调频连续波雷达泄漏信号抑制技术综述

TelecommunicationEngineering

Vol.59,No.11November,2019

doi:10.3969/j.issn.1001-893x.2019.11.020

Engineering,2019,59(11):1364-1370.]

引用格式:谭瑷军,谭泽富,燕曼君.调频连续波雷达泄漏信号抑制技术综述[J].电讯技术,2019,59(11):1364-1370.[TANAijun,TANZefu,

YANManjun.Summarizationofleakagesignalsuppressiontechnologyforfrequencymodulatedcontinuouswaveradar[J].Telecommunication

调频连续波雷达泄漏信号抑制技术综述

*

谭瑷军*,谭泽富,燕曼君

(重庆三峡学院信号与信息处理重点实验室,重庆万州404000)

*

摘摇要:泄漏信号的抑制技术是提高调频连续波(FrequencyModulatedContinuousWave,FMCW)雷达系统整体性能的关键点,一直受到业界以及学术界的广泛关注。综述了FMCW雷达泄漏信号抑制技术在国内外的发展历程及现状;分析了解决FMCW雷达中信号泄漏问题的关键技术,可归纳为基于收发天线控制的隔离技术、基于收发通道的对消技术以及基于现代信号处理的泄漏抑制技术,并详细讨论了各技术的原理、实际应用、优缺点;最后给出了FMCW雷达泄漏信号抑制技术研究的建议。

关键词:调频连续波雷达;信号泄漏;信号抑制;隔离技术;对消技术;现代信号处理开放科学(资源服务)标识码(OSID):

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中图分类号:TN957摇摇文献标志码:A摇摇文章编号:1001-893X(2019)11-1364-07

SummarizationofLeakageSignalSuppressionTechnologyfor

FrequencyModulatedContinuousWaveRadar

(KeyLaboratoryofSignalandInformationProcessing,ChongqingThreeGorgesUniversity,Wanzhou404000,China)

TANAijun,TANZefu,YANManjun

Abstract:Theleakagesignalsuppressiontechnologyisakeypointtoimprovetheoverallperformanceofthefrequencymodulatedcontinuouswave(FMCW)radarsystem,andhasbeenwidelyconcernedbythein鄄dustryandacademia.Inthispaper,thedevelopmenthistoryandcurrentstatusofFMCWradarleakagesig鄄nalsuppressiontechnologyathomeandabroadaresummarized.ThekeytechniquesforsolvingthesignalleakageprobleminFMCWradarareanalyzed,includingisolationtechnologybasedontransceiverantennacontrol,cancellationtechnologybasedontransceiverchannelsandleakagesuppressiontechnologybasedonmodernsignalprocessing.Andtheprinciple,practicalapplication,advantagesanddisadvantagesofeachtechnologyarediscussedindetail.Finally,somesuggestionsfortheresearchonFMCWradarleakagesignalsuppressiontechnologyaregiven.

Keywords:FMCWradar;signalleakage;signalsuppression;isolationtechnology;cancellationtechnology;modernsignalprocessing

·1364·

基金项目:重庆市教委创新团队基金资助(CXTDX201601034)**通信作者:18315024536@163.com

*收稿日期:2019-02-25;修回日期:2019-07-09

第59卷谭瑷军,谭泽富,燕曼君:调频连续波雷达泄漏信号抑制技术综述第11期

1摇引摇言

雷达是无线电探测与测距的英文缩写

[1]

无疑问,它是通过向空间发射无线电磁波并接收目

。毫

2011年,Lee和Lim[6]提出了基于24GHz平衡式多2014年,印度空间研究组织中的空间应用中心[7]介开发方案,它使线性调频连续波单基地雷达能够实2016年,荷兰埃因霍温工业大学的Adela等[8-9]通过优化封装环境,实现了发射天线和接收天线之间

