李培　周興云　金亭姝

摘要：本文提出了一種改進的靈敏度時間控制（STC）方法，對STC的控制深度和控制距離分別分檔控制，用于改善相控陣雷達接收機的動態(tài)范圍，具有使用靈活性大、控制精度高的特點。該改進方法采用FPGA和DAC相結合的技術，根據(jù)雷達方程優(yōu)化了算法，可以靈活地擬合出相應的指數(shù)曲線用于控制壓控衰減器，實現(xiàn)STC控制。文章給出了仿真和測試的結果，可以表明達到了對相控陣雷達接收機動態(tài)范圍的有益改善。

關鍵詞：雷達；接收機；靈敏度時間控制（STC）

中圖分類號：TM937.5 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2017）04-0010-02

1 引言

戰(zhàn)術相控陣雷達不僅需要觀測遠程空間目標，也需要觀測隱身目標和其他低可觀察目標等，目標的有效散射面積（RCS）有很大變化，因而對接收系統(tǒng)動態(tài)范圍設計就有很高的要求。[1]

針對雷達接收機大動態(tài)的需求，本文采用數(shù)字和模擬相結合的技術，利用FPGA優(yōu)化算法，擬合出數(shù)字化的電壓控制曲線，再通過DAC轉換為模擬的高精度電壓控制曲線，實現(xiàn)接收通道中壓控衰減器的衰減值隨著電壓控制曲線的變化而變化，最終實現(xiàn)接收通道的增益隨著時間（距離）指數(shù)型變化，達到靈敏度時間控制的目的。由于FPGA的可靈活編程特性，文章提出了對STC的控制深度和控制距離分檔控制的方法，用以滿足雷達在復雜環(huán)境下對于雷達接收機的動態(tài)范圍擴展的不同需求。

本文首先討論了STC的設計原理，然后分析了STC控制曲線的算法優(yōu)化，提出了STC的控制深度和控制距離的分檔控制具體方法，最后給出了仿真和測試的結果。

2 STC設計原理

雷達回波信號的強度近距離大，遠距離小，隨距離呈現(xiàn)指數(shù)型衰減。而雷達對威力需求通常要求接收機要具備較高的靈敏度以探測遠距離的目標，這樣勢必會造成近距離的雷達回波過大從而導致接收機飽和。為了避免接收機的過早飽和，就需要進行STC設計，使得接收機的增益在近距離時有較大的衰減，而隨著距離的增加，接收機的增益逐漸增大，變化曲線呈指數(shù)型，以滿足雷達系統(tǒng)對目標探測范圍的要求。

本文的STC設計如圖1所示，該相控陣雷達接收機采用超外差式，射頻信號經(jīng)過兩次混頻，將中頻信號ADC采樣后送給信號處理，STC電路設計在第一中頻。如果對動態(tài)范圍有更大的要求，也可以將STC設計在射頻，這樣通過壓控衰減器在射頻前端的起控，可以獲得最大的動態(tài)范圍，同時由于接收機前端對噪聲系數(shù)惡化的影響最大[2]，STC起控時會造成整機噪聲系數(shù)的迅速惡化；當然還由于射頻的頻率更高，對壓控衰減器和STC電路的設計要求也會更高。

鑒于戰(zhàn)術雷達的實際應用情況，將STC放置在第一中頻可以滿足雷達接收機動態(tài)范圍的擴展要求，并且第一中頻由于頻率較低，可以在降低設計成本的同時獲得更好的STC控制精度，更重要的一方面是，STC放在第一中頻時，由于前面已經(jīng)有了兩級以上的低噪聲放大器，STC起控時可以較小地影響接收機整機噪聲系數(shù)的惡化。幾乎沒有將STC設計在第二中頻的，因為第二中頻之前往往已經(jīng)有了多級的放大器，這樣STC就起不到延緩接收機放大器飽和的作用，也就失去了設計的意義。

