作為高分辨率雷達之一，毫米波頻率步進雷達因具有極好的距離分辨率，而被越來越廣泛的使用。利用傅立葉逆變換(IFFT)實現頻率步進雷達一維成像的過程是：在自由空間中，發射機發射n個脈寬為t，載頻步長為Df的脈沖串，各載頻分別為fi=f0+iDf，其中i=0，1，2，…，n-1，重復周期為T，這n個脈沖的步進總帶寬B=(n-1)Df。發射的信號遇到距離為R并且徑向速度為v的目標后反射回超外差結構的接收機，經過一次或多次下變頻后，對每個回波脈沖脈寬中心點進行正交采樣，最后對采樣數據作n點IFFT，即可獲得目標的一維距離像(Range Profile)。

　　在噪聲中檢測信號的能力是檢驗雷達系統性能好壞的關鍵，雷達系統只有從噪聲中有效地獲取回波信號的信息才能對目標進行檢測，而頻率源的相位噪聲是決定系統信噪比好壞及性能的關鍵要素之一。本文利用仿真工具Agilent ADS，對頻率步進雷達系統射頻部分進行建模，并使用Mathworks Matlab對模型輸出數據進行分析，通過這種數值仿真的方式能夠對雷達系統的各種參數進行量化分析。隨后，利用該仿真平臺對頻率源重要參數之一的相位噪聲對頻率步進雷達系統的影響進行，進一步給出對頻率源相位噪聲的要求，對實際系統的設計有一定參考價值。

　　2 頻率步進雷達模型構建

　　頻率步進雷達按照功能機構劃分可以分為天饋(Antenna)、頻率源(Frequency Synthesizer)、接收機(Receiver)和信號處理機(Signal Processer)四個部分，如圖1所示。其中的頻率源又包含為系統所需的發射機信號(Tx)和接收機所需的本振信號(LO)兩個部分。

　　圖1 頻率步進雷達構造

　　根據頻率步進雷達的構造，我們設計了如圖2所示的仿真平臺對其進行建模，通過對它的參數仿真結果的分析，達到對其性能評估的目的。

　　圖2 仿真平臺構造

　　該仿真平臺，主要由ADS和Matlab兩個工具軟件組成。其中ADS對頻率步進雷達的射頻部分進行模擬，主要包含發射機(Transmitter)、本振(Local Oscillator)、信道(Signal Channel)和接收機(Receiver)四個模塊構成，其輸出為基帶回波信號。該基帶回波信號，再由Matlab仿真平臺，根據頻率步進雷達信號處理的方式進行信號處理，便能夠得到目標的一維距離像。該仿真平臺的特點是將射頻電路與信號處理結合在一起，能夠對射頻電路中的參數對于系統的影響進行直接分析，更接近于真實系統情況，有利于實際系統的設計。

　　3 相位噪聲影響分析

　　頻率步進雷達的性能好壞，由很多因素決定，僅分析其輸出噪聲部分，就包含大氣噪聲、幅度起伏、頻率誤差以及本振相位噪聲等[6]。以下將就相位噪聲對雷達系統的影響進行量化分析。

　　相位噪聲是衡量頻率短期穩定度的一個重要指標，目前主要用阿倫方差和相噪功率譜密度，分別從時域和頻域兩個角度來描述。作為頻率穩定度頻域表征的五冪律法，基本上適用于一切實際的振蕩源，包括最常見的白噪聲、閃爍噪聲和隨機游走等類型的噪聲效應。冪律噪聲表示法如圖3所示。

　　圖3 用冪律噪聲表示相位噪聲譜

　　圖3除了表述相位噪聲的來源以外，還表示出相位噪聲的出現將振蕩器的一部分功率擴展到相鄰的頻率中去，產生了噪聲邊帶。該噪聲邊帶會隨著接收機混頻的過程，而被調制到基帶信號中，成為基帶信號噪聲的一部分，從而惡化雷達系統檢測信號的能力。

　　假設一個工作在W波段94GHz附近的頻率步進雷達，其步進頻率為8MHz，共64個頻率點，脈沖寬度100ns，重復周期10ms，其理想的距離分辨率將達到0.3m。圖4是理想無噪聲情況下，數據在經過128點IFFT的輸出圖形。為了提高邊帶抑制，輸出的結果經過了“Hamming”加窗，為了分析比較，結果還進行了幅度的歸一化。

　　圖4 理想一維距離像

　　此時，假設頻率步進雷達中典型的一個頻率源的相位噪聲為表1所示

　　表1 頻率源相位噪聲

　　頻率源相位噪聲在被調制到基帶邊帶的過程中，如果雷達系統是相參系統時，會因為噪聲之間存在相關性[9]或者作用距離[10]而有一定的改善。為了分析方便，這里忽略該改善效應，即對相位噪聲的影響在最壞情況下進行分析。其設定的相位噪聲和仿真所用模型如圖5所示

　　圖5 頻率源相位噪聲圖形

　　將該相位噪聲數據經過ADS仿真平臺調制到基帶輸出后，再由Matlab進行分析，得到圖6。

　　圖6 相位噪聲影響

　　從圖6可以看出相位噪聲明顯造成距離像邊帶的惡化，但是不會影響雷達系統的距離分辨率。相位噪聲對雷達系統的影響，表現在，在多點目標情況下，小目標將會被淹沒在大目標的邊帶噪聲中，而不能被分辨，從而影響雷達在多點目標情況下對小目標的探測的性能。

　　隨后，對表1所列舉的相位噪聲在惡化10dB和改善10dB的情況分別進行分析，得到如圖7所示的結果。

　　圖7 不同相位噪聲情況下的影響分析

　　圖7顯示出，隨著相位噪聲的惡化，一維距離像的邊帶噪聲隨之惡化。而當相位噪聲改善到一定程度時，其一維距離像與理想情況差別不大，此時相位噪聲在系統中的影響可以被忽略。

　　根據以上的分析，我們設計出W波段的頻率步進雷達所需的頻率步進頻率源，其輸出的相位噪聲達到-90dBc/Hz@10kHz，測試結果如圖8所示。

　　所做頻率源的優越相位噪聲特性，將保證W波段頻率步進雷達系統具有良好的多目標分辨能力。

　　圖8 實作頻率源相位噪聲測試

　　4 結論

　　本文采用ADS和Matlab工具，對毫米波頻率步進雷達系統進行建模和性能評價。著重分析了頻率源重點參數之一的相位噪聲對雷達系統一維距離成像的影響。發現相位噪聲主要影響頻率步進雷達在多目標情況下，對小目標的探測能力。然后通過數值仿真的方式對相位噪聲對頻率步進雷達系統的影響進行量化分析。進一步分析得到頻率源的相位噪聲達到一定程度時，對于系統的影響可以被忽略，最后根據該分析結果，設計了一套W波段的頻率步進頻率源，其相位噪聲為-90dBc/Hz@10kHz，以保證毫米波頻率步進雷達系統的性能不受相位噪聲影響。根據該仿真平臺，還可以對頻率步進雷達的其它參數進行分析，比如接收機噪聲系數、帶寬和增益分配，以及系統頻率步進大小，脈寬選擇和重復周期選擇等等各項參數的影響，進行量化分析，達到為確定頻率步進雷達系統參數選擇和指標的分配提供仿真依據的目的。