調(diào)頻連續(xù)波毫米波雷達(dá)信號(hào)處理軟件分析

高 山，但 波，劉 克，翟龍軍

（海軍航空大學(xué)，山東煙臺(tái)264001）

雷達(dá)按照信號(hào)形式可以劃分為脈沖雷達(dá)與連續(xù)波雷達(dá)，脈沖雷達(dá)適用于多目標(biāo)的信息測(cè)量[1]，但由于收發(fā)一體的技術(shù)特點(diǎn)致使單基地脈沖雷達(dá)無法同時(shí)進(jìn)行收、發(fā)信號(hào)，因而產(chǎn)生了距離盲區(qū)。但連續(xù)波雷達(dá)則與之相反，不存在距離盲區(qū)。同時(shí)，隨著技術(shù)的發(fā)展，連續(xù)波雷達(dá)多目標(biāo)檢測(cè)、收發(fā)隔離等問題都有所改善，連續(xù)波雷達(dá)的優(yōu)勢(shì)逐漸凸顯，并受到極大的關(guān)注。連續(xù)波雷達(dá)的結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，信號(hào)的峰值功率不大，采用微波器件和固態(tài)源可以有效地減小雷達(dá)體積與重量[2]；調(diào)制信號(hào)多樣化，通過調(diào)頻或者調(diào)相等擴(kuò)頻技術(shù)的發(fā)射信號(hào)具有抗偵察與抗對(duì)抗的能力，更好地對(duì)敵方進(jìn)行隱身[3]。在導(dǎo)彈近程制導(dǎo)的應(yīng)用方面，連續(xù)波雷達(dá)功率低、調(diào)制信號(hào)多樣化而且測(cè)量精度高[4]，十分符合末制導(dǎo)雷達(dá)的需求。集成電路、微波技術(shù)的發(fā)展也為連續(xù)波雷達(dá)應(yīng)用于末端制導(dǎo)提供了可能。

連續(xù)波雷達(dá)最早得到應(yīng)用，是1924年英國利用調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)測(cè)量電離層高度[5]；20 世紀(jì)50 年代中期，功率僅為幾十毫瓦的微波固態(tài)源代替作為信號(hào)源代替了電真空器件，連續(xù)波多普勒導(dǎo)航系列雷達(dá)的跟蹤控制器應(yīng)用了微處理機(jī)技術(shù)，該雷達(dá)與其他雷達(dá)相比，不僅效能得到了提升，而且抑制雜波干擾與電子偵察的能力也得到了增強(qiáng)；20世紀(jì)90年代以后我國對(duì)于連續(xù)波雷達(dá)的研究也逐漸增多，并取得了一系列研究成果，沈福民、賈永康教授對(duì)相位測(cè)距中的解模糊技術(shù)提出新看法，沈福民教授主導(dǎo)研制了多頻連續(xù)波雷達(dá)等[6]。

本文通過研究DemoRad雷達(dá)信號(hào)處理軟件，分析了連續(xù)波雷達(dá)的工作原理和信號(hào)處理過程，并進(jìn)一步研討調(diào)頻連續(xù)波毫米波雷達(dá)用于近程制導(dǎo)的可行性。首先，介紹了研究背景與意義；接著，給出了DemoRad雷達(dá)的硬件與DemoRad雷達(dá)信號(hào)處理軟件，并對(duì)軟件各模式功能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試；最后，介紹調(diào)頻連續(xù)波毫米波雷達(dá)的性能特點(diǎn)，對(duì)其應(yīng)用于末端制導(dǎo)的缺陷給出改善方案。

1 測(cè)量平臺(tái)

