Zi 字媒體

方德闖1，張 磊2，王錄濤1(1.成都信息工程大學 計算機學院，四川 成都610225；2.長春理工大學空地激光通信技術國防重點學科實驗室，吉林 長春130022)摘 要： 基於調頻連續波技術，給出了一種可用於海面目標搜索監視的輕型雷達的系統設計方案。該方案採用AD9914產生高寬頻、低雜散掃頻信號，採用反射功率對消技術與高速、高精度模數轉換晶元AD9467實現弱目標回波信號接收。系統設計7大功能模塊，模塊間數據交換採用高速光纖介面，在提高系統電磁兼容特性的同時又便於在各類平台部署。實驗結果表明，該系統能有效分辨鄰近目標，探測靈敏度滿足設計要求。關鍵詞： 調頻連續波；雷達；弱目標；監視中圖分類號： TN958.94文獻標識碼： ADOI：10.16157/j.issn.0258-7998.2017.07.017中文引用格式： 方德闖，張磊，王錄濤. FMCW搜索監視雷達系統設計[J].電子技術應用，2017，43(7)：67-69，73.英文引用格式： Fang Dechuang，Zhang Lei，Wang Lutao. Design of FMCW radar for searching and surveillance[J].Application of Electronic Technique，2017，43(7)：67-69，73.0 引言調頻連續波(Frequency Modulated Continuous Wave，FMCW）雷達採用具有大時寬頻寬積的連續波信號作為發射信號，接收端採用成熟的Dechirp技術對回波信號進行處理。與脈衝雷達相比，不僅可顯著提高距離解析度，而且發射功率小，不易被外界截獲。FMCW雷達系統體積小、重量輕，易於實現各類無人機載、彈載、星載等平台的安裝，因而在軍用和民用上，如精密制導、區域監視、防災減災、地質勘測等領域得到了廣泛應用。近年來，隨著固態微波技術與信號處理技術的發展， FMCW雷達技術在理論體系研究與應用上取得了諸多進展。在提高測量精度上，提出了如補零FFT相位差法[1][2]和改進型ZFFT測距法[3]等新興演算法，在工程應用上對於制約FMCW雷達探測性能的關鍵因素(如射頻泄漏等問題)也出現了對消處理等[4-6]一系列技術手段。目前，TERMA公司的SCANTER 5000和6000系列[7]雷達已能實現3 m~6 m的距離解析度；Kelvin Hughes公司的SharpEye系列能達到3 m~5 m的距離解析度[8-9]；而Aselsan公司的ALPER(Aselsan Low Power ECCM Radar)雷達，在發射功率範圍為0.001~1 W的情況下，最高可距離解析度也可達到5 m[10]。國內調頻連續波雷達研究雖然起步較晚，但隨著研究投入的增加，在FMCW雷達關鍵技術，如發射信號線性度矯正與泄露控制、目標背景干擾抑制、系統設計等方面取得了大量研究成果[11]。針對海面目標搜索監視應用需求，本文首先闡述了數字化固態FMCW雷達的詳細設計方案，著重對於FMCW波形產生、回波接收與Dechirp處理、數字頻譜處理等關鍵技術進行了詳細論述，最後給出了系統測試結果。1 系統設計FMCW搜索監視雷達的系統構成如圖1所示。系統主要由發射接收天線、微波組件、波形產生組件、中頻控制模塊、信號處理模塊、數據存儲模塊和顯示控制終端七部分構成。在圖1中，波形產生組件在系統控制信號驅動下，產生髮射通道所需的FMCW中頻信號、本地FMCW參考信號、系統同步參考時鐘。微波組件由發射通道和接收通道兩部分構成。發射通道接收波形產生組件產生的參考時鐘和中頻調頻連續波發射信號，進行上變頻處理與功率驅動輸出給天線，作為系統高頻FMCW發射信號；接收通道對天線接收的高頻回波信號進行兩級放大與Dechirp處理，輸出用於目標搜索與監測用的模擬信號。中頻控制模塊是系統工作的核心，用以產生系統工作時序、發射波形產生所需控制信號。同時，中頻控制模塊接收Dechirp處理后的回波信號並進行數字化處理，並對處理后的回波信號打包通過光纖介面發送給數字處理模塊與數據存儲模塊。數字處理模塊通過光纖介面接收數字化雷達回波信號，進行FFT、CFAR、距離走動補償等目標識別與跟蹤處理，計算目標相對載機的空間方位等信息，通過光纖介面發送至數字顯示控制終端。數字顯示控制終端，一方面產生雷達系統工作參數，控制系統工作模式；另一面接收數字處理模塊產生的目標信息，進行後期處理，並將目標信息動態地在屏幕上顯示，包括目標的位置和方位信息的靜態顯示與感興趣目標的跟蹤預測結果兩部分。