一種低功耗低成本便攜式戰(zhàn)場(chǎng)偵察雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

陳 勇，汪魚(yú)洋

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第38 研究所，安徽合肥）

戰(zhàn)場(chǎng)偵察雷達(dá)是指采用集成化、輕量化設(shè)計(jì)供步兵小組便攜使用的戰(zhàn)場(chǎng)活動(dòng)目標(biāo)偵察雷達(dá)，用于前沿偵察防止偷襲及時(shí)為戰(zhàn)場(chǎng)指揮官提供實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確的戰(zhàn)場(chǎng)情報(bào)等目的。除了在戰(zhàn)場(chǎng)的應(yīng)用以外，在和平時(shí)期這類(lèi)偵察雷達(dá)也可以用于邊境偵察、緝毒與反走私行動(dòng)以及國(guó)際維和行動(dòng)。國(guó)內(nèi)、國(guó)際市場(chǎng)對(duì)輕型戰(zhàn)場(chǎng)使雷達(dá)的需求旺盛，但國(guó)內(nèi)形成批量裝備的戰(zhàn)場(chǎng)偵察雷達(dá)的型號(hào)產(chǎn)品較少，在輕量化、低功耗和低成本上還需進(jìn)一步加強(qiáng)[1-3]。

本文圍繞戰(zhàn)場(chǎng)偵察雷達(dá)進(jìn)行了深入研究，設(shè)計(jì)了一款低成本、低功耗、便攜式的雷達(dá)系統(tǒng)，詳細(xì)介紹了系統(tǒng)工作原理、軟硬件架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了優(yōu)異的雜波抑制能力和強(qiáng)大的低速小目標(biāo)探測(cè)能力。

1 系統(tǒng)工作原理

系統(tǒng)工作體制上選擇連續(xù)波體制，收發(fā)同時(shí)，探測(cè)盲區(qū)極小，兼顧遠(yuǎn)近目標(biāo)探測(cè)；發(fā)射大時(shí)寬、大帶寬信號(hào)，具備更高的距離和速度分辨力[4]。線性調(diào)頻鋸齒波是常見(jiàn)的連續(xù)波調(diào)制方式，其工作原理見(jiàn)圖1。

圖1 線性調(diào)頻鋸齒波雷達(dá)工作原理

雷達(dá)發(fā)射出去的信號(hào)在遇到目標(biāo)時(shí)，會(huì)有部分能量返回形成回波信號(hào)，該信號(hào)經(jīng)天饋系統(tǒng)的饋線輸入至接收機(jī)，與發(fā)射系統(tǒng)定向耦合過(guò)來(lái)的發(fā)射信號(hào)進(jìn)行差拍，差拍后的信號(hào)包含有目標(biāo)的距離與速度信息。通過(guò)對(duì)這個(gè)差拍信號(hào)進(jìn)行兩維分析，可以得到目標(biāo)的距離和多普勒等信息。對(duì)于占空比100%的理想調(diào)頻鋸齒連續(xù)波情況，在不考慮其它因素條件下，雷達(dá)接收到的回波信號(hào)在時(shí)間上與發(fā)射信號(hào)相比將有2R/C的時(shí)間延遲，其中R 表示系統(tǒng)到目標(biāo)的距離，C 為自由空間電磁波的傳播速度。則可以得到與距離成正比的差拍fc：

式中：B 為掃頻帶寬；Tm為掃頻周期；fc為差拍頻率。

如果目標(biāo)以相對(duì)速度v 運(yùn)動(dòng)時(shí)，則差拍信號(hào)會(huì)包含由于多普勒效應(yīng)造成的頻率偏差。

對(duì)于目標(biāo)回波，其距離與差拍信號(hào)的頻率關(guān)系如下式所示：

式中：fd為目標(biāo)的多普勒頻率。

目標(biāo)回波可以通過(guò)2D-FFT 獲取目標(biāo)R 維濾波器響應(yīng)和D 維濾波器響應(yīng)，可快速獲取目標(biāo)距離速度信息。

fc±fd可以通過(guò)對(duì)回波的一維FFT 獲取。

式中：ΔR 為距離單元長(zhǎng)度；j 為距離單元序號(hào)對(duì)于動(dòng)目標(biāo)。由于目標(biāo)相對(duì)雷達(dá)存在位置變化，反應(yīng)在幀間回波相位變化，可以通過(guò)2D-FFT 運(yùn)算，根據(jù)回波速度濾波器相應(yīng)，獲取目標(biāo)速度，目標(biāo)速度計(jì)算公式如下：

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)由天線、射頻前端和綜合處理單元組成。系統(tǒng)采用慢波線+微帶線陣天線，掃描方式上選擇頻掃體制，單通道實(shí)現(xiàn)波束電掃描，省去伺服、TR、波束控制環(huán)節(jié)，是一種常用的低成本電掃實(shí)現(xiàn)方案。通過(guò)改變雷達(dá)的工作頻率，使信號(hào)經(jīng)過(guò)饋電網(wǎng)絡(luò)后達(dá)到各個(gè)發(fā)射單元的饋電相位相應(yīng)變化，使天線波束在空域上實(shí)現(xiàn)掃描。

