面向電磁特性測量的毫米波級聯(lián)雷達系統(tǒng)設計

張 蘇，譚 愷，雒梅逸香，唐文明，陳浩宇，徐 豐

（1.復旦大學 信息科學與工程學院，上海 200433；2.上海御渡半導體科技有限公司，上海 201306）

0 引言

毫米波雷達系統(tǒng)廣泛應用在民用領域中，例如航空領域用于探測障礙物，保證民用航空的安全；再如工業(yè)清洗行業(yè)需要判別不同的目標以確定最佳的清洗模式，這都要求對目標的特性進行捕捉。通常地，光學設備可以捕捉目標特性實現(xiàn)目標的分類，但是光譜信息的獲取對光線的要求較為嚴格。此時還可以利用射線技術對目標的信息進行提取，但是成本較高且精度較低。另外，即使在光照條件良好的條件下，很多物體也很難進行識別。因此需要利用毫米波雷達不限于天氣因素和光照條件約束的優(yōu)勢，進行目標的電磁特性測量。

目前較多毫米波系統(tǒng)應用到目標的電磁特性測量當中，浙江工業(yè)大學團隊利用毫米波雷達傳感器采集不同物體的回波，獲取去噪后的包絡信息，得出結論：在相同距離下，毫米波雷達獲得的不同目標回波的包絡信息是不同的，然后構建機器學習分類器實現(xiàn)物體的判別。加利福尼亞大學利用寬頻毫米波互補金屬氧化物半導體（Complementary Metal Oxide Semiconductor，CMOS）接收器，實現(xiàn)了毫米波信號的相干檢測，驗證了該系統(tǒng)可以記錄W 波段脈沖通過多種固體目標的傳輸功率。新加坡南洋理工大學團隊利用94 GHz 的毫米波雷達系統(tǒng)進行多層復合材料嵌入缺陷檢測與識別，利用自動三維--平臺實現(xiàn)合成孔徑的獲取，結合反向投影算法得到輸出圖像檢測2 個掃描方向的缺陷異常。這些方法或作用距離很近，在遠距離情況下無法判定回波源自目標還是雜波；或不能進行成像，很難提取目標散射特征；或最多具備2 個通道，可以測量方向，但是角度分辨率過低，不具備空間分辨能力。

本文選用Texas Instrument（TI）公司設計生產(chǎn)的四芯片級聯(lián)雷達射頻板卡（AWR1243P Four-Device Cascade RF）和研制的高速信號處理板組成毫米波級聯(lián)雷達系統(tǒng)，相比之前慣用的單芯片毫米波雷達系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以對目標進行級聯(lián)雷達成像，根據(jù)不同入射角及目標本身的區(qū)別得到不同強度的散射信息，以不同目標之間的電磁特性比較，受益于射頻板卡12 發(fā)16 收的天線分布，具備空間分辨率能力。本文首先進行了系統(tǒng)硬件組成的介紹，然后進行了天線發(fā)射信號和成像算法的分析，最后進行了級聯(lián)雷達的點目標成像以及復雜目標成像實驗。實驗結果驗證了毫米波級聯(lián)雷達的分辨能力以及電磁特性測量的能力。

1 系統(tǒng)介紹

1.1 射頻板卡

毫米波級聯(lián)雷達系統(tǒng)選用TI公司設計生產(chǎn)的四芯片級聯(lián)雷達射頻板卡作為主要傳感器。該板卡屬于多輸入輸出（Multiple-Input Multiple-Output，MIMO）雷達，工作在77～81 GHz 波段，中心波長為3.9 mm，屬于毫米波段。該級聯(lián)雷達相比單芯片雷達，不僅可以對目標距離和速度進行探測，還具備極高的角度分辨率和自由度，可以獲取目標的三維坐標及速度，實現(xiàn)目標的4D 成像，獲取目標的空間位置。毫米波級聯(lián)雷達射頻板卡的實物圖如圖1 所示。它由4 片3 發(fā)4 收的射頻芯片級聯(lián)而成，構成12 發(fā)16 收的天線陣面，信號發(fā)射模式為時分多址（Time Division Multiple Access，TDMA）。圖1 中，紅色框所示為級聯(lián)雷達的接收天線，藍色框所示為級聯(lián)雷達的發(fā)射天線?？傮w來說，該級聯(lián)雷達的主要優(yōu)勢在于：可對目標進行三維高分辨成像，有效提取目標的空間位置、幾何特征以及散射特性；可以通過數(shù)字波束合成（Digital Beamforming，DBF）技術控制發(fā)射信號的指向，掃描區(qū)域遠大于普通雷達，水平方向視場角（Field of View，F(xiàn)OV）為［-60°，60°］。

圖1 77 GHz 毫米波級聯(lián)射頻板卡Fig.1 77 GHz millimeter wave cascade radio frequency card