3 STC的算法設計

3.1 STC算法原理

根據(jù)雷達距離方程[3]：

其中，為雷達回波功率，為增益為的天線輻射的功率，R為離雷達距離，為目標的雷達截面積，為接收天線的有效孔徑面積。由公式（1）可知，雷達回波功率與雷達距離成反比。

設目標1在雷達距離R1處，目標2在雷達距離R2處，則相對于目標1的回波功率，目標2的回波功率衰減值（dB）可用公式（2）表示：

由公式（2）可知，當R1=1Km，R2>1Km時，公式（2）演變?yōu)椋?/p>

由公式（3）可知，當R2=10Km即雷達距離相對于R1增加了10倍時，雷達回波功率衰減了10000倍即40dB。因此，假設STC在雷達距離為1Km時開始起控，控制距離為，則STC控制接收機衰減的公式可以表示為：

當然公式（4）中，R為雷達距離變量，>1，。此方程可以較為精確地描述隨著雷達距離的增加與雷達回波功率的衰減，雷達接收機需要控制的衰減值：即近距離衰減大，遠距離衰減小，呈指數(shù)型變化。但是，公式（4）為理想情況下的STC方程，比如，=10時，公式（4）描述的曲線[4]，如圖2所示，其中橫軸單位為公里（Km），縱軸單位為分貝（dB）。

3.2 STC分檔控制方法

由圖2可知，當STC控制距離為10Km時，控制深度就定了下來，為40dB。由此可見，當控制深度和控制距離需要分別獨立設置時，公式（4）的方程就有了局限性。而戰(zhàn)術相控陣雷達面對復雜的環(huán)境，控制深度和控制距離往往需要根據(jù)實際情況進行分別獨立的設置。因此，本文提出了一種STC控制深度和控制距離分別分檔控制的方法。如表1所示。

由表1可知，有三種控制距離和四種控制深度，1種STC對應1種控制距離和1種控制深度，則一共有12種分檔控制的STC，這樣就可以滿足戰(zhàn)術雷達在不同的環(huán)境中選擇不同的合適的STC的需求。

3.3 STC改進算法

針對STC控制距離和控制深度分別分檔控制的需求，對公式（4）進行優(yōu)化，設為控制深度，為STC開始起控的距離，R為雷達距離，則雷達距離R處，STC需要控制的深度為：

其中，為雷達距離處的雷達回波功率，為雷達距離R處的雷達回波功率。再由公式（2）可以將公式（6）推導為：

公式（7）需滿足R>同時R小于控制距離，并且當雷達距離R等于控制距離時，A=0。

在雷達方程中，雷達回波功率與距離的四次方成反比，但是在通常的雷達應用中，可以取雷達回波功率與～之間的數(shù)值成反比，因此，設之間的任意值，可以將STC的公式優(yōu)化為：

公式（8）需滿足與公式（7）同樣的條件。

由公式（8）就可以根據(jù)雷達所處環(huán)境的具體情況，作出最適合雷達探測的STC最優(yōu)值。

4 仿真與測試結果

4.1 仿真結果

取分檔控制方法中的1種為例：控制距離14Km，控制深度24dB，其他以此類推。

由公式（8）可得，取n=3，控制距離14Km控制深度24dB時，STC曲線可以表達為： （9）

其中，根據(jù)公式（8）需滿足的條件可得：。

則其STC曲線如圖3所示。

STC電路中，壓控衰減器的電壓-衰減值變化曲線如圖4所示。

通過圖4，就可以得到電壓（V）與控制深度（dB）之間的關系，從而就可以擬合處隨距離而變化的電壓曲線，從而實現(xiàn)STC控制。

4.2 測試結果

STC控制曲線的電路是由FPGA結合DA的方案實現(xiàn)，其根據(jù)仿真結果所擬合出的控制曲線在某型號的接收機中進行了測試，接收機噪底隨STC的變化情況見圖5。

5 結語

本文采用了FPGA和DAC相結合的技術，根據(jù)優(yōu)化的算法靈活地擬合出STC控制曲線，實現(xiàn)了對STC的控制深度和控制距離分別分檔控制，有效地改善了相控陣雷達接收機的動態(tài)范圍。

參考文獻

[1]郭崇賢，著.相控陣雷達接收技術[M].北京：國防工業(yè)出版社，2009年7月.

[2]戈穩(wěn)，編著.雷達接收機技術[M].北京：電子工業(yè)出版社，2005年4月.

[3]張光義，趙玉潔，編著.相控陣雷達技術[M].北京：電子工業(yè)出版社，2006年12月.

[4]Goncalo Tavares，Moises S P. High Performance Algorithms For Digital Signal Processing AGC[J].IEEE.1990.1529-1532.