1.1 平臺(tái)硬件

本文使用的A24BF 是ADI 公司新型的雷達(dá)產(chǎn)品。它是一個(gè)具有2 組發(fā)射天線、4 組接收天線、1 個(gè)可編程Blackfin 數(shù)字信號(hào)處理器的24GHzMIMO 雷達(dá)，包括射頻天線和全射頻信號(hào)電路、ADF5904（接收）、ADF5901（發(fā)射）、ADF4159（PLL）、ADAR7251（AFE）和ADI 的ADSP-BF707 DSP。DemoRad 系統(tǒng)框圖如圖1所示。由圖1可知，一個(gè)Blackfin數(shù)字信號(hào)處理器是用來控制射頻前端處理接收通道的雷達(dá)測(cè)量信號(hào)。根據(jù)框圖ADF5901 雙通道發(fā)射機(jī)與頻率合成器ADF4159相結(jié)合，產(chǎn)生FMCW發(fā)射信號(hào)。2組天線由ADF4159 發(fā)射機(jī)饋電，前端的接收路徑由ADF5904 四通道接收機(jī)實(shí)現(xiàn)采用ADAR7251 模擬前端對(duì)接收機(jī)的測(cè)量信號(hào)進(jìn)行放大和采樣。然后，在DSP中對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理，通過USB 2.0或CAN接口對(duì)處理結(jié)果進(jìn)行訪問。包括電源在內(nèi)的整個(gè)電路板設(shè)計(jì)在一個(gè)總尺寸為100 mm×100 mm 的PCB上。

圖1 DemoRad系統(tǒng)框圖Fig.1 System chart of DemoRad

1.2 平臺(tái)軟件

信號(hào)處理軟件的整體設(shè)計(jì)思路及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示，用戶選擇不同的模式，并在選擇模式下進(jìn)行操作；進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集并處理時(shí)選擇“參數(shù)載入”將參數(shù)載入到DemoRad 雷達(dá)平臺(tái)中，DemoRad 開始工作并通過USB2.0 或CAN 接口向上位機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)；用戶可以點(diǎn)擊“數(shù)據(jù)保存”將實(shí)時(shí)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行保存；也可以點(diǎn)擊“數(shù)據(jù)載入”將數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)載入到上位機(jī)；通過“在線”或“離線”數(shù)據(jù)載入到上位機(jī)后，點(diǎn)擊“開始”對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并在用戶界面上繪制相應(yīng)圖像，并顯示參數(shù)。

圖2 信號(hào)處理軟件的整體設(shè)計(jì)思路及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.2 Design idea and system structure of signal processing software

2 信號(hào)處理軟件功能實(shí)現(xiàn)及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

2.1 FMCW模式驗(yàn)證

對(duì)于FMCW模式的準(zhǔn)確性進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，在雷達(dá)正前方1 m 處放置一靜止目標(biāo)，實(shí)物場(chǎng)景圖如圖3 所示

圖4 為上位機(jī)接收的雷達(dá)采樣信號(hào)，對(duì)其進(jìn)行傅里葉變換，采樣信號(hào)頻譜如圖5所示。

圖3 實(shí)物場(chǎng)景圖Fig.3 Entity scene graph

圖4 雷達(dá)采樣信號(hào)Fig.4 Radar sampling signal

圖5 采樣信號(hào)頻譜Fig.5 Sampling signal frequency spectrum

圖6 距離剖面圖Fig.6 Range profile

2.2 Range-Doppler模式驗(yàn)證

本節(jié)通過2個(gè)實(shí)驗(yàn)的測(cè)試、分析結(jié)果，判斷其性能與測(cè)量精度。

將雷達(dá)面對(duì)道路，在雷達(dá)前方13 m、21 m 和23 m位置處有靜止目標(biāo)，同時(shí)觀測(cè)16～18 m 處道路上的汽車。當(dāng)汽車路過時(shí)記錄此時(shí)數(shù)據(jù)，獲得的距離剖面圖與距離-多普勒?qǐng)D，如圖7所示。由圖7可以看出，在17 m 左右位置有一動(dòng)目標(biāo)，其速度為2 m/s?？梢钥闯隼走_(dá)可以顯示不同速度的目標(biāo)。

