距離-多普勒二維處理在防撞雷達(dá)中的應(yīng)用

陳大海， 王磊磊， 陶坤宇

（上海無線電設(shè)備研究所，上海200090）

0 引言

防撞雷達(dá)要實現(xiàn)其功能，不但要完成目標(biāo)距離速度的測量，還需要具備多目標(biāo)識別能力。在防撞雷達(dá)系統(tǒng)中，線性調(diào)頻連續(xù)波（LFMCW）體制應(yīng)用最廣泛。簡單的線性調(diào)頻可以分為三角波調(diào)制和鋸齒波調(diào)制。鋸齒波調(diào)制形式較簡單，但存在嚴(yán)重的距離速度耦合問題，因此在動目標(biāo)檢測上有巨大缺陷。三角波調(diào)制采用正負(fù)斜率頻譜配對，解決了距離速度的耦合，并且系統(tǒng)實現(xiàn)相對簡單，因此應(yīng)用廣泛，但是該方式也存在明顯的缺點［1］。在多目標(biāo)情況下，采用頻譜配對方法會產(chǎn)生多個虛假目標(biāo)，導(dǎo)致目標(biāo)識別困難。研究者針對多目標(biāo)識別提出了一些改進(jìn)方法［2］，如變周期調(diào)制、多斜率調(diào)頻、逐次逼近法等，雖然解決了虛假目標(biāo)問題，但是也大大提升了系統(tǒng)的復(fù)雜度和工程實現(xiàn)難度，因此都不是理想的方法。

本文研究的距離-多普勒二維處理方法很好地解決了多目標(biāo)識別問題。該方法應(yīng)用于鋸齒波線性調(diào)頻系統(tǒng)中，通過多周期積累抑制固定雜波、簡化目標(biāo)環(huán)境，可以在復(fù)雜的環(huán)境中實現(xiàn)運動目標(biāo)的距離速度去耦合［3］。該方法運用于防撞雷達(dá)系統(tǒng)，在較低的系統(tǒng)復(fù)雜度下可以實現(xiàn)多個動目標(biāo)的測距測速，因此比較有實用價值。

1 距離-多普勒二維處理方法分析

在鋸齒波線性調(diào)頻系統(tǒng)中，設(shè)f0為信號載頻，B 為 調(diào) 頻 帶 寬，T 為 調(diào) 頻 周 期，c為 光 速，v 為目標(biāo)速度，根據(jù)線性調(diào)頻信號特點可知回波信號與發(fā)射信號的差拍信號仍是一個線性調(diào)頻信號［4］，對其作頻譜分析得到差頻fΔ，進(jìn)而可得到目標(biāo)距離

雖然，距離中耦合了速度信息。

設(shè)目標(biāo)多普勒頻率為fD，可得出目標(biāo)速度為

可見只需求出fΔ與fD，即可得知目標(biāo)的距離和速度。

根據(jù)上述分析，距離-多普勒二維處理方法實現(xiàn)步驟：將單個調(diào)頻周期的采樣數(shù)據(jù)［a，b，c，d，e…］進(jìn)行FFT 變換，得到頻譜［A，B，C，D，E…］，分析后可得到差頻fΔ，積累多個周期數(shù)據(jù)后得到矩陣

通過多個周期間的包絡(luò)變化得到目標(biāo)速度信息，即對多周期數(shù)據(jù)對應(yīng)的每個距離單元如［A1，A2，A3，…，AM］進(jìn)行FFT 變換，得到多普勒頻率fD。通過式（1）和式（2）便可計算出目標(biāo)的距離和速度。

二維FFT 處理對調(diào)頻周期T 有約束條件。第二維FFT 處理相當(dāng)于對第一維FFT 的結(jié)果進(jìn)行周期為T 的等間隔采樣，根據(jù)奈奎斯特采樣定理，為保證多普勒頻率不混疊，采樣頻率fs＝1／T應(yīng)大于信號最大頻率fD的兩倍［4］。設(shè)需要檢測的最大速度為vmax，則其對應(yīng)的多普勒頻率為

