專利名稱：毫米波船用調頻多通道防撞雷達的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及無線電波發(fā)射與接收探測目標方位、距離和速度的技術領域，具體是一 種毫米波船用調頻多通道防撞雷達。
背景技術：
當前，海洋航運和內陸江河湖泊航運、漁業(yè)迅速發(fā)展，船只大量增多，港n、航道越來 越擁擠，常有船只違章超載、超速，尤其兩船或多條船交匯時其慣性力沖擊掀起大波浪，影 響航向不易正確操縱導致船只相互碰撞或撞擊橋墩，嚴重時沉船，甚至橋梁塌陷。在暴風雨
天氣惡劣時引發(fā)事故概率更大，迫切需要配置先進防撞雷達。FM-CW調頻連續(xù)波防撞雷達局 限于檢測單一目標。據分析，不同目標雷達反射截面RCS是不同的，目標距離不同回波延時
必然不同，其運動速度不向多普勒頻移也不同，因此，調制信號僅用單一頻率的周期信號作 為檢測標志，不能對觀察區(qū)域內所有目標同時無模糊測定距離和速度。對可能發(fā)生碰撞的目 標大小和距離遠近分辨力都是單一的，相鄰多個目標回波相互交調、串擾會很難分辨其檢測 數據，影響判斷。防撞預警雷達作用于近距離，要求船體所處的水面具有全方位安全航行防
撞功能。脈沖PD雷達發(fā)射脈寬遮擋回波接收信號，存在盲距，不宜近距檢測防撞，并缺少對 多個可能碰撞目標檢測和跟蹤能力，發(fā)射信號單通道邊掃描邊跟蹤在干擾雜波虛警密集環(huán)境 下，掃描回波尚未獲得按真實目標觀測數據分類，很難跟蹤目標航跡。眾多船只應用防撞雷 達在同一水域相鄰之間抗相互干擾問題需待解決。FM- CW天線發(fā)射能量泄漏阻塞接收回波信 號，相鄰目標難以分辨不能顯示多個目標全景圖像，對多個目標的相對位置、距離遠近及相 對速度欠缺預警?？傮w來說，現有防撞雷達缺用傳感器信號構成閉環(huán)控制的功能，缺少航道 環(huán)境天線自適應控制和自動避障、減速智能控制，能見度差或行駛遇到險情沒及時幫助司機 解危避免事故。 發(fā)明內容
本實用新型的目的提供相對快速的同時全方位檢測所處水域可能發(fā)生碰撞的目標距離、 速度的一種毫米波船用調頻多通道防撞雷達。
本實用新型技術方案設有波束轉換開關、環(huán)形器、限幅器、中放、邊帶倒置電路、多
個水面航道攝像頭、本船速傳感器、衛(wèi)星定位傳感器GPS、數據緩沖器FIFO、數字信號處理 器DSP、微控制器MCU、接口 1/0、雙口存儲器RAM、聲光報警器、方向舵控制器、減速器、 點火/熄滅控制器、鍵盤，還設收/發(fā)天線陣列、頻率合成器、收/發(fā)轉換丌關T/R!、 T/R2、 T/R:!、 SAW多通道調頻器、時分電路、上變頻、倍頻與功放、高放、下變頻、SAW多通道目標信號提 取電路、光柵掃描圖像顯示器CRT，收/發(fā)天線陣列在船頂高位設成水平環(huán)形陣或環(huán)繞桅桿圓 環(huán)陣，頻率合成器輸出fc3接入DSP為時鐘信號，'DSP編碼脈沖分配序列接入波束轉換開關、 CRT，全方位循環(huán)掃描探測水面可能碰撞的目標，fd接入時分電路為時鐘信號，時分電路可 編程預置端經接口 1/0接入MCU，多個水面航道攝像頭、本船速傳感器信號、衛(wèi)星定位傳感器GPS經接口 I/O接入MCU控制時分電路生成n路時分脈沖，高電平邏輯"H"接入收/發(fā)轉 換開關T/R2、 T/R3，低電平邏輯"L"接入T/Rw頻率合成器輸出fL接入上變頻為本振信號， fm接入SAW多通道調頻器為基準信號，fc2接入SAW多通道調頻器為窄脈沖定時信號，在SAW 多通道調頻器生成n組無源調頻信號，接入時分電路編碼為n路SAW頻率遞增排列的時分脈 沖群，經限幅器、上變頻、T/R:i、倍頻與功放、T/R2、環(huán)形器饋給收/發(fā)天線陣列發(fā)射，頻率 合成器輸出fL'接入下變頻為本振信號，fr接入邊帶倒置電路為本振信號，fi接入SAW多通道 目標信號提取電路為中頻相干檢波基準信號，n路回波信號經收/發(fā)天線陣列、波束轉換開關、 環(huán)形器、T/Rk高放、下變頻、中放、邊帶倒置電路，在時分電路時序異步選通門選取n組 按發(fā)射SAW頻率編排的目標信號，經SAW多通道目標信號提取電路、數據緩沖器FIFO接入 DSP的數據總線，DSP與MCU數據總線、地址線、控制線經雙口存儲器RAM匯接并提供仲裁信 號，MCU輸入/輸出接口 I/O分別接入光柵掃描圖像顯示器CRT、聲光報警器、方向舵控制器、 減速器、點火/熄滅控制器、鍵盤，DSP軟件設計片內分組時分復用數據重排、動目標顯示MTI、 快速傅里葉變換FFT、距離旁瓣抑制、恒虛警處理CFAR， MCU系統(tǒng)軟件編程包括主程序和數 據采集、數據處理、對象控制子程序，中放自動增益控制AGC電壓經濾波、放大接入高放、 中放AGC控制端；