頻率掃描天線是陣元中的相位關(guān)系與頻率有關(guān)，隨頻率的變化而變化。其相位差的實(shí)現(xiàn)是通過(guò)相同長(zhǎng)度傳輸線傳輸不同頻率時(shí)相位不同來(lái)實(shí)現(xiàn)的，即光學(xué)中的“色散”。長(zhǎng)度為L(zhǎng) 的傳輸線傳輸兩個(gè)頻率時(shí)的相位差為：

由上式可知，若想實(shí)現(xiàn)大角度掃描，可通過(guò)增加帶寬或增加兩單元間的傳輸線長(zhǎng)度L。但太大的帶寬，會(huì)給天線單元和饋電網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)帶來(lái)麻煩。因此頻率掃描天線大角度掃描通常通過(guò)增加單元間的傳輸線長(zhǎng)度來(lái)實(shí)現(xiàn)?？紤]空間限制，工程中用蛇形線（或慢波線）解決大角度頻率掃描問(wèn)題。

在中心工作頻率時(shí)，各線陣饋電相位相同，波束指向陣面的法線方向。隨著頻率的增加，各個(gè)線陣之間的饋電相位按一定規(guī)律變化，從而實(shí)現(xiàn)天線陣波束隨頻率變化而掃描。系統(tǒng)組成見(jiàn)圖2。

圖2 系統(tǒng)組成

射頻前端采用收發(fā)通道+頻率源實(shí)現(xiàn)，收發(fā)通道設(shè)計(jì)上，保證系統(tǒng)性能的前提下，設(shè)計(jì)收發(fā)單通道，在頻率源設(shè)計(jì)上，采用數(shù)字鎖相技術(shù)直接產(chǎn)生激勵(lì)信號(hào)和系統(tǒng)時(shí)鐘，省去大量的上變頻模塊和混頻器，在電路實(shí)現(xiàn)上更為簡(jiǎn)潔，沒(méi)有混頻交調(diào)，輸出頻譜更為純凈，整個(gè)射頻前端平均功耗控制在30 W 以內(nèi)，重量控制在0.5 kg。

在運(yùn)算處理上，合理設(shè)計(jì)接收機(jī)中頻，降低系統(tǒng)采樣率，優(yōu)化軟件架構(gòu)，降低軟件接口數(shù)據(jù)量，基于ZYNQ+AD 的硬件架構(gòu)，內(nèi)部包含一個(gè)雙核ARM Contex-A9，每個(gè)CPU 頻率可達(dá)800 MHz，F(xiàn)PGA 包含有125 K 邏輯單元,Block Ram 總大小9.3 Mb,400 個(gè)DSP 計(jì)算單元，ADC 采用ADI 公司的AD9251，該系列支持14 bit 20MSPS/40MSPS/65MSPS/80MSPS，實(shí)現(xiàn)雷達(dá)從數(shù)字采樣到航跡處理的全過(guò)程，整個(gè)處理功耗峰值控制在10 W 以內(nèi)。天線陣頻掃時(shí)波束覆蓋仿真結(jié)果見(jiàn)圖3。

圖3 天線陣頻掃時(shí)波束覆蓋仿真結(jié)果

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

軟件主要處理流程包括目標(biāo)檢測(cè)與跟蹤任務(wù)處理流程、雷達(dá)控制與故障診斷處理流程，見(jiàn)圖4。

圖4 軟件工作流程

對(duì)接收到的雷達(dá)回波進(jìn)行AD 數(shù)據(jù)采樣后數(shù)據(jù)送至信號(hào)處理模塊，信號(hào)處理完成二維FFT 濾波運(yùn)算、恒虛警CFAR、虛警控制圖、滑窗檢測(cè)等檢測(cè)處理，形成原始點(diǎn)跡數(shù)據(jù)，然后對(duì)原始點(diǎn)跡進(jìn)行點(diǎn)跡提取、點(diǎn)跡凝聚以及點(diǎn)跡濾波處理，形成點(diǎn)跡數(shù)據(jù)，點(diǎn)跡處理前信號(hào)處理過(guò)程由FPGA 實(shí)現(xiàn)，共占用52 k邏輯單元和4 180 Kbits 內(nèi)部存儲(chǔ)器，點(diǎn)跡處理在ARM 中完成，利用外部DDR 緩存乒乓處理，占用系統(tǒng)一個(gè)CPU 處理資源，處理延遲160 ms。距離維FFT 濾波器的幅頻特性仿真（局部放大）見(jiàn)圖5。速度維濾波器改善因子仿真見(jiàn)圖6。