近十年来,国外信号泄漏抑制技术发展迅速。

普勒雷达前端设计方案,完善了传统的耦合器结构。绍了一种超宽带发射机泄漏与反射功率消除的设计现35dB的高收发隔离,以此增加接收器的灵敏度。

标的反射波来探测目标的有无以及测量目标的距离。调频连续波(FrequencyModulatedContinuousWave,FMCW)雷达是众多雷达种类中的一种,其结构简单,工作电压低,接收机灵敏度与距离分辨力高,截获率低,抗干扰能力强,不存在距离盲区,而且还兼容射频对消器,因此,可以用来处理泄漏问题。因调频连续波雷达受到连续波雷达体制的限制,当发射信号功率较大时,会使得发射功率泄漏,严重时甚至可能造成系统不能正常工作,影响雷达图像处理的效果和差分干涉形变测量结果。所以,如何有效抑制调频连续波雷达耦合信号的泄漏一直是提高调频连续波雷达性能的关键问题。随着现代电子器件工艺技术和信号处理技术的高速发展,研究人员提出了各种行之有效的方法来抑制泄漏信号,以提高调频连续波雷达接收机与发射机之间的隔离度和灵敏度。本文将对此进行综述,并给出研究建议。

2摇FMCW雷达泄漏信号抑制技术国内外研

究现状

2.1摇国外研究现状

泄漏信号的概念由来已久,学者也相继提出了泄漏信号对消的思想。早在20世纪60年代,国外从事相关工作的科研人员就研究出了可实际应用的对消电路。1963年,O爷Hara和Moor[2]设计了世界上第一个具有实际应用价值的闭环反射功率对消器。该对消系统采用的铁氧体调制器虽然能将泄漏信号对消,但由于其成本高昂、带宽窄,在当时并没有普遍推广。1988年,飞利浦实验室[3]成功研制出了名为PILOT的雷达,它是一部具有低截获率、强实用性的基于X频段的单天线FMCW导航雷达,其使得射频对消系统进入了实用化阶段Beasley。1991年,[4]PILOT宽内的泄漏信号被抑制了雷达中研发出模拟式闭环对消器,取得了突破性进展,并将其应用在33dB左右,致使。4002006MHz年,带美国加利福尼亚大学Lin等人[5]经过不懈努力,研制出了一部将数字信号处理相关技术应用到射频对消电路的基于Ka频段单天线FMCW雷达。该方法能有效解决直流偏移等问题,经过数字信号处理一系列的算法设计后可得到自适应控制馈通信号的幅度相位信息。

的高效隔离,抑制了表面波并满足了特定的FMCW雷达要求,使得收发天线之间的隔离度超过25dB;经过更加深入研究与探讨,实现了57~64GHz频段的40dB收发隔离度,由边缘衍射引起的辐射纹波也降低到3dB以下。2017年,美国加州理工大学联合雷恩电子与电信研究所[10]采用准双工方法,在W频段的FMCW雷达上进行实验,使得收发隔离度优于80dB。2018年,美国密歇根大学辐射实验室[11]提出了一种具有高隔离度的双端口背腔缝隙天线双极化子阵列(Cavity-Backed,并将该设计应用到宽带全双工无线SlotAntenna,CBSA)的宽带共孔径、通信和调频连续波雷达系统。近年来,随着科学技术的综合发展,泄漏对消技术不仅应用在雷达系统中,还应用于射频识别技术和移动通信领域。2.2摇国内研究现状

相比于国外FMCW雷达泄漏信号问题的研究,我国在该领域的研究工作起步较晚。起初,国内相关机构只停留在理论研究阶段,而实际工程应用却在很多年以后。1990年,中国电科集团第54研究所[12]用自主研制的8mm铁氧调制器进行了对消实1998验,结年果,中国科技大学表明信号泄漏可以被抑制20~30dB。

[13-14]根据模拟对消环形电路的分析情况,构建了较为完善的线性数学模型,并对其进行仿真,结果表明,在该系统理论的基础上可以将泄漏信号抑制30~60dB。直至2001年,中国科技大学的研究人员又在此前的研究基础上,对传统的对消系统进行了改进,提出了一种利用数学频率合成技术输出正交控制矢量的方法。

