摘要：為了提高連續(xù)波穿墻生命探測雷達目標的生命回波信號的檢測效果，在發(fā)射機和接收機之間增加直達波對消子系統(tǒng)模塊。在2．4 GHz頻段，采用射頻集成芯片進行直達波對消子系統(tǒng)的硬件設(shè)計。根據(jù)對消后的實時功率檢測結(jié)果，通過微處理器的自動搜索控制程序，調(diào)節(jié)對消估計信號的幅度和相位，最后實現(xiàn)對消比大于40 dB的直達波射頻頻段自動對消效果，有效地降低連續(xù)波雷達的強直達波的干擾。
關(guān)鍵詞：連續(xù)波雷達；射頻干擾；直達波對消；2．4 GHz頻段

0 引言
    連續(xù)波體制穿墻生命探測雷達的直達波干擾相對于目標的生命回波信號具有很強的能量，對目標回波信號的檢測造成了嚴重干擾。直達波干擾也稱載波泄漏或同頻干擾，主要是指發(fā)射機發(fā)出的微波波束經(jīng)靜止障礙物反射產(chǎn)生的同頻反射回波和收發(fā)端耦合產(chǎn)生的同頻耦合波。直達波干擾會直接導致接收機性能指標下降，甚至接收機前端飽和，使雷達不能正常工作，因此必需要解決連續(xù)波雷達的直達波干擾問題。
    本文用射頻對消方法，結(jié)合自動控制原理，把發(fā)射端的本振信號引入到接收輸入端，然后通過相位和幅度調(diào)節(jié)產(chǎn)生對消估計信號，使其與接收機接收到的強直達波進行矢量相加，達到去除直達波干擾的目的。該子系統(tǒng)用作頻率為2．4 GHz的連續(xù)波體制穿墻生命探測雷達接收機前端的信號預處理子系統(tǒng)。

1 直達波對消設(shè)計原理分析
1．1 對消基本原理分析
    直達波對消基本原理的矢量表示如圖1所示，在矢量坐標平面，對消估計信號S1(t)與直達波干擾信號Sr(t)進行矢量相加，當對消估計信號S1與直達波干擾信號Sr幅度相等，相位相反時，矢量相加后達到功率完全對消的理想狀態(tài)，從而達到抑制直達波干擾的目的。
    本文參考雷達振蕩源信號經(jīng)幅度衰減和移相的方法得到對消估計信號的原理，加以改進并進行硬件設(shè)計。
    假設(shè)本地發(fā)射機發(fā)射的本振信號為S0(t)，接收機接收的直達波干擾信號為Sr(t)，對消估計信號為S(t)，理想對消的基本思想的數(shù)學表達式為：
    Sr(t)+S(t)=0      (1)
    由于墻壁、廢墟等產(chǎn)生強回波的物體都是靜止的，所以Sr(t)中的幅度Ar和相位θ，在對消過程中將保持不變。對消估計信號的幅度A和相位θ，變化范圍分別為(Amin，Amax)和(0，2π)，A，θ在這其取值區(qū)間內(nèi)存在：
    Ar=A；θr=θ+π      (2)
    使得S與Sr幅度相等，相位相反，滿足式(1)，達到對消的理想狀態(tài)。由此可以看出通過本振信號的幅度和相位變換得到對消估計信號S。
1．2 對消系統(tǒng)效果評價分析
    如圖1所示，實際產(chǎn)生的對消估計信號S1和直達波干擾信號Sr不可能完全達到幅度相等、相位相反，所以對消會不徹底，兩者將會合成一個新的矢量信號Se，稱為對消后剩余誤差信號。為了評價對消性能，引入對消比的概念，把直達波干擾信號功率P和對消后剩余誤差信號功率Pe之比定義為對消比，單位為dB。對消比D數(shù)學表示為：
   
