高 星

(中國船舶重工集團(tuán)公司第七二三研究所，江蘇 揚(yáng)州 225101)

0 引 言

線性調(diào)頻連續(xù)波(LFMCW)雷達(dá)技術(shù)由來已久，但是因?yàn)橄嚓P(guān)的理論問題，所以線性調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)的應(yīng)用一直比較有限。從20世紀(jì)70年代后期開始，研究學(xué)者們才開始深入地研究線性調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)的各種關(guān)鍵技術(shù)，使其得到了更多更全面的認(rèn)識和關(guān)注。線性調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)的一些特性分析如下[1]：

(1) 由于線性調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)發(fā)射大帶寬的調(diào)制信號，從而可以得到非常高的距離分辨力；

(2) 傳統(tǒng)的截獲接收機(jī)很難檢測到線性調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)發(fā)射的發(fā)射信號；

(3) 線性調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)發(fā)射信號的調(diào)頻時(shí)寬遠(yuǎn)大于信號傳輸時(shí)延，而且發(fā)射機(jī)與接收機(jī)可以同時(shí)工作，所以線性調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)在距離上沒有盲區(qū)；

(4) 由于線性調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)采用超大時(shí)帶積信號，其持續(xù)時(shí)間在毫秒量級，相對于同樣信號電平和信號帶寬的脈沖信號，其具有更大的能量，所以可以得到更強(qiáng)的雷達(dá)檢測性能；

(5) 基于快速傅里葉變換(FFT)的算法，能夠?qū)€性調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)系統(tǒng)的差拍回波的頻率信息進(jìn)行分析，從而可以比較容易地得到目標(biāo)的距離信息；

(6) 線性調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)信號的發(fā)射能量通過大時(shí)寬來獲得，因此對發(fā)射峰值功率[2]要求比較低，從而發(fā)射機(jī)工作電壓要求相對較低，降低了發(fā)射機(jī)的制造難度，進(jìn)一步降低了成本。同時(shí)雷達(dá)更加容易固態(tài)化，機(jī)動(dòng)性好，能較好地適應(yīng)復(fù)雜和惡劣的環(huán)境，利于在工程上的實(shí)現(xiàn)。

1 線性調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)測距原理

雷達(dá)發(fā)射機(jī)發(fā)射鋸齒波調(diào)頻信號，掃頻初始頻率為f0，調(diào)制周期為Tm，調(diào)制帶寬為β，調(diào)頻信號在t=0時(shí)刻開始掃頻，由圖1所示發(fā)射信號的頻率表示如下[3]：

fT(t)=f0+K(t-nTm),nTm≤t≤(n+1)Tm

(1)

圖1 鋸齒波LFMCW信號的頻率-時(shí)間曲線

單個(gè)周期的線性調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)發(fā)射信號表示如下：

sr(t)=Acos(2πfTt+θ0)=

(2)

式中：f0為調(diào)制信號的初始頻率；θ0為調(diào)制信號的初始相位；A為調(diào)制信號的幅度。

發(fā)射信號經(jīng)天線發(fā)射出去遇到目標(biāo)后形成目標(biāo)回波信號，目標(biāo)回波信號和發(fā)射機(jī)直接耦合過來的信號在接收機(jī)混頻器內(nèi)混頻。2個(gè)信號波形相同，回波信號相對于發(fā)射信號在時(shí)間上有一個(gè)延遲τ，由圖1所示回波信號的頻率為：

fR(t)=f0+K(t-τ-nTm),nTm+τ≤

t≤(n+1)Tm+τ,n=0,1,2,…

(3)

單個(gè)周期的回波信號可表示為：

sR(t)=sr(t-τ)=d1Acos(2πf0(t-τ)+

(4)

式中：d1為空間傳播衰減系數(shù)。

回波信號與發(fā)射信號通過混頻器混頻再濾去高頻項(xiàng)后，得到差拍回波信號sD(t)可表示為:

τ≤t≤Tm

(5)

式中：d2為混頻增益。

則差拍信號的瞬時(shí)頻率為：

(6)

目標(biāo)信號的時(shí)延τ可由下式表示：

(7)

式中：R為目標(biāo)相對于雷達(dá)的距離；c為光速。

由式(6)和式(7)，目標(biāo)距離可以表示如下:

(8)

由上式可知，在確定的調(diào)制帶寬B和調(diào)制周期Tm的情況下，目標(biāo)距離R與差拍信號的頻率fD成線形比例關(guān)系，因此只要檢測到差拍回波信號的頻率值即可計(jì)算出目標(biāo)的距離值。

2 基于FPGA的線性調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)信號處理算法

本文根據(jù)線性調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)的基本原理，設(shè)計(jì)了線性調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)信號處理系統(tǒng)的基本流程，然后結(jié)合FPGA處理器，進(jìn)一步設(shè)計(jì)了模/數(shù)轉(zhuǎn)換(ADC)、加窗快速傅里葉變換(FFT)運(yùn)算、求幅度值、非相參積累、距離單元恒虛警等FPGA信號處理模塊，下面對各個(gè)線性調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)信號處理模塊的功能進(jìn)行具體分析。