其中，頻率合成器由恒溫晶振、晶振分頻器、倍頻放大鏈、混頻器、壓控振蕩器VCO、 鑒相器、環(huán)路濾波器、環(huán)路分頻器組成，VCO由砷化鎵高電子遷移率器件GaAsHEMT、介質諧 振器反饋振蕩、變容管壓控調諧，環(huán)路分頻器由前置固定分頻器和可編程分頻器組合，恒溫 晶振輸出分兩路， 一路經倍頻放大鏈與VCO輸出混頻并通過環(huán)路分頻器接入鑒相器，另一路 經晶振分頻器接入鑒相器，相差電壓經環(huán)路濾波器壓控VCO鎖相頻率合成，頻率合成器VCO 直接輸出fL為上變頻本振信號，經二至四倍頻為雷達載頻fo， f!.經定向耦合器為下變頻二至 四內在倍頻本振信號fL'，可編程分頻器控制端由接口 1/0接入MCU，其輸出fm為SAW多通道 調頻器基準信號、fr為邊帶倒置本振信號、fi為1/Q相干檢波器基準信號、fci為時分時鐘信 號、fc2為窄脈沖定時信號、fc3為DSP時鐘信號；
收/發(fā)天線陣列，由準光集成介質透鏡天線在船頂高位設成水平環(huán)形陣列或環(huán)繞桅桿圓環(huán) 陣列，其陣元由介質基片微帶集成天線、介質透鏡、物鏡、安裝基座、防護罩構成，介質透 鏡一端面是半球體為輻射面，另一端面是短圓柱體的橫截面，緊密放置介質基片微帶集成天 線為饋源，物鏡焦點對準介質透鏡中心軸線，置于安裝基座，外置防護罩，DSP編碼脈沖序 列接入波束轉換丌關、光柵掃描圖像顯示器CRT坐標變換器；
波束轉換開關在天饋波導由兩個PIN二極管芯串、并聯為單刀單擲丌關SPST，其控制偏 壓經低通網絡接入數字信號處理器DSP按船道編碼脈沖分配序列，多個波束轉換開關組合控 制為單刀多擲開關，收/發(fā)轉換開關T/仏、T/R"貨在環(huán)形器收、發(fā)分支處，T/R3設在倍頻與功 放輸入端，由兩個PIN二極管芯串、并聯為單刀單擲開關SPST，時分脈沖高電平邏輯"H" 經低通網絡接入T/R2、 T/R3，低電平邏輯"L"經低通網絡接入T/R!:
上變頻由兩個砷化鎵高遷移率器件GaAsHEMT、微帶網絡組成平衡混頻器，頻率合成器輸 出fL為本振信號經90。相移混合接頭分配給兩個砷化鎵高遷移率器件GaAsHEMT柵極，源極 經180°相移混合接頭連接n路時分編碼脈沖聲表器件SAW多通道調頻信號，漏極經另一個 90°相移混合接頭取出和頻耦合到倍頻與功放，其倍頻與功放由倍頻級、激勵級、功放級組合，采用磷化銦為襯底的砷化鎵高遷移率器件InPGaAsHEMT、微帶網絡、C類偏置構成，倍頻 級輸入串聯x/4阻抗變換微帶網絡，源極阻容接地，漏極接入抑制基波和奇次諧波的微帶線 網絡，調諧在二或四次諧頻為雷達載頻fo，激勵級、功放級柵極接輸入阻抗匹配網絡和C類 偏置，源極接地，漏極調諧在f('，并與發(fā)射天線阻抗匹配；
低噪聲高放由一個雙柵磷化銦為襯底的砷化鎵高遷移率器件InPGaAsHEMT、微帶網絡構 成，雙柵器件第一柵極微帶網絡與接收天線阻抗匹配，第二柵極為自動增益控制AGC受控端， 接入中放AGC輸出信號，源極阻容接地.，漏極輸出與下變頻耦合，下變頻是分諧波混頻器SHP， 由兩個肖特基二極管反向并接在低噪聲高放輸出微帶網絡與本振信號ft.'微帶網絡之間，本振 信號fV由頻率合成器輸出'fL經定向耦合器接入SHP產生內在二或四倍頻，中頻信號IF在本 振信號fL'微帶網絡的一側經帶通網絡取出；
SAW多通道調頻器由調制頻率發(fā)生器、n組聲表器件SAW、窄脈沖定時器tp、調制器組成， 頻率合成器輸出f i接入調制頻率發(fā)生器產生與n組聲表器件SAW中心頻率相同的調制頻率， 頻率合成器輸出fc2信號接入n組窄脈沖定時器tp產生對相應頻率的脈沖進行調制包絡為 sinx/x脈沖信號，激勵并行的n組聲表器件SAW依次線性規(guī)律展寬頻譜，經其加權網絡輸出 fK f2、 fn組調制信號；
聲表器件SAW多通道信號提取電路由n組SAW聲表器件、iH交相千檢波器1:/Q、模數轉 換器A/D組成，中放輸出經邊帶倒置電路在時分譯碼器n路時分異步時序選通門選取按發(fā)射 編排規(guī)律iV、 fV、 fn'的n組回波信號，經n組聲表器件SAW脈壓匹配濾波、加權接入正交相 干檢波器I/Q，其I/Q檢波器分I支路和Q支路兩個乘法器，頻率合成器輸出fi為中頻相干 基準信號接入I支路，移相n/2接入Q支路，相干檢波解調信號經模數轉換器A/D、數據緩 沖器FIFO接入數字信號處理器DSP數據總線；
時分電路由現場可編程門陣列FPGA設成可編程計數器、譯碼器、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器、調制信 號時分編碼開關、時序異步選通門，頻率合成器輸出fd接入可編程計數器Cp端、單穩(wěn)態(tài)觸 發(fā)器輸入端為時鐘信號，可編程計數器預置端經接口 I/O接入微控制器MCU，多個水面航道 攝像頭、本船速傳感器、衛(wèi)星定位傳感器GPS信號由接口 1/0接入MCU控制時分電路生成n 路時分脈沖，高電平邏輯"H"接入收/發(fā)轉換開關T/R" T/R3，低電平邏輯"L"接入T/化， 可編程計數器數據端、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器輸出端接入調制信號時分編碼開關，譯碼器與調制信號 時分編碼開關對號相接，f" &、 fn組聲表器件SAW調制信號分別接入譯碼器時分為頻率遞 增排列接至限幅器、上變頻、T/R3、倍頻與功放、T/R2、環(huán)行器、收/發(fā)天線陣列發(fā)射，回波 經收/發(fā)天線陣列、波束轉換開關、環(huán)形器、T/R、、高放、下變頻、中放、邊帶倒置電路、在 時分電路譯碼器n路時序異步選通門輸出f人fV、 fn'接入n組與發(fā)射對應聲表器件SAW多通 道脈壓器及加權網絡、正交I/Q相干檢波器、模數轉換器A/D至數據緩沖器FIFO、數字信號 處理器DSP數據總線；'