    實際對消估計信號S1和理想對消估計信號S的幅度偏差的百分比記為△A，△A=(|S1|-|s|)／|S|，相位偏移量記為△θ。對消剩余矢量Se的幅度為：
   
    根據(jù)上述關(guān)系式，利用Matlab軟件仿真，可得到幅度偏差△A、相位偏移量△θ與對消比D的等值曲線關(guān)系圖。如圖2所示為幅度偏差在10％以內(nèi)，最大相位偏移量為10°的對消比等值曲線圖，當幅度差值為0，相位偏移為0時，對消比達到最佳值，理論上為無窮大。對于大于30 dB的高對消比而言，其相位偏移量應在(-2°，2°)之間，幅度差異在4％以內(nèi)，達到40 dB，相位和幅度要求將非?？量?。對消電路必須采用閉環(huán)的調(diào)整電路才能實現(xiàn)，而且對硬件設(shè)計的穩(wěn)定性和精度要求較高。

2 對消子系統(tǒng)設(shè)計
2．1 對消子系統(tǒng)模型分析
    對消系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示，本振信號S0(t)通過相位調(diào)節(jié)電路和幅度調(diào)節(jié)電路產(chǎn)生對消估計信號S1(t)，對消估計信號S1(t)和回波信號的直達波干擾信號Sr(t)進行對消，檢波電路把功率檢測結(jié)果反饋給單片機控制電路，單片機控制程序根據(jù)檢波結(jié)果自動調(diào)節(jié)相位和幅度
控制信號，最終得到最佳的對消效果，對消輸出信號為Sout(t)進入下一級信號處理單元。

    程序控制算法對最優(yōu)搜索算法進行簡化，設(shè)定搜索步長，依次進行單一變量調(diào)節(jié)，達到最佳實際對消狀態(tài)，程序持續(xù)輸出最佳的相位和最佳幅度控制信號。設(shè)定控制算法重復運行限制條件，當環(huán)境改變超過限定條件時，控制程序自動進行下一次幅度和相位的最佳控制信號的搜索。
2．2 主要模塊硬件原理圖設(shè)計介紹
    本振信號使用發(fā)射機提供的2．4 GHz連續(xù)波RF信號，回波信號由接收機提供，兩者通過SMA接頭連接進入對消子系統(tǒng)。程序控制處理模塊及外圍A／D，D／A轉(zhuǎn)換電路由STM32F103型基于ARM核心的微控制器和相應的線性電壓放大器及外圍電路、接口匹配電路組成。對消子系統(tǒng)射頻模塊主要由射頻模擬移相器HMC928LP5E，射頻模擬衰減器MAX19790，HPP2F型3 dB無源耦合器，對數(shù)檢波器AD8313及各自的外圍電路組成，如圖4所示為對消射頻模塊的原理圖。

    綜合各個模塊的指標，該子系統(tǒng)的工作頻率為2．3～2．5 GHz，RF輸入最大功率為10 dBm，幅度連續(xù)調(diào)節(jié)范圍為40 dBm，相位連續(xù)調(diào)節(jié)范圍為450°。由于幅度和相位調(diào)節(jié)都是射頻連續(xù)調(diào)節(jié)模擬芯片，所以精度更高。

3 對消實驗調(diào)試與分析
    基于連續(xù)波雷達實際工作情況，為了方便操作，直接進行單一頻率發(fā)射信號模塊和對消子系統(tǒng)組成實驗系統(tǒng)聯(lián)調(diào)，發(fā)射信號通過一定的衰減，用來模擬回波信號中的直達波信號，兩路信號接入對消子系統(tǒng)進行對消，對消前后的信號通過頻譜儀觀察。
    首先在不連接對消模塊，用頻譜儀測得對消前模擬直達波信號的頻率和大小。再連接對消模塊，測得對消后的輸出信號的頻率和大小。圖5為對消前后的頻譜圖，對消前的信號大小為-15．05 dBm，對消后的信號大小為-62．59 dBm，頻率相同，此時對消比為47．54dB。對消后的信號非常接近噪聲信號，測試過程中對消后的信號甚至可以淹沒在噪聲信號中。通過頻譜儀觀察對消實驗結(jié)果表明對消子系統(tǒng)能獲得較明顯的對消效果。

4 結(jié)語
    本文根據(jù)直達波對消的基本思想，分析了對消的基本數(shù)學原理和對消系統(tǒng)效果評價。結(jié)合對消子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模塊，用RF集成電路進行硬件設(shè)計。通過微處理器程序進行控制，實現(xiàn)自動對消。最后進行了2．4．GHz的RF信號對消測試實驗，驗證了系統(tǒng)的有效性。