由于觀測(cè)位置相同，靜止目標(biāo)位置不變，觀測(cè)到路邊距離雷達(dá)15 m 位置處有2 名路人，其中1 名靜止不動(dòng)，1名以0.5 m/s 的速度運(yùn)動(dòng)，當(dāng)2人處于相同位置時(shí)記錄得到數(shù)據(jù)，如圖8 a）、b）所示。

圖7 距離剖面圖及距離-多普勒?qǐng)DFig.7 Range profile and range-doppler profile

圖8 距離剖面圖及速度-多普勒?qǐng)DFig.8 Range profile and range-doppler profile

圖8中，15 m 位置處有2個(gè)目標(biāo)。一個(gè)速度為0，另一個(gè)為0.5 m/s，驗(yàn)證了雷達(dá)進(jìn)行距離-多普勒處理可以將相同位置處的不同速度的目標(biāo)進(jìn)行區(qū)分。

2.3 DBF模式驗(yàn)證

在DBF模式中，目標(biāo)距離信息的測(cè)定方式與FMCW模式相同，本節(jié)不再進(jìn)行分析。

在雷達(dá)左前方1 m、30°放置一靜止目標(biāo)，實(shí)物場(chǎng)景圖如圖9所示。

對(duì)雷達(dá)回傳數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到其距離維信息，距離剖面圖如圖10所示。

圖9 實(shí)物場(chǎng)景圖Fig.9 Entity scene graph

圖10 距離剖面圖Fig.10 Range profile

從圖10 看出目標(biāo)所在位置，選取目標(biāo)所在距離維，對(duì)該距離維信息進(jìn)行傅里葉變換，將包含目標(biāo)角度信息轉(zhuǎn)移到頻譜，并解算出角度，得到目標(biāo)距離維下的方位剖面圖以及距離方位圖，如圖11 a）、b）所示。

為了進(jìn)一步測(cè)定DBF模式下的雷達(dá)測(cè)量精度，在雷達(dá)前方不同方位放置2 個(gè)相同靜止目標(biāo)，其實(shí)物圖與距離-方位顯示如圖12 a）、b）所示。

圖11 方位剖面圖與距離方位圖Fig.11 Azimuth profile and range azimuth profile

圖12 實(shí)物場(chǎng)景圖與測(cè)試結(jié)果Fig.12 Entity scene graph and test result

2.4 MIMO技術(shù)仿真及其性能分析

DBF模式是對(duì)目標(biāo)的距離、角度信息進(jìn)行提取分析，但是DemoRad雷達(dá)平臺(tái)僅有2組發(fā)射天線、4組接收天線，其角度分辨力很低，為了增加雷達(dá)的角度分辨力，雷達(dá)采用了MIMO 技術(shù)，增加了雷達(dá)孔徑增強(qiáng)了雷達(dá)測(cè)角精度。

DemoRad雷達(dá)平臺(tái)，具有2組發(fā)射天線、4組接收天線，采用了稀疏發(fā)射緊密接收的天線布陣方式。dT=3dR、dR=λ/2，其中：dT為發(fā)射天線間距；dR為接收天線間距。通過多輸入多輸出技術(shù)可以得到Ne=7組模擬接收單元，Ne為等效陣的陣元素。

1）在雷達(dá)偏左55° 前方1.5 m ，放置1 個(gè)靜止目標(biāo)，對(duì)接收數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。采用與不采用MIMO技術(shù)得到的結(jié)果如圖13 所示?？梢钥闯鲈诓捎枚噍斎攵噍敵黾夹g(shù)后檢測(cè)到的目標(biāo)精度更高，目標(biāo)更精確。

圖13 MIMO技術(shù)對(duì)雷達(dá)精度影響Fig.13 Influence of MIMO on radar accuracy

2）為了進(jìn)一步測(cè)試多輸入多輸出技術(shù)對(duì)雷達(dá)分辨力的影響，在雷達(dá)左、右一定角度1 m 位置放置2個(gè)完全相同的靜止物體，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖14。圖14的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，采用了多輸入多輸出技術(shù)后雷達(dá)的角分辨力大幅提高，有效地提升了雷達(dá)性能[8]。