光柵掃描圖像顯示器CRT是由天線波束轉換信號坐標變換器、圖像存儲器RAM、地址選 擇I/0控制器、數模轉換器D/A、標尺產生器、字符產生器、圖形顏色產生器、顯示控制器、 輝亮電路、顯像管X-Y-Z偏轉系統(tǒng)組成，數字信號處理器DSP編碼脈沖分配序列接入CRT坐 標變換器、天線波束轉換開關，多通道目標回波信號經接口 1/0傳入MCU送至顯示控制器， 其控制器分別連接坐標變換器、地址選擇I/0控制器、圖像存儲器RAM、 D/A轉換器、標尺、字符產生器、顯像管X-Y-Z偏轉系統(tǒng)，其中，坐標變換器、D/A轉換器、標尺、字符及圖形 顏色產生器分別還接入輝亮電路控制顯像管調輝電極。
本技術方案在船頂高位處或桅桿設置準光集成介質透鏡收/發(fā)天線陣列，在DSP編碼脈沖 分配序列所對應時間CRT坐標變換器導出識別目標所處位置，全方位警戒可能碰撞的目標， 發(fā)射信號由多個水面航道攝像頭、本船速傳感器，.衛(wèi)星定位傳感器GPS數據在MCU生成n路 脈沖，高電平邏輯"H"上升沿收/發(fā)轉換開關T/R2、 T/R3接通發(fā)射，T/h關斷接收，下沿進 入低電平邏輯"L"， T/R2、， T/Rs關斷發(fā)射，T/Ri接通接收，時分脈沖控制n組SAW無源線性 調頻經時分n路編碼發(fā)射，'回波信號在時分電路時序異步選通門選取n組與發(fā)射SAW共軛匹 配脈壓濾波，相對快速的同時檢測多個目標或單目標在多通道中檢測積累分析數據，增強雷 達抗干擾性和可靠性，目標距離由遠到近時分編碼SAW脈寬線性變窄，距離越近分辨力越高， 多譜勒頻移越大，三維圖像細節(jié)分辨越清楚，DSP抑制虛警識別與本船最近距離目標，偏離 安全距離聲光報警、距離逼近危險時自動避障或減速甚至熄滅發(fā)動機，起到能見度差司機不 易看清楚的避障功能，極大提高防撞性能，其控制根據多個水面航道攝像頭和本船速度傳感 信號及GPS提供本船當前所處位置作出數據處理抉擇，保障船只航行安全；組合配對聲表器 件SAW調頻和脈壓匹配濾波共軛特性，線性好、性能穩(wěn)定；時序異歩選通門選取目標下沿檢 測，從時間上完全隔離發(fā)射能量泄漏，提高弱小目標信號的檢測能力，增大雷達作用距離， 下沿檢測消除發(fā)射脈寬遮擋回波，避免盲距實現近距多目標防撞檢測；全相參頻率合成多個 基準頻率、時鐘信號，與恒溫晶振成整數倍關系，頻穩(wěn)度與其同級，因此，收/發(fā)起始相位、 中頻相干檢波、SAW調頻與脈壓、時分脈位保持嚴格同歩，抑制水浪及水面漂浮雜物虛假目 標相干檢測目標多普勒信息；上、下變頻組合，低成本獲取高載頻分辨力檢測精度。

圖1本實用新型船用防撞雷達技術方案原理圖
圖2雷達收/發(fā)信號時序圖
圖3頻率合成器
圖4 SAW多通道調頻器
圖5時分電路
圖6時分多通道信號發(fā)射電路 圖7 SAW多通道信號提取電路 圖8光柵掃描圖像顯示器 具體實施方法
參照圖l，本實用新型具體實施方法和實施例設有波束轉換開關2、環(huán)形器3、限幅器
11、中放6、邊帶倒置電路7、多個水面航道攝像頭20、本船速傳感器21、衛(wèi)星定位傳感器 GPS22、數據緩沖器FIF015、數字信號處理器DSP16、微控制器MCU18、接口 1/019、雙口存 儲器RAM17、聲光報警器23、方向舵控制器27、減速器25、點火/熄滅控制器26、鍵盤28， 還設收/發(fā)天線陣列l(wèi)、頻率合成器14、收/發(fā)轉換開關T/Ri、 T/R2、 T/R3、 SAW多通道調頻器 13、時分電路12、上變頻IO、倍頻與功放9、高放4、下變頻5、 SAW多通道目標信號提取電 路8、光柵掃描圖像顯示器CRT24，收/發(fā)天線陣列1在船頂高位設成水平環(huán)形陣或環(huán)繞桅桿 圓環(huán)陣，頻率合成器14輸出fc:i接入DSP16為時鐘信號，DSP16編碼脈沖分配序列接入波束轉換開關2、 CRT24，全方位循環(huán)掃描探測水面可能碰撞的目標，fc接入時分電路12為時 鐘信號，時分電路12可編程預置端經接口 1/019接入MCU18，多個水面航道攝像頭20、本船 速傳感器21、衛(wèi)星定位傳感器GPS22信號由接口 1/019接入由MCU18控制時分電路12生成n 路時分脈沖，高電平邏輯"H"接入收/發(fā)轉換開關T/R2、 T/R3，低電平邏輯"L"接入T/R!