相位噪聲對(duì)頻率步進(jìn)雷達(dá)的影響仿真

　　作為高分辨率雷達(dá)之一，毫米波頻率步進(jìn)雷達(dá)因具有極好的距離分辨率，而被越來越廣泛的使用。利用傅立葉逆變換(IFFT)實(shí)現(xiàn)頻率步進(jìn)雷達(dá)一維成像的過程是：在自由空間中，發(fā)射機(jī)發(fā)射n個(gè)脈寬為t，載頻步長(zhǎng)為Df的脈沖串，各載頻分別為fi=f0+iDf，其中i=0，1，2，…，n-1，重復(fù)周期為T，這n個(gè)脈沖的步進(jìn)總帶寬B=(n-1)Df。發(fā)射的信號(hào)遇到距離為R并且徑向速度為v的目標(biāo)后反射回超外差結(jié)構(gòu)的接收機(jī)，經(jīng)過一次或多次下變頻后，對(duì)每個(gè)回波脈沖脈寬中心點(diǎn)進(jìn)行正交采樣，最后對(duì)采樣數(shù)據(jù)作n點(diǎn)IFFT，即可獲得目標(biāo)的一維距離像(Range Profile)。

　　在噪聲中檢測(cè)信號(hào)的能力是檢驗(yàn)雷達(dá)系統(tǒng)性能好壞的關(guān)鍵，雷達(dá)系統(tǒng)只有從噪聲中有效地獲取回波信號(hào)的信息才能對(duì)目標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)，而頻率源的相位噪聲是決定系統(tǒng)信噪比好壞及性能的關(guān)鍵要素之一。本文利用仿真工具Agilent ADS，對(duì)頻率步進(jìn)雷達(dá)系統(tǒng)射頻部分進(jìn)行建模，并使用Mathworks Matlab對(duì)模型輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，通過這種數(shù)值仿真的方式能夠?qū)走_(dá)系統(tǒng)的各種參數(shù)進(jìn)行量化分析。隨后，利用該仿真平臺(tái)對(duì)頻率源重要參數(shù)之一的相位噪聲對(duì)頻率步進(jìn)雷達(dá)系統(tǒng)的影響進(jìn)行，進(jìn)一步給出對(duì)頻率源相位噪聲的要求，對(duì)實(shí)際系統(tǒng)的設(shè)計(jì)有一定參考價(jià)值。

　　2 頻率步進(jìn)雷達(dá)模型構(gòu)建

　　頻率步進(jìn)雷達(dá)按照功能機(jī)構(gòu)劃分可以分為天饋(Antenna)、頻率源(Frequency Synthesizer)、接收機(jī)(Receiver)和信號(hào)處理機(jī)(Signal Processer)四個(gè)部分，如圖1所示。其中的頻率源又包含為系統(tǒng)所需的發(fā)射機(jī)信號(hào)(Tx)和接收機(jī)所需的本振信號(hào)(LO)兩個(gè)部分。

　　圖1 頻率步進(jìn)雷達(dá)構(gòu)造

　　根據(jù)頻率步進(jìn)雷達(dá)的構(gòu)造，我們?cè)O(shè)計(jì)了如圖2所示的仿真平臺(tái)對(duì)其進(jìn)行建模，通過對(duì)它的參數(shù)仿真結(jié)果的分析，達(dá)到對(duì)其性能評(píng)估的目的。

　　圖2 仿真平臺(tái)構(gòu)造

　　該仿真平臺(tái)，主要由ADS和Matlab兩個(gè)工具軟件組成。其中ADS對(duì)頻率步進(jìn)雷達(dá)的射頻部分進(jìn)行模擬，主要包含發(fā)射機(jī)(Transmitter)、本振(Local Oscillator)、信道(Signal Channel)和接收機(jī)(Receiver)四個(gè)模塊構(gòu)成，其輸出為基帶回波信號(hào)。該基帶回波信號(hào)，再由Matlab仿真平臺(tái)，根據(jù)頻率步進(jìn)雷達(dá)信號(hào)處理的方式進(jìn)行信號(hào)處理，便能夠得到目標(biāo)的一維距離像。該仿真平臺(tái)的特點(diǎn)是將射頻電路與信號(hào)處理結(jié)合在一起，能夠?qū)ι漕l電路中的參數(shù)對(duì)于系統(tǒng)的影響進(jìn)行直接分析，更接近于真實(shí)系統(tǒng)情況，有利于實(shí)際系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

　　3 相位噪聲影響分析

　　頻率步進(jìn)雷達(dá)的性能好壞，由很多因素決定，僅分析其輸出噪聲部分，就包含大氣噪聲、幅度起伏、頻率誤差以及本振相位噪聲等[6]。以下將就相位噪聲對(duì)雷達(dá)系統(tǒng)的影響進(jìn)行量化分析。

　　相位噪聲是衡量頻率短期穩(wěn)定度的一個(gè)重要指標(biāo)，目前主要用阿倫方差和相噪功率譜密度，分別從時(shí)域和頻域兩個(gè)角度來描述。作為頻率穩(wěn)定度頻域表征的五冪律法，基本上適用于一切實(shí)際的振蕩源，包括最常見的白噪聲、閃爍噪聲和隨機(jī)游走等類型的噪聲效應(yīng)。冪律噪聲表示法如圖3所示。