圖14 MIMO技術(shù)對(duì)雷達(dá)精度影響Fig.14 Influence of MIMO on radar accuracy

2.5 Target-Detection模式實(shí)現(xiàn)

Target-Detection模式提取到了目標(biāo)的距離、方位、速度信息，將256個(gè)采樣周期的數(shù)據(jù)作為一組數(shù)據(jù)，對(duì)每個(gè)采樣周期的數(shù)據(jù)做數(shù)字波束形成和距離多普勒處理，通過門限檢測(cè)檢測(cè)到目標(biāo)，計(jì)算其數(shù)量與能量中心，確定目標(biāo)的距離、方位二維分辨單元，對(duì)同一目標(biāo)的距離與方位二維分辨單元的256 個(gè)采樣周期做FFT變換，取得目標(biāo)速度。

3 調(diào)頻連續(xù)波毫米波雷達(dá)末端制導(dǎo)可行性

3.1 調(diào)頻連續(xù)波毫米波體制雷達(dá)優(yōu)勢(shì)與缺陷

調(diào)頻連續(xù)波毫米波體制雷達(dá)的優(yōu)勢(shì)：

1）由于發(fā)射信號(hào)為連續(xù)波，消除了脈沖體制所面臨的距離盲區(qū)問題[9]。

2）連續(xù)波體制的工作電壓低，發(fā)射峰值功率低，信號(hào)源制作簡(jiǎn)單，同時(shí)不易被敵方偵察到，具有很好的隱身性能。

3）調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)具有超大的時(shí)帶積信號(hào)，相比于其他體制雷達(dá)在相同信號(hào)強(qiáng)度以及信號(hào)帶寬的情況下信號(hào)能量較大，檢測(cè)目標(biāo)能力較強(qiáng)[10]；

4）調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，隨著微波技術(shù)、集成元件和固態(tài)源等技術(shù)的發(fā)展，連續(xù)波雷達(dá)尺寸更小、體積更加輕便、成本也相對(duì)較??；

5）毫米波體制同時(shí)具有微波體制和紅外體制的優(yōu)點(diǎn)[11]，毫米波系統(tǒng)易于集成化、精度高、抗干擾性能強(qiáng)同時(shí)具有較強(qiáng)的全天候工作能力。

調(diào)頻連續(xù)波毫米波體制雷達(dá)的缺陷：

1）收發(fā)隔離問題。收發(fā)隔離問題是連續(xù)波雷達(dá)一直須要解決的問題。采用收發(fā)共用天線，會(huì)存在收發(fā)耦合問題，因此，為了減小收發(fā)耦合，一般不采用收發(fā)共用天線[12]。但如果采用收發(fā)分置天線，由于導(dǎo)引頭內(nèi)部空間小、收發(fā)天線間距小，會(huì)有發(fā)射信號(hào)直接通過接收天線進(jìn)入接收機(jī)，所以收發(fā)隔離問題是主要限制連續(xù)波體制雷達(dá)應(yīng)用于末端制導(dǎo)的問題；

2）動(dòng)目標(biāo)距離-速度耦合問題。由線性調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)信號(hào)可以推出線性調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)的模糊函數(shù)[13]為：

由式（1）可以看出線性調(diào)頻連續(xù)波的模糊函數(shù)是在τ-v 平面上斜率為μ 的正比例函數(shù)，即：

式（2）將引起動(dòng)目標(biāo)的距離-速度耦合問題，即由于線性調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)得到的目標(biāo)多普勒頻移存在模糊，而引起的測(cè)距誤差[14]。