， 頻率合成器14輸出fi接入上變頻10為本振信號，fm接入SAW多通道調頻器13為基準信號， fc2接入SAW多通道調頻器13為窄脈沖定時信號，在SAW多通道調頻器13生成n組無源調頻 信號，接入時分電路12編碼為n路SAW頻率遞增排列的時分脈沖群，經限幅器11、上變頻 10、 T/R3、倍頻與功放9、 T/R2、環(huán)形器3饋給收/發(fā)天線陣列1發(fā)射，頻率合成器14輸出fL' 接入下變頻5為本振信號，—fr接入邊帶倒置電路7為本振信號，fi接入SAW多通道目標信號 提取電路8為中頻相干檢波基準信號，n路回波信號經收/發(fā)天線陣列1、波束轉換開關2、 環(huán)形器3、 T/R"高放4、下變頻5、中放6、邊帶倒置電路7，在時分電路12時序異歩選通 門選取n組按發(fā)射SAW頻率編排的目標信號，經SAW多通道目標信號提取電路8、數據緩沖 器FIF015接入DSP16的數據總線，DSP16與MCU18數據總線、地址線、控制線經雙口存儲器 RAM17匯接并提供仲裁信號，MCU18輸入/輸出經接口 1/019分別接入光柵掃描圖像顯示器 CRT24、聲光報警器23、方向舵控制器27、減速器25、點火/熄滅控制器26、鍵盤28， DSP16 軟件設計片內分組時分復用數據重排、動目標顯示MTi、快速傅里葉變換譜分析FFT、距離旁 瓣抑制、恒虛警處理CFAR， MCL;18系統(tǒng)軟件編程包括主程序和數據采集、數據處理、對象控 制子程序，中放6自動增益控制AGC電壓經濾波、放大接入高放4、中放6的AGC控制端。
收/發(fā)天線陣列采用準光集成介質透鏡，在船頂高位設成水平環(huán)形陣列或環(huán)繞桅桿圓環(huán)陣 列，由數字信號處理器DSP編碼脈沖序列控制波束轉換開關水平全方位逐次循環(huán)掃描發(fā)射、 預警碰撞目標，其DSP編碼脈沖序列在所對應時間光柵掃描圖像顯示器CRT坐標變換器導出 識別目標所處位置。介質透鏡半球體為輻射面，短圓柱體橫截面緊密放置介質基片微帶集成 天線為饋源，模擬集成天線無窮厚介質基片消除表面波，改變圓柱體長度可獲得合適的波束 寬度的準光高斯束輻射高辨力方向性，設物鏡進一步得到合適的方向性。準光集成介質透鏡 天線損耗小、增益高，收/發(fā)互易性強，抗振和防塵、防水汽霧腐蝕。
收/發(fā)轉換開關T/Rk T/fo、 T/fo在傳輸波導設置至少兩個PIN 二極管芯組成，T/R!是并 聯型陣列式單刀單擲SPST開關，PIN管處于反向偏置時，丌關為導通狀態(tài)，管子正偏時，對 應于開關是斷開狀態(tài)，射頻信號反射回輸入端的環(huán)形器吸收掉PIN管的反射功率，T/fc、 T/fo 是串聯型陣列式單刀單擲SPST開關，工作狀態(tài)與并聯型恰巧相反，T/R2、 T/fo分別設在倍頻 與功放級的輸入輸出端，雙連開關同步控制發(fā)射信號的通與斷提高收/發(fā)信號的隔離度。單管 開關隔離度和帶寬較小，多管組成開關可滿足要求。
上變頻是一種單平衡混頻器，本振信號、雷達載頻分別經90°相移混合接頭3dBLange 定向耦合器分配給兩個砷化鎵高電子遷移率器件GaAsHEMT柵極與漏極，中頻無源SAW調頻信 號經180°相移混合接頭3dBLange定向耦合饋入兩個器件GaAsHEMT源極，上變頻載頻相位與 本振信號同相輸出，具有高的隔離度。上變頻將SAW調頻信號變?yōu)槔走_載頻一半或四分之一 頻率，倍頻與功放二或四為雷達載頻ft,降低頻率合成器高端頻率輸出的要求。倍頻與功放 選用磷化銦襯底砷化鎵高遷移率器件InPGaAsHEMT,頻帶寬功率增益高，C類偏置轉換效率較 高，功耗小。為了克服噪聲影響提高雷達接收弱小目標信號靈敏度，選用磷化銦為襯底砷化鎵高電子 遷移率雙柵InPGaAsHEMT器件，由于防撞雷達作用距離近，功率增益取15dB左右。針對目 標回波信號強弱起伏很大，高放、中放均設自動增益控制AGC，保持雷達接收有足夠大的動 態(tài)范圍，適應檢測不同目標和距離的增益。利用雙柵器件第二柵控制Is對gm變化特性，源極 電阻自給偏壓，Is在其電阻壓降，使柵極產生負偏壓選取合適的Ih工作點和跨導gm，此端加 上AGC電壓可得到良好的自動增益控制性能。中放AGC是一種較大動態(tài)范圍負反饋系統(tǒng)，與 高放AGC控制組成避免大型船只強目標回波信號過載，并防止水面環(huán)境干擾引起的過載，兼 顧小船或水面飄浮物中放增益，保持大小不同的目標反射起伏不一仍有較高的檢測概率。
下變頻采用分諧波混頻器sra，兩個反向并接肖特基二極管設在回波與本振ft.匹配網絡 之間，"背靠背"正向導通特性，防止混頻級輸入大信號飽和阻塞，相互保護在過高反向電壓 時不被燒毀?；夭ㄝd頻與本振頻率諧頻相隔甚遠，隔離大于30dB。由于電路簡單，無須耦合 電橋和直流電源，尤其本振內在倍頻功能，只須取載頻一半或四分之一頻率即可。
