0 引　言

基于雷达系统，船舶可以实现导航、目标探测、通信等重要的功能。雷达系统的信号接收器是其关键设备，接收器不仅需要降低回波信号的噪声干扰，还需要对回波信号的特性进行全面解析，接收器的灵敏度越高，雷达探测的精度越高。因此，提高雷达信号接收器的设计水平，是提升船舶雷达系统性能的关键^[1]。

本文采用PLC技术设计接收器的控制核心，详细介绍了接收器的基本构成，重点针对雷达信号接收器的噪声特性、控制器、存储器等硬件电路进行了设计。

1 船舶雷达信号接收器概述 1.1 雷达信号接收器基本构成

雷达信号接收器的主要功能是进行雷达回波信号的噪声过滤、信号放大、信号调制和解调等，基本结构如图1所示。

1）保护器

信号接收器保护器的主要作用是防止接收器受到高功率信号的损伤，由于雷达系统为了提高探测距离，发射波信号的功率非常大，发射波受到近距离目标的反射产生的回波信号功率也非常大，可能导致低噪声放大器烧坏。常用的雷达信号接收器保护器包括环形保护器和限幅器，其中，限幅器的作用是限制回波信号的幅值，当超过该幅值时信号无法进入接收器的信号处理硬件。

2）低噪声放大器

低噪声放大器的作用是进行雷达系统微弱回波信号的放大，并对某些白噪声信号进行过滤。低噪声放大器的关键是其增益特性，增益越大，低噪声放大器的信号放大功能越强^[2]。

3）预选滤波器

预选滤波器是一种前置的滤波信道网络，只能允许特定频率的信号进入接收器，其他频率的信号全部抑制。雷达信号接收器的预选滤波器可以将系统的镜频干扰进行抑制，提高系统的信号信噪比。

4）混频器

混频器的作用是将射频信号与系统的本振频率机型混频，得到雷达系统的中频信号，这样做的作用一方面可以提高雷达接收器信号的稳定性，防止射频信号随着外界条件发生频率波动；另一方面可以过滤某些频率的噪声信号，提高信噪比。

5）匹配滤波器

匹配滤波器是进行雷达接收信号噪声过滤的关键设备，在白噪声的背景下，匹配滤波器可以实现最大信噪比信号的输出。匹配滤波器的工作过程如下：

假设回波信号 $ x\left( t \right) $ 为：

$ x\left( t \right) = s\left( t \right) + n\left( t \right) \text{，} $

式中， $ s\left( t \right) $ 为回波信号中有用的信号部分， $ n\left( t \right) $ 为回波信号中的噪声，以高斯白噪声为主。

匹配滤波器的频率响应为 $ H(w) $ ，幅值响应为 $ S(w) $ ，则滤波器的输出为：

$ y\left( t \right) = {s_0}\left( t \right) + {n_0}\left( t \right) \text{，} $

其中， $ {s_0}(t) = \dfrac{1}{{2\text{π} }}\displaystyle\int_{ - \infty }^{ + \infty } {H(w)} S(w){e^{jwt}}{\rm{d}}w $ ， $ {n_0}(t) = \dfrac{1}{{2{\text{π}} }}\displaystyle\int_{ - \infty }^{ + \infty } $ $ | H(w){|^2} \cdot \left( {{N_0}/2} \right){\rm{d}}w $ ， $ {N_0} $ 为功率谱密度。

可得匹配滤波器输出信号的信噪比为：

$ SNR = \frac{{{s_0}(t)}}{{{n_0}(t)}} = \frac{{\left| {\dfrac{1}{{2{\text{π}} }}\displaystyle\int_{ - \infty }^{ + \infty } H (w)S(w){e^{jwt}}{\rm{d}}w} \right|}}{{\dfrac{{{N_0}}}{{4{\text{π}} }}\displaystyle\int_{ - \infty }^{ + \infty } | H(w){|^2}{\rm{d}}w}} 。$

图2为匹配滤波器的脉冲响应特性曲线。

6）中频放大器

中频放大器的作用是进一步对信号接收器中的信号进行处理，提升信号的频率^[3]，使信号频率达到检波器能够正常工作的范围。

7）检波器

检波器也称解调器，在雷达信号接收器中，检波器的作用是进行中频信号的转换，将中频信号转化为视频信号，发送至雷达接收器的显示单元。

1.2 雷达信号接收器的噪声特性及噪声抑制

在雷达系统的工作过程中，信号噪声的产生难以避免，噪声来源主要包括：

1）接收器内部

接收器的电阻元件、混频器等硬件设备在工作过程中会产生噪声信号，雷达系统的电路中电压、电流的突变也会产生噪声。

2）外部环境

比如无线电干扰、气象噪声、船舶自身振动等，这些干扰都会使雷达信号产生噪声。

由于内部和外部环境产生的干扰噪声频谱差异较大，因此在设计雷达信号接收器时，研究信号的噪声特性非常有必要。

在船舶雷达系统中，雷达发射脉冲单元往往是以特定的阵列形式存在，因此，在建立雷达系统的噪声时，首先建立雷达系统单个脉冲发射单元的噪声信号为：

$ d(x) = \frac{{{A_0}}}{{{\eta ^2}}}\exp \left( { - \frac{{{x^2}}}{{2{\eta ^3}}}} \right) \text{，} $

