基于跳频技术的FMCW 雷达超宽带调频抗干扰方法分析

张国政

（空军工程大学，陕西 西安 710038）

FMCW 雷达是一种具有持续波、信号频段调节能力的信号，能够进行远程探测，排除客观条件的干扰。客观干扰条件包括：云雾、暴风等。雷达信号进行探测时，可24 小时持续进行，不会发生探测中断问题，极具探测优势。探测结果较为精准，使其在船舶平稳运行、工业生产检查等多个行业中被广泛应用。

1 相关理论

1.1 跳频技术

1.1.1 技术概述

跳频技术是指收发两个设备，在特定信号频段载波中，进行讯号传输。此时接收讯号的设备，跳频技术会形成具有波动性的讯号，或称为脉冲噪声。跳频技术传输的讯号，可采取特殊设计方式，以此消除信号传输形成的干扰。跳频传输的信号，应达到FCC 规范，使用不少于75 个跳频信号，跳频间隔时间设定为400ms。

跳频科技是一种使用广泛的扩频方法，对收发两个主体的载波频率，使用前期设定完成规律，创建新型离散性的通信路径。通信中引入跳频科技，伪随机动态码的引导下，使载波频率发生动态改变。通信科技的信号传输中，跳频科技是使用“码序列”方式，高效完成多频通信，具有码控跳频的信号传输特点。

1.1.2 技术优势

（1）信号隐藏性。跳频通信形式与原有频率的信号传输方式对比时，跳频传输更具信号隐藏功能，不易被截获。在对方未掌握跳频规则时，无法有效获取传输资料。（2）信号传输平稳性。跳频通信方式表现出较强的抗干扰优势。如果信号传输期间，有部分频点受到干扰，其他正常频段可完成通信。跳频通信组成中含有短时间窄带程序，能够与各类窄带相容，保持电台信息互通，可提升设备科技的升级能力。

1.1.3 跳频图的形成

收发双方的通信任务，采取事前约定方式，拟定跳频图案进行频率跳变。此种跳频方式可称为一般跳频。在科技进步后，给出了适应型跳频形式，可进行频率、功率两个因素的适应性调整。跳频传输中，频率图能够有效反映收发信号的频率波动特征，确保收发信号的可循性，防止被他人获知。一般情况下，跳频码序列的设计方式有三种：一是m；二是M；三是Rs。各类码序列给出的跳频图均具有随机性，此种随机码的形成，可使用移位寄存器获取；此结构具有组成简易、性能平稳、跳频图案同步速度快等优势；此种码序列方式，能够适应较长时间段的信号传输。

1.1.4 跳频技术的运行条件

等同于其他类型的数字信号传输技术，跳频技术能够进行多种信号同步，比如载波、帧。跳频技术应用时，载频表现出序列随机性，为保证信号传输质量，收发两端需进行跳频图案的同步设计，保证在相同时间跳频规则的一致性。为此，在信号传输时，需进行跳频规则的同步处理。跳频科技进行规则同步时，共有两个同步要求：一是短时间内高效完成同步；二是确保同步效果。跳频电台在进行同步处理时，含有精确时钟、FFT 捕获等方法。跳频科技实践应用时，会融合各类同步方法。扫描环节会记录步头节点的频率，驻留环节会提取步头存储的同步资料，以此达到双发跳频规则的同步目标。具有适应能力的跳频技术，对其进行同步处理，含有频率更新段的更新环节，以此更新受干扰位置的频点，保持双方频率规则的一致性，防止通信失败。

1.2 FMCW雷达

1.2.1 FMCW概述

FMCW可称为可调节频率的、持续传输的信号波，FMCW雷达是使用此种信号波进行高精度距离测量的技术。测量期间，信号传输频率的浮动规则为“三角波”。FMCW收发信号的频率具有浮动规则的一致性，均为“三角波”，波中含有一组时间差，利用较小间隔的时间差获取目标距离。

1.2.2 连续波雷达

此种雷达具备回传信息分析功能，判断回传信号的多普勒偏移情况。脉冲雷达在进行距离测量时，脉冲宽度取值直接决定着距离检测质量，分辨长度无法精细至小于15m 的范围，限制了脉冲雷达的可用范围。因此，脉冲雷达无法用于大气层的探测任务。在1960年研发成功的连续波雷达，可用于大气环境的探测活动，具有较强探测灵敏性，能够增加距离分辨的清晰性，使用大气层环境的各类环境，比如大气回波、边界层波动等。此外，连续波雷达可结合边界层气象特点，给出观测资料。在50ms 时间范围内，可进行特定方向的雷达信号发射，在另一端进行信号回收，测定频率差值，判断目标物与监测站的间距。连续波雷达分辨长度最小值hmin 的计算方法如下：

在公式中，c 表示光速，f 表示连续波的频率浮动值，k 表示常数，用于判断分析器的信号分析能力。当频率浮动值为200MH 时，hmin=1.5m。

1.2.3 技术问题

一般类型的FMCW 雷达运行时，利用调制信号方式进行测距控制，系统组成包括天线、压控振荡设备（以下简称“VCO”）等。其中，VCO 是一种宽带振荡设备，具有电调谐特征。如果未对其进行线性调整，跳频线性结合会达到百分数级别。结合雷达测距的技术特点，当VOC 线性结果不高时，收发信号之间存在一定频率偏差问题，会增加收发信号之间的频谱展宽，无法保障雷达测距结果的精确性。为此，对此种测距给予一定补充处理。