圖2雷達收/發(fā)信號時序圖，(a)是數字信號處理器DSP編碼脈沖分配序列控制天線波束 循環(huán)掃描的波形Ts， (b)是時分電路時鐘信號fd波形，(c)是單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器定時脈沖tK占 空因子t2的波形，多個水面航道攝像頭、本船速傳感器、衛(wèi)星定位傳感器CPS信號在MCU控 制時分電路生成n路時分脈沖，高電平邏輯"H"上沿時收/發(fā)轉換開關T/R2、 T/R3接通發(fā)射， T/Ri關斷接收，下沿時進入低電平邏輯"L"， T/R2、 T/fo關斷發(fā)射，T/fc接通接收，在時分 電路異歩選通門選取目標回波信號。(d)、 (e)、 ( f)、 ( g)淺色波形是n組SAW調制信號對應 編碼的時分n路發(fā)射脈沖，脈寬t與U相等，探測水面航行可能發(fā)生碰撞的船只或其它目標， 深色波形是時分異步接收目標回波脈沖，其中(d)收/發(fā)脈沖重疊吻合，回波延時At^，目標 距離為零時無回波產生，(g)回波延時At: max為雷達檢測目標最大的作用距離，'(e)、 ( f) 收/發(fā)脈沖的延時At〉0， At<max，可看到不同距離目標At不同的延時。目標距離產生延時， 距離越近脈寬越窄，窄脈沖信號功率變小，但處于近區(qū)場輻射強，信噪比下降不大時仍可檢 測到目標回波。雷達收/發(fā)異歩工作時間上完全隔離發(fā)射信號能量泄漏，極大提高雷達檢測弱 信號目標的能力，達到FM-CW雷達、PD雷達不具備的優(yōu)點。
圖3頻率合成器，恒溫晶振14a高穩(wěn)頻鎖相頻率合成，輸出多個基準信號和時鐘信號與 其成整數倍關系，頻穩(wěn)度^其同級，收/發(fā)信號起始相位、SAW調頻信號、時分脈位保持嚴格 同步，有效抑制水浪或水面漂浮物的虛假目標雜波背景精確檢測警戒可能發(fā)生碰撞船只目標 相干多普勒信息，防撞檢測抗干擾能力較強。圖中，基準晶振分頻器14f信號與環(huán)路分頻器 Hk接入鑒相器14g，相差電壓經環(huán)路濾波器14h濾除后壓控振蕩器VC014i輸出信號接入混 頻器141與基準晶振14a的倍頻鏈輸出信號混頻，進行頻率反饋頻率下移，減小環(huán)路分頻器 14k分頻比，改善系統(tǒng)相位噪盧特性，倍頻鏈14b、 14c、 14d、 14e兩級倍頻器和放大器組成 高次倍頻輸出，VC014i直接輸出信號為上變頻本振f!.，通過定向耦合器14j為下變頻本振信 號fV，中頻相干基準頻率fi、激勵聲表面波器件S八W調制頻率fm、邊帶倒置電路本振信號 fr、各時鐘信號fci、 fc2、 fc.;由微控制器MCU接口 1/019接入環(huán)路可編程分頻器控制輸出。
圖4SAW多通道調頻器，n組聲表器件SAW通過13bl、 13b2、 13bn電路，由頻率合成器 輸出基準信號fm接入調制頻率發(fā)生器I3a分頻組合為調制頻率，產生與其中心頻率相同信號 分別接于調制器m，引入頻率合成器輸出時鐘信號fV.2為窄脈沖定時器tp觸發(fā)調制器m產生包絡為sinx/x脈沖信號激勵聲表面波SAW器件，其色散延時線特性可由低頻分量變化至高頻 分量的變化或由高頻分量變化至低頻分量的變化在時間t依次展寬，其變化規(guī)律的斜率均是 線性的，產生fK f2、 fn調頻調制信號，接入以時鐘信號fci時分電路12編碼為n路多通道 發(fā)射信號限幅器11整形為時寬為t ，頻寬為B的線性調頻脈沖信號，由上變頻將其SAW調頻 信號轉移至載頻1/2或1/4頻率經倍頻與功放發(fā)射。
圖5時分電路、圖6時分多通道信號發(fā)射電路，計數器在時鐘信號fu觸發(fā)下，其預置 端經接口 1/019連接微控制器MCU，多個水面航道攝像頭、本船速傳感器、'衛(wèi)星定位傳感器 GPS信號MCU控制計數器12a改變二進-十進計數生成n路時分脈沖，高電平邏輯"H"上沿 時收/發(fā)轉換開關T/fc、 T/R:!接通發(fā)射，T/R!關斷接收，下沿時進入低電平邏輯"L"， T/R2、 T/R3關斷發(fā)射，T/R!接通接收，單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器12b由時鐘信號fm觸發(fā)對時分脈沖定時t為 雷達發(fā)射脈寬T， t2占空因了為雷達檢測最大作用距離，計數器驅動譯碼器12c輸出形成n 路時序脈沖通道控制fi、 f2、 fn組SAW調制信號，經編碼開關12d排列為頻率遞增調頻信號 通過限幅器11整形接入，由頻率合成器輸出ft為本振信號的上變頻10將其SAW調頻信號變 為雷達載頻，T/R3、 T/R2控制倍頻與功放9輸入/輸出經環(huán)形器3饋送天線發(fā)射，回波在中頻 邊帶倒置電路7邊帶置換后，f入fV、 fn'在時分電路12時序異步選通門12e選取，從時間 上完全隔離發(fā)射能量泄漏到接收機，提卨弱目標信號的檢測能力，增大雷達作用距離，下沿 檢測消除發(fā)射脈寬遮擋，避免盲距實現近距離防撞。n組聲表器件SAW調頻信號在時分電路 12時間上分割達到了多個通道檢測信號的調制，脈內線性調頻加寬信號瞬時帶寬，與接收機 n組配對的SAW脈壓網絡"相位共軛匹配"濾波及加權，相位色散絕對值相同，符號相反， 在時間上則為調頻斜率相同，方向相反，獲取大的信噪比提高距離檢測分辨力，發(fā)射一路脈 沖接收觀察一個目標信息或接收多個目標相干積累，目標距離由遠到近時分編碼脈寬線性變 窄，距離越近分辨力越高，多譜勒頻移越大，三維圖像細節(jié)分辨越清楚， 一個通道的線性調 頻信號為標志接收一個目標回波的信息，檢測多個目標在時域、頻域、空域有序進行，檢測 信號在頻率和時間雙重編碼抗干擾性能增強。單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器i2b定時脈沖，譯碼器12c可讓