式中， $ {A_0} $ 为雷达噪声信号的幅值， $ \eta = \dfrac{q}{{{\lambda ^2}}} $ ， $ \lambda $ 为信号的波长，q为分布系数。

假定雷达回波信号的来波方向角为 $ \alpha $ ，系统中接收到的回波信号为：

$ {V_i} = {V_o}{e^{ - j\left( {t - 1} \right)\frac{{\sqrt 2 {\text{π}} \sin \;\alpha }}{\alpha }}} \text{，} $

其中， $ {V_o} $ 为回波信号的初始相位。

可以得到雷达接收器的有效信号为：

$ F = \sum\limits_{i = 1}^N {\left( {{V_i}{e^{ - j\left( {t - 1} \right)\frac{{\sqrt 2 {\text{π}} \sin \;\alpha }}{\alpha }}} - \frac{{{A_i}}}{{{\eta ^2}}}\exp \left( { - \frac{{{x^2}}}{{2{\eta ^3}}}} \right)} \right)} 。$

采用信号压缩的方式改善信噪比，压缩函数为：

$ U\left( t \right) = {K_A} \cdot rect\left( t \right)\exp \left( {2{\text{π}} {f_0} + \frac{\alpha }{2}{t^2}} \right) \text{，} $

得到压缩后的雷达系统噪声信号为：

$ {f_2}\left( x \right) = U\left( t \right) \cdot \frac{1}{{\sqrt {2{\text{π}} } \lambda x}}\exp \frac{{ - {{\ln }^2}\left( {\frac{x}{{U\left( t \right)}}} \right)}}{{2{\lambda ^2}}} 。$

图3为特定回波方向的雷达噪声信号幅频特性。

2 基于PLC技术的船舶雷达信号接收器设计 2.1 PLC技术在雷达信号接收器的应用

可编程序逻辑控制器(PLC)基于微处理器技术，是计算机、自动控制、通信技术的综合体，具有体积小、灵活度高、功能性强等优点，由于船舶雷达系统接收器的数据处理要求高，工作环境较为恶劣，因此采用PLC技术具有明显的优势。

可编程控制器PLC的基本构成包括CPU、输入接口部件、输出接口部件、电源电路和其他外围设备等，基本结构原理图如图4所示。

2.2 雷达信号接收器中关键硬件设备的设计

基于PLC技术设计了船舶雷达信号接收器的核心硬件，具体如下：

1）控制器

控制器是信号接收器的核心，是进行数据运算、逻辑运算的位置。本文采用的控制器为S7-300系列^[4]PLC，基本参数如表1所示。

2）数据存储器

在雷达信号接收器中，数据存储器主要包括PLC可编程序控制器中的存储器和雷达信号数据存储器。其中，PLC可编程控制器中的存储器又分为ROM和RAM存储空间2种，ROM空间是只读存储空间，数据只能读出不能写入，按照编程方式可以分为PROM、EPROM等；RAM是随机存储器，可保存PLC的临时数据。

接收器的雷达信号存储器以分布式数据库为主要形式，采用目前使用最广泛的DRAM存储器，存储空间可达1 T，满足雷达接收器的日常运行所需的数据存储需求。

3）外部设备接口

外部设备接口是PLC可编程控制器与外部设备的接口，也是实现人机对话的关键传输通道，在设计船舶信号接收器时，采用RS-232串行通信接口实现与其他设备的通信，比如打印机、显示器等。

在RS-232通信接口中，字符以串行（serial）的方式传输^[5]，发送一个字符所需的比特数大于10个，其优点在于数据的传输速度较快，抗扰动性能较好。同时，RS-232通信接口也存在一些不足，比如通信距离相对较短、信号传输过程的电平较高，可能会造成线路的烧坏等故障。

4）电源模块

雷达信号接收器的电源电压为5 V，为了保障接收器的电源稳定性，防止接收器出现过压、欠压、短路等故障，有必要针对信号接收器的电源设计一种保护电路。

该电流具有电源防反接功能，在正常供电时，通过2个TVS^[6] (D101和D102)导通，当电源反接时，电流通过GND端流过电阻R101，此时电路中的Q101会迅速断开，对系统起到保护作用。

2.3 基于PLC技术的船舶雷达信号接收器测试

对基于PLC技术的船舶雷达信号接收器特性进行测试，选用的射频输入信号频率为1.5 GHz，射频输入信号频谱如图5所示。

信号接收器的输出接口连接频谱分析仪^[7]，输出的响应信号如图6所示。

3 结　语

船舶雷达系统的信号接收器决定了雷达探测的精度和效率，本文在进行雷达信号接收器的优化设计时，采用PLC技术提升了信号接收器的数据处理能力和接口通信能力。首先介绍了船舶雷达信号接收器的基本构成和关键部件，比较中频放大器、匹配滤波器等，然后分析雷达信号的噪声特性，最后对雷达信号接收器的关键部件进行优化设计。