近年来,我国在该领域的研究逐步具体化、完善化。2010年,中国电科集团第51研究所[15]设计并提出了一款射频对消系统,其关键技术是将数控衰减器和移相技术有效结合,使得泄漏信号在35MHz带宽内能够被抑制20dB。这是一个质的飞跃,使我国在这个研究领域实现了工程应用。2012年,中国

·1365·

www.teleonline.cn电讯技术摇摇摇摇2019年

西南电子技术研究所[16]在Ka频段的单天线连续波雷达样机中采用全模拟闭环控制对消技术,获得了带宽在600MHz内的大于25dB的对消度。2015年,解放军军械工程学院[17]在已有的方法上,针对数字射频对消技术提出了时变步长最小均方的新算法,对消深度提高了5dB。2017年,电子科技大学[18]针对步进频率雷达数字对消技术进行研究试验,测得30dB以上。2018年,中国科学院大学联合中国科学院电子学研究所[19]提出了一种新型的基于FM鄄的实验结果表明在点频和扫频模式下,对消比都在

机有一个工作时间差,因此,使得在发射信号的时候就不接收信号,同时,在接收信号的时候不会被发射信号干扰;频率隔离表示在接收机的前端预先添加一些选频元器件,使用不同频率的向上发射频率和对地发射频率来达到隔离的效果,其频率差可达到上百MHz;极化隔离则表示使用垂直或者水平极化的发射和接收天线,让微波间不存在串扰现象。尽管以上几种技术可以用在连续波雷达泄漏信号的抑制过程中,但对于FMCW雷达的隔离技术而言,目前多采用双天线空间隔离技术和环形器及耦合器作CW计了在特定条件下的自适应射频对消方案雷达的射频对消方法,采用数字锁相环技术,有效提,设25高了收发隔离度,使得1GHz带宽内的对消比优于大学dB。[20]、近年来上海理工大学,除了以上提到的机构外[21],北京理工科技大学[23]等对泄漏信号的抑制技术都有研究、南京理工大学[22]、国防,而且在该领域的研究中都有一定的突破。

随着元件工艺的发展,FMCW雷达系统中器件本身的稳定性逐渐提高,表明前端饱和问题可以忽略。因此,在现阶段多是解决泄漏导致的发射机与接收机灵敏度下降的问题。在实际工程中,为了抑制泄漏信号,充分发挥数字信号处理器的优势,在处理射频前端数据过程中通常采用自适应数字对消技术解决收发隔离不足与接收机灵敏度的问题。3摇FMCW雷达泄漏信号抑制关键技术

信号具有极低的相位噪声来确保接收机不饱和FMCW雷达泄漏信号抑制技术要求雷达发射

,同时系统还需满足接收灵敏度指标,此指标需由接收天线感应。到在解决的外FMCW部噪声雷达系统中的泄漏信号问

与自身内部噪声共同控制

[24-26]

题方面,主要有以下三种处理技术:隔离、信号对消、信号处理。根据这种分类方式,在隔离技术方面,可以采用双天线空间隔离技术、环形器作为隔离器件来提高收发隔离度,从而达到抑制泄漏信号的目的;在信号对消技术方面,可分为射频对消技术和中频对消技术,各种利弊将会在后面具体介绍;信号处理方面即利用现代信号处理技术抑制泄漏信号,此技术虽不需要参考信号,但是其过程复杂,需要的时间、空间较大。3.1摇隔离关键技术

