一种FMCW船用导航雷达的灵敏度分析

一种FMCW船用导航雷达的灵敏度分析

摘要接收机灵敏度是接收机设计中的一项重要指标，本文对采用灵敏度频率控制（SFC）技术的调频连续波船用导航雷达接收机展开研究，分析了在不同频率下影响接收机灵敏度的主要因素。

关键词接收机灵敏度；调频连续波雷达；灵敏度频率

控制

中图分类号TN95 文献标识码 A 文章编号1674-6708（2016）165-0150-02

船用导航雷达的主要用途是探测海面目标，避碰和导航，是船舶航行、进出港不可缺少的工具，在船用电子设备中占有重要地位。一般的导航雷达基本采用脉冲模式，相比于脉冲模式的雷达系统，调频连续波（FMCW）系统的主要优点

在于采用简单结构就能获得较高的距离分辨率，携带方便，且系统在发射时不需要很高的发射功率。由于FMCW雷达目标距离范围较宽，距离动态变化大，常采用灵敏度频率控制技术（SFC）技术来限制中频信号的输出动态范围，不同频率对应着不同增益，本文对此展开研究，分析不同距离下限制接收机灵敏度的主要因素。

1 接收机的灵敏度计算

对于普通的接收机，其灵敏度是主要是由以下因素决定

的：模拟前端的增益、噪声系数，ADC的灵敏度（噪声底限），信号处理的带宽。接收机的灵敏度受ADC和模拟前端共同影响，可由下面公式表示：

Pmin=PDmin/G+PAmin，其中：

PDmin=？PDmax-（SNR）ADC-10log（Fs/2B）

PAmin=-174dBm+NF+10logB

符号意义：

Pmin：数字接收机总的灵敏度

PDmin：ADC的灵敏度（噪声底限），PDmin/G则表示其等效到接收端口的灵敏度？？

PAmin：模拟前端等效到接收端口的灵敏度

B：带宽（Hz为单位），一般指FIR滤波器的带宽G：模拟前端的增益

可见增益很大时，或噪声系数很大时，模拟前端是灵敏度主要限制因素，反之则ADC性能成为制约灵敏度的瓶颈。

这一系列灵敏度计算公式，只适用于一个“理想”的接收机，此接收机模型基于以下假设：

1）无外界干扰，射频前端接收的噪声源来自热噪声，高斯分布。

2）数字信号处理带宽（噪声带宽）等于信号的带宽。

3）接收信号功率在信号带宽上平均分布。4）在此带宽内NF及增益近似于不变。

2 船用导航雷达灵敏度分析

船用导航雷达不同于一般接收机，上面提到的约束条件，船用导航雷达并不完全满足。下面以FMCW雷达某个工作模式为例，具体分析。

假设条件：距离50m时大船返回功率为-14dBm，小船

减去20dBm；同一艘船，由于反射截面的不同，造成的与接收天线的距离差别典型值为50m。调频速率：9.6MHz/ms，

作用距离50m～27？780m。可以计算出拍频后的信号频率为3.2kHz～1？778kHz。

2.1 调频连续波航海雷达信号的带宽

为了接收处理此量程的全部航船返回的信号，数字处理模块FIR滤波器的带宽最窄为1？778kHz。但是，这并不是

调频连续波航海雷达接收机的信号带宽。理想航船（全部反射面与雷达接受天线的距离都相等）的返回信号进行拍频后应该是个点频。但是这种情况是不可能出现的。船体造成距离的差别我们现在假设一个典型值是50m，也就使得拍频后的信号有一个3.2kHz的带宽。对于后期频率识别的数字处理来说，最坏情况莫过于接收信号的总功率平均分布在这个

3.2kHz的带宽上，为了保守计算，我们就假设信号功率是在这个3.2kHz的带宽上平均分布的。所以我们可以这样描述调频连续波航海雷达的接收进行拍频后信号：

拍频信号可能出现在3.2kHz～1？778kHz（50m～27？

780m）的频带上，数字模块要随时准备处理这个频带上的任意频率的信号。但是对于每个航船反射的信号拍频后来说，其带宽为3.2kHz。航船反射后的信号，其拍频后的信号在f0～（f0+3.2kHz）的窄频段上，对应接收天线上的射频波段为（9.4GHz+f0）～（9.4GHz+f0+3.2kHz）。f0可以出现在3.2kHz～1？778kHz频带上的任意波段，但是，对于定时刻的一个航船来说，它是固定的。此时只要输入功率大于这个窄信号对应得系统灵敏度即可，并不要大于整个1.77？MHz内的的灵敏度。所以用来计算灵敏度的信号带宽应是3.2kHz。并不是调频宽度（9.6M）或者Fir滤波器宽度（1？778kHz）。

2.2 调频连续波航海雷达信号的增益

为了实现动态压缩，该船用雷达采用了SFC技术，在1778kHz内，不同频率对应着不同增益，而增益影响灵敏度的最直接体现就是ADC灵敏度等效到射频前端的的大小。增益越小，ADC的制约越严重。计系统灵敏度时，可以保守计算：即采用f0～（f0+3.2kHz）窄频带上的最小增益来计算。同样，由于SFC的影响，在此1778kHz内，不同频率对应着不同NF。而NF影响灵敏度的最直接体现就是模拟前端等效到输入端口的热噪声的大小。NF越大，模拟前对系统灵敏度的影响越严重。计算系统灵敏度时，可以保守计算：即采用f0～（f0+3.2kHz）窄频带上的最大NF来计算。

2.3 调频连续波航海雷达灵敏度的计算

对于一被探测船的回波（9.4GHz+f0）～（9.4GHz？

+f0+3.2kHz），对应得拍频为f0～（f0+3.2kHz），根据以上分析，下面给出调频连续波航海雷达灵敏度的计算公式：Pmin=PDmin/Gmin？+？PAmin

其中：PDmin=PDmax-（SNR）ADC-10log

（Fs/2B）

PAmin=-174dBm+NFmax+10logB

？Gmin为（9.4GHz+f0）～（9.4GHz+f0+3.2kHz）频带上的最小增益，在本系统中为频率为（9.4GHz+f0+3.2kHz）的接收信号对应得增益。

NFmax为（9.4GHz+f0）～（9.4GHz+f0+3.2kHz）频带上的最大噪声系数，在本系统中为频率为（9.4GHz+f0）的接受信号对应的噪声系数。

B为信号带宽，经上文分析为3.2kHz。

系统基于AD9220（满量程5Vpp，SNR？70？dB）的出的计算结果如下：

可见低频（近距离）主要制约是ADC性能，高频（远距离）主要制约是模拟前端。由上公式，可近似的把交点以前的ADC制约灵敏度，和交点以后的模拟前端制约灵敏度作为整个系统的灵敏度。

此系统在近距离情况下，很好的满足了灵敏度要求。在远距离情况下一定程度小的船无法检测出。