為研究圖1 所示的毫米波級聯(lián)雷達射頻板卡的空間分辨能力，對其天線結構進行分析，對應的天線結構如圖2 所示。其中，R為接收天線，T為發(fā)射天線，為該毫米波級聯(lián)雷達的波長，對應3.9 mm。從圖2 的天線分布可以看出，該射頻板不僅在水平方向（）上具有較長的孔徑，在垂直方向（）上也排布了3 個單獨的發(fā)射天線，使得毫米波級聯(lián)雷達在水平和垂直方向上都能得到一定的分辨能力，角度分辨率可達到1.8°左右，使得應用該射頻板卡探測同距離且同速度的目標時，從空間的角度上也可實現(xiàn)對目標的區(qū)分。

圖2 級聯(lián)雷達天線陣列Fig.2 Cascade radar antenna array

根據(jù)射頻板卡的天線分布，可以得到該射頻板卡在水平方向上的分辨率和垂直方向上的分辨率：

式中：D和D分別為水平方向（）和垂直方向（）上收發(fā)天線孔徑分布長度；為級聯(lián)雷達相對成像目標的參考距離。

1.2 高速信號處理板卡

圖1 所示的毫米波級聯(lián)雷達射頻板卡由于具備通道數(shù)目多、發(fā)射信號時間短等特點，需要采用高采樣頻率、高傳輸速率的數(shù)字信號處理板保存與處理數(shù)據(jù)，因而配備采用現(xiàn)場可編程邏輯門陣列（Field Programmable Gate Array，F(xiàn)PGA）與單片機異構架構的高速信號處理板，其中FPGA 選型為XCKU040，單片機選型為GD32F307E。該高速信號處理板由蘇州深見智能科技有限公司和我方聯(lián)合研發(fā)，對每個通道的采樣頻率為4 MHz，可以有效采集并存儲各通道獲取的目標回波數(shù)據(jù)，板卡實物圖如圖3 所示。

1.3 毫米波級聯(lián)雷達系統(tǒng)

毫米波級聯(lián)雷達系統(tǒng)由毫米波級聯(lián)雷達射頻板（如圖1 所示）和高速信號處理板（如圖3 所示）組成，該系統(tǒng)的主要工程流程如圖4 所示。

圖3 高速信號處理板Fig.3 High-speed signal processing board

圖4 毫米波級聯(lián)雷達系統(tǒng)工作流程Fig.4 Flow chart of millimeter wave cascade radar system operation

具體地，首先給單片機供電，根據(jù)時序依次激活FPGA 與射頻前端完成電源管理功能；通過參數(shù)配置功能，將配置好的信號調制參數(shù)發(fā)送給射頻前端；發(fā)射天線進行分時發(fā)射，再利用高速信號處理板對回波信號進行數(shù)字采樣及處理；最后通過圖3綠色框標注的雷電3 接口發(fā)送至上位機，可以實時查看各通道采集的數(shù)據(jù)波形結果。該系統(tǒng)的主要優(yōu)勢包括：

1）由單片機完成對整個系統(tǒng)的實時控制。在系統(tǒng)工作期間，單片機對板卡的功率和溫度進行監(jiān)測與控制，防止溫度過高或短路，有效保障設備安全，延長系統(tǒng)使用壽命。

2）前后端均采用高速數(shù)據(jù)接口。MIMO 天線通過16 路低電壓差分信號（Low-Voltage Differential Signaling，LVDS）與FPGA 連接，信號處理板通過雷電3 接口與上位機連接，實現(xiàn)信號實時傳輸，并具有較高的刷新率。此外，LVDS 每路傳輸速度為600 Mbit/s，雷電3 接口的設計和使用使得系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸速度可達到20 Gbit/s。

2 信號模型

本毫米波級聯(lián)雷達系統(tǒng)的發(fā)射波形為鋸齒狀調頻連續(xù)波（Frequency-Modulated Continuous Wave，F(xiàn)MCW），它具有高分辨率和低發(fā)射功率等優(yōu)點。設FMCW 發(fā)射信號的參數(shù)信息如下：為調頻起始頻率，為調頻周期，為調頻斜率，則第個點目標的回波信號可以表示為

式中：為第個目標的回波信號的振幅；rect(·)為窗函數(shù)；為快時間；τ為第個點目標的回波時延，是該目標到收發(fā)天線的距離與光速的函數(shù)。

根據(jù)圖2 所示級聯(lián)雷達天線分布結構，可把級聯(lián)雷達的第個發(fā)射天線的空間三維坐標設為(t，t，t)，其中∈[1，12]；再設級聯(lián)雷達的第個接收天線的坐標為(r，r，r)，其中∈[1，16]。雷達視線區(qū)域內的第個散射點坐標為(x，x，x)，則該級聯(lián)雷達第個發(fā)射天線和第個接收天線到目標第個散射點的距離R和R為