圖5 距離維FFT 濾波器的幅頻特性仿真（局部放大）

圖6 速度維濾波器改善因子仿真

數(shù)據(jù)處理完成雷達(dá)幀間的多目標(biāo)點(diǎn)、點(diǎn)航相關(guān)、濾波與預(yù)測(cè)處理，更新已有的航跡或產(chǎn)生新航跡，完成雷達(dá)對(duì)多個(gè)目標(biāo)的邊跟蹤邊搜索工作，同時(shí)由于采用頻掃體制，可以根據(jù)目標(biāo)信息以靈活的波束調(diào)度完成目標(biāo)的高數(shù)據(jù)率跟蹤，完成雷達(dá)對(duì)探測(cè)區(qū)域內(nèi)行人、車(chē)輛等多類(lèi)別目標(biāo)的檢測(cè)與跟蹤任務(wù)。并根據(jù)目標(biāo)運(yùn)動(dòng)特征、回波特征等多維特征，基于目標(biāo)特征數(shù)據(jù)庫(kù)實(shí)現(xiàn)目標(biāo)特征識(shí)別。

將點(diǎn)、航跡連同目標(biāo)識(shí)別結(jié)果傳至通信/控制/狀態(tài)監(jiān)控模塊。通信/控制/狀態(tài)監(jiān)控模塊完成全機(jī)及配套設(shè)備的控制（雷達(dá)工作模式控制/工作參數(shù)選擇、收發(fā)組件控制、環(huán)控系統(tǒng)控制等）、監(jiān)視（狀態(tài)、參數(shù)顯示和工作環(huán)境）、監(jiān)測(cè)（故障采集、診斷、定位和報(bào)警）等功能，并完成與顯示/控制模塊的目標(biāo)信息的上報(bào)和控制指令的下發(fā)。數(shù)據(jù)處理和通信/控制/狀態(tài)監(jiān)控模塊占用ARM另外一個(gè)CPU 資源，處理延遲300 ms。

顯示/控制模塊提供人機(jī)接口和圖、文、表等多種顯示方式。顯示種類(lèi)包括目標(biāo)參數(shù)顯示、原始信息顯示、表格顯示等。提供人機(jī)交互接口，顯示點(diǎn)航信息，定位信息，時(shí)間信息等，可以進(jìn)行多種地圖操作和人工干預(yù)操作。具有子窗口顯示功能，具有微表顯示功能，微表顯示航跡信息包括批號(hào)、距離、方位、速度和航向。能夠處理本地顯示方式的操作命令以及處理與目標(biāo)相關(guān)的操作命令等。

4 測(cè)試結(jié)果

在系統(tǒng)完成軟硬件設(shè)計(jì)和系統(tǒng)聯(lián)調(diào)后，將整個(gè)雷達(dá)系統(tǒng)架設(shè)與湖邊，對(duì)湖面9.9 km 處的船只進(jìn)行探測(cè)實(shí)驗(yàn)，船只上架設(shè)一個(gè)10 m2標(biāo)準(zhǔn)角反，采AD、一維FFT、二維FFT 后數(shù)據(jù)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖7。

圖7 目標(biāo)時(shí)域、頻域及RD 譜信號(hào)回波

目標(biāo)探測(cè)畫(huà)面見(jiàn)圖8。

圖8 雷達(dá)目標(biāo)探測(cè)畫(huà)面

由于系統(tǒng)具備突出的低空慢速小目標(biāo)探測(cè)能力，因此可以實(shí)現(xiàn)對(duì)典型無(wú)人機(jī)目標(biāo)的低空探測(cè)，見(jiàn)圖9。

圖9 無(wú)人機(jī)目標(biāo)探測(cè)畫(huà)面

經(jīng)測(cè)試，其各項(xiàng)指標(biāo)都滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，系統(tǒng)總重量為9 kg，總功耗為65 W，尺寸不超過(guò)470 mm*470 mm*32 mm。在后續(xù)實(shí)驗(yàn)中，其探測(cè)效果良好，工作穩(wěn)定。

結(jié)束語(yǔ)

國(guó)內(nèi)、國(guó)際市場(chǎng)對(duì)輕型戰(zhàn)場(chǎng)使雷達(dá)的需求旺盛，本文設(shè)計(jì)了一種低功耗低成本便攜式戰(zhàn)場(chǎng)偵察雷達(dá)系統(tǒng)。與國(guó)外同類(lèi)型產(chǎn)品相比（如Blighter B400 系列雷達(dá)），該雷達(dá)采用慢波線+微帶線陣實(shí)現(xiàn)電掃描相較于慢波線+耦合喇叭尺寸重量更小，采用鎖相直接產(chǎn)生激勵(lì)信號(hào)相較于傳統(tǒng)的上變頻實(shí)現(xiàn)成本和功耗更低，采用ZYNQ+AD 的架構(gòu)實(shí)現(xiàn)低功耗雷達(dá)軟件處理全過(guò)程。該系統(tǒng)集成度高、功耗低、成本低、使用性價(jià)比極高，適合戰(zhàn)場(chǎng)偵察、海防邊防、要地防護(hù)和城市低空防御。測(cè)試結(jié)果滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。