則

因此，調(diào)頻周期需要降低到足夠小，才可以保證測速不模糊。設(shè)ΔR 為距離分辨率，此時距離速度耦合引起的距離誤差

可忽略不計，因此距離速度耦合已消除。

設(shè)第二維FFT 點數(shù)為M，則一次二維FFT信號積累時間為M×T，在防撞雷達(dá)系統(tǒng)中典型值為幾毫秒，雖然高于三角波調(diào)制下的處理周期，但仍小于系統(tǒng)要求的刷新頻率（約50 ms），并且由于多周期積累，獲得了更高的信噪比和測速精度。

2 防撞雷達(dá)系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計與仿真

已知防撞雷達(dá)系統(tǒng)信號載頻f0＝77GHz，現(xiàn)欲設(shè)計測距精度ΔR＝0.5 m，測速精度Δv＝1m／s。設(shè)一維FFT 點數(shù)為N，二維FFT 點數(shù)為M，根據(jù)式（1）和（2）可知［5］

經(jīng)過計算選取以下系統(tǒng)參數(shù)：調(diào)頻帶寬B ＝300 MHz，調(diào)頻周期T＝25.6μs，采樣頻率fs＝20 MHz。一維FFT 點數(shù)N＝512，二維FFT 點數(shù)M＝128。

假 設(shè) 有 兩 個 目 標(biāo)，其 中R1＝40 m，v1＝20m／s，R2＝80m，v2＝10m／s，在MATLAB 中對二維FFT 方法進(jìn)行仿真。程序在每個周期內(nèi)采樣512個數(shù)據(jù)后進(jìn)行512點的FFT 運算，然后將128個周期的FFT 結(jié)果進(jìn)行第二維128點的FFT 運算，之后對實部和虛部求模。仿真運行后的結(jié)果，如圖1所示。

圖1 二維FFT 仿真結(jié)果

三維圖中兩個尖峰的坐標(biāo)分別為（80，35）和（160，18），可 計 算 出fΔ1＝3.125 MHz，fD1＝10.376kHz，fΔ2＝6.25 MHz，fD2＝5.188kHz。代入 式（1）和（2），得 出R1＝39.74 m，v1＝20.13m／s，R2＝79.93 m，v2＝10.06 m／s，結(jié)果都在設(shè)定的精度范圍之內(nèi)。

仿真結(jié)果表明，該方法可以有效區(qū)分距離速度不同的目標(biāo)，并且求解的距離速度的精度都符合初始設(shè)計。

3 二維處理的實現(xiàn)與驗證

距離-多普勒二維處理由于在短時間內(nèi)要進(jìn)行多次FFT 運算，因此對硬件處理能力有一定要求。一次測量需要完成M 次N 點FFT 以及N次M 點FFT，這些運算都必須在一個刷新周期內(nèi)完成。考慮到FPGA 擅長并行處理，系統(tǒng)采用DSP+FPGA 的架構(gòu)，所有的FFT 運算在FPGA中進(jìn)行，DSP 完成解算與其他控制，兩者通過EMIF接口連接。系統(tǒng)采用兩塊SRAM 實現(xiàn)乒乓存儲，一維FFT 的數(shù)據(jù)先存儲在SRAM1中，待完成M 次后，F(xiàn)PGA 從SRAM1中讀出數(shù)據(jù)作第二維FFT 運算，此時一維FFT 的結(jié)果存儲至SRAM2中，如此交替存儲，實現(xiàn)連續(xù)測量。二維FFT 完成后的頻譜數(shù)據(jù)傳輸至DSP 中進(jìn)行目標(biāo)識別與距離速度解算。

圖2為信號處理平臺結(jié)構(gòu)框圖，A／D 采樣信號存入FPGA 的FIFO 中，待存滿一個周期后（512點），送 入512-FFT 模 塊 進(jìn) 行512 點FFT運算，結(jié)果存入SRAM，等到128個周期都完成后，數(shù)據(jù)從SRAM 讀出至128-FFT 模塊進(jìn)行128點FFT 運算，結(jié)果存入FIFO，待DSP 來讀取。

