相位噪声对频率步进雷达的影响仿真

　　1 导言

　　作为高分辩率雷达之一，毫米波频率步进雷达因具有极好的间隔分辩率，而被越来越广泛的运用。运用傅立叶逆变换(IFFT)完成频率步进雷达一维成像的进程是：在自由空间中，发射机发射n个脉宽为t，载频步长为Df的脉冲串，各载频别离为fi=f0+iDf，其间i=0，1，2，…，n-1，重复周期为T，这n个脉冲的步进总带宽B=(n-1)Df。发射的信号遇到间隔为R而且径向速度为v的方针后反射回超外差结构的接收机，经过一次或屡次下变频后，对每个回波脉冲脉宽中心点进行正交采样，最终对采样数据作n点IFFT，即可取得方针的一维间隔像(Range Profile)。

　　在噪声中检测信号的才能是查验雷达体系功用好坏的要害，雷达体系只要从噪声中有效地获取回波信号的信息才能对方针进行检测，而频率源的相位噪声是决议体系信噪比好坏及功用的要害要素之一。本文运用仿真东西Agilent ADS，对频率步进雷达体系射频部分进行建模，并运用Mathworks Matlab对模型输出数据进行剖析，经过这种数值仿真的方法能够对雷达体系的各种参数进行量化剖析。随后，运用该仿真渠道对频率源重要参数之一的相位噪声对频率步进雷达体系的影响进行，进一步给出对频率源相位噪声的要求，对实践体系的规划有必定参考价值。

　　2 频率步进雷达模型构建

　　频率步进雷达依照功用组织区分能够分为天馈(Antenna)、频率源(Frequency Synthesizer)、接收机(Receiver)和信号处理机(Signal Processer)四个部分，如图1所示。其间的频率源又包含为体系所需的发射机信号(Tx)和接收机所需的本振信号(LO)两个部分。

　　图1 频率步进雷达结构

　　根据频率步进雷达的结构，咱们规划了如图2所示的仿真渠道对其进行建模，经过对它的参数仿真成果的剖析，到达对其功用点评的意图。

　　图2 仿真渠道结构

　　该仿真渠道，首要由ADS和Matlab两个东西软件组成。其间ADS对频率步进雷达的射频部分进行模仿，首要包含发射机(Transmitter)、本振(Local Oscillator)、信道(Signal Channel)和接收机(Receiver)四个模块构成，其输出为基带回波信号。该基带回波信号，再由Matlab仿真渠道，根据频率步进雷达信号处理的方法进行信号处理，便能够得到方针的一维间隔像。该仿真渠道的特点是将射频电路与信号处理结合在一起，能够对射频电路中的参数关于体系的影响进行直接剖析，更接近于实在体系状况，有利于实践体系的规划。

　　3 相位噪声影响剖析

　　频率步进雷达的功用好坏，由许多要素决议，仅剖析其输出噪声部分，就包含大气噪声、崎岖崎岖、频率差错以及本振相位噪声等[6]。以下迁就相位噪声对雷达体系的影响进行量化剖析。

　　相位噪声是衡量频率短期安稳度的一个重要方针，现在首要用阿伦方差和相噪功率谱密度，别离从时域和频域两个视点来描绘。作为频率安稳度频域表征的五幂律法，基本上适用于全部实践的振动源，包含最常见的白噪声、闪耀噪声和随机游走等类型的噪声效应。幂律噪声表明法如图3所示。

　　图3 用幂律噪声表明相位噪声谱

　　图3除了表述相位噪声的来历以外，还表明出相位噪声的出现将振动器的一部分功率扩展到相邻的频率中去，产生了噪声边带。该噪声边带会跟着接收机混频的进程，而被调制到基带信号中，成为基带信号噪声的一部分，然后恶化雷达体系检测信号的才能。

　　假定一个作业在W波段94GHz邻近的频率步进雷达，其步进频率为8MHz，共64个频率点，脉冲宽度100ns，重复周期10ms，其抱负的间隔分辩率将到达0.3m。图4是抱负无噪声状况下，数据在经过128点IFFT的输出图形。为了进步边带按捺，输出的成果经过了“Hamming”加窗，为了剖析比较，成果还进行了崎岖的归一化。

　　图4 抱负一维间隔像

　　此刻，假定频率步进雷达中典型的一个频率源的相位噪声为表1所示

　　表1 频率源相位噪声

　　频率源相位噪声在被调制到基带边带的进程中，假如雷达体系是相参体系时，会由于噪声之间存在相关性[9]或许效果间隔[10]而有必定的改进。为了剖析便利，这儿疏忽该改进效应，即对相位噪声的影响在最坏状况下进行剖析。其设定的相位噪声和仿真所用模型如图5所示

　　图5 频率源相位噪声图形

　　将该相位噪声数据经过ADS仿真渠道调制到基带输出后，再由Matlab进行剖析，得到图6。

　　图6 相位噪声影响

　　从图6能够看出相位噪声显着形成间隔像边带的恶化，可是不会影响雷达体系的间隔分辩率。相位噪声对雷达体系的影响，表现在，在多点方针状况下，小方针将会被淹没在大方针的边带噪声中，而不能被分辩，然后影响雷达在多点方针状况下对小方针的勘探的功用。

　　随后，对表1所罗列的相位噪声在恶化10dB和改进10dB的状况别离进行剖析，得到如图7所示的成果。

　　图7 不同相位噪声状况下的影响剖析

　　图7显示出，跟着相位噪声的恶化，一维间隔像的边带噪声随之恶化。而当相位噪声改进到必定程度时，其一维间隔像与抱负状况不同不大，此刻相位噪声在体系中的影响能够被疏忽。

　　根据以上的剖析，咱们规划出W波段的频率步进雷达所需的频率步进频率源，其输出的相位噪声到达-90dBc/Hz@10kHz，测验成果如图8所示。

　　所做频率源的优胜相位噪声特性，将确保W波段频率步进雷达体系具有杰出的多方针分辩才能。

　　图8 实作频率源相位噪声测验

　　4 定论

　　本文选用ADS和Matlab东西，对毫米波频率步进雷达体系进行建模和功用点评。侧重剖析了频率源要点参数之一的相位噪声对雷达体系一维间隔成像的影响。发现相位噪声首要影响频率步进雷达在多方针状况下，对小方针的勘探才能。然后经过数值仿真的方法对相位噪声对频率步进雷达体系的影响进行量化剖析。进一步剖析得到频率源的相位噪声到达必定程度时，关于体系的影响能够被疏忽，最终根据该剖析成果，规划了一套W波段的频率步进频率源，其相位噪声为-90dBc/Hz@10kHz，以确保毫米波频率步进雷达体系的功用不受相位噪声影响。根据该仿真渠道，还能够对频率步进雷达的其它参数进行剖析，比方接收机噪声系数、带宽和增益分配，以及体系频率步进巨细，脉宽挑选和重复周期挑选等等各项参数的影响，进行量化剖析，到达为确认频率步进雷达体系参数挑选和方针的分配供给仿真根据的意图。