隔离技术[27]可分为时间隔离、频率隔离、极化隔离、空间隔离。其中,时间隔离表示接收机与发射·1366·

为隔离器件。

3.1.1摇双天线空间隔离技术双天线空间隔离技术[28]是使发射端和接收端各采用一副天线,顾名思义,通过拓宽收,双天线即

发天线之间的间距和加装吸收性U型隔离板或者其他金属隔离板来有效提高隔离度。收发天线隔离板加装吸波材料如图1所示。

图1摇收发天线隔离板加装吸波材料

该技术的优点明确:收发天线之间的间隔每拓宽一倍,隔离度则能上升6dB;若对天线波束定向特性进行优化设计,隔离度可高达70dB。但同时也存在缺陷:天线的尺寸大小会受到雷达的体积、重量、工作频率以及收发波速宽度等因素的限制,而且双天线所需空间大,价格贵,使得连续波雷达的使用在诸多领域中都受到了限制。

3.1.2摇环形器及耦合器作为隔离器件

环形器及耦合器作为隔离器件通常是用在发射机和接收机共用一副天线的雷达系统中。之所以要引入环形器件及耦合器,其目的是想分离出两路信号。环形器所用的材料具有方向性,且通常是单向传导的。这就意味着如果信号从天线端口输入则只能从接收端口输出,反之也成立。这样简单、方便的结构在当雷达作用距离远、发射功率大的时候,并不能明显抑制泄漏信号,而且目前的环形隔离器件大都只能隔离40dB左右的信号。市面上也存在一些耦合器及环形器,如Lang耦合器、三端口环形器,结第59卷谭瑷军,谭泽富,燕曼君:调频连续波雷达泄漏信号抑制技术综述第11期

构分别如图2和图3所示。

图中,AC表示对消信号矢量,A忆C表示对消信

图2摇Lang耦合器

图3摇三端口环形器

此技术胜在原理简单、实现起来容易。当电磁微波频段较低且天线接口与隔离器件匹配良好时,系统的隔离效果明显,但其缺点是当系统发射功率大、作用距离远时,系统往往不只采用环形器或者耦合器隔离,通常还与其他结构相结合来提高系统的隔离度,以此抑制泄漏信号。

隔离技术的应用十分广泛,常常被当作一种拓扑结构。2016年,德国柏林工业大学魻zt俟rk等人[29]通过分支线耦合器监测发射通道上的传输功率和反射功率来作为内置自测模块,成功解除了双静态雷达拓扑结构中收发通道耦合的问题,提高了系统的隔离度。2017年,印度尼西亚大学Prabowo等人[30]提出了一种采用Lang耦合器系统,实现了隔离度约为70dB。在国内,西安电子科技大学等机构[31]对环形器的应用研究也有一定的成果。3.2摇信号对消关键技术

对消技术即是为了构造一个与泄漏信号同频率

且幅度相等、相位相差180毅的对消信号[32]这个信号进行一系列的相加或者合成,以此达到抑,然后将制泄漏信号的目的,其原理如图4所示。

图4摇泄漏信号矢量对消原理图

号矢量的反向矢量,AL表示泄漏信号矢量,A渍表示AE表示没有对消的剩余泄漏信号矢量,驻,要满足上述条件十分困难L与A忆的夹角。在实际工程中,C系统总存在一些没有对消掉的剩余泄漏信号。要想使得对消信号与泄漏信号幅度相等,相位差应尽可能达到180毅,就必须让剩余泄漏信号的模值无限

小。在判断对消性能好坏时,人们就引入了对消比的概念,意思是泄漏信号功率与进行对消之后的剩余泄漏信号功率的比值,即

D=10lg

PPe式中:D表示对消比,Pl

(1)