由圖2所示,整個(gè)線性調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)信號處理系統(tǒng)由5個(gè)子處理模塊組成：

(1) ADC模塊。ADC模塊完成線性調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)差拍信號數(shù)字化的轉(zhuǎn)換。

(2) FFT運(yùn)算模塊。FFT運(yùn)算模塊是整個(gè)線性調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)信號處理系統(tǒng)的重要組成部分,用于實(shí)現(xiàn)差拍回波信號數(shù)據(jù)由時(shí)域到頻域的轉(zhuǎn)換,本設(shè)計(jì)中，F(xiàn)FT運(yùn)算模塊中的FFT點(diǎn)數(shù)為8 192，先對差拍信號數(shù)據(jù)進(jìn)行漢寧加窗處理，再通過Quartus中的具有FFT功能的IP核,對可用采樣時(shí)間內(nèi)的采樣單元數(shù)據(jù)進(jìn)行FFT運(yùn)算。

(3) 求幅度值模塊。求幅度值模塊完成差拍信號頻域幅度的求解功能。對FFT運(yùn)算后的差拍實(shí)部信號和虛部信號進(jìn)行求幅度值處理。

(4) 非相參積累模塊。非相參積累模塊實(shí)現(xiàn)目標(biāo)譜峰檢測的功能。本設(shè)計(jì)中對5個(gè)重復(fù)周期的差拍回波的求幅度值模塊的輸出數(shù)據(jù)，根據(jù)距離單元進(jìn)行數(shù)據(jù)重排，然后對同一距離單元的5個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行累加并求平均，最后將平均后的數(shù)據(jù)輸出至距離單元恒虛警模塊。

(5) 距離單元恒虛警模塊。距離單元恒虛警模塊進(jìn)一步完成目標(biāo)譜峰的檢測，去除虛警。本設(shè)計(jì)中采用單元平均選大恒虛警率(CFAR)的方法，即在被檢測單元兩側(cè)各選16個(gè)單元，分別求這16個(gè)單元的均值，兩者選大后輸出，乘以門限系數(shù)作為自適應(yīng)門限值。其主要利用相鄰距離方位單元相對均勻背景的相似雜波特性,通過兩邊相鄰單元回波數(shù)據(jù)平均求取雜波的平均值選大構(gòu)造檢測門限,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)目標(biāo)檢測。為了避免目標(biāo)本身對門限的影響，防止擴(kuò)散到峰值附近單元的信號被當(dāng)作雜波抑制掉，被檢測單元兩側(cè)各空出一個(gè)單元，從而實(shí)現(xiàn)了對目標(biāo)的浮動(dòng)門限檢測處理，能夠大大降低虛警率。輸出譜峰數(shù)據(jù)，用于目標(biāo)距離的計(jì)算。

3 仿真與結(jié)果分析

本設(shè)計(jì)采用Altera公司StratixⅡ系列的FPGA器件EP2S90,來實(shí)現(xiàn)線性調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)信號處理的設(shè)計(jì)。在AD前灌入1 MHz的差拍信號，使用Quartus調(diào)試工具邏輯分析儀SignalTapⅡ來觀測FPGA硬件實(shí)現(xiàn)結(jié)果，其中經(jīng)過信號處理前后，運(yùn)用SignalTapⅡ觀測到的信號波形如圖3所示。

圖3 LFMCW雷達(dá)差拍信號處理結(jié)果

SignalTapⅡ邏輯分析儀的觀測時(shí)鐘為20 MHz，其中serial_top:inst∣MP_IN為信號處理主脈沖，serial_top:inst∣REAL_IN為差拍信號，serial_top:inst∣BKG_result[14∶0]為信號處理背景視頻輸出結(jié)果，serial_top:inst∣BKG_valid為信號處理背景視頻輸出結(jié)果有效，serial_top:inst∣VIDEO_result[14∶0]為信號處理視頻輸出結(jié)果，serial_top:inst∣VIDEO_valid為信號處理輸出結(jié)果有效?？梢钥闯?，信號處理輸出了正確的頻率信息，并符合設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)束語

本文對線性調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)信號處理算法進(jìn)行了研究，針對研究對象和設(shè)計(jì)目標(biāo)進(jìn)行了較深入的分析比較，確定了線性調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)信號處理方案。采用Altera公司的StratixⅡ系列FPGA器件EP2S90,實(shí)現(xiàn)了線性調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)信號處理算法,在做實(shí)時(shí)信號處理時(shí),該設(shè)計(jì)能夠優(yōu)化信號處理硬件資源,同時(shí)具有較好的運(yùn)算速度，符合實(shí)際應(yīng)用要求,同時(shí)比較容易實(shí)現(xiàn),在實(shí)際工程中的運(yùn)用價(jià)值比較高。