相位噪声对频率步进雷达的影响仿真

　　作为高分辨率雷达之一，毫米波频率步进雷达因具有极好的距离分辨率，而被越来越广泛的使用。利用傅立叶逆变换(IFFT)实现频率步进雷达一维成像的过程是：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，各载频分别为fi=f0+iDf，其中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。发射的信号遇到距离为R并且径向速度为v的目标后反射回超外差结构的接收机，经过一次或多次下变频后，对每个回波脉冲脉宽中心点进行正交采样，最后对采样数据作n点IFFT，即可获得目标的一维距离像(Range Profile)。

　　在噪声中检测信号的能力是检验雷达系统性能好坏的关键，雷达系统只有从噪声中有效地获取回波信号的信息才能对目标进行检测，而频率源的相位噪声是决定系统信噪比好坏及性能的关键要素之一。本文利用仿真工具Agilent ADS，对频率步进雷达系统射频部分进行建模，并使用Mathworks Matlab对模型输出数据进行分析，通过这种数值仿真的方式能够对雷达系统的各种参数进行量化分析。随后，利用该仿真平台对频率源重要参数之一的相位噪声对频率步进雷达系统的影响进行，进一步给出对频率源相位噪声的要求，对实际系统的设计有一定参考价值。

　　2 频率步进雷达模型构建

　　频率步进雷达按照功能机构划分可以分为天馈(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。其中的频率源又包含为系统所需的发射机信号(Tx)和接收机所需的本振信号(LO)两个部分。

　　图1 频率步进雷达构造

　　根据频率步进雷达的构造，我们设计了如图2所示的仿真平台对其进行建模，通过对它的参数仿真结果的分析，达到对其性能评估的目的。

　　图2 仿真平台构造

　　该仿真平台，主要由ADS和Matlab两个工具软件组成。其中ADS对频率步进雷达的射频部分进行模拟，主要包含发射机(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仿真平台，根据频率步进雷达信号处理的方式进行信号处理，便能够得到目标的一维距离像。该仿真平台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对于系统的影响进行直接分析，更接近于真实系统情况，有利于实际系统的设计。

　　3 相位噪声影响分析

　　频率步进雷达的性能好坏，由很多因素决定，仅分析其输出噪声部分，就包含大气噪声、幅度起伏、频率误差以及本振相位噪声等[6]。以下将就相位噪声对雷达系统的影响进行量化分析。

　　相位噪声是衡量频率短期稳定度的一个重要指标，目前主要用阿伦方差和相噪功率谱密度，分别从时域和频域两个角度来描述。作为频率稳定度频域表征的五幂律法，基本上适用于一切实际的振荡源，包括最常见的白噪声、闪烁噪声和随机游走等类型的噪声效应。幂律噪声表示法如图3所示。

　　图3 用幂律噪声表示相位噪声谱

　　图3除了表述相位噪声的来源以外，还表示出相位噪声的出现将振荡器的一部分功率扩展到相邻的频率中去，产生了噪声边带。该噪声边带会随着接收机混频的过程，而被调制到基带信号中，成为基带信号噪声的一部分，从而恶化雷达系统检测信号的能力。

　　假设一个工作在W波段94GHz附近的频率步进雷达，其步进频率为8MHz，共64个频率点，脉冲宽度100ns，重复周期10ms，其理想的距离分辨率将达到0.3m。图4是理想无噪声情况下，数据在经过128点IFFT的输出图形。为了提高边带抑制，输出的结果经过了“Hamming”加窗，为了分析比较，结果还进行了幅度的归一化。

　　图4 理想一维距离像

　　此时，假设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过程中，如果雷达系统是相参系统时，会因为噪声之间存在相关性[9]或者作用距离[10]而有一定的改善。为了分析方便，这里忽略该改善效应，即对相位噪声的影响在最坏情况下进行分析。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仿真平台调制到基带输出后，再由Matlab进行分析，得到图6。

　　图6 相位噪声影响

　　从图6可以看出相位噪声明显造成距离像边带的恶化，但是不会影响雷达系统的距离分辨率。相位噪声对雷达系统的影响，表现在，在多点目标情况下，小目标将会被淹没在大目标的边带噪声中，而不能被分辨，从而影响雷达在多点目标情况下对小目标的探测的性能。

　　随后，对表1所列举的相位噪声在恶化10dB和改善10dB的情况分别进行分析，得到如图7所示的结果。

　　图7 不同相位噪声情况下的影响分析

　　图7显示出，随着相位噪声的恶化，一维距离像的边带噪声随之恶化。而当相位噪声改善到一定程度时，其一维距离像与理想情况差别不大，此时相位噪声在系统中的影响可以被忽略。

　　根据以上的分析，我们设计出W波段的频率步进雷达所需的频率步进频率源，其输出的相位噪声达到-90dBc/Hz@10kHz，测试结果如图8所示。

　　所做频率源的优越相位噪声特性，将保证W波段频率步进雷达系统具有良好的多目标分辨能力。

　　图8 实作频率源相位噪声测试

　　4 结论

　　本文采用ADS和Matlab工具，对毫米波频率步进雷达系统进行建模和性能评价。着重分析了频率源重点参数之一的相位噪声对雷达系统一维距离成像的影响。发现相位噪声主要影响频率步进雷达在多目标情况下，对小目标的探测能力。然后通过数值仿真的方式对相位噪声对频率步进雷达系统的影响进行量化分析。进一步分析得到频率源的相位噪声达到一定程度时，对于系统的影响可以被忽略，最后根据该分析结果，设计了一套W波段的频率步进频率源，其相位噪声为-90dBc/Hz@10kHz，以保证毫米波频率步进雷达系统的性能不受相位噪声影响。根据该仿真平台，还可以对频率步进雷达的其它参数进行分析，比如接收机噪声系数、带宽和增益分配，以及系统频率步进大小，脉宽选择和重复周期选择等等各项参数的影响，进行量化分析，达到为确定频率步进雷达系统参数选择和指标的分配提供仿真依据的目的。