基于數(shù)字波束掃描定位技術(shù)的非線性節(jié)點探測器

區(qū)健川，徐 淵，史偉偉

（1.深圳大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院，廣東 深圳 518060；2.深圳技術(shù)大學(xué) 大數(shù)據(jù)與互聯(lián)網(wǎng)學(xué)院，廣東 深圳 518118）

0 引言

非線性節(jié)點探測器是通過發(fā)射基波，利用當(dāng)遇到有非線性目標會輻射出諧波或者組合諧波的特點，來對非線性目標進行探測。該類探測器主要用于搜索和定位的電子元器件，廣泛應(yīng)用于安防和電網(wǎng)檢測。電子產(chǎn)品的微型化更有利于電子設(shè)備的偽裝和藏匿，但傳統(tǒng)安檢設(shè)備的檢測能力并沒有很好的提升，經(jīng)常發(fā)生漏警或誤警，無法更好地保障公共安全以及在考場的防作弊要求。除了市場對非線性節(jié)點探測器提出更強的探測能力要求外，目前民用的便攜式非線性節(jié)點探測器只能靠器械或人手移動探測設(shè)備去搜索和定位目標，這樣的非線性節(jié)點探測器遠不能滿足市場的應(yīng)用需求。

相控陣可以利用靈活的數(shù)字波束形成技術(shù)對檢測目標進行大范圍角度的掃描，然后利用幅度差值進行目標定位，而且由于使用的是獨立的有源天線陣列，會在空間中對各子發(fā)射機的功率進行合成，更容易形成大功率的基波發(fā)射，提高設(shè)備探測距離。

利用基于FPGA 的硬件處理優(yōu)勢實現(xiàn)數(shù)字波束形成或者探測器已經(jīng)備受關(guān)注。文獻[5]利用FPGA 實現(xiàn)了應(yīng)用于5G 系統(tǒng)的MIMO 技術(shù)，且通過算法優(yōu)化使數(shù)字波束形成具有自由度高和低功耗的特點。文獻[6]為了設(shè)計一款便攜式的光譜分析儀，選用FPGA 作為光電探測器的主控方案，以使其具有成本低、體積小的特點。

目前文獻大多采用標準FPGA 評估板實現(xiàn)板級驗證，而且鮮有采用數(shù)字波束掃描技術(shù)的非線性探測器面市。本文主要從產(chǎn)品應(yīng)用出發(fā)，采用PCB 全定制的方案設(shè)計一種融合數(shù)字波束掃描技術(shù)和多接收天線的相位法測向，具有探測范圍大且目標測向功能的新型非線性節(jié)點探測器。

1 理論分析

1.1 數(shù)字波束形成技術(shù)

平面相控陣天線是指天線單元呈矩形分布在二維平面上，主要依靠每個陣列單元的相位變化實現(xiàn)天線波束在空間進行指向或者掃描。傳統(tǒng)的相控陣雷達通常是在射頻調(diào)制階段對天線單元信號的衰減器和移相器進行控制，采用的是一種模擬的方法實現(xiàn)對發(fā)射波束的幅度和相位進行加權(quán)；而數(shù)字波束則采用數(shù)字加權(quán)的方法對幅度和相位進行處理，這種方法稱為數(shù)字波束形成。相控陣的數(shù)字處理系統(tǒng)對數(shù)字波形發(fā)生器中各路發(fā)射通道的波形進行幅度和相位加權(quán)，并送至各射頻模塊中，最終通過天線單元在掃描空域形成不同方位指向的數(shù)字波束。

圖1 是由×個陣元單元組成的均勻平面陣列，其中為豎直方向陣元數(shù)量，為水平方向陣元數(shù)量，為豎直方向陣元間距，為水平陣元間距?，F(xiàn)以原點處為矩形面陣的基準，表示波束的方位角，表示波束的俯仰角。根據(jù)波束指向的方位角和俯仰角，可計算出相控陣元在二維平面豎直方向上的相位差為：

