0 引言

    調(diào)頻連續(xù)波(Frequency Modulated Continuous Wave，F(xiàn)MCW）雷達(dá)采用具有大時(shí)寬帶寬積的連續(xù)波信號(hào)作為發(fā)射信號(hào)，接收端采用成熟的Dechirp技術(shù)對(duì)回波信號(hào)進(jìn)行處理。與脈沖雷達(dá)相比，不僅可顯著提高距離分辨率，而且發(fā)射功率小，不易被外界截獲。FMCW雷達(dá)系統(tǒng)體積小、重量輕，易于實(shí)現(xiàn)各類(lèi)無(wú)人機(jī)載、彈載、星載等平臺(tái)的安裝，因而在軍用和民用上，如精密制導(dǎo)、區(qū)域監(jiān)視、防災(zāi)減災(zāi)、地質(zhì)勘測(cè)等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。

    近年來(lái)，隨著固態(tài)微波技術(shù)與信號(hào)處理技術(shù)的發(fā)展， FMCW雷達(dá)技術(shù)在理論體系研究與應(yīng)用上取得了諸多進(jìn)展。在提高測(cè)量精度上，提出了如補(bǔ)零FFT相位差法^[1]、Rife測(cè)距法^[2]和改進(jìn)型ZFFT測(cè)距法^[3]等新興算法，在工程應(yīng)用上對(duì)于制約FMCW雷達(dá)探測(cè)性能的關(guān)鍵因素(如射頻泄漏等問(wèn)題)也出現(xiàn)了對(duì)消處理等^[4-6]一系列技術(shù)手段。目前，TERMA公司的SCANTER 5000和6000系列^[7]雷達(dá)已能實(shí)現(xiàn)3 m~6 m的距離分辨率；Kelvin Hughes公司的SharpEye系列能達(dá)到3 m~5 m的距離分辨率^[8-9]；而Aselsan公司的ALPER(Aselsan Low Power ECCM Radar)雷達(dá)，在發(fā)射功率范圍為0.001~1 W的情況下，最高可距離分辨率也可達(dá)到5 m^[10]。國(guó)內(nèi)調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)研究雖然起步較晚，但隨著研究投入的增加，在FMCW雷達(dá)關(guān)鍵技術(shù)，如發(fā)射信號(hào)線性度矯正與泄露控制、目標(biāo)背景干擾抑制、系統(tǒng)設(shè)計(jì)等方面取得了大量研究成果^[11]。

    針對(duì)海面目標(biāo)搜索監(jiān)視應(yīng)用需求，本文首先闡述了數(shù)字化固態(tài)FMCW雷達(dá)的詳細(xì)設(shè)計(jì)方案，著重對(duì)于FMCW波形產(chǎn)生、回波接收與Dechirp處理、數(shù)字頻譜處理等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了詳細(xì)論述，最后給出了系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

    FMCW搜索監(jiān)視雷達(dá)的系統(tǒng)構(gòu)成如圖1所示。系統(tǒng)主要由發(fā)射接收天線、微波組件、波形產(chǎn)生組件、中頻控制模塊、信號(hào)處理模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊和顯示控制終端七部分構(gòu)成。

    在圖1中，波形產(chǎn)生組件在系統(tǒng)控制信號(hào)驅(qū)動(dòng)下，產(chǎn)生發(fā)射通道所需的FMCW中頻信號(hào)、本地FMCW參考信號(hào)、系統(tǒng)同步參考時(shí)鐘。微波組件由發(fā)射通道和接收通道兩部分構(gòu)成。發(fā)射通道接收波形產(chǎn)生組件產(chǎn)生的參考時(shí)鐘和中頻調(diào)頻連續(xù)波發(fā)射信號(hào)，進(jìn)行上變頻處理與功率驅(qū)動(dòng)輸出給天線，作為系統(tǒng)高頻FMCW發(fā)射信號(hào)；接收通道對(duì)天線接收的高頻回波信號(hào)進(jìn)行兩級(jí)放大與Dechirp處理，輸出用于目標(biāo)搜索與監(jiān)測(cè)用的模擬信號(hào)。中頻控制模塊是系統(tǒng)工作的核心，用以產(chǎn)生系統(tǒng)工作時(shí)序、發(fā)射波形產(chǎn)生所需控制信號(hào)。同時(shí)，中頻控制模塊接收Dechirp處理后的回波信號(hào)并進(jìn)行數(shù)字化處理，并對(duì)處理后的回波信號(hào)打包通過(guò)光纖接口發(fā)送給數(shù)字處理模塊與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊。數(shù)字處理模塊通過(guò)光纖接口接收數(shù)字化雷達(dá)回波信號(hào)，進(jìn)行FFT、CFAR、距離走動(dòng)補(bǔ)償?shù)饶繕?biāo)識(shí)別與跟蹤處理，計(jì)算目標(biāo)相對(duì)載機(jī)的空間方位等信息，通過(guò)光纖接口發(fā)送至數(shù)字顯示控制終端。

