降低雷達(dá)接收機(jī)中噪聲的幾種方法

1引言雷達(dá)接收機(jī)除了接收到有用信號外，還接收著雜亂的噪聲信號，這些噪聲信號嚴(yán)重影響雷達(dá)接收機(jī)的靈敏度。由雷達(dá)方程可知，要提高雷達(dá)的探測距離，提高雷達(dá)接收機(jī)靈敏度是一個重要的捷徑,但雷達(dá)接收機(jī)的極限值是受噪聲功率所限制的，要想提高接收機(jī)的靈敏度,增大雷達(dá)的作用距離,就必須研究怎樣降低噪聲。2接收機(jī)噪聲的來源雷達(dá)接收機(jī)的噪聲，一部分來自接收機(jī)接收到的外部干擾,主要有天線熱噪聲、友鄰雷達(dá)及電臺干擾、敵方雷達(dá)干擾設(shè)備的干擾、工業(yè)干擾、天電干擾及宇宙干擾等;另一部分噪聲來自接收機(jī)的內(nèi)部，主要由接收機(jī)的電阻、饋線、諧振回路等有損耗元件產(chǎn)生的熱噪聲以及電子管、晶體管等有源器件產(chǎn)生的各種噪聲。內(nèi)部噪聲和外部干擾都會影響有用信號的接收,但是,它們影響環(huán)境和影響程度是不同的。外部干擾的影響有時間性、空間性和頻率性，即外部干擾中,有的是只存在于某段時間，如只有雷雨時，才會有雷電干擾;有的是呈現(xiàn)在某個方位，如宇宙干擾主要在銀河系中心；有的只影響某個頻率范圍，如工業(yè)電氣設(shè)備干擾和天電干擾主要影響廣播、電視頻段;還有的外部干擾可以采用抗干擾措施消除。內(nèi)部噪聲的影響則無時間性、空間性和頻率性,任何接收機(jī)，只要一工作就有內(nèi)部噪聲產(chǎn)生,就會影響對微弱信號的接收，所以內(nèi)部噪聲對雷達(dá)偵察和雷達(dá)接收機(jī)影響最大。式中，巴、只'分別為接收機(jī)輸入端的信號功率和噪聲功率；Pg、尸“分別為接收機(jī)輸出端的倍號功率和噪聲功率。圖片:圖片:式中，甩門為接收機(jī)的額定功率增益〔潮定功率傳輸系圖片:=圖片:=至終端3降低接收機(jī)內(nèi)部噪聲的措施通常我們用“噪聲系數(shù)”來衡量內(nèi)部噪聲對輸出信噪比的影響程度,噪聲系數(shù)是接收機(jī)輸入端信號噪聲功率比與其輸出端信號噪聲功率比的比值,數(shù)學(xué)表達(dá)式為如果接收機(jī)內(nèi)部不產(chǎn)生噪聲，那么接收機(jī)信噪比通過接收機(jī)后是不會變化的，因此F=1。由于實(shí)際接收機(jī)是存在內(nèi)部噪聲的，那么輸入信噪比通過接收機(jī)后將要變壞，因此F>1,且F值越大，表示接收機(jī)內(nèi)部噪聲的影響越大。任何接收機(jī)總是由各個單元電路級聯(lián)組成的，當(dāng)知道各個單元的噪聲系數(shù)后，就可以求出多個單元級聯(lián)后的總噪聲系數(shù)F0:由式⑵可知,要使級聯(lián)電路的總噪聲系數(shù)F0小,就需各級的噪聲系數(shù)要小和額定功率增益要大；各級內(nèi)部噪聲的影響大小是不同的，越是靠近前面的幾級，噪聲系數(shù)和額定功率增益對接收機(jī)總的噪聲系數(shù)影響越大，而后面各級影響較小，可忽略不計(jì)。所以，在設(shè)計(jì)接收機(jī)時,總是力圖減小前幾級的噪聲并增大額定功率增益，以提高接收機(jī)的靈敏度。圖1是一般雷達(dá)接收機(jī)的方框圖。一般雷達(dá)接收機(jī)中都有高頻放大器,而且高頻放大器的額定功率增益總是很大的,因而我們在考慮接收機(jī)的總噪聲系數(shù)時一般只考慮高頻放大器以前各級的噪聲系數(shù),而忽略其后各級噪聲對總噪聲系數(shù)的影響。因此，為了降低總噪聲系數(shù),一般可以采用以下的措施:⑴高頻饋線及部件。厘米波雷達(dá)的高頻饋線及高頻和差系統(tǒng)是比較復(fù)雜的，一般包括低功率極化器、數(shù)個移相器、雙T和差網(wǎng)絡(luò)、放電器、波導(dǎo)2同軸變換器等微波器件。