e表示泄漏信号功率,P剩余泄漏信号功率。

l表示

由公式推导可知,对消比的大小主要与泄漏信

号与对消信号的相位差和幅度差有关。若想使得对消比较大,就必须对相位差与幅度差有更高的要求。

对消技术发生在接收通道,其分类也是多种多样。若是按照功能分类,其可分为开环对消技术和自适应闭环对消技术。开环对消技术通过控制开环对消信号,固化调整后的对消信号幅度和相位来实现对消;自适应闭环对消是通过运用自动控制相关理论,管控矢量调制器的幅度与相位来实现对消。若是按照实现方式分类,其可分为模拟对消技术和数字对消技术。顾名思义,模拟对消技术是将泄漏信号通过解调和调制处理后,馈入到接收通道而实现的对消技术;数字对消技术是将泄漏信号通过数字信号处理(例如DSP、模/数、数/模等)后采用自适应算法(例如卡尔曼算法、最小均方误差算法等)进行量化和分解实现的对消[33-34]波发生部位来分类,其可分为射频对消技术和中频。若是按照连续对消技术。本文按照第三种分类方式进行综述。3.2.1摇射频对消技术

射频对消技术即是雷达系统前端,在发射信号中选取一部分信号作为馈通信号;接着通过矢量调制器对该信号进行调幅调相,以此产生一个对消信号,使得其与泄漏信号幅度相等、相位相差180毅;最后将对消信号与泄漏信号进行叠加,以此达到对泄漏信号的抑制作用[35]在实际应用中,特别是在微波频段。

,人们常用自

动控制原理将发射信号与接收信号进行信号处理,同时应用闭环控制电路来控制矢量调制器的幅值和

·1367·

www.teleonline.cn电讯技术摇摇摇摇2019年

相位,以此构成一个自适应闭环控制的对消系统,能有效防治接收机饱和,抑制泄漏信号。但是也有一定的缺陷,例如射频对消系统也并非完备的系统,长期理论分析和实验证明,该技术在引入对消信号的同时也给系统带入了一些噪声,噪声的存在必然会影响接收机的灵敏度,从而不能达到预期的对消效果。

3.2.2摇中频对消技术

它不仅计算过程相当复杂,而且计算量大,这就导致FMCW雷达在实时信号处理的过程中需要较多的时间、空间资源,因此很难满足需求,需要对算法以及硬件语言进行优化。

北京理工大学梅茂奎[42]为有效解决空间资源开销问题,提高实时处理的性能,采用矩阵分解的方法来降低奇异值的开销,从而得到了对消参考信号的数字对消耦合抑制办法。

中频对消技术抑制泄漏信号的原理与射频对消

技术相似,均采用自适应闭环控制对消系统[36-38]但是,中频对消技术是首先通过相关技术使得接收。信号中含有泄漏信号,接着经过混频得到一个中频信号,最后馈送一部分发射信号,下变频至中频,在相同的中频段进行对消。

理论及实验证明,在运行过程中,此技术能够有效避免中频噪声引入系统,且该技术所用装置成本低,操作简单。但是,也存在一些不可规避的问题,例如在遇到很强的泄漏信号时,FMCW雷达的接收端和发射端需要足够的动态范围,这时候接收机与发射机前端会出现饱和现象,不能正常工作。另外,中频对消技术的灵活性较低,很多情况下不能移植到其他平台上。因此,在实际应用的过程中,通常会采用几种方式合理组合运用。

近两年来,国内对消技术的应用发展较快。南京理工大学

[39]

的研究人员验证了射频对消技术对

信号泄漏的抑制问题,也有效提高了连续波体制内雷达收发隔离度,提供了15dB的开环自适应对消比。电子科技大学

[40]

也在此领域有一定的研究,开

环自适应对消比能达到20dB左右。北京航空航天大学与解放军军械工程学院

[41]

联合提出了采用闭

环自适应方案解决泄漏信号问题,在适当的工作频率下其消除比能达到50%左右。3.3摇现代信号处理关键技术

随着现代电子技术的蓬勃发展,电子器件的工艺越来越好,在短时间内耦合信号的波动对雷达整体性能的影响也越来越小,因此,基于现代信号处理的耦合抑制技术应运而生。因其不受混频器的电压偏移、温度等的影响,现阶段已经广泛应用到实际的调频连续波雷达系统中。现代信号处理技术方法众多,这里以常见的小波技术为例,它紧扣回波信号与泄漏信号在一定的频域内可以区分的特点,同时也根据目标回波数据本身特性来抑制泄漏信号。但是·1368·