    數(shù)字顯示控制終端，一方面產(chǎn)生雷達(dá)系統(tǒng)工作參數(shù)，控制系統(tǒng)工作模式；另一面接收數(shù)字處理模塊產(chǎn)生的目標(biāo)信息，進(jìn)行后期處理，并將目標(biāo)信息動(dòng)態(tài)地在屏幕上顯示，包括目標(biāo)的位置和方位信息的靜態(tài)顯示與感興趣目標(biāo)的跟蹤預(yù)測(cè)結(jié)果兩部分。

    系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，中頻控制模塊、信號(hào)處理模塊與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊之間數(shù)據(jù)交互采用FPGA吉比特高速串行收發(fā)端口，數(shù)據(jù)處理模塊與顯示控制終端間采用UDP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。高速數(shù)據(jù)交換接口通信介質(zhì)均采用光纖，以適應(yīng)在不同載體的部署需要，同時(shí)提高整機(jī)的電磁兼容性。

2 系統(tǒng)發(fā)射與接收前端設(shè)計(jì)

    FMCW系統(tǒng)一般采用線性調(diào)頻連續(xù)波信號(hào)(LFMCW)為發(fā)射信號(hào)，接收端采用延遲后的LFMCW信號(hào)與回波信號(hào)進(jìn)行Dechirp處理，得到目標(biāo)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(tǒng)距離分辨率。目前產(chǎn)生LFMCW信號(hào)的方式主要有兩種：基于鎖相環(huán)的頻率合成(PLL)^[12]技術(shù)與基于直接頻率合成(DDS)^[13]技術(shù)。PLL技術(shù)能夠很好地捕捉和跟蹤所需要的頻率，體積小易于集成，但頻率轉(zhuǎn)換穩(wěn)定時(shí)間長(zhǎng)，寬帶的線性度難以保證；DDS技術(shù)可以在較寬頻率范圍內(nèi)產(chǎn)生高精度、高分辨率、快捷的調(diào)頻連續(xù)波信號(hào)^[14]，但輸出信號(hào)的相位噪聲與雜散分量較高，需經(jīng)過(guò)進(jìn)一步的模擬濾波處理，以滿足高精度測(cè)量系統(tǒng)對(duì)信號(hào)源的低相位噪聲、低雜散需求。系統(tǒng)設(shè)計(jì)較為復(fù)雜，成本較高。

    本設(shè)計(jì)采用DDS加帶通濾波技術(shù)產(chǎn)生LFMCW信號(hào)，結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

    在圖2中，采用ADI公司高性能DDS芯片AD9914產(chǎn)生LFMCW信號(hào)。AD9914能夠產(chǎn)生帶寬高達(dá)1.4 GHz的掃頻信號(hào)，寬帶無(wú)雜散動(dòng)態(tài)范圍優(yōu)于-52 dBc，在±500 kHz窄帶范圍內(nèi)，無(wú)雜散動(dòng)態(tài)范圍可達(dá)-92 dBc以上。AD9914產(chǎn)生的LFMCW信號(hào)經(jīng)帶通濾波器BPF1進(jìn)一步濾除雜散信號(hào)后，經(jīng)放大器AMP1放大后與發(fā)射載波混頻，混頻后的信號(hào)通過(guò)帶通濾波器BPF2去除高頻分量后，再經(jīng)功率放大器AMP2提升信號(hào)功率后，送入發(fā)射天線。

    圖3給出了系統(tǒng)接收前端數(shù)據(jù)處理流程?；夭ㄐ盘?hào)經(jīng)接收天線接收后送入接收處理通道。在接收通道中，回波信號(hào)首先經(jīng)低噪放(AMP4)放大與帶通濾波處理(BPF5)濾除帶外干擾，然后與本地LFMCW參考信號(hào)在混頻器中進(jìn)行Dechirp處理，經(jīng)帶通濾波(BPF6)后得到中頻目標(biāo)回波信號(hào)f_out。為消除發(fā)射信號(hào)泄露對(duì)系統(tǒng)接收靈敏度的影響，采用反射功率對(duì)消技術(shù)，將衰減后的發(fā)射信號(hào)耦合到接收通道并進(jìn)行對(duì)消處理，從而提高系統(tǒng)弱目標(biāo)回波信號(hào)的檢測(cè)能力。