系統運行過程中，中頻控制模塊、信號處理模塊與數據存儲模塊之間數據交互採用FPGA吉比特高速串列收發埠，數據處理模塊與顯示控制終端間採用UDP網路協議進行數據通信。高速數據交換介面通信介質均採用光纖，以適應在不同載體的部署需要，同時提高整機的電磁兼容性。2 系統發射與接收前端設計FMCW系統一般採用線性調頻連續波信號(LFMCW)為發射信號，接收端採用延遲后的LFMCW信號與回波信號進行Dechirp處理，得到目標的距離、速度等信息。因此，LFMCW的帶寬與線性度直接決定了系統距離解析度。目前產生LFMCW信號的方式主要有兩種：基於鎖相環的頻率合成(PLL)[12]技術與基於直接頻率合成(DDS)[13]技術。PLL技術能夠很好地捕捉和跟蹤所需要的頻率，體積小易於集成，但頻率轉換穩定時間長，寬頻的線性度難以保證；DDS技術可以在較寬頻率範圍內產生高精度、高解析度、快捷的調頻連續波信號[14]，但輸出信號的相位雜訊與雜散分量較高，需經過進一步的模擬濾波處理，以滿足高精度測量系統對信號源的低相位雜訊、低雜散需求。系統設計較為複雜，成本較高。本設計採用DDS加帶通濾波技術產生LFMCW信號，結構示意圖如圖2所示。在圖2中，採用ADI公司高性能DDS晶元AD9914產生LFMCW信號。AD9914能夠產生帶寬高達1.4 GHz的掃頻信號，寬頻無雜散動態範圍優於-52 dBc，在±500 kHz窄帶範圍內，無雜散動態範圍可達-92 dBc以上。AD9914產生的LFMCW信號經帶通濾波器BPF1進一步濾除雜散信號后，經放大器AMP1放大后與發射載波混頻，混頻后的信號通過帶通濾波器BPF2去除高頻分量后，再經功率放大器AMP2提升信號功率后，送入發射天線。圖3給出了系統接收前端數據處理流程。回波信號經接收天線接收後送入接收處理通道。在接收通道中，回波信號首先經低噪放(AMP4)放大與帶通濾波處理(BPF5)濾除帶外干擾，然後與本地LFMCW參考信號在混頻器中進行Dechirp處理，經帶通濾波(BPF6)后得到中頻目標回波信號f_out。為消除發射信號泄露對系統接收靈敏度的影響，採用反射功率對消技術，將衰減后的發射信號耦合到接收通道並進行對消處理，從而提高系統弱目標回波信號的檢測能力。3 回波信號中頻處理與目標檢測為提升弱信號檢測能力，系統採用AD9467實現接收中頻回波信號的模數轉換。AD9467模擬輸入帶寬達900 MHz，採樣解析度為16 bit，可滿足遠距離弱目標信號的檢測需求。AD9467輸出數字中頻回波信號在FPGA內下變頻處理后得到基帶信號。基帶回波信號經抽取與同步處理后，利用高速串列數據傳輸介面打包發送至信號處理模塊完成目標檢測功能。信號處理模塊採用FPGA+DSP處理架構，實現信號的實時傳輸與處理。FPGA為Xilinx公司高性能FPGA——XC7K325T。FPGA首先調用內部高速通信IP核，實現波特率為3.125 Gb/s的基帶回波數據接收，接收數據在FPGA外接DDR3 SDRAM中進行緩存后，再次被讀入FPGA進行FFT處理與CFAR處理。DSP採用TI公司C66x系列 DSP晶元TMS320C6657，實現CFAR處理后目標信號的檢測與特徵信息提取。4 測試結果分析在信號處理模塊的FPGA中，設置採樣率為30 MHz，採用ChipScope採集90 000點基帶回波數據，存儲后數據在MATLAB中重繪，得如圖4(a)所示時域波形。目標為兩艘中型貨船，距雷達天線距離分別為4海里與5海里。圖4(b)為對圖4(a)所示基帶數據進行FFT變換得到的功率譜圖。由於兩目標雷達反射面積較大且相距較遠，目標回波信號信噪比較高，因而功率譜圖清晰可見。圖5為雷達終端顯示的小目標檢測結果。目標為兩艘並排航行的小漁船，與雷達距離為0.7海里，右側為左側局部放大圖。從圖5可知，本文設計的FMCW系統具有較高的距離解析度，能夠有效分辨距離相近的小型目標。5 結論本文採用模塊化設計方法，給出了應用於海上目標搜索監視用的FMCW雷達的設計方案，對於發射LFMCW信號產生、弱信號接收、回波信息處理等關鍵技術進行了詳細論述。該系統射頻信號收發、目標檢測與顯示組件採用高速光纖介面互連，極大方便了在各類平台的部署。實驗驗證結果表明，系統能夠實現小弱目標的檢測並具有較好的距離解析度，但在探測距離的提升、雜波環境下的弱目標檢測等方面仍存在不足，需進一步優化以及對目標檢測演算法進行更深入的研究。