3.2 連續(xù)波雷達(dá)改善措施

3.2.1 收發(fā)隔離問題改善措施

利用隔離元件進(jìn)行收發(fā)隔離主要是指在收發(fā)共用天線上利用環(huán)形器、耦合器對(duì)發(fā)射與接收信號(hào)進(jìn)行物理隔離，發(fā)射信號(hào)與接收信號(hào)互不干擾，達(dá)到隔離的效果，但在實(shí)際應(yīng)用中這種方法的隔離度并不高。

空間隔離，主要是在收發(fā)天線間距較大的情況下有所應(yīng)用[15]，在天線間放置吸波材料或者屏蔽物，同時(shí)改善天線的波束指向，但是這種方法較為局限，在天線間距較近時(shí)不適用。對(duì)消技術(shù)主要是利用人為產(chǎn)生的信號(hào)來與泄露信號(hào)進(jìn)行抵消來達(dá)到隔離的效果，按照對(duì)消信號(hào)的類型分為中頻對(duì)消、射頻對(duì)消。

DBF 技術(shù)，在對(duì)發(fā)射波束進(jìn)行幅度加權(quán)，降低發(fā)射波束在直達(dá)接收波束方向的天線增益，同時(shí)在接收波束上也應(yīng)用DBF技術(shù)，降低接收波束在發(fā)射天線方向的天線增益，來達(dá)到收發(fā)隔離的效果[16]。

3.2.2 速度距離耦合問題改善措施

多普勒測(cè)距誤差矯正可采用三角波波形測(cè)定上下變頻信號(hào)，利用上下變頻信號(hào)進(jìn)行測(cè)距誤差矯正[17]，這就要判斷上變頻與下變頻信號(hào)頻譜是否來自同一目標(biāo)，將同一目標(biāo)的上下變頻頻譜進(jìn)行配對(duì)。雖理論上同一目標(biāo)的上下變頻信號(hào)應(yīng)具有一樣的形狀和幅度，但是由于干擾、目標(biāo)起伏特性等問題的存在，兩者會(huì)出現(xiàn)差異，所以只能通過一些頻譜特性進(jìn)行配對(duì)。目前應(yīng)用最為廣泛的方法是頻譜面積法和最小均方誤差法。

頻譜面積法是利用頻譜的面積大小作為判斷頻譜是否來自同一目標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)，將頻譜面積相差最小的視為同一目標(biāo)的上下變頻信號(hào)進(jìn)行配對(duì)。

最小均方誤差法是對(duì)以一目標(biāo)的上變頻信號(hào)為準(zhǔn)，對(duì)各下變頻信號(hào)求出均方誤差，找到最小值即為同一目標(biāo)的上下變頻信號(hào)[18]。

4 結(jié)束語

首先，介紹了DemoRad 雷達(dá)平臺(tái)，對(duì)其進(jìn)行了簡(jiǎn)要概述；接著，對(duì)信號(hào)處理軟件框架進(jìn)行介紹，并對(duì)各模式進(jìn)行分析測(cè)試，驗(yàn)證其功能是否可以實(shí)現(xiàn)并檢測(cè)其精度；最后，對(duì)連續(xù)波毫米波雷達(dá)是否可以在末端制導(dǎo)上應(yīng)用進(jìn)行分析，分析了連續(xù)波和毫米波體制的優(yōu)勢(shì)。同時(shí)，分析出應(yīng)用于導(dǎo)引頭上存在的問題，對(duì)其主要問題提出改善措施。研究發(fā)現(xiàn)軟件設(shè)計(jì)中也存在一些缺陷，如在對(duì)部分模式信號(hào)處理進(jìn)行編程時(shí)所采用的算法效率較差，致使在軟件運(yùn)行時(shí)信號(hào)處理的實(shí)時(shí)性很差；軟件在進(jìn)行多目標(biāo)信息提取時(shí)會(huì)報(bào)錯(cuò)導(dǎo)致軟件崩潰；軟件只能對(duì)雷達(dá)平臺(tái)某些參數(shù)進(jìn)行修改限制過大等問題。這些問題會(huì)在今后逐漸完善。