圖1 矩形面陣天線陣列及其坐標示意圖

二維平面水平方向上的相位差為：

式中:cos α=sin；=cos α=cos·sin。

設(shè)天線自身移相器對豎直方向上相鄰陣元間的相移量為Δφ，對水平方向上相鄰的相移量為Δφ，則對坐標為（，）的陣元移相器引入的總相移量為：

1.2 比幅-比相測向原理

數(shù)字波束探測目標可以通過提高射頻頻率或增加天線單元提供較窄寬度的波形進行空間掃描，達到更好的定位精度。若射頻頻率大幅提高，對系統(tǒng)設(shè)計的抗干擾、抗泄露和濾波能力是一個不小的挑戰(zhàn)；若增加天線單元和發(fā)射通道，最少增加1 倍的發(fā)射通道才能使波束寬度降低一半，但相應(yīng)射頻器件、濾波器件的成本和探測設(shè)備體積與重量也會大幅度上升。多天線接收的相位法測向就可以同時兼顧較低成本和較簡單的設(shè)計方案，只需要增加一組水平和垂直的雙基線接收天線，再根據(jù)水平和垂直方向上的相位差即可計算出平面上目標的方向。另外對于相位法測向中相位模糊問題，可以利用數(shù)字波束指向的比幅進行粗定位，解出唯一的相位周期。比幅-比相測向原理采用數(shù)字波束指向測幅和雙基線相位測向相結(jié)合，利用垂直和水平的雙基線測向可以測量出二維平面的目標方向，同時利用比幅測向來解相位法測向法中可能存在的相位模糊問題。測量過程首先利用16 組不同方位的波束進行空間掃描和比幅測向，測出粗方位來選定目標所在真實位置；再利用相位差測向公式確認目標所在的準確方位。

帶有相位模糊周期的求解入射角度的表達如下：

式中：為檢測目標的入射角度；為基準天線的間距；為相位模糊周期；為接收天線相位差。即要求出值，然后才能得到要求的角度值。

為了保證可測的入射角度最低±40°，本設(shè)計選用發(fā)射射頻頻率為2.4 GHz，接收天線間距為9 cm，保證了較大的有效入射角度。如圖2 所示，對于平面上垂直方向和豎直方向的模糊周期還是各存在2 個，即=-1（-45°～0°）或=0（0°～45°），將接收到的相位差代入式（4）會解得2 個入射角θ和θ，這就是相位模糊的問題。解相位模糊方法是按波束的不同指向?qū)⑵矫婵臻g劃分為16 分區(qū)（zone1～zone16），當(dāng)相控陣的數(shù)字波束測量到目標的最大幅度在zone1，得到軸基線N=-1 和軸基線N=0，即可解出唯一的入射角為θ和θ。最后系統(tǒng)根據(jù)計算水平和垂直相位差的結(jié)果與分界值的大小來判定目標的真實位置。

圖2 比幅測向測角體制解相位模糊的示意圖

在本文系統(tǒng)中，如果僅使用相位法測向的方法，就不能區(qū)分出圖2 的其他3 個模糊目標，而且當(dāng)出現(xiàn)多個目標時也不能計算正確結(jié)果。如果僅使用振幅法測向，由于近似圓形的數(shù)字波束并不完全等于分區(qū)的區(qū)域大小，當(dāng)目標在波束的死角或者重疊的位置就會出現(xiàn)較大誤差，利用該方法能做到解相位法中相位模糊問題并且測向精度不降低。

2 系統(tǒng)設(shè)計

2.1 總體架構(gòu)設(shè)計

本系統(tǒng)分為基帶板、射頻板和天線板三部分。其中基帶板作用是Analog-Digital 信號轉(zhuǎn)換、基于Zynq 芯片的數(shù)字信號處理、MCU 控制和人機交互平臺；射頻板作用是完成對基帶信號上下變頻、濾波、接收諧波的低噪聲放大、載波頻率的調(diào)制與解調(diào)；天線板作用是完成射頻信號發(fā)射和檢測目標的回波接收前端。圖3 所示為相控陣非線性節(jié)點探測器的總體系統(tǒng)框架。本非線性節(jié)點探測器的發(fā)射前端采用4×4 矩形的16 發(fā)射天線陣實現(xiàn)數(shù)字波束方向控制，接收前端采用了菱形分布的4 接收天線陣元，通過水平、垂直天線接收到的相位差去判斷目標方位。系統(tǒng)為了方便操作和直觀顯示目標定位，增加了攝像頭和LCD 顯示器等人機交互平臺。本設(shè)計的諧波雷達系統(tǒng)基帶板、射頻板、天線板實物如圖4 所示。

圖3 系統(tǒng)總體框架圖

圖4 諧波雷達系統(tǒng)

對于發(fā)射通道，F(xiàn)PGA 調(diào)用DDS 模塊生成基帶信號，數(shù)字基帶信號被DAC 接收后轉(zhuǎn)換為模擬信號，再與鎖相環(huán)產(chǎn)生的載頻信號2.45 GHz 進行正交調(diào)制，得到頻率合適的射頻信號。發(fā)射通道間的低通濾波器會對電子器件自身的非線性特性產(chǎn)生的高頻泄露或諧波干擾進行濾除。

