FMCW雷達發(fā)射泄漏信號數字對消技術(shù)研究

摘要 針對單天線(xiàn)調頻連續波雷達發(fā)射信號泄漏問(wèn)題，結合數字自適應系統數據處理能力強、準確靈活、通用能力強等優(yōu)點(diǎn)，提出了數字對消技術(shù)方案，并進(jìn)行了仿真分析和實(shí)驗驗證，結果表明，該方案能有效抑制由于收發(fā)隔離不足導致的發(fā)射信號泄漏問(wèn)題。
關(guān)鍵詞 數字對消；自適應；發(fā)射泄漏

由于受到體積、重量、成本等限制，多數導引頭采用單天線(xiàn)技術(shù)，導致收發(fā)隔離不足，使發(fā)射信號泄漏到接收機中，而信號泄漏可能導致連續波體制雷達接收機靈敏度下降，引起中放飽和、微波混頻器或前置低噪聲放大器飽和。
隨著(zhù)元器件的發(fā)展，毫米波前端器件的飽和功率，可達十幾dBm以上，而在彈載環(huán)境中，連續波發(fā)射機功率一般在幾百mW，因此，飽和不是主要問(wèn)題，需重點(diǎn)解決泄漏導致接收機靈敏度下降問(wèn)題。常用的射頻對消技術(shù)雖然能有效地抑制發(fā)射泄漏信號，但在毫米波波段，沒(méi)有矢量調制器可供使用，因此利用模擬的辦法調整幅度和相位，難度較大?？紤]到射頻前端沒(méi)有飽和，可以利用數字信號處理器數據處理能力強、準確靈活、通用能力強等優(yōu)點(diǎn)，采用自適應數字對消技術(shù)使得由于收發(fā)隔離不足導致的發(fā)射泄漏信號得到最大限度的抑制。

1 自適應數字對消基本原理
自適應數字對消系統模型如圖1所示。

在該模型中，接收機有兩個(gè)獨立通道：參考接收通道和主接收通道。參考通道對發(fā)射信號進(jìn)行采樣，主接收通道包含發(fā)射泄漏信號和目標回波信號。將主回波信號和參考信號分別送入中頻自適應數字對消器，通過(guò)自適應調整參考信號的幅度和相位，使其與主路信號中發(fā)射泄漏信號幅度一致、相位相反，從而獲得良好的對消效果。
自適應濾波器與普通濾波器不同，它的沖激響應或濾波參數隨外部環(huán)境的變化而變化的，經(jīng)過(guò)一段自動(dòng)調節的收斂時(shí)間達到最佳濾波的要求。對消原理框圖如圖2所示。

設主回波信號d(n)為目標回波信號s(n)與發(fā)射泄漏信號z(n)之和，x(n)為參考信號，x(n)與目標回波信號不相關(guān)，但與z(n)具有某種未知的相關(guān)性，x(n)經(jīng)濾波后產(chǎn)生和z(n)極為相似的信號z’(n)，最終得到系統的輸出y(n)=s(n)+z(n)-z’(n)。
假設z(n)、x(n)及s(n)是零均值的平穩隨機過(guò)程。s(n)與z(n)不相關(guān)。而
y2(n)=s2(n)+(z(n)-z’(n))2+2s(n)(z(n)-z’(n)) (1)
對式(1)兩邊取數學(xué)期望，由于s(n)與z(n)、x(n)不相關(guān)，s(n)與z’(n)也不相關(guān)，故
E[y2(n)]=E[s2(n)]+E[(z(n)-z’(n))2] (2)
信號功率E[s2(n)]與自適應濾波器的調節無(wú)關(guān)，因此，自適應濾波器調節使E[y2(n)]最小，就是E(z(n)-z’(n))2]最小。又因為z(n)-z’(n)=y(n)-s(n)，所以當E[(z(n)-z’(n))2]最小時(shí)，自適應泄漏信號抵消系統的輸出信號y(n)與有用信號s(n)的均方差E[y(n)-s(n))2]也最小，在理想情況下，z(n)=z’(n)，則y(n)=s(n)。
自適應濾波器最重要的部分是自適應算法，算法可以根據輸入、輸出及原參量值，按照一定準則修改濾波參量，使自適應濾波器能有效地跟蹤外部環(huán)境的變化。
目前，自適應濾波算法主要有以下3種：
(1)基于維納濾波器理論的最小均方誤差LMS算法。該算法簡(jiǎn)單，運算量小，無(wú)需計算相關(guān)函數和矩陣求逆運算、易實(shí)現，在正確條件下可獲得滿(mǎn)意的性能。缺點(diǎn)是收斂速率較緩慢，對抽頭輸入相關(guān)矩陣的最大特征值與最小特征值之比變化敏感。即使這樣，LMS算法仍然應用廣泛。
(2)基于最小二乘法的遞推最小二乘法RLS算法。該算法優(yōu)點(diǎn)是收斂速度快，跟蹤能力強，但由于需要進(jìn)行矩陣求逆，計算量比LMS算法大，使其應用受到限制。
(3)基于卡爾曼濾波理論的卡爾曼算法。其收斂性能好、跟蹤能力強、收斂速率具有魯棒性(Robust)。對輸入相關(guān)短陣特征值不敏感；并且，該算法適用于平穩隨機過(guò)程和非平穩隨機過(guò)程。缺點(diǎn)是該算法直接使用卡爾曼濾波公式中的矩陣表示式，算法復雜、運算量大、數值穩定性差。
文中選擇LMS算法完成自適應數字對消。