《电子技术应用》

FMCW搜索监视雷达系统设计

2017年电子技术应用第7期 作者:方德闯1,张 磊2,王录涛1
2017/8/7 10:27:00

方德闯1,张  磊2,王录涛1

(1.成都信息工程大学 计算机学院,四川 成都610225;

2.长春理工大学空地激光通信技术国防重点学科实验室,吉林 长春130022)


    摘  要: 基于调频连续波技术,给出了一种可用于海面目标搜索监视的轻型雷达的系统设计方案。该方案采用AD9914产生高宽带、低杂散扫频信号,采用反射功率对消技术与高速、高精度模数转换芯片AD9467实现弱目标回波信号接收。系统设计7大功能模块,模块间数据交换采用高速光纤接口,在提高系统电磁兼容特性的同时又便于在各类平台部署。实验结果表明,该系统能有效分辨邻近目标,探测灵敏度满足设计要求。

    关键词: 调频连续波;雷达;弱目标;监视

    中图分类号: TN958.94

    文献标识码: A

    DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.2017.07.017


    中文引用格式: 方德闯,张磊,王录涛. FMCW搜索监视雷达系统设计[J].电子技术应用,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

    调频连续波(Frequency Modulated Continuous Wave,FMCW)雷达采用具有大时宽带宽积的连续波信号作为发射信号,接收端采用成熟的Dechirp技术对回波信号进行处理。与脉冲雷达相比,不仅可显著提高距离分辨率,而且发射功率小,不易被外界截获。FMCW雷达系统体积小、重量轻,易于实现各类无人机载、弹载、星载等平台的安装,因而在军用和民用上,如精密制导、区域监视、防灾减灾、地质勘测等领域得到了广泛应用。

    近年来,随着固态微波技术与信号处理技术的发展, FMCW雷达技术在理论体系研究与应用上取得了诸多进展。在提高测量精度上,提出了如补零FFT相位差法[1]、Rife测距法[2]和改进型ZFFT测距法[3]等新兴算法,在工程应用上对于制约FMCW雷达探测性能的关键因素(如射频泄漏等问题)也出现了对消处理等[4-6]一系列技术手段。目前,TERMA公司的SCANTER 5000和6000系列[7]雷达已能实现3 m~6 m的距离分辨率;Kelvin Hughes公司的SharpEye系列能达到3 m~5 m的距离分辨率[8-9];而Aselsan公司的ALPER(Aselsan Low Power ECCM Radar)雷达,在发射功率范围为0.001~1 W的情况下,最高可距离分辨率也可达到5 m[10]。国内调频连续波雷达研究虽然起步较晚,但随着研究投入的增加,在FMCW雷达关键技术,如发射信号线性度矫正与泄露控制、目标背景干扰抑制、系统设计等方面取得了大量研究成果[11]

    针对海面目标搜索监视应用需求,本文首先阐述了数字化固态FMCW雷达的详细设计方案,着重对于FMCW波形产生、回波接收与Dechirp处理、数字频谱处理等关键技术进行了详细论述,最后给出了系统测试结果。

1 系统设计

    FMCW搜索监视雷达的系统构成如图1所示。系统主要由发射接收天线、微波组件、波形产生组件、中频控制模块、信号处理模块、数据存储模块和显示控制终端七部分构成。

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    在图1中,波形产生组件在系统控制信号驱动下,产生发射通道所需的FMCW中频信号、本地FMCW参考信号、系统同步参考时钟。微波组件由发射通道和接收通道两部分构成。发射通道接收波形产生组件产生的参考时钟和中频调频连续波发射信号,进行上变频处理与功率驱动输出给天线,作为系统高频FMCW发射信号;接收通道对天线接收的高频回波信号进行两级放大与Dechirp处理,输出用于目标搜索与监测用的模拟信号。中频控制模块是系统工作的核心,用以产生系统工作时序、发射波形产生所需控制信号。同时,中频控制模块接收Dechirp处理后的回波信号并进行数字化处理,并对处理后的回波信号打包通过光纤接口发送给数字处理模块与数据存储模块。数字处理模块通过光纤接口接收数字化雷达回波信号,进行FFT、CFAR、距离走动补偿等目标识别与跟踪处理,计算目标相对载机的空间方位等信息,通过光纤接口发送至数字显示控制终端。

    数字显示控制终端,一方面产生雷达系统工作参数,控制系统工作模式;另一面接收数字处理模块产生的目标信息,进行后期处理,并将目标信息动态地在屏幕上显示,包括目标的位置和方位信息的静态显示与感兴趣目标的跟踪预测结果两部分。