對于接收通道，因為接收天線收到目標所輻射的二次、三次諧波能量較弱，需對其進行前端的低噪聲功率放大處理，經(jīng)放大后的諧波信號與PLL 分頻得到4.9 GHz 和7.35 GHz 解調(diào)載波，在I/Q 正交解調(diào)器上解調(diào)出低頻基帶信號?；鶐M信號會再次經(jīng)低噪聲放大器放大，ADC 會把模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，再傳送到FPGA 進行數(shù)字信號處理。通道間泄露發(fā)射信號及運放非線性產(chǎn)生的干擾會被接收通道中的高通濾波器進行抑制，另外也有帶通濾波器對于本振信號以外的干擾進行抑制。

系統(tǒng)中唯一的時鐘電路本振（Local Oscillator，LO）作為FPGA 乃至整個系統(tǒng)中提供全局時鐘的基準，對于FPGA 可通過內(nèi)部的PLL 實現(xiàn)更高的系統(tǒng)時鐘，或者帶動DDS 輸出帶有調(diào)制信息的基帶信號。與此同時，LO也為ADC/DAC 的數(shù)模轉(zhuǎn)換電路以及射頻信號處理硬件部分的高性能PLL 提供了時鐘基準。通過整個系統(tǒng)共用同一個本地晶振，保證了調(diào)制信號和解調(diào)信號的相位一致性，減少不同接收天線單元中的相位誤差和系統(tǒng)雜散干擾。

2.2 FPGA 硬件架構(gòu)設(shè)計

本設(shè)計基帶板中FPGA 芯片與ADC/DAC 在布局布線后的PCB 版圖如圖5 所示，本設(shè)計FPGA 選用了2 片Zynq7020 芯片和1 片Zynq7030 芯片。

圖5 基帶板PCB 版圖

Zynq7020 負責(zé)對基帶信號進行調(diào)制并發(fā)送到DAC9717，由于每片Zynq7020 最多可配置I/O 為194 個，而每片DAC9717 占用17 個I/O，使用2 片Zynq 保證足夠I/O 資源控制DAC 芯片，可以對16 組發(fā)射通道的DAC 同時進行幅度和相位的配置，達到更快的數(shù)字波束偏轉(zhuǎn)指向。

Zynq7030 有更多邏輯資源和可配置I/O，負責(zé)ADC接收的基帶信號處理和解調(diào)信息，而且作為主機與其余Zynq7020 采用SPI 協(xié)議通信。此外，Zynq7030 還負責(zé)人機交互平臺和系統(tǒng)總控，例如對攝像頭和LCD 進行驅(qū)動和控制，若檢測到目標，在LCD 上顯示目標所在位置和發(fā)出報警鳴聲。

2.3 軟件架構(gòu)設(shè)計

本系統(tǒng)的FPGA 程序主要包括數(shù)字波形形成模塊、數(shù)字信號處理模塊、外設(shè)芯片驅(qū)動模塊和人機交互平臺模塊。FPGA 程序分別由3 片Zynq 芯片實現(xiàn)，軟件系統(tǒng)框架和功能劃分如圖6 所示。

圖6 FPGA 系統(tǒng)框架和功能劃分

其中，Zynq7020 的數(shù)字波束形成模塊包括根據(jù)波束指向的指令接收和對16 組DDS 的相位和幅度配置，并且使能DAC 和射頻發(fā)射波束；Zynq7030 的數(shù)字信號處理模塊包括對ADC 采樣數(shù)據(jù)進行FFT 計算，再利用相關(guān)的算法對頻譜信息進行解讀分析，根據(jù)得到的信息對目標進行測向定位；人機交互平臺包括攝像頭采集圖像、LCD 顯示驅(qū)動、用戶按鍵和報警鳴聲控制。

2.4 工作流程圖

本設(shè)計的FPGA 程序模塊是一個以固定頻率工作的，不斷控制脈沖重復(fù)發(fā)射和數(shù)字信號處理的過程。本系統(tǒng)的工作流程如圖7 所示。

圖7 系統(tǒng)工作流程

流程圖中SYNC 同步信號是由Zynq7030 主控制的、時序是1 ms 高電平、5.25 ms 低電平的不斷循環(huán)的脈沖信號，系統(tǒng)在每次SYNC 信號高電平開始發(fā)射射頻信號并對接收信號進行處理。

當(dāng)接收到SYNC 信號為高電平時，Zynq7020 根據(jù)波束指向去配置DDS 的相位并發(fā)射射頻信號，其中不同波束指向的相位信息已做成查找表，波束轉(zhuǎn)向時系統(tǒng)可以快速讀取對應(yīng)相位。