由于這些無源網(wǎng)絡(luò)的額定功率傳輸系數(shù)都小于1,必然要產(chǎn)生一定的損耗,將使接收機(jī)的噪聲系數(shù)增大。因此，要盡量采用損耗低的高頻饋線及高頻元器件，同時它們與電路的連接、匹配均應(yīng)十分良好。⑵高頻放大器。根據(jù)式⑵可以知道,采用額定功率增益大、噪聲系數(shù)低的高頻放大器,對雷達(dá)接收機(jī)獲得低噪聲性能具有決定性的意義。目前低溫參量放大器及低溫高電子遷移率晶體管(HEMT)放大器等都是一些性能較好的高頻放大器。(3)混頻器。在采用了高頻放大器以后，不等于說對微波混頻器的噪聲性能就可以降低要求。特別是在無高頻放大器的雷達(dá)接收機(jī)中，混頻器噪聲的影響就更為重要，必須采用相應(yīng)的措施減小混頻器的噪聲。要降低混頻器的噪聲，應(yīng)選用噪聲性能良好的混頻二極管，比如采用面積接觸型的微波晶體混頻二極管；正確選擇混頻器的工作狀態(tài)；廣泛采用平衡、雙平衡及三平衡混頻器,以大大減小本地振蕩器噪聲的影響;使用鏡頻回收和鏡頻抑制技術(shù)來減少混頻器的變頻損耗,降低混頻器輸出的中頻噪聲,從而提高混頻器輸出端的信噪比等。(4)前置中頻放大器。對于厘米波雷達(dá)接收機(jī),由于結(jié)構(gòu)等方面的原因,通常把中頻放大器分成前置中放和主中放兩部分,且前置中放離接收機(jī)的高頻部分很近。其目的是將混頻器輸出的微弱中頻信號預(yù)先進(jìn)行功率放大,然后再用較長的中頻電纜送到主中放去,這樣就可以把電纜和主中放的噪聲影響減小到最低程度。采用低噪聲的前置中放對于直接混頻的雷達(dá)需要2一3級。為了使電路具有低噪聲、高額定功率增益、高的工作穩(wěn)定性,對于晶體管雷達(dá)接收機(jī),第一級通常采用共射2共基極級聯(lián)電路;對于電子管雷達(dá)接收機(jī),第一級廣泛采用高頻五極管接成三極管用的共陰2共柵極級聯(lián)電路。除此以外,還可以通過適當(dāng)?shù)剡x擇接收機(jī)的中頻頻率、接收機(jī)的工作頻帶以及降低接收機(jī)的工作溫度等措施來降低接收機(jī)的噪聲系數(shù)。圖2白適應(yīng)白調(diào)諧濾波器始輸入，經(jīng)過延時P后作為參罟輸入x,顯然工與刃足不相關(guān)的，口適應(yīng)濾波器輸出.V也與"不相關(guān)。誤差信號&為9=$+“-y兩邊平方后取數(shù)學(xué)期望.?E[fi]=E[(s-y)~]十E[tt]^-2E[n(s-y)]⑶若慮到料與』及],不相關(guān)，且?的均值為零，上式變?yōu)镋[^]=E[(s-y)1]+E[n~] (A)當(dāng)調(diào)節(jié)濾波器參數(shù)使E[問最小時，噪聲功率Ef小不會變化，耐心-y)2]將達(dá)到最小，從而濾波器輸出j為信號s的最小平方估計(jì)0口適應(yīng)濾波器右多種算法,這里采用一種簡單易行的最小均方算法rLMS算法丿。濾波器采用橫向?yàn)V波器，如圖3所示。對于這種濾波器,系統(tǒng)輸出誤差你為縱=辦-XkWk ⑸其中，輸出向量Xi=[心小_1…小一1/,權(quán)向:&叭=[woovit???w；*]r,T表示轉(zhuǎn)置。LMS算法簡單地取媒作為刃珀的估值，于思自適應(yīng)過程每次迭代時共梯度怙值為A權(quán)向量為呼"=叭-找存二叭-2礙(1)

式中“足控制自適應(yīng)速度與穩(wěn)是性的常數(shù)'應(yīng)滿足