4摇FMCW雷达泄漏信号抑制技术面临的问

题及未来展望

摇波雷达在民用领域和军事领域都得到了广泛的应摇经过几十年的深入探讨与研究,我国调频连续用,取得了令人瞩目的进展,其技术经验也逐渐丰富。而信号泄漏问题是FMCW雷达的固有缺点,解决这一问题的常用措施主要有收发波形控制的隔离技术、对消技术以及数字信号处理的泄漏抑制技术。这些技术虽然都能够有效地抑制耦合信号泄漏,但在毫米波频段,没有合适的矢量调制器,也就导致无法准确调整信号的幅度和相位。为了更好地抑制泄漏信号,研究人员应紧密结合应用需求,开展综合化的系统设计与仿真,在关键技术的攻关优化上加大投入力度,使FMCW雷达系统整体性能有所提高。科研工作者可针对泄漏信号特性提出改善方法,但如何详细分析电路中的矢量调制器、混频器、滤波器、耦合器等的主要参数以及技术指标是提高收发天线间的隔离度、减小微波元器件的泄漏的关键问题。同时,在射频、中频频段采用各种合适的对消技术,为了进一步提升系统的动态范围,采用恰当的幅度和相位校正补偿电路同样值得学者进行深入研究。也可结合发射信号调制方式与现代信号处理方法,提出基于数字信号处理的耦合抑制技术,但应尽量克服使用此方法时巨大的时间、空间资源开销。同时,将此技术逐步广泛应用到实际的FMCW雷达系统中也将是一个巨大的挑战。

纵观国内外FMCW雷达泄漏信号抑制关键技术的研究情况,未来泄漏信号抑制技术的研究必将是一个热门方向。与此同时,电子技术行业的高速发展必然推动泄漏信号抑制技术趋于模块化、小型化、数字集成化,而各种抑制技术优化及与其他电子系统进行融合将是一个发展趋势。这必将使得FM鄄CW雷达在诸多领域中的应用越来越宽广,例如在

第59卷谭瑷军,谭泽富,燕曼君:调频连续波雷达泄漏信号抑制技术综述第11期

灾难搜救雷达方面,通过分析FMCW雷达的回波信号特性,并进行深入的处理与判决,来发现灾难现场搜救人员无法抵达区域的幸存者的生命情况,以此缩小搜救范围,减少救援时间。

[9]摇ADELABB,BEURDENVMC,ZEIJLVPTM,etal.

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5摇结束语

当前,军用雷达、民用雷达及商业雷达正处于高速发展的阶段。在数据处理、资源管理等智能化发展的大背景下,对于FMCW雷达来讲,耦合信号的Risolationandphase-noisesuppressioninmillimeterwaveFMCWradars[C]//Proceedingsof201742ndInternation鄄alConferenceonInfrared,Millimeter,andTerahertzWaves(IRMMW-THz).Cancun:IEEE,2017:1-2.

[11]摇AMJADISM,SARABANDIKA.Acompact,broad鄄

band,two-portslotantennasystemforfull-duplexappli鄄泄漏问题是一个重要的研究方向。本文简述了泄漏信号抑制技术在国内外的发展现状,综述了抑制泄漏信号的关键技术,同时分析了各技术的原理、应用及优缺点,提出了研究建议,希望能对学者研究和解决FMCW雷达泄漏信号抑制问题提供一定的帮助。参考文献:

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on[42]摇梅茂奎研究[D]..FMCW北京:地基北京理工大学SAR系统设计与互耦抑制技术

,2016.作者简介:

谭瑷军摇女,1993年生于重庆万州,硕士研究生,主要研究方向为雷达信号处理。

谭泽富摇男,1969年生于重庆万州,博士,教授,主要研究方向为通信技术。

燕曼君摇女,1994年生于山西忻州,硕士研究生,主要研究方向为雷达信号处理。

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