基于線性調(diào)頻技術(shù)的主動(dòng)式安防雷達(dá)設(shè)計(jì)

蔣小蘭

摘要：現(xiàn)階段，線性調(diào)頻技術(shù)所制成的產(chǎn)品大多數(shù)被應(yīng)用到車(chē)載雷達(dá)當(dāng)中，而無(wú)法在安防監(jiān)控系統(tǒng)中得到直接應(yīng)用。為了優(yōu)化視頻安防技術(shù)，使其能夠在特定環(huán)境中充分發(fā)揮作用，符合市場(chǎng)與用戶的各項(xiàng)需求，需要在線性調(diào)頻技術(shù)的基礎(chǔ)上，對(duì)主動(dòng)式安防雷達(dá)進(jìn)行設(shè)計(jì)和研究?；诖?，本文將對(duì)線性調(diào)頻雷達(dá)的特點(diǎn)進(jìn)行分析，并對(duì)安防雷達(dá)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)與檢驗(yàn)，使其能夠充分符合當(dāng)前的安防需求。

【關(guān)鍵詞】線性調(diào)頻技術(shù) 主動(dòng)式 安防雷達(dá)設(shè)計(jì)

目前，在主動(dòng)安防領(lǐng)域中，最為重要的子系統(tǒng)為紅外安防與視頻安防，但是如若遇到霧霾、雨、雪、沙塵等情況，則可靠性將極大的降低。對(duì)此，需要將連續(xù)波雷達(dá)應(yīng)用其中，采用線性調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)的方式，對(duì)靜態(tài)或者動(dòng)態(tài)的目標(biāo)進(jìn)行短距離的精準(zhǔn)測(cè)量。本文將LFMCW技術(shù)應(yīng)用其中，對(duì)主動(dòng)式安防雷達(dá)進(jìn)行設(shè)計(jì)與分析。

1 線性調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)的特點(diǎn)

在連續(xù)波雷達(dá)當(dāng)中，線性調(diào)頻雷達(dá)屬于其中十分重要的組成部分，在國(guó)防與民用領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，其主要特點(diǎn)體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

1.1 不存在距離盲區(qū)

由于線性調(diào)頻雷達(dá)的波形與目標(biāo)回波相比來(lái)看，在時(shí)寬方面一定的時(shí)延，并且雷達(dá)接收機(jī)與發(fā)射機(jī)的工作時(shí)間相同，因此在距離上沒(méi)有盲區(qū)。

1.2 較強(qiáng)的靈敏性

線性連續(xù)波雷達(dá)的時(shí)寬帶較大，在反應(yīng)方面十分靈敏，與噪聲帶寬之間存在線性聯(lián)系，使其能夠在雜波背景下，仍然保持較高的靈敏度。同時(shí)，由此此種類型的雷達(dá)具有較低的發(fā)射功率，因此在特定的條件和距離之下，與單脈沖雷達(dá)相比來(lái)看，具有較強(qiáng)的抗截獲性。

1.3 信號(hào)能量較大

根據(jù)雷達(dá)理論能夠看出，在信號(hào)噪聲狀況下，雷達(dá)的能量將對(duì)其自身的探測(cè)力產(chǎn)生較大影響，甚至能夠?qū)ζ淦鸬經(jīng)Q定性作用。由于線性雷達(dá)的時(shí)帶寬積較高，使其在處理增益方面較大，進(jìn)而使信號(hào)能力也得到了顯著的提升。由此可見(jiàn)，連續(xù)波雷達(dá)將在特定的條件與距離下，使工作電壓得到有效的降低。

2 主動(dòng)式安防雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)構(gòu)成

根據(jù)安防雷達(dá)運(yùn)行原理，設(shè)計(jì)出相應(yīng)的安防雷達(dá)系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要由數(shù)字信號(hào)處理模塊、中頻信號(hào)處理模塊構(gòu)成，其中，中頻信號(hào)處理模塊的功能十分豐富，并且已經(jīng)相對(duì)較為完善，能夠以定制的方式投入到應(yīng)用當(dāng)中。而數(shù)字處理模塊中的功能由于涉及到的領(lǐng)域眾多而存在較大的區(qū)別，特別是目前無(wú)線電技術(shù)迅猛發(fā)展，使該模塊的功能與內(nèi)容方面均產(chǎn)生了一定的影響。天線主要是由接收與發(fā)射兩個(gè)部分，主要作用是針對(duì)射頻信號(hào)進(jìn)行接收與發(fā)射，在射頻通道中，將中頻發(fā)射信號(hào)中的上變頻轉(zhuǎn)變?yōu)樾盘?hào)的中頻或者下頻中，通過(guò)信號(hào)處理系統(tǒng)完成對(duì)FFT、MTI、GFAR、雜波圖等功能，從而將雷達(dá)回波中所顯示出的畫(huà)面進(jìn)行優(yōu)化，該模塊也因此成為了雷達(dá)系統(tǒng)中的關(guān)鍵部分。本文通過(guò)TMS320 DSP平臺(tái)與C語(yǔ)言技術(shù)進(jìn)行研究。

2.2 系統(tǒng)應(yīng)用

在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，雷達(dá)現(xiàn)場(chǎng)中存有一定面積的靜態(tài)目標(biāo)，為了對(duì)動(dòng)態(tài)目標(biāo)進(jìn)行精準(zhǔn)的檢測(cè)，應(yīng)利用雷達(dá)回波信號(hào)的方式，將動(dòng)態(tài)目標(biāo)從中分離出來(lái)。在本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)中，使用MTI濾波器的方式實(shí)現(xiàn)數(shù)字濾波，達(dá)到將靜態(tài)濾波去除的目的。