所有通道都得到一個足夠長接收回波時間的負向脈寬，以設定雷達檢測最大作用距離。時分 電路12在時鐘脈沖觸發(fā)下，各計數器計數完成一個工作周期，自動循環(huán)重復工作。n路通道 脈沖控制n組的調制信號發(fā)射、接收，在天線多波束的轉換開關脈序控制下，積累多個工作 周期延長觀察時間改善雷達檢測性能。
圖7 SAW多通道信號提取電路，分設為8a、 8b、 8n，中放信號在邊帶倒置電路7高本振 fr混頻取差頻，調頻斜率與輸入正好相反邊帶置換，n路時序脈沖由頻率合成器輸出時鐘信 號fd觸發(fā)的時分電路12時序異歩選通門選取多通道信號f" f2'、 tn'，在n組與調頻相同 的表聲器件SAW8al復共軛脈壓匹配濾波、旁瓣加權，1/Q相干檢波器8a2由頻率合成器中頻 相干基準信號&接入I支路相乘，經移相器8a3 it /2接入Q支路相乘，相千檢波去中頻基帶 信號分解成實部和虛部，信號的幅度和相位兩個信息都保存下來，再經模數轉換器A/D8a4、 數據緩沖器FIF015接入數字信號處理器DSP16,數據緩沖器FIF015將多個目標回波數據先 進先出送到DSP16數據重排、動目標顯示MTI、快速傅里葉變換FFT、距離旁瓣抑制及恒虛警 處理CFAR。
DSP16快速傅里葉變換FFT，等效于大量的距離門和多普勒濾波器組，根據復數頻率內插法進行頻率鑒別，對各通道所接收的船只目標或水面大的漂浮物回波信號差拍的距離和相對 速度頻率運算。FFT輸出信號距離旁瓣抑制后進入恒虛警處理，對雜波強度自動調節(jié)檢測門 限，使虛警概率保持在允許值，以確定是否目標，如果是，則對目標的距離、速度及方位角 度等數據送到圖像顯示器CRT24。DSP16識別與本船最近距離的目標，偏離安全距離聲光報警、 距離逼近危險時啟動自動避障或減速甚至熄滅發(fā)動機智能控制，其控制根據多個水面航道攝 像和本船速度及GPS本船當前所取位置作出數據處理抉擇。
圖8光柵掃描圖像顯示器，在船頂高位設置環(huán)形準光集成介質透鏡收/發(fā)天線陣列，由 DSP16編碼脈沖分配序列的對應時間，使光柵掃描顯示器CRT的坐標變換器導出識別目標所 處位置，全方位警戒碰撞目標，天線波束轉換信號坐標變換24a是將DSP16控制天線多波束 轉換編碼脈沖分配吋序信號變換為二進制的數字量圖像X、 Y數據，并為圖像RAM24b提供圖 像信息的地址，采用高速乘法器矢量產生的方法實現坐標轉換。圖像存儲器24a是一個大容 量的隨機讀寫RAM，其地址與圖形上的像素相等，即一址一像素，適應多通道船只目標或水 面大的漂浮物復雜信息圖形顯示，MCU18接口 1/019接入顯示控制器24e，它具有顯示定時、 顯示控制信號產生和光柵掃描、編址功能，標尺24f、字符24g及圖形顏色產生器24h為圖 像顯示提供刻度定位和文字說明的標志及色彩，輝亮電路24i和圖像X-Y-Z偏轉系統(tǒng)24j是 CRT必備的電路和部件，光柵掃描產生后形成水平X、垂直Y掃描及其輝亮Z信號，加至CRT 的偏轉控制，通過地址選擇控制器I/024c,掃描數據為圖像RAM的讀出地址，將圖像信息同 步讀出。
多通道雷達冋波信號經DSP16運算處理輸入MCU18對象控制，其回波信息數據存儲在圖 像RAM24b之中，在光柵掃描產生電路的同步下讀出圖像數據，經數模轉換器D/A24d和輝亮 電路24i加至CRT的調輝電極上，顯示多個通道檢測的回波目標方位和距離信號圖形及其相 對變化速度信號的三維全景圖像。
本實施例雷達載頻為76. 5GHz，發(fā)射輸出峰值功率2. 2W，環(huán)形天線陣列在DSP編碼脈沖分 配序列循環(huán)掃描，單個介質透鏡天線波束水平方位角2. 7° ，垂直方位角3. 4° ，天線增益34。 2dB，旁瓣-22dB，波束轉換開關掃描速率50ms/Hz，確保波束掃掠距離為550m處100 m寬的 水面范圍更新率，雷達噪聲系數Fnl6dB，毫米波載頻大氣傳輸損耗La和系統(tǒng)損耗Lsl4dB，最 大作用距離為1200 m，最小作用距離10 ra，時分通道數量n設有12個，水面航道攝像頭、 本船速傳感器、衛(wèi)星定位傳感器GPS山微控制器MCU控制靈活調整時分通道，視水域環(huán)境控 制通道量檢測目標，最近自標識別時間〈260y s,目標角度分辨力S2。，目標距離分辨力《 lm，速度分辨力〈1.2km/h，本船時速50km/h能平穩(wěn)制動。
權利要求1、一種毫米波船用調頻多通道防撞雷達，設波束轉換開關、環(huán)形器、限幅器、中放、邊帶倒置電路、多個水面航道攝像頭、本船速傳感器、衛(wèi)星定位傳感器GPS、數據緩沖器FIFO、數字信號處理器DSP、微控制器MCU、接口I/O、雙口存儲器RAM、聲光報警器、方向舵控制器、減速器、點火/熄滅控制器、鍵盤，其特征在于還設收/發(fā)天線陣列、頻率合成器、收/發(fā)轉換開關T/R1、T/R2、T/R3、SAW多通道調頻器、時分電路、上變頻、倍頻與功放、高放、下變頻、SAW多通道目標信號提取電路、光柵掃描圖像顯示器CRT，收/發(fā)天線陣列在船頂高位設成水平環(huán)形陣或環(huán)繞桅桿圓環(huán)陣，頻率合成器輸出fc3接入DSP為時鐘信號，DSP編碼脈沖分配序列接入波束轉換開