圖2 信號處理平臺結(jié)構(gòu)框圖

根據(jù)系統(tǒng)要求，采用12 位20MSPS 的AD9 238完成對差拍信號的采樣，數(shù)據(jù)以并行方式送入FPGA 處理。FPGA 選用Xilinx 公司的XC3SD3400A，該芯片具有126個最高工作頻率為250MHz的DSP48A 數(shù)字信號處理單元，以及2 268K 的Block RAM，適合完成大量運算。靜態(tài)存儲器采用CY7C1011DV33，速度級別10ns，存儲空間達(dá)2 Mbit。DSP 采用TI 公司的TMS320F2812，具有16位EMIF接口，可方便的從FPGA 讀取數(shù)據(jù)進(jìn)行解算，結(jié)果最后通過SCI發(fā)送至上位機(jī)。

本設(shè)計中，F(xiàn)FT 運算采用Xilinx公司提供的IP 核，設(shè)FFT 都 采 用 基-4 算 法，數(shù) 據(jù) 長 度 為16bit，F(xiàn)FT 運算時鐘為100MHz，則完成512點FFT時間為17.72μs，小于一個采樣周期25.6μs。完成128 點FFT 時間為4.72μs，則完成二維FFT 算法的時間為4.72μs×512＝2.4ms，小于128個周期的采樣時間128×25.6μs＝3.2 ms，可以連續(xù)處理。中間數(shù)據(jù)需要的存儲空間為128×512×2×16bit＝2 Mbit，可見硬件平臺的實現(xiàn)能力滿足系統(tǒng)要求。

根據(jù)以上方案設(shè)計的防撞雷達(dá)系統(tǒng)，在實際路況下以汽車為目標(biāo)進(jìn)行測試試驗，得到的頻譜數(shù)據(jù)繪出三維圖，如圖3所示。

從圖中可明顯分辨出兩個主要目標(biāo)，根據(jù)橫縱坐標(biāo)解算的頻率信息即可求出距離速度?？梢姡摲椒ㄟ\用于防撞雷達(dá)系統(tǒng)，可以有效分辨多個不同距離速度的目標(biāo)，并實現(xiàn)各個目標(biāo)的測距測速。

圖3 樣機(jī)試驗結(jié)果

4 結(jié)論

在防撞雷達(dá)系統(tǒng)中，簡單的鋸齒波調(diào)制和三角波調(diào)制都存在固有的缺陷，都不是理想的實現(xiàn)方法。鋸齒波線性調(diào)頻與距離-多普勒二維處理相結(jié)合的方法充分利用了相位信息，可以在較低的系統(tǒng)復(fù)雜度下實現(xiàn)多個目標(biāo)的無模糊測距測速。通過對該方法的仿真、硬件實現(xiàn)與試驗，表明該方法適合應(yīng)用于防撞雷達(dá)系統(tǒng)，但該方法運算量較大，對硬件平臺的處理能力有一定要求。

［1］ 王月鵬.對稱三角線性調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)技術(shù)研究［D］.西安：西安電子科技大學(xué)，2005.

［2］ 劉艷.FMCW 汽車防撞雷達(dá)的多目標(biāo)信號處理方法研究［D］.南京：南京理工大學(xué)，2004.

［3］ 江玲.低截獲概率雷達(dá)信號處理算法實現(xiàn)［D］.西安：西安電子科技大學(xué)，2007.

［4］ 王月鵬，趙國慶.二維FFT 算法在LFMCW 雷達(dá)信號處理中的應(yīng)用及其性能分析［J］.電子科技，2005，（5）：25-28.

［5］ 杜川華，龔耀寰.LFMCW 雷達(dá)的距離／多普勒處理［J］.電子科技大學(xué)學(xué)報，2004，33（1）：27-30.