一種X波段船用導(dǎo)航雷達(dá)設(shè)計(jì)

金 明 陳 剛 趙仁義 丁智勇

(中國(guó)電科安徽博微長(zhǎng)安電子有限公司 六安 237010)

一種X波段船用導(dǎo)航雷達(dá)設(shè)計(jì)

金 明 陳 剛 趙仁義 丁智勇

(中國(guó)電科安徽博微長(zhǎng)安電子有限公司 六安 237010)

介紹了一種導(dǎo)航雷達(dá)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(jì)。雷達(dá)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(cè)、標(biāo)繪、船舶航行或停泊過(guò)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(bào)上報(bào)等功能。

X波段；船用導(dǎo)航雷達(dá)；收發(fā)系統(tǒng)；

0 引言

船用導(dǎo)航雷達(dá)是用于探測(cè)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(xiǎn)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(dá)常用波段有兩個(gè)S波段(3GHz)和X波段(12GHz)，前者較長(zhǎng)用于大型船舶，現(xiàn)今導(dǎo)航雷達(dá)主流波段是采用X波段[1-2]，雷達(dá)多是采用非相參脈沖幅度調(diào)制，采用單片機(jī)或ARM控制形式，對(duì)收/發(fā)系統(tǒng)進(jìn)行信息處理和控制，提升數(shù)據(jù)處理能力，便于雷達(dá)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(jì)的一種船舶導(dǎo)航雷達(dá)特點(diǎn)如下：采用多脈沖調(diào)制形式；掃描方式是一維機(jī)械掃描；天線采用收發(fā)一體微帶陣列天線；發(fā)射機(jī)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(jì)方法，即天線和收發(fā)機(jī)艙外，信號(hào)處理及顯控計(jì)算機(jī)在艙內(nèi)。

1 系統(tǒng)架構(gòu)

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

全機(jī)工作原理框圖如圖1所示。接通顯控終端雷達(dá)電源開(kāi)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(kāi)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(guò)調(diào)制電路充電元件給儲(chǔ)能元件充電，儲(chǔ)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(hào)的同步下，予調(diào)器觸發(fā)調(diào)制單元導(dǎo)通，儲(chǔ)能元件通過(guò)人工線和脈沖變壓器放電，同時(shí)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(guò)波導(dǎo)饋線系統(tǒng)傳輸。從天線接收到的信號(hào)經(jīng)限幅器至接收前端模塊，信號(hào)經(jīng)高放與混頻后得到中頻，然后中頻在接收機(jī)進(jìn)行處理后輸出到顯控終端。顯控終端通過(guò)射頻控制板實(shí)現(xiàn)對(duì)收發(fā)機(jī)的控制。終端系統(tǒng)可對(duì)目標(biāo)回波信號(hào)進(jìn)行點(diǎn)跡濾波、凝聚形成點(diǎn)跡信號(hào)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(guò)雷達(dá)的操控界面和操控單元完成對(duì)雷達(dá)控制功能。

2 收發(fā)分系統(tǒng)

收發(fā)機(jī)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(dá)發(fā)射信號(hào)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(dá)天線接收面積為Ae,則雷達(dá)收到的信號(hào)功率為：

(2)

由公式(2)得出：增益和雷達(dá)收到的信號(hào)功率一定時(shí),發(fā)射機(jī)輸出功率同R4成正比。則要使雷達(dá)作用距離更遠(yuǎn),必須增大雷達(dá)發(fā)射機(jī)的輸出功率，同時(shí)雷達(dá)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(dá)系統(tǒng)還需實(shí)現(xiàn)抗雨雪、海浪抑制等惡劣天氣狀況處理，也是評(píng)判雷達(dá)性能的重要參考標(biāo)準(zhǔn)。因此在接收機(jī)的靈敏度一定情況下，收發(fā)機(jī)單元設(shè)計(jì)為：