關、CRT，全方位循環(huán)掃描探測水面可能碰撞的目標，fc1接入時分電路為時鐘信號，時分電路可編程預置端由接口I/O接入MCU，多個水面航道攝像頭、本船速傳感器信號、衛(wèi)星定位傳感器GPS由MCU控制時分電路生成n路時分脈沖，高電平邏輯“H”接入收/發(fā)轉換開關T/R2、T/R3，低電平邏輯“L”接入T/R1，頻率合成器輸出fL接入上變頻為本振信號，fm接入SAW多通道調頻器為基準信號，fc2接入SAW多通道調頻器為窄脈沖定時信號，在SAW多通道調頻器生成n組無源調頻信號，接入時分電路編碼為n路SAW頻率遞增排列的時分脈沖群，經限幅器、上變頻、T/R3、倍頻與功放、T/R2、環(huán)形器饋給收/發(fā)天線陣列發(fā)射，頻率合成器輸出fL′接入下變頻為本振信號，fr接入邊帶倒置電路為本振信號，fi接入SAW多通道目標信號提取電路為中頻相干檢波基準信號，n路回波信號經收/發(fā)天線陣列、波束轉換開關、環(huán)形器、T/R1、高放、下變頻、中放、邊帶倒置電路，在時分電路時序異步選通門選取n組按發(fā)射SAW頻率編排的目標信號，經SAW多通道目標信號提取電路、數據緩沖器FIFO接入DSP的數據總線，DSP與MCU數據總線、地址線、控制線經雙口存儲器RAM匯接，并提供仲裁信號，MCU輸入/輸出接口I/O分別接入光柵掃描圖像顯示器CRT、聲光報警器、方向舵控制器、減速器、點火/熄滅控制器、鍵盤，DSP軟件設計片內分組時分復用數據重排、動目標顯示MT、快速傅里葉變換FFT、距離旁瓣抑制、恒虛警處理CFAR，MCU系統(tǒng)軟件編程包括主程序和數據采集、數據處理、對象控制子程序，中放自動增益控制AGC電壓經濾波、放大接入高放、中放AGC控制端。
2、 根據權利要求l所述的毫米波船用調頻多通道防撞雷達，其特征在于頻率合成器山 恒溫晶振、晶振分頻器、倍頻放大鏈、混頻器、壓控振蕩器VCO、鑒相器、環(huán)路濾波器、環(huán) 路分頻器組成，VCO由砷化鎵高電T遷移率器件GaAsHEMT、介質諧振器反饋振蕩、變容管壓 控調諧，環(huán)路分頻器由前置固定分頻器和可編程分頻器組合，恒溫晶振輸出分兩路， 一路經 倍頻放大鏈與VCO輸出混頻并通過環(huán)路分頻器接入鑒相器，另一路經晶振分頻器接入鑒相器， 相差電壓經環(huán)路濾波器壓控VCO鎖相頻率合成，頻率合成器VCO直接輸出fl為上變頻本振信號，經二至四倍頻為雷達載頻ft， fL經定向耦合器為下變頻二至四內在倍頻本振信號fL'，可編程分頻器控制端經接口 I/O接入MCU，其輸出fm為盧表器件SAW多通道調頻器基準信號、 fr為邊帶倒置本振信號、fi為1/Q相干檢波器基準信號、f。為時分時鐘信號、f"為窄脈沖 定時信號、fc3為DSP時鐘信號。
3、 根據權利要求1所述的毫米波船用調頻多通道防撞雷達，其特征在于收/發(fā)天線陣列，由準光集成介質透鏡天線在船頂高位設成水平環(huán)形陣列或環(huán)繞桅桿圓環(huán)陣列，其陣元由 介質基片微帶集成天線、介質透鏡、物鏡、安裝基座、防護罩構成，介質透鏡一端面是半球 體為輻射面，另一端面是短圓柱體的橫截面，緊密放置介質基片微帶集成天線為饋源，物鏡 焦點對準介質透鏡中心軸線，置于安裝基座，外置防護罩，DSP編碼脈沖序列接入波束轉換 開關、光柵掃描圖像顯示器CRT坐標變換器。
4、 根據權利要求l所述的毫米波船用調頻多通道防撞雷達，其特征在于波束轉換開關 在天饋波導由PIN二極管芯串、并、串聯為單刀單擲開關SPST，控制偏壓經低通網絡接入數 字信號處理器DSP按船道編碼脈沖分配序列，多個波束轉換開關組合控制為單刀多擲丌關， 收/發(fā)轉換開關T/Ri、 T/R2設在環(huán)形器收、發(fā)分支處，T/R3設在倍頻與功放輸入端，由PIN二 極管芯串、并、串聯為單刀單擲開關SPST，時分脈沖高電平邏輯"H"經低通網絡接入T/R2、 T/R3，低電平邏輯"L"經低通網絡接入T/Ru
5、 根據權利要求1所述的毫米波船用調頻多通道防撞雷達，其特征在于上變頻由兩個 砷化鎵高遷移率器件GaAsHEMT、微帶網絡組成平衡混頻器，頻率合成器輸出f).為本振信號經 90°相移混合接頭分配給兩個砷化鎵高遷移率器件GaAsHEMT柵極，源極經180°相移混合接 頭連接n路時分編碼脈沖聲表器件SAW多通道調頻信號，漏極經另一個9(T相移混合接頭取 出和頻耦合到倍頻與功放，其倍頻與功放由倍頻級、激勵級、功放級組合，采用磷化銦為襯 底的砷化鎵高遷移率器件InPGaAsHEMT、微帶網絡、C類偏置構成，倍頻級輸入串聯入/4阻抗 變換微帶網絡，源極阻容接地，漏極接入抑制基波和奇次諧波的微帶線網絡，調諧在二或四 次諧頻為雷達載頻f()，激勵級、功放級柵極接輸入阻抗匹配網絡和C類偏置，源極接地，漏 極調諧在f()，并與發(fā)射天線阻抗匹配。
6、 根據權利要求1所述的毫米波船用調頻多通道防撞雷達，其特征在于低噪聲高放由 一個雙柵磷化銦為襯底的砷化鎵高遷移率器件InPGaAsHEMT、微帶網絡構成，雙柵器件第一 柵極微帶網絡與接收天線P抗匹配，第二柵極為自動增益控制AGC受控端，接入中放AGC輸 出信號，源極阻容接地，漏極輸出與下變頻耦合，下變頻是分諧波混頻器SHP，由兩個肖特 基二極管反向并接在低噪聲高放輸出微帶網絡與本振信號fL.'微帶網絡之間，本振信號fV由頻 率合成器輸出fL經定向耦合器接入SHP產生內在二或四倍頻，中頻信號IF在本振信號fV微 帶網絡的一側經帶通網絡取出。