    系统运行过程中,中频控制模块、信号处理模块与数据存储模块之间数据交互采用FPGA吉比特高速串行收发端口,数据处理模块与显示控制终端间采用UDP网络协议进行数据通信。高速数据交换接口通信介质均采用光纤,以适应在不同载体的部署需要,同时提高整机的电磁兼容性。

2 系统发射与接收前端设计

    FMCW系统一般采用线性调频连续波信号(LFMCW)为发射信号,接收端采用延迟后的LFMCW信号与回波信号进行Dechirp处理,得到目标的距离、速度等信息。因此,LFMCW的带宽与线性度直接决定了系统距离分辨率。目前产生LFMCW信号的方式主要有两种:基于锁相环的频率合成(PLL)[12]技术与基于直接频率合成(DDS)[13]技术。PLL技术能够很好地捕捉和跟踪所需要的频率,体积小易于集成,但频率转换稳定时间长,宽带的线性度难以保证;DDS技术可以在较宽频率范围内产生高精度、高分辨率、快捷的调频连续波信号[14],但输出信号的相位噪声与杂散分量较高,需经过进一步的模拟滤波处理,以满足高精度测量系统对信号源的低相位噪声、低杂散需求。系统设计较为复杂,成本较高。

    本设计采用DDS加带通滤波技术产生LFMCW信号,结构示意图如图2所示。

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    在图2中,采用ADI公司高性能DDS芯片AD9914产生LFMCW信号。AD9914能够产生带宽高达1.4 GHz的扫频信号,宽带无杂散动态范围优于-52 dBc,在±500 kHz窄带范围内,无杂散动态范围可达-92 dBc以上。AD9914产生的LFMCW信号经带通滤波器BPF1进一步滤除杂散信号后,经放大器AMP1放大后与发射载波混频,混频后的信号通过带通滤波器BPF2去除高频分量后,再经功率放大器AMP2提升信号功率后,送入发射天线。

    图3给出了系统接收前端数据处理流程。回波信号经接收天线接收后送入接收处理通道。在接收通道中,回波信号首先经低噪放(AMP4)放大与带通滤波处理(BPF5)滤除带外干扰,然后与本地LFMCW参考信号在混频器中进行Dechirp处理,经带通滤波(BPF6)后得到中频目标回波信号f_out。为消除发射信号泄露对系统接收灵敏度的影响,采用反射功率对消技术,将衰减后的发射信号耦合到接收通道并进行对消处理,从而提高系统弱目标回波信号的检测能力。

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3 回波信号中频处理与目标检测

    为提升弱信号检测能力,系统采用AD9467实现接收中频回波信号的模数转换。AD9467模拟输入带宽达900 MHz,采样分辨率为16 bit,可满足远距离弱目标信号的检测需求。AD9467输出数字中频回波信号在FPGA内下变频处理后得到基带信号。基带回波信号经抽取与同步处理后,利用高速串行数据传输接口打包发送至信号处理模块完成目标检测功能。

    信号处理模块采用FPGA+DSP处理架构,实现信号的实时传输与处理。FPGA为Xilinx公司高性能FPGA——XC7K325T。FPGA首先调用内部高速通信IP核,实现波特率为3.125 Gb/s的基带回波数据接收,接收数据在FPGA外接DDR3 SDRAM中进行缓存后,再次被读入FPGA进行FFT处理与CFAR处理。DSP采用TI公司C66x系列 DSP芯片TMS320C6657,实现CFAR处理后目标信号的检测与特征信息提取。

4 测试结果分析

    在信号处理模块的FPGA中,设置采样率为30 MHz,采用ChipScope采集90 000点基带回波数据,存储后数据在MATLAB中重绘,得如图4(a)所示时域波形。目标为两艘中型货船,距雷达天线距离分别为4海里与5海里。图4(b)为对图4(a)所示基带数据进行FFT变换得到的功率谱图。由于两目标雷达反射面积较大且相距较远,目标回波信号信噪比较高,因而功率谱图清晰可见。

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    图5为雷达终端显示的小目标检测结果。目标为两艘并排航行的小渔船,与雷达距离为0.7海里,右侧为左侧局部放大图。从图5可知,本文设计的FMCW系统具有较高的距离分辨率,能够有效分辨距离相近的小型目标。

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5 结论

    本文采用模块化设计方法,给出了应用于海上目标搜索监视用的FMCW雷达的设计方案,对于发射LFMCW信号产生、弱信号接收、回波信息处理等关键技术进行了详细论述。该系统射频信号收发、目标检测与显示组件采用高速光纤接口互连,极大方便了在各类平台的部署。实验验证结果表明,系统能够实现小弱目标的检测并具有较好的距离分辨率,但在探测距离的提升、杂波环境下的弱目标检测等方面仍存在不足,需进一步优化以及对目标检测算法进行更深入的研究。

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