毫米波相控陣?yán)走_(dá)檢測(cè)算法與硬件實(shí)現(xiàn)

馬琪

摘要：毫米波相控陣?yán)走_(dá)具有高距離分辨率、低成本、低功耗和無近距離盲區(qū)等優(yōu)點(diǎn)。本文提出了一種毫米波相控陣?yán)走_(dá)檢測(cè)算法與硬件實(shí)現(xiàn)方案，實(shí)現(xiàn)了相控陣?yán)走_(dá)接收數(shù)字波束合成，利用雷達(dá)回波調(diào)頻段與非調(diào)頻段信號(hào)譜分析實(shí)現(xiàn)目標(biāo)距離速度解耦合，并完成了目標(biāo)的測(cè)角、跟蹤功能。

關(guān)鍵詞：毫米波相控陣?yán)走_(dá);接收數(shù)字波束合成;距離速度解耦合

中圖分類號(hào)：TN958.92 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2019）04-0080-02

0 引言

毫米線性調(diào)頻連續(xù)波（FMCW）雷達(dá)是一種通過對(duì)連續(xù)波進(jìn)行頻率調(diào)制來獲得距離與速度信息的雷達(dá)體制[1]， 它的優(yōu)點(diǎn)在于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、重量輕;距離分辨力高;不存在距離盲區(qū)[2];而且在小型戰(zhàn)術(shù)毫米波相控陣?yán)走_(dá)中，低成本、更高頻段，數(shù)字化與可擴(kuò)展是推動(dòng)相控陣天線集成技術(shù)發(fā)展的主要?jiǎng)恿?。隨著RF-BiCMOS技術(shù)的發(fā)展，天線集成陣列結(jié)構(gòu)的全雷達(dá)功能芯片（包括T/R組件與數(shù)字處理）的單芯片雷達(dá)：?jiǎn)纹惑w化相控陣系統(tǒng)已成為可能，這為當(dāng)前發(fā)展戰(zhàn)術(shù)毫米波相控陣?yán)走_(dá)的重要途徑。

1 算法原理

本文提出一種相控陣毫米波雷達(dá)信號(hào)處理方案，信號(hào)處理模塊主要完成方位、俯仰通道的數(shù)字波束合成，多個(gè)波束信號(hào)的調(diào)頻去斜處理、相參積累以及目標(biāo)的檢測(cè)與跟蹤處理。能夠?qū)φ{(diào)頻波三角波信號(hào)上升段和下降段分別去斜處理，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)距離和速度的解耦合處理;具備目標(biāo)距離、速度高精度估計(jì)能力。連續(xù)波信號(hào)距離譜分析功能采用FFT算法對(duì)每個(gè)接收波束的去斜后回波信號(hào)進(jìn)行頻譜分析，得到頻譜結(jié)果后利用調(diào)頻連續(xù)波的頻譜距離變換關(guān)系計(jì)算出目標(biāo)的距離，信號(hào)處理流程如圖1所示。

方位、俯仰接收波束數(shù)字合成，主要實(shí)現(xiàn)方位、俯仰接收波束的同時(shí)多波束數(shù)字合成。方位需要同時(shí)合成45個(gè)接收波束，俯仰需要同時(shí)合成17個(gè)接收波束。方位和俯仰分別輸入48個(gè)接收單元的通道IQ信號(hào)，采用通道幅度相位加權(quán)方法來合成不同指向的和路接收波束?？梢酝瑫r(shí)實(shí)現(xiàn)多通道之間的幅相誤差校正功能。

連續(xù)波信號(hào)距離譜分析功能采用FFT算法對(duì)每個(gè)接收波束的去斜后回波信號(hào)進(jìn)行頻譜分析[3]，得到頻譜結(jié)果后利用調(diào)頻連續(xù)波的頻譜距離變換關(guān)系計(jì)算出目標(biāo)的距離。

調(diào)頻連續(xù)波對(duì)于運(yùn)動(dòng)目標(biāo)會(huì)有距離速度耦合問題。使用三角波調(diào)頻信號(hào)的正斜率段和負(fù)斜率段信號(hào)配合解距離速度耦合時(shí)，對(duì)于多目標(biāo)會(huì)有目標(biāo)之間的配對(duì)問題，從而產(chǎn)生虛假目標(biāo)。為了去除虛假目標(biāo)，可以利用連續(xù)波信號(hào)非調(diào)頻段信號(hào)譜分析功能中得到的目標(biāo)速度去除虛假目標(biāo)。對(duì)于配對(duì)算法產(chǎn)生的多個(gè)目標(biāo)，真實(shí)目標(biāo)的輸出速度和虛假目標(biāo)的輸出速度是不同的，而利用非調(diào)頻段回波信號(hào)進(jìn)行譜分析得到的真實(shí)目標(biāo)速度進(jìn)行匹配篩選，就可以剔除具有不同速度的虛假目標(biāo)，從而得到真實(shí)目標(biāo)，處理流程如圖2。