　　圖3 用冪律噪聲表示相位噪聲譜

　　圖3除了表述相位噪聲的來源以外，還表示出相位噪聲的出現(xiàn)將振蕩器的一部分功率擴(kuò)展到相鄰的頻率中去，產(chǎn)生了噪聲邊帶。該噪聲邊帶會(huì)隨著接收機(jī)混頻的過程，而被調(diào)制到基帶信號(hào)中，成為基帶信號(hào)噪聲的一部分，從而惡化雷達(dá)系統(tǒng)檢測(cè)信號(hào)的能力。

　　假設(shè)一個(gè)工作在W波段94GHz附近的頻率步進(jìn)雷達(dá)，其步進(jìn)頻率為8MHz，共64個(gè)頻率點(diǎn)，脈沖寬度100ns，重復(fù)周期10ms，其理想的距離分辨率將達(dá)到0.3m。圖4是理想無噪聲情況下，數(shù)據(jù)在經(jīng)過128點(diǎn)IFFT的輸出圖形。為了提高邊帶抑制，輸出的結(jié)果經(jīng)過了“Hamming”加窗，為了分析比較，結(jié)果還進(jìn)行了幅度的歸一化。

　　圖4 理想一維距離像

　　此時(shí)，假設(shè)頻率步進(jìn)雷達(dá)中典型的一個(gè)頻率源的相位噪聲為表1所示

　　表1 頻率源相位噪聲

　　頻率源相位噪聲在被調(diào)制到基帶邊帶的過程中，如果雷達(dá)系統(tǒng)是相參系統(tǒng)時(shí)，會(huì)因?yàn)樵肼曋g存在相關(guān)性[9]或者作用距離[10]而有一定的改善。為了分析方便，這里忽略該改善效應(yīng)，即對(duì)相位噪聲的影響在最壞情況下進(jìn)行分析。其設(shè)定的相位噪聲和仿真所用模型如圖5所示

　　圖5 頻率源相位噪聲圖形

　　將該相位噪聲數(shù)據(jù)經(jīng)過ADS仿真平臺(tái)調(diào)制到基帶輸出后，再由Matlab進(jìn)行分析，得到圖6。

　　圖6 相位噪聲影響

　　從圖6可以看出相位噪聲明顯造成距離像邊帶的惡化，但是不會(huì)影響雷達(dá)系統(tǒng)的距離分辨率。相位噪聲對(duì)雷達(dá)系統(tǒng)的影響，表現(xiàn)在，在多點(diǎn)目標(biāo)情況下，小目標(biāo)將會(huì)被淹沒在大目標(biāo)的邊帶噪聲中，而不能被分辨，從而影響雷達(dá)在多點(diǎn)目標(biāo)情況下對(duì)小目標(biāo)的探測(cè)的性能。

　　隨后，對(duì)表1所列舉的相位噪聲在惡化10dB和改善10dB的情況分別進(jìn)行分析，得到如圖7所示的結(jié)果。

　　圖7 不同相位噪聲情況下的影響分析

　　圖7顯示出，隨著相位噪聲的惡化，一維距離像的邊帶噪聲隨之惡化。而當(dāng)相位噪聲改善到一定程度時(shí)，其一維距離像與理想情況差別不大，此時(shí)相位噪聲在系統(tǒng)中的影響可以被忽略。

　　根據(jù)以上的分析，我們?cè)O(shè)計(jì)出W波段的頻率步進(jìn)雷達(dá)所需的頻率步進(jìn)頻率源，其輸出的相位噪聲達(dá)到-90dBc/Hz@10kHz，測(cè)試結(jié)果如圖8所示。

　　所做頻率源的優(yōu)越相位噪聲特性，將保證W波段頻率步進(jìn)雷達(dá)系統(tǒng)具有良好的多目標(biāo)分辨能力。

　　圖8 實(shí)作頻率源相位噪聲測(cè)試

　　4 結(jié)論

　　本文采用ADS和Matlab工具，對(duì)毫米波頻率步進(jìn)雷達(dá)系統(tǒng)進(jìn)行建模和性能評(píng)價(jià)。著重分析了頻率源重點(diǎn)參數(shù)之一的相位噪聲對(duì)雷達(dá)系統(tǒng)一維距離成像的影響。發(fā)現(xiàn)相位噪聲主要影響頻率步進(jìn)雷達(dá)在多目標(biāo)情況下，對(duì)小目標(biāo)的探測(cè)能力。然后通過數(shù)值仿真的方式對(duì)相位噪聲對(duì)頻率步進(jìn)雷達(dá)系統(tǒng)的影響進(jìn)行量化分析。進(jìn)一步分析得到頻率源的相位噪聲達(dá)到一定程度時(shí)，對(duì)于系統(tǒng)的影響可以被忽略，最后根據(jù)該分析結(jié)果，設(shè)計(jì)了一套W波段的頻率步進(jìn)頻率源，其相位噪聲為-90dBc/Hz@10kHz，以保證毫米波頻率步進(jìn)雷達(dá)系統(tǒng)的性能不受相位噪聲影響。根據(jù)該仿真平臺(tái)，還可以對(duì)頻率步進(jìn)雷達(dá)的其它參數(shù)進(jìn)行分析，比如接收機(jī)噪聲系數(shù)、帶寬和增益分配，以及系統(tǒng)頻率步進(jìn)大小，脈寬選擇和重復(fù)周期選擇等等各項(xiàng)參數(shù)的影響，進(jìn)行量化分析，達(dá)到為確定頻率步進(jìn)雷達(dá)系統(tǒng)參數(shù)選擇和指標(biāo)的分配提供仿真依據(jù)的目的。