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毫米波FMCW路面目标探测雷达关键技术与系统研究

檀雷  
【摘要】:随着电子信息技术的迅速发展,毫米波调频连续波(Frequency Modulated Continuous Wave,FMCW)雷达相关应用已深入渗透到军用、民用领域的多个方面。为了不断提高FMCW雷达作用距离、探测精度、成像分辨率以及抗干扰能力等系统性能,毫米波宽带高线性度扫频源、宽带高功率发射源、高增益窄波束天线及波束扫描技术、宽带低噪声接收等关键技术的研究近年来一直受到人们的高度重视。本文以实现E波段FMCW路面目标探测雷达为目标,对雷达射频前端与天线总体技术方案进行了分析设计,并对E波段宽带高效率功率合成技术、W波段频率扫描波导缝隙阵列天线设计技术、W波段高增益窄波束反射面天线设计与优化等关键技术进行了深入研究,完成了宽带功率合成放大器、高增益反射面天线等关键部件研制及系统原理样机实验研究工作。本文的研究进展包括以下内容:1、提出了一种E波段FMCW路面目标探测雷达射频前端与天线的总体技术方案。基于SPM(Small Perturbation Model)模型,系统性地分析了路面粗糙度、雷达波掠入射角度及工作频率等因素对于路面后向散射系数的影响,建立了路面目标探测雷达射频前端与天线总体指标的设计原则,据此对雷达系统射频前端和天线中的发射功率、天线增益、距离分辨率、横向距离分辨率、探测实时性等关键参数进行了分析论证,完成了雷达射频前端及天线总体技术方案的分析与设计。2、基于行波功率合成的基本理论,提出了一种以波导-微带探针为耦合单元,结合波导E-T功分/合成结构的E波段紧凑型宽带行波功率合成技术方案。基于全波仿真技术,深入研究了宽频带范围内功分/合成网络整体幅相特性随关键电路与结构尺寸的变化规律。对屏蔽微带线寄生模式及宽带有源电路中的腔体寄生谐振产生机理进行了深入研究,并提出了相应的腔体结构设计准则和寄生谐振抑制方法。在此基础上,优化设计并加工了E波段宽带四路功率合成放大器。实测结果表明,在71~80GHz的芯片标称工作带宽内,该合成功放的饱和输出功率大于24d Bm,最大输出功率达到25.5d Bm,合成效率大于77%,最大合成效率达到85%。此外,为了实现E波段固态倍频源所需的驱动放大器以及满足系统测试的需求,采用波导同相位面探针阵列功分/合成网络,研制了一种Ka波段全频段高增益功率合成放大器,在26.5~40GHz频率范围内,实测得到连续波饱和输出功率大于30.5d Bm,小信号增益大于40d B,合成效率为84%~92%。3、针对W波段波导缝隙阵列天线超细精度加工工艺难度大、成本高、性能一致性难于保证的问题,提出了一种以波导辐射面壁厚度和缝隙宽度为约束条件,缝隙切入深度阶梯变化的缝隙电导函数提取方法,有效地简化了W波段波导缝隙阵列天线工艺实现复杂度。基于该方法,研制了一种基于WR10标准矩形波导的76单元波导缝隙行波线阵,作为路面目标探测雷达的馈源天线,利用其波束指向随频率变化的特性实现雷达在俯仰面内的频率扫描。采用紧缩场测试方法对该行波线阵天线进行了远场方向图的测量。测试结果表明,在75~79GHz的频率范围内天线增益大于23.5d Bi,E面半功率波束宽度为1.2°,旁瓣电平低于-20d B。当频率从75GHz扫描至79GHz时,该天线在E面内的-3d B波束扫描覆盖范围为5.5°,满足雷达在俯仰面内的探测需求。4、提出了一种以泰勒分布线源为馈源的电大尺寸椭圆柱形反射面天线的快速高效设计方法,解决了传统设计方法仿真工作量大、设计周期长的问题。通过对天线远焦点处H面半强度焦斑宽度以及天线最佳口径利用率的理论计算,获得既能在近场H面形成较窄的焦斑宽度,又能在远场H面具有较高方向性的椭圆柱形反射面天线的初始尺寸。再以实现最佳天线效率为目标,利用仿真软件FEKO优化得到最终加工尺寸,从而使得整个天线的仿真工作量大为降低。利用雷达系统的目标探测功能对反射面天线远焦点附近的H面半强度焦斑宽度进行了测量,同时利用紧缩场对天线远场H面辐射特性进行了测试。实测结果表明:在75~79GHz工作频带内,天线增益大于44d Bi,远焦点附近的H面半强度焦斑宽度在0.37°~0.4°之间,远场H面半功率波束宽度为0.4°。这种反射面天线适合应用于对中、远距离处横向距离分辨率均有较高要求的目标探测雷达。5、完成了雷达射频收发前端的详细设计与实验调试,并与天线系统集成联调,进行了E波段FMCW路面目标探测雷达原理样机的实验研究。根据射频前端的技术指标要求,充分考虑了各级有源器件及混频、倍频等变频模块的电性能参数,合理分配各级模块的增益及功率电平,完成了射频前端详细方案分析设计。利用二阶有源高通滤波器带外滚降特性消除了探测距离对于Dechirp后的差拍信号幅度影响。将发射、接收以及本振源链路中的核心功能模块进行系统集成与联合调试,考察了发射功率、接收噪声系数、接收动态范围等射频前端关键指标。在此基础上,将上述高增益椭圆柱形反射面天线与射频前端进行集成联调,利用数字存储示波器作为数据采集单元,建立了一套路面目标探测雷达实验验证系统,在实验室走廊环境下进行了初步的实验测试工作。实验结果表明,该雷达在测试场景内可有效探测出金属扳手、易拉罐壳、轮胎碎片、纸盒、泡沫等多种异物样品,目标距离的探测精度达到0.1m,距离分辨率达到0.11m,实现了预期的探测效果。


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