3 回波信號(hào)中頻處理與目標(biāo)檢測(cè)

    為提升弱信號(hào)檢測(cè)能力，系統(tǒng)采用AD9467實(shí)現(xiàn)接收中頻回波信號(hào)的模數(shù)轉(zhuǎn)換。AD9467模擬輸入帶寬達(dá)900 MHz，采樣分辨率為16 bit，可滿足遠(yuǎn)距離弱目標(biāo)信號(hào)的檢測(cè)需求。AD9467輸出數(shù)字中頻回波信號(hào)在FPGA內(nèi)下變頻處理后得到基帶信號(hào)?；鶐Щ夭ㄐ盘?hào)經(jīng)抽取與同步處理后，利用高速串行數(shù)據(jù)傳輸接口打包發(fā)送至信號(hào)處理模塊完成目標(biāo)檢測(cè)功能。

    信號(hào)處理模塊采用FPGA+DSP處理架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)信號(hào)的實(shí)時(shí)傳輸與處理。FPGA為Xilinx公司高性能FPGA——XC7K325T。FPGA首先調(diào)用內(nèi)部高速通信IP核，實(shí)現(xiàn)波特率為3.125 Gb/s的基帶回波數(shù)據(jù)接收，接收數(shù)據(jù)在FPGA外接DDR3 SDRAM中進(jìn)行緩存后，再次被讀入FPGA進(jìn)行FFT處理與CFAR處理。DSP采用TI公司C66x系列 DSP芯片TMS320C6657，實(shí)現(xiàn)CFAR處理后目標(biāo)信號(hào)的檢測(cè)與特征信息提取。

4 測(cè)試結(jié)果分析

    在信號(hào)處理模塊的FPGA中，設(shè)置采樣率為30 MHz，采用ChipScope采集90 000點(diǎn)基帶回波數(shù)據(jù)，存儲(chǔ)后數(shù)據(jù)在MATLAB中重繪，得如圖4(a)所示時(shí)域波形。目標(biāo)為兩艘中型貨船，距雷達(dá)天線距離分別為4海里與5海里。圖4(b)為對(duì)圖4(a)所示基帶數(shù)據(jù)進(jìn)行FFT變換得到的功率譜圖。由于兩目標(biāo)雷達(dá)反射面積較大且相距較遠(yuǎn)，目標(biāo)回波信號(hào)信噪比較高，因而功率譜圖清晰可見(jiàn)。

    圖5為雷達(dá)終端顯示的小目標(biāo)檢測(cè)結(jié)果。目標(biāo)為兩艘并排航行的小漁船，與雷達(dá)距離為0.7海里，右側(cè)為左側(cè)局部放大圖。從圖5可知，本文設(shè)計(jì)的FMCW系統(tǒng)具有較高的距離分辨率，能夠有效分辨距離相近的小型目標(biāo)。

5 結(jié)論

    本文采用模塊化設(shè)計(jì)方法，給出了應(yīng)用于海上目標(biāo)搜索監(jiān)視用的FMCW雷達(dá)的設(shè)計(jì)方案，對(duì)于發(fā)射LFMCW信號(hào)產(chǎn)生、弱信號(hào)接收、回波信息處理等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了詳細(xì)論述。該系統(tǒng)射頻信號(hào)收發(fā)、目標(biāo)檢測(cè)與顯示組件采用高速光纖接口互連，極大方便了在各類(lèi)平臺(tái)的部署。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果表明，系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)小弱目標(biāo)的檢測(cè)并具有較好的距離分辨率，但在探測(cè)距離的提升、雜波環(huán)境下的弱目標(biāo)檢測(cè)等方面仍存在不足，需進(jìn)一步優(yōu)化以及對(duì)目標(biāo)檢測(cè)算法進(jìn)行更深入的研究。

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作者信息：

方德闖1，張  磊2，王錄濤1

(1.成都信息工程大學(xué) 計(jì)算機(jī)學(xué)院，四川 成都610225；

2.長(zhǎng)春理工大學(xué)空地激光通信技術(shù)國(guó)防重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室，吉林 長(zhǎng)春130022)