7、 根據權利要求1所述的毫米波船用調頻多通道防撞雷達，其特征在于聲表器件SAW 多通道調頻器由調制頻率發(fā)生器、n組聲表器件SAW、窄脈沖定時器tp、調制器組成，頻率 合成器輸出fi接入調制頻率發(fā)生器產生與n組聲表器件SAW中心頻率相同的調制頻率，頻率 合成器輸出fc2信號接入n組窄脈沖定時器tp產生相應調制頻率的脈沖，進行調制包絡為 sinx/x脈沖信號，激勵n組聲表器件SAW依次線性規(guī)律展寬頻譜、加權輸出f" ft、 fn組調 制信號。
8、 根據權利要求1所述的毫米波船用調頻多通道防撞雷達，其特征在于聲表器件SAW 多通道信號提取電路由n組聲表器件SAW、正交相干檢波器I/Q、模數轉換器A/D組成，中放 輸出經邊帶倒置電路在時分譯碼器n路時分異步時序選通門選取按發(fā)射編排規(guī)律f入fA fn'的n組回波信號，在n組聲表器件SAW脈壓匹配濾波、加權接入正交相干檢波器I/Q，其I/Q 檢波器分I支路和Q支路兩個乘法器，頻率合成器輸出fi為中頻相干基準信號接入I支路， 移相^Z2接入Q支路，相干檢波解調信號經模數轉換器A/D、數據緩沖器FIFO接入數字信號 處理器DSP數據總線。
9、 根據權利要求1所述的亳米波船用調頻多通道防撞雷達，其特征在于時分電路由現 場可編程門陣列FPGA設成可編程訃數器、譯碼器、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器、調制信號時分編碼開關、 時序異步選通門，頻率合成器輸出fd接入可編程計數器Cp端、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器輸入端為時鐘 信號，可編程計數器預置端經接口 I/O接入微控制器MCU，多個水面航道攝像頭、本船速傳 感器、衛(wèi)星定位傳感器GPS信號經接口 1/0接入MCU控制時分電路生成n路時分脈沖，高電 平邏輯"H"經低通網絡接入收/發(fā)轉換開關T/fc、 T/R3，低電平邏輯"L"經低通網絡接入T/R,， 可編程計數器數據端、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器輸出端接入調制信號時分編碼開關，譯碼器與調制信號 時分編碼開關對號相接，fi、 f2、 fn組聲表器件SAW調制信號分別接入譯碼器時分為頻率遞 增排列接至限幅器經上變頻、T/R3、倍頻與功放、T/R2、環(huán)行器、收/發(fā)天線陣列發(fā)射，回波 經收/發(fā)天線陣列、波束轉換開關、環(huán)形器、T/R"高放、下變頻、中放、邊帶倒置電路、在 時分電路譯碼器n路時序異歩選通門輸出fV、 fV、 fn'接入n組與發(fā)射對應聲表器件SAW多通 道脈壓器及加權網絡、正交I/Q相干檢波器、模數轉換器A/D至數據緩沖器FIFO、數字信號 處理器DSP數據總線。
10、 根據權利要求1所述的毫米波船用調頻多通道防撞雷達，其特征在于光柵掃描圖 像顯示器CRT是由天線波束轉換信號坐標變換器、圖像存儲器RAM、地址選擇I/O控制器、 數模轉換器1VA、標尺產生器、字符產生器、圖形顏色產生器、顯示控制器、輝亮電路、顯 像管X-Y-Z偏轉系統(tǒng)組成，數字信號處理器DSP編碼脈沖分配序列接入CRT坐標變換器、天 線波束轉換開關，多通道目標回波信號經接口 1/0傳入微控制器MCU送至顯示控制器，其控 制器分別連接坐標變換器、地址選擇I/0控制器、圖像存儲器RAM、 D/A轉換器、標尺、字符 產生器、顯像管X-Y-Z偏轉系統(tǒng)，其中，坐標變換器、D/A轉換器、標尺、字符及圖形顏色 產生器分別還接入輝亮電路控制顯像管調輝電極。
專利摘要本實用新型涉及無線電定位技術領域，具體是一種毫米波船用調頻多通道防撞雷達。采用全相參收/發(fā)基準信號，時分時序異步控制，準光介質透鏡天線環(huán)形陣列由DSP循環(huán)掃描波束全方位警戒水面可能發(fā)生碰撞的目標，多個水面航道攝像頭和本船速傳感器、衛(wèi)星定位傳感器GPS數據MCU控制時分SAW多通道無源調頻，經上變頻、T/R₃、倍頻與功放、環(huán)形器、T/R₂至天線陣列發(fā)射，回波經天線陣列、波束開關、T/R₁、環(huán)形器、高放、下變頻、中放、提取SAW多通道信號在DSP與MCU處理控制，探測水面多個障礙目標DSP確定方位、距離和相對速度，CRT顯示三維圖像，目標越近分辨力越高，抑制虛警識別和跟蹤最近距離的目標，小于安全距離聲光報警，接近危險距離智能避障或減速，其控制參考所處水面環(huán)境實況結合本船速及GPS數據作出抉擇，提高航運安全。
文檔編號G01S13/00GK201259550SQ200820163090
公開日2009年6月17日 申請日期2008年8月28日 優(yōu)先權日2008年8月28日
發(fā)明者阮樹成 申請人:阮樹成