在Zynq7020 發(fā)射波束后，Zynq7030 開始采集ADC信息并對數(shù)據(jù)進行FFT 計算，得到每路采樣通道的信號幅度和相位。在100 ms 完成16 組不同指向的波束發(fā)射并計算接收數(shù)據(jù)結(jié)果后，再根據(jù)上文的比幅-比相的方法定位出目標所在方位，最后將目標方位在LCD 顯示屏上顯示并發(fā)出報警聲。

3 系統(tǒng)測試

3.1 數(shù)字波束指向偏轉(zhuǎn)

測試環(huán)境如圖8 所示，在距離1.5 m 白板的矩形平面中每隔10 cm 設(shè)置一個測試點，使用頻譜分析儀測量每個測試點的發(fā)射天線功率，最終利用Matlab 進行數(shù)據(jù)分析并繪制成以功率強度為投影的等高線圖。

圖8 相控陣數(shù)字波束指向的測試環(huán)境

圖9 是數(shù)字波形不同空間指向的發(fā)射功率等高線圖。按波束寬度的計算公式，發(fā)射系統(tǒng)在指向zone6，=7.5°時的波束寬度為=27°，當(dāng)波束偏移角度較大時，波束寬度也會相應(yīng)變小。在輸入數(shù)字波束偏轉(zhuǎn)角度后，波束發(fā)生對應(yīng)的偏轉(zhuǎn)，分別指向zone1、zone6、zone11 和zone16，實現(xiàn)了基于FPGA 的數(shù)字波束轉(zhuǎn)向的控制。

圖9 不同波束指向的功率等高線圖

3.2 系統(tǒng)測角準確性

圖10 所示為測試環(huán)境，在LCD 顯示器上，系統(tǒng)會將攝像頭采集到的平面圖像分為16 分區(qū)，當(dāng)計算結(jié)果定位到該分區(qū)存在檢測目標時，會同步在LCD 上對該分區(qū)使用紅色框?qū)z測目標進行標定。

圖10 實際性能測試環(huán)境

本測試將探測平面劃分為16 分區(qū)，使用測試試樣從1 號區(qū)域開始，每隔30 s 時間轉(zhuǎn)到下一個區(qū)域，最后停留在16 號區(qū)域，重復(fù)100 次，觀察并統(tǒng)計系統(tǒng)能否每次都能正確識別出測試試樣所在的區(qū)域，其結(jié)果如表1所示。定位錯誤主要原因是測試試樣過于靠近區(qū)域邊緣導(dǎo)致的誤判，統(tǒng)計結(jié)果顯示定位正確率均在95%以上。

表1 雷達系統(tǒng)成功定位檢測目標方位統(tǒng)計表

3.3 最大可檢測距離對比

除了測試本設(shè)計的測角定位準確性外，還需要測量本非線性節(jié)點探測器系統(tǒng)與同類產(chǎn)品對不同電子產(chǎn)品的最遠可檢測距離。安衛(wèi)普科技的AT801 是一款成熟的非線性節(jié)點探測器產(chǎn)品，采用單發(fā)射和單接收天線，探測距離較短，而且只能靠移動探測器對小范圍的目標進行定位。本文設(shè)計采用16 發(fā)射和4 接收天線陣列，具有大范圍掃描定位功能和更遠探測能力。其中兩款產(chǎn)品實物如圖11 所示。其中測量的對比數(shù)據(jù)如表2 所示。

表2 不同電子產(chǎn)品的最遠可檢測距離cm

圖11 兩款非線性節(jié)點探測器實物圖

通過兩款產(chǎn)品的最大檢測距離對比可見，本設(shè)計因為采用了16 個發(fā)射天線，數(shù)字波束形成可對子天線的發(fā)射功率進行空間上的疊加，所以對于同樣的目標可達到更遠的測試距離。

4 結(jié)論

本文以相控陣和多天線接收定位技術(shù)為切入點，設(shè)計一款掃描范圍大、探測靈敏度高的數(shù)字波束掃描和多天線接收定位技術(shù)非線性節(jié)點探測器。與目前常用的非線性節(jié)點探測雷達設(shè)備比較，本文相控陣非線性節(jié)點探測器除了具備大于-125 dBm 靈敏度的探測非線性目標功能外，還能通過數(shù)字波束形成的技術(shù)實現(xiàn)更大范圍搜索，而且測向定位正確率達95%以上。另外，本文相控陣非線性節(jié)點探測器是基于Zynq 的SoC 芯片（ARM+FPGA）實現(xiàn)，具有高集成度、速度快、功耗低等優(yōu)點，而且還具有直觀的可視化人機交互平臺、便攜性好等特點。