0<A<1/丄皿K其中丄是自相關(guān)陣=E[X.Xl]的特征值?？梢宰C明，權(quán)向量的數(shù)學(xué)期塑值收斂于最隹權(quán)向量」即維納最件解TX= ，耳=E{&沁為互相董冋量廠4.2小波變換的消噪方法及其改進(jìn)設(shè)M點(diǎn)離敕含噪信號為f(t)=s(r)+譏〃 W其中川⑴為原始信號是方差為的髙斯白噪聲』服從N(Q,(T)■■■容易看出，對/⑴妙肌次力皴分解之后’由空間分布不均勻信號訂訃所對應(yīng)的各尺度上小波系數(shù)叱川在某些特定的位置有較大的值」這些點(diǎn)對應(yīng)于原始信號.何的奇變位置和重墓信息，而It他大部分位置的巧占值較小』對應(yīng)于信號的緩變部企?對于白噪聲M幾它所對應(yīng)的力披系數(shù)眄左在每一尺度上的分布是均勻的「并隨著尺度的增如吟係數(shù)的幅值有所減小。因此，通常的消噪辦法是選取一閾值九把低于h的小渡系數(shù)杠七(主栗由噪聲銳心丿引起^設(shè)為零，而尿存髙于A的叫「注要由信號打也引起；，經(jīng)過這樣處理之后的叫'就可理解為基本上是由信號打打引起的」再利用小波快速亜構(gòu)算法對叫丄進(jìn)行重構(gòu)，就可得到原始信號的一個估計(jì)o具體方袪如下；⑴對含噪信號池"利用小渡快速分解算法做小菠分解‘得到小波系數(shù)叫q

* \ 心*-(\巧冷| , |旳川|EAI° 「丨叫加<入則鬲川為經(jīng)過軟閾值之后得到的小波系數(shù)；f芳對血飛利用小波快速重構(gòu)算法進(jìn)行重構(gòu)，便可得到和”的估計(jì)值f(t).該方法計(jì)算簡單,但它壯一種相對?粗賂的去噪方首先對A的選取作了醺進(jìn)，：?通過實(shí)例驗(yàn)證上述A的取法不太理想,所以筆崙設(shè)計(jì)丁一種方案，在不同的尺度)取不同的S=叱血目的1/3/ln(j—1兒即隨著尺度J的增大」人的值逐漸減小，便得與噪聲在小波變換各尺度上的傳播特性相一致0另外給岀了一種估計(jì)小液系數(shù)的新方法,稱為槻平方處理方法，它可以促使信噪分離■:.下而對共進(jìn)行討論■：■先普慮叫飛>0的情形，然后把結(jié)論推廣到忖V0的情況。在軟閾值估計(jì)方法中'當(dāng)^.^>0時，式『卯等價于如呆把心“右看成一個整體，則式「10>的實(shí)際含義為當(dāng)旳“A|>1時嚴(yán).斤被認(rèn)為主要是信號所對應(yīng)的小液系數(shù)，予以保留,■否則，叫飛被認(rèn)為主箜是由噪聲引起的，應(yīng)當(dāng)消除。該模型雖然與軟閾值模型是先全等價的，但可戌從中得到一些啟樂o比如』可以取I*"川咋屛心‘-叮.聽“心Ei小Wj.i=■ , 『11丿I0 ,叫-*易v1即先對叫加心進(jìn)行平方處理，使得每一個系數(shù)與1的偏離桎度增大，這樣可以促進(jìn)信嚼分離，然后再對共進(jìn)行軟閾值處理，最后幵平方得到—以上討論的是叫八0時的情形。對于一般情況，有羽-幾上EAj(Y2)綜上所述，改進(jìn)之后的消噪算法為，⑴對含哩聲信號ft#利用小披快謹(jǐn)分解算法進(jìn)行小彼分解.得到小漩殺數(shù)叫爪⑵令心二d-fZlogJ^^/lnO+1),由式(12)定義譏片從而得到一組估計(jì)小菠系數(shù)；G丿對鬲飛利用小波快速重構(gòu)算法進(jìn)行重構(gòu)，便可得到的估計(jì)值丿3:降低接收機(jī)外部噪聲的方法以上的幾種方法對于降低接收機(jī)內(nèi)部噪聲有十分顯著的作用,但對于抑制接收機(jī)的外部噪聲就沒有太大的作用了。為了降低接收機(jī)的外部噪聲,我們可以采用以下幾種方法。4.1自適應(yīng)噪聲對消法考慮到雷達(dá)回波是不相關(guān)的,不能采用常見的自適應(yīng)噪聲對消器來消除,為其參考輸入噪聲和原始輸入噪聲是相關(guān)的。如果我們采用圖2所示的自適應(yīng)自