在經(jīng)過(guò)數(shù)字濾波處理以后，在原有的雷達(dá)信號(hào)中仍然存在少數(shù)靜態(tài)雜波的殘留，同時(shí)還存在一些系統(tǒng)噪聲、地面反射雜波等。在對(duì)動(dòng)態(tài)目標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)的過(guò)程中，應(yīng)將所有雜亂的背景回波徹底去除，以此來(lái)提升雷達(dá)系統(tǒng)使用的可靠性與有效性。對(duì)于不同的應(yīng)用場(chǎng)景來(lái)說(shuō)，背景雜波的類型也不盡相同，通常情況下，利用無(wú)監(jiān)督學(xué)習(xí)法便能夠主動(dòng)獲取到檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)中的背景雜波。當(dāng)背景雜波被學(xué)習(xí)完后，利用背差法使雜波中的頻譜消除，然后對(duì)頻譜的最大峰值與相應(yīng)的相位差進(jìn)行搜索，便能夠獲取到所要檢測(cè)的動(dòng)態(tài)目標(biāo)以及相應(yīng)的角度信息。

3 主動(dòng)式安防雷達(dá)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)

對(duì)本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)功能進(jìn)行驗(yàn)證時(shí).通過(guò)建立動(dòng)態(tài)目標(biāo)測(cè)量系統(tǒng)的方式來(lái)完成，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中以人為測(cè)量對(duì)象，并且在道路的兩側(cè)設(shè)置了草地、樓房與樹(shù)木等多種類型的目標(biāo)。在本次實(shí)驗(yàn)中共計(jì)劃分為兩組進(jìn)行：第一組的主要目標(biāo)在于對(duì)固定距離、固定角度的行人進(jìn)行測(cè)量；第二組的主要目標(biāo)在于對(duì)不固定距離、不固定角度的行人進(jìn)行測(cè)量。通過(guò)對(duì)第一組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和分析后得知，雷達(dá)距離分辨率為0.8m、角度的分辨率為1.7°；通過(guò)第二組的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析可知，由于行人在雷達(dá)現(xiàn)場(chǎng)中采用迂回行走的方式，在系統(tǒng)對(duì)其進(jìn)行跟蹤測(cè)量以后，發(fā)現(xiàn)距離分辨率為3-73m范圍內(nèi)。另外，還能夠說(shuō)明在雷達(dá)檢測(cè)的過(guò)程中，行人在運(yùn)動(dòng)的速度方面不具有穩(wěn)定性、起伏較大，這主要是由于人們?cè)谛凶叩倪^(guò)程中，身體上的各個(gè)部分均處于不同速度的運(yùn)動(dòng)中，當(dāng)出現(xiàn)加速度時(shí)，身體各個(gè)部位的反應(yīng)程度不同，進(jìn)而導(dǎo)致運(yùn)動(dòng)速度波動(dòng)較大。

本文在對(duì)設(shè)計(jì)系統(tǒng)的有效性進(jìn)行檢測(cè)以后，將檢測(cè)結(jié)果與國(guó)內(nèi)外相關(guān)雷達(dá)產(chǎn)品的技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行對(duì)比分析，對(duì)比的對(duì)象分別為houston-rader公司與changxiangelee公司，在類型的選擇上，前者為PD300，后者為CXELFMCW Radar；本文使用的類型為主動(dòng)式安防雷達(dá)，對(duì)比的內(nèi)容分別為頻段、測(cè)量距離、角度與速度，對(duì)比結(jié)果為：PD300雷達(dá)的頻段為24GHz、測(cè)量距離為37m；角度為“NO”、速度為“NO”；CXEL FMCW Radar雷達(dá)的頻段為77GHz、測(cè)量距離為60m；角度為“Yes”、速度為“Yes”；主動(dòng)式安防雷達(dá)的頻段為24GHz、測(cè)量距離為77m；角度為角度為“Yes”、速度為“Yes”；從上述對(duì)比分析中可知，本文所設(shè)計(jì)的雷達(dá)在綜合測(cè)量指標(biāo)方面更具優(yōu)勢(shì)。

4 結(jié)論

綜上所述，為了更加充分的滿足安防領(lǐng)域中的現(xiàn)實(shí)需求，本文在線性調(diào)頻技術(shù)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了主動(dòng)式安防雷達(dá)系統(tǒng)。為了對(duì)系統(tǒng)中的功能進(jìn)行優(yōu)化和完善，將動(dòng)態(tài)目標(biāo)檢測(cè)、背景雜波去除、學(xué)習(xí)等技術(shù)應(yīng)用其中，實(shí)現(xiàn)對(duì)單一目標(biāo)距離、速度、位置等多個(gè)方面精準(zhǔn)測(cè)量。同時(shí)，將該系統(tǒng)的綜合測(cè)量指標(biāo)與國(guó)外兩種進(jìn)行對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)在測(cè)量距離、頻段、角度與速度等方面具有更加顯著的優(yōu)勢(shì)。

參考文獻(xiàn)

[1]萬(wàn)星陽(yáng).基于場(chǎng)面監(jiān)控安防雷達(dá)可視化終端軟件的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D]，電子科技大學(xué)，2015.

[2]姜行果，基于DDS的線性調(diào)頻雷達(dá)波形發(fā)生器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].中國(guó)科學(xué)院研究生院（電子學(xué)研究所），2016.