在电路设计方面，去除VCO 的失真问题，加强电路优化、相位调整等。此类补偿方式，均无法切实提升测距结果的精度级别，会相应增加系统运行负担。

1.2.4 技术融合

引入跳频科技，有效解决雷达收发信号存在的频谱无序叠加问题。在技术融合时，合理调整VCO 传输的信号，进行跳变调整，以此减少相同传输路径中的信号混合问题。此种技术融合方法，无序进行电路优化，可降低系统运算量，提升系统运行能力，积极解决频谱无序的技术难点。在跳频技术融合下，可增加雷达带宽的优化能力，合理去除信号干扰问题，保障VOC窄带宽信号收发的有序性，达到抗干扰的技术目标。为此，以下内容开展无序信号形成、跳频技术融合的仿真分析，验证跳频技术融合的可行性。

2 信号无序叠加的形成

FMCW 雷达中含有三角、锯齿两种信号波形，相比而言，三角波更具探测优势，主要表现在远程探测、高效探测两个方面，能够有效排除远程探测干扰，积极应对多普勒耦合，保证探测信息的精确性。为此，在研究时，以三角波形为重点，研究其雷达信号的无序叠加形成过程。现阶段，FMCW 探测程序建立时，以毫米级为信号类型，探测方法有两种：一是振荡探测；二是倍频探测。在振荡探测时，VCO 干扰的排除方法，主要是在直流电压条件下，合理调整变容二极管，保持传输信号、直流电压处于同步变化状态。在使用倍频探测方法时，利用较低频段的VCO，对其进行倍频器处理，达到信号频段调整的目标。在探测中使用的低频VCO，在进行振荡处理时，使用变容二极管。然而，二极管的使用，携带一定电调谐特征。为此，VCO 在传出信号时，表现出非线性特征。

假设VCO 传出的信号中，传出信号频率为f1，回传信号频率为f2，f1 与f2 的传出时延为t，f1 的初期传出信号频率为f0，调整信号频率的带宽参数为B，调整周期为D，f △+表示在三角波信号增长段中f1 与f2 的差值，f △-表示在三角波信号下滑段中f1 与f2的差值。设定运动目标并未发生位置改变，保证探测结果的代表性，设定被测主体与雷达信号的相对运动速度为v，获取信号产生多普勒偏差结果为f3，此时f △+不等于f △-。当f3=0，则有f △+=f △-=f3。在第i 次发生频率差值时，形成的中心频率为f30（i），则△f30（i）对应的是频谱变幅。频谱变化的幅度，会增加频谱无序叠加的严重性。

当两组相距较小、频段相似的FMCW 雷达机组共同运行时，相当于在相同路线中运行两组雷达，极易形成频谱无序叠加现象。产生此种现象的原因：一是VCO 信号特征引起频谱发生变动；二是频率调整时的带宽较小，可进行信号频率调整的操作范围受限，形成频谱交叉、叠加等问题。时间、频率的变动范围，具有相互对应特点。如果雷达探测回传的信息不具真实性，会直接形成探测结果的偏差问题，无法保障探测质量[1]。

3 跳频技术消除频谱无序叠加的过程分析

在较小范围的带宽条件下，能够保证VCO 传输电压、传出频率之间的有序性，可进行窄带区域内的频率调整处理，便于在较宽频段区域内进行扫频操作，即带宽范围固定，中心频率具有可调整性，使雷达传输信号运行方式为“宽带扫频”，以此减少相邻信号之间发生叠加，切实排除信号干扰。信号无序叠加现象的形成，主要源于雷达设备处于等同带宽、相似频段。在跳频技术融合时，改变频段，以此减少频谱叠加问题。在跳频技术引入后，差频信号f △中含有两类频段，其一为初期传输的频段，其二为新增的跳频频段。在此种情况下，如果发生频谱无序叠加现象，仅会形成部分位置的频谱混乱现象。此时仅需进行适当处理，即可恢复信号状态，排除频谱无序叠加带来的不利因素。雷达传输的调整频率信号时，其带宽表示方法是：Bt=N×B。在关系式中，N 表示跳频时间，B 表示带宽。Bt 是指原有信号带宽B 乘以跳频时间N 倍，以此有效回避频谱叠加问题，切实增强雷达相邻传输路线的顺畅性。

4 仿真分析

4.1 仿真参数

采用表1 中的仿真数据进行频谱调整，跳频频率具体是指：在VCO 传输频谱调整信号时，使用载波频率进行处理，此时随机产生的虚假码，对数字合成程序形成控制产生的载波频率。具有随机性的虚假码，使用PN 表示，是一种5 级m 序列，可获取载波频率。当载波频率个数为31 时，设定周期值为31，进行随机跳变处理，以此保证通信质量，减少干扰威胁。

表1 仿真参数

4.2 仿真结果

为获取对比效果，仿真模拟时，选择相邻距离较小的两组雷达设备。在运行时，初期频率f0 参数为24GHz，带宽B 参数为100MHz。仿真结果中，回传信号的B 值，等同于信号传输时的B 值，两个B 值对应的频段具有差异性。在仿真运行时，频谱变动幅度约为1MHz，此时可能发生频谱无序叠加现象。在使用跳频技术优化后，差频信号中含有新增频带，在发生无序叠加问题时，此新增频带可进行信号修复，以此去除叠加影响。

经仿真发现：跳频技术频率调整完成时，传输信号拥有两个可用频带，可使回传、差频两组信号均在可用频带中，切实减少了频谱叠加问题；新增的频带，可称为“镜像频带”，具有信号修复能力，保证雷达探测功能的平稳性；跳频技术，用于优化雷达探测性能、排除干扰因素中，具有可行性[2]。

综上所述，对FMCW 雷达进行信号优化时，引入跳频技术，能够有效消除信号无序叠加问题，切实增加雷达距离、速度探测结果的精准性，积极排查信号叠加带来的干扰问题。由仿真实践发现：跳频技术的合理使用，可改变相邻雷达的信号传输频段，创建可用的信号传输频带，积极去除信号混叠问题，确保雷达使用效果。