1)發(fā)射機(jī)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(jī)技術(shù)指標(biāo)

·類(lèi)型：對(duì)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(fù)載

系統(tǒng)發(fā)射時(shí)，由控制終端選擇量程和具體變化量以對(duì)應(yīng)不同的狀態(tài)，將指令發(fā)送給射頻控制板，它將4個(gè)發(fā)射觸發(fā)送至發(fā)射系統(tǒng)內(nèi)的調(diào)制板，4個(gè)驅(qū)動(dòng)電路觸發(fā)不同長(zhǎng)度的脈沖。這些輸出的脈沖合在一起產(chǎn)生所設(shè)計(jì)的高壓發(fā)射脈沖。發(fā)射短脈沖和中等長(zhǎng)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(shí)，發(fā)射4個(gè)觸發(fā)脈沖中的1個(gè)和發(fā)射功率檢波波形。這樣設(shè)計(jì)便于在進(jìn)行信號(hào)處理時(shí)，它可以抑制如海雜波這樣相對(duì)弱的近程回波。

接收部分由于雷達(dá)天線為收發(fā)共用，環(huán)行器用于實(shí)現(xiàn)接收和發(fā)射之間的切換。環(huán)行器有3個(gè)I/O 端口，中心有一個(gè)永磁鐵氧體芯。它用于從一個(gè)端口將電磁波按一個(gè)特定方向輸出。例如：電磁波從一個(gè)與磁控管連接的端口進(jìn)入并從一個(gè)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(hù)接收電路不受大電平電磁波的沖擊。接收信號(hào)期間，天線送來(lái)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(lái)自環(huán)行器的接收回波經(jīng)一個(gè)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(lái)的強(qiáng)發(fā)射波被送入，接收前端有被燒毀的危險(xiǎn)。為了保護(hù)接收前端不受損，二極管限幅器將強(qiáng)回波進(jìn)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(gè)將接收到的信號(hào)下變頻成60MHz中頻信號(hào)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(duì)數(shù)放大器電路、帶寬切換開(kāi)關(guān)濾波器組和視頻檢波電路構(gòu)成。經(jīng)過(guò)放大濾波處理后的60MHz中頻信號(hào)和視頻信號(hào)重疊在一起從中頻板送入處理器單元。視頻信號(hào)輸出可以連接到一個(gè)現(xiàn)有型號(hào)的分顯中。

其實(shí)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(jī)內(nèi)部存在微波泄漏和發(fā)射機(jī)散熱問(wèn)題，將直接影響整機(jī)可靠性。為解決這個(gè)問(wèn)題，發(fā)射系統(tǒng)腔體增加調(diào)制隔腔、外部增加一個(gè)屏蔽罩，既減少微波輻射，同時(shí)在罩內(nèi)增加風(fēng)機(jī)利于散熱、優(yōu)化結(jié)構(gòu)空間。

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

3 小結(jié)

該船舶監(jiān)視雷達(dá)主要完成海上目標(biāo)探測(cè)、標(biāo)繪(ATA/ARPA功能)、船舶航行或停泊過(guò)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(bào)上報(bào)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(cè)跟蹤指定海域內(nèi)的各類(lèi)船只目標(biāo)，并向指揮中心上報(bào)數(shù)據(jù)?？蓪?duì)國(guó)家邊防水域?qū)嵭腥轿?、全天候遠(yuǎn)程動(dòng)態(tài)監(jiān)控，為國(guó)家安全防衛(wèi)提供有效幫助，提高部隊(duì)的執(zhí)勤作戰(zhàn)能力。

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

[2] 劉源.X波段雷達(dá)接收機(jī)關(guān)鍵組件的優(yōu)化設(shè)計(jì)[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(dá)射頻子系統(tǒng)[J].雷達(dá)與對(duì)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(dá)靈敏度頻率控制實(shí)現(xiàn)[J].無(wú)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(dá)發(fā)射機(jī)[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