參考文獻[1] GUOQING Q.High accuracy range estimation of FMCW level radar based on the phase of the zero-padded FFT[C].Signal Processing，2004.Proceedings.ICSP′04.2004 7th International Conference on.IEEE，2004，3：2078-2081.[2] 詹啟東，塗亞慶.基於Rife法的線性調頻連續波雷達測距演算法及實現[J].兵工學報，2014，35(5)：748-752.[3] 劉珍，朱莉，孫峰.提高LFMCW雷達測距精度的改進型ZFFT演算法[C].2015年第十屆全國毫米波、亞毫米波學術會議論文集(二)，2015.[4] GERZAGUET R，ROS L，BELVEZE F，et al.Performance of a digital transmitter leakage LMS-based cancellation algo-rithm for multi-standard radio-frequency transceivers[J].Digital Signal Processing，2016，51：35-46.[5] 宋妍，王洪，汪學剛，等.基於LMS演算法的FOD雷達射頻泄露對消技術[J].太赫茲科學與電子信息學報，2016(1)：34-39.[6] YUEHONG M，QIUSHENG L，XIAOLIN Z.Research on carrier leakage cancellation technology of FMCW system[C].Advanced Communication Technology(ICACT)，2016 18th International Conference on.IEEE，2016：7-9.[7] PEDERSEN J C.SCANTER 5000 and 6000 solid state radar：Utilisation of the SCANTER 5000 and 6000 series next generation solid state, coherent, frequency diversity and time diversity radar with software defined functionality for security applications[C].Waterside Security Conference (WSS)，2010 International.IEEE，2010：1-8.[8] HUGHES S，BOWN M.Ongoing developments to SharpEye radar[J].SEA TECHNOLOGY，2016，57(3)：15-17.[9] WADE B.SharPeye a 『new technology』marine radar[C].Radar Systems，2007 IET International Conference on.IET，2007：1-5.[10] PACE P，PAINTER R，HEINBACH K.Commercially available low probability of intercept radars and Non-cooperative ELINT receiver capabilities[R].Monterey，California，Naval Postgraduate School，Center for Joint Services Electronic Warfare，2014.[11] Jia Yingxin，Wang Yanfei.超高解析度機載SAR寬頻激勵源設計與實現[J].雷達學報，2013，2(1)：77-85.[12] 張坤，陳義，張子才.基於鎖相環的頻率合成器的設計[J].現代電子技術，2007，30(19)：110-111.[13] SCHEIBLHOFER S，SCHUSTER S，STELZER A.High-speed FMCW radar frequency synthesizer with DDS based linearization[J].IEEE Microwave and Wireless Components Letters，2007，17(5)：397-399.[14] 張林行，尚小虎，趙美聰，等.基於FPGA的直接數字合成信號源設計[J].電子設計工程，2016(1)：172-174.