面向由級聯(lián)雷達接收到的回波數(shù)據(jù)，選用了后向投影（Back Projection，BP）算法進行成像。該算法對雷達孔徑的結構和排布沒有硬性要求，對圖2 所示收發(fā)天線分布不均勻的級聯(lián)雷達回波數(shù)據(jù)也可以得到聚焦效果良好的成像結果。BP 算法面向級聯(lián)雷達所得回波數(shù)據(jù)的成像步驟如下：

對回波數(shù)據(jù)進行距離壓縮，每一個回波脈沖都存儲著該發(fā)射信號在該時刻成像目標的距離維信息；

對目標成像區(qū)域進行像素點劃分，依次計算不同發(fā)射天線和接收天線組合相對該像素點的時延；

遍歷所有的發(fā)射天線和接收天線組合相干疊加，遍歷步驟2 中劃分的區(qū)域，即可得到該成像區(qū)域的聚焦成像結果。

另外，因為本級聯(lián)雷達系統(tǒng)發(fā)射的信號為FMCW，在進行距離壓縮的過程中可以直接通過傅里葉變換實現(xiàn)，避免了匹配濾波的過程。

3 級聯(lián)雷達成像實驗

3.1 點目標成像實驗

首先利用毫米波級聯(lián)雷達系統(tǒng)進行點目標成像實驗，成像點目標選用邊長為3 cm 的角反射器。圖5（a）所示為毫米波級聯(lián)雷達點目標成像實驗場景圖，級聯(lián)雷達的天線分布面平行于吸波材料墻面，把單個角反射器放置于吸波材料墻上，以雷達中心為原點建立空間坐標系，角反射器到級聯(lián)雷達的徑向（方向）距離為1.2 m，系統(tǒng)發(fā)射FMCW 參數(shù)詳見表1。圖5（b）為修正后單個角反射器的成像結果，明顯地，角反射器的回波數(shù)據(jù)得到聚焦。圖5（c）為對應的3 dB 示意圖，可以得到該級聯(lián)雷達系統(tǒng)在水平方向的實際分辨率為0.028 m，垂直方向上的實際分辨率為0.064 m。

圖5 點目標成像實驗Fig.5 Imaging experiment for a point target

表1 級聯(lián)雷達發(fā)射信號參數(shù)Tab.1 Parameters of cascade radar transmit signals

此外進行多個點目標的成像實驗，以級聯(lián)雷達中心在吸波材料墻面的投影為中心點，在水平方向（方向）上距其左右間隔20 cm 處分別放置一個角反射器，實驗場景圖如圖6（a）所示，系統(tǒng)發(fā)射信號參數(shù)見表1，所得成像結果如圖6（b）所示。從實驗結果可以看出，2 個角反射器均得到了有效成像，且坐標位置比較準確，驗證了該毫米波級聯(lián)雷達系統(tǒng)對點目標進行成像的有效性。此外，點目標成像實驗所用時間為2.25 s，驗證了系統(tǒng)的快速成像能力。

圖6 角反射器成像實驗Fig.6 Imaging experiment for the angle reflector

3.2 復雜目標成像實驗

為了驗證毫米波級聯(lián)雷達系統(tǒng)面向復雜目標的電磁特性測量結果，選用了金屬板和水泥板進行成像實驗，2 個板材形狀均為邊長為30 cm 的正方形。實驗以級聯(lián)雷達為中心建立空間坐標系，以級聯(lián)雷達中心在吸波材料墻面的投影為中心點，在水平方向（方向）上距其左右間隔5 cm 處分別放置水泥板和金屬，實驗場景圖如圖7（a）所示。本實驗中系統(tǒng)發(fā)射信號參數(shù)見表1，得到回波數(shù)據(jù)使用BPA進行成像處理，得到成像結果如圖7（b）所示。從中可以看出，金屬箔板所在右側區(qū)域的回波信號強度明顯高于水泥板所在的左側區(qū)域，可以明顯比較得到金屬箔板和水泥板的電磁特性差別。復雜目標成像實驗所用時間為2.41 s，證明了系統(tǒng)在快速成像上的能力。

圖7 復雜目標成像實驗（水泥-金屬）Fig.7 Imaging experiment for complex targets（concrete-metal）

4 結束語

面向電磁特性測量的毫米波雷達大多有分辨率低和雷達測量維度低的問題，本文提出一套毫米波級聯(lián)雷達系統(tǒng)方案。該系統(tǒng)由四芯片級聯(lián)射頻板卡和自研的高速信號處理板構成，可以有效提取目標散射特征，對目標進行成像，且受益于其特殊的天線結構分布，該系統(tǒng)的空間分辨率高。使用該毫米波級聯(lián)雷達系統(tǒng)展開了實測實驗，實驗中利用角反射器對系統(tǒng)進行了點目標成像，并根據(jù)角反射器的成像結果進行空間分辨率的分析；又利用復雜目標實驗板，展開成像實驗以進行電磁特性鑒別。實驗結果證明，該系統(tǒng)具備良好的空間分辨能力和電磁特性測量能力，為該系統(tǒng)之后用于更多應用提供基礎。