間的自適應(yīng)調(diào)整，對消后的輸出信號以看不到發(fā)射泄漏信號，由此可見，該系統(tǒng)對發(fā)射泄漏信號有較好的對消效果，波形失真小。

圖4是信號響應(yīng)的時域波形，圖4(a)為對應(yīng)主回波信號d(n)的頻域圖形;圖4(b)為對應(yīng)對消后輸出信號的頻域圖形，經(jīng)對比可知，泄漏信號減小約40 dB。

3 實(shí)采數(shù)據(jù)仿真分析

實(shí)采數(shù)據(jù)中，發(fā)射泄漏信號與參考信號均為20 MHz的正弦波，目標(biāo)回波信號為21 MHz的正弦波，數(shù)據(jù)采樣率為200 MHz。信號響應(yīng)時域波形如圖5所示。

圖5(a)表示主回波信號d(n);圖5(b)表示對消后輸出信號，可以看出，對消后的輸出基本可還原目標(biāo)回波信號，波形失真小。

圖6為圖5所示信號對應(yīng)的頻域圖形，經(jīng)對比可知，泄漏信號減小約32.2 dB。

4 結(jié)束語

本文基于理論分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，針對3 mm調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)發(fā)射信號泄漏問題，通過自適應(yīng)數(shù)字對消技術(shù)，可以準(zhǔn)確靈活、有效地減小發(fā)射泄漏信號，降低了泄漏信號對接收機(jī)靈敏度的影響。理論仿真與實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果證明該方法有效可行。