對(duì)于目標(biāo)檢測(cè)要求，利用接收機(jī)的AGC數(shù)據(jù)，與目標(biāo)的距離、速度和回波幅度等參數(shù)相配合，建立不同口徑目標(biāo)的回波數(shù)據(jù)庫，對(duì)回波中檢測(cè)到的目標(biāo)信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)庫檢索，來剔除不需要的目標(biāo)類型，保留需要關(guān)心的目標(biāo)。使用αβ濾波器來進(jìn)行目標(biāo)的距離跟蹤，來保證目標(biāo)的測(cè)距精度。

目標(biāo)差波束數(shù)字合成與測(cè)角功能，對(duì)于在接收和波束中檢測(cè)到的目標(biāo)，在對(duì)應(yīng)的接收波束方向，對(duì)接收通道回波信號(hào)利用數(shù)字合成方法產(chǎn)生接收差波束，采用和差法進(jìn)行目標(biāo)測(cè)角，從而保證目標(biāo)的測(cè)角精度。

對(duì)于俯仰支路的處理，當(dāng)方位支路檢測(cè)到目標(biāo)后，對(duì)于該目標(biāo)進(jìn)行俯仰支路的差波束測(cè)角，俯仰支路測(cè)出目標(biāo)俯仰角后，與方位支路的目標(biāo)融合后，將目標(biāo)參數(shù)輸出。

2 算法硬件實(shí)現(xiàn)

信號(hào)處理硬件模塊采用技術(shù)比較成熟的FPGA+DSP架構(gòu)實(shí)現(xiàn)。其中FPGA用于計(jì)算量大，數(shù)據(jù)規(guī)整的算法;DSP用于計(jì)算量略小，需要較靈活的處理的算法。信號(hào)處理板框圖如圖4。

每個(gè)信號(hào)處理板上集成2片TMS320C6678和2片XC7VX690T。其中，以1片F(xiàn)PGA和1片DSP為一個(gè)模塊完成方位波束合成、距離譜分析、距離速度解耦合、目標(biāo)檢測(cè)距離跟蹤、差波束測(cè)角，1片F(xiàn)PGA和1片DSP為一個(gè)模塊完成俯仰波束合成、距離譜分析、差波束測(cè)角、目標(biāo)融合輸出。具體硬件設(shè)計(jì)如圖3。由于算法中數(shù)字波束合成部分需要大量的乘法器、加法器、RAM資源、FFT譜分析需要大量的DSP資源、RAM資源， DSP進(jìn)行少量的距離速度解耦合運(yùn)算，所以選用了Xilinx含有大容量片內(nèi)RAM和硬件乘法器和DSP資源的V7系列的XC7V690T芯片，該FPGA芯片3600個(gè)DSP slice，內(nèi)部RAM達(dá)到68Mb，邏輯單元數(shù)達(dá)到了1955K，完全能滿足算法的實(shí)現(xiàn)，并能利用剩余資源放置其他運(yùn)算單元和控制模塊，基本實(shí)現(xiàn)了單片的系統(tǒng)集成化設(shè)計(jì)。

3 結(jié)語

本文提出了一種毫米波相控陣?yán)走_(dá)檢測(cè)算法與硬件實(shí)現(xiàn)方案，實(shí)現(xiàn)了相控陣?yán)走_(dá)接收數(shù)字波束合成，利用雷達(dá)回波非調(diào)頻段譜分析解出目標(biāo)速度，結(jié)合調(diào)頻段回波譜分析完成目標(biāo)距離速度耦合問題，并完成了目標(biāo)的測(cè)角、跟蹤功能。

參考文獻(xiàn)

[1] 朱江，董健，王雪松.相參FMCW導(dǎo)航雷達(dá)方案設(shè)計(jì)與信號(hào)仿真[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2014.（19）：1-5.

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[3] 宋瑋.FMCW 雷達(dá)測(cè)距精度及其信號(hào)處理技術(shù)的研究[D].南京：南京理工大學(xué)通信與信息系統(tǒng)，2004.