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)波信號作為發(fā)射信號，接收端采用成熟的Dechirp技術(shù)對回波信號進(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)各類無人機(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)勘測等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用,。

    近年來,，隨著固態(tài)微波技術(shù)與信號處理技術(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,。在提高測量精度上,，提出了如補(bǔ)零FFT相位差法^[1]、Rife測距法^[2]和改進(jìn)型ZFFT測距法^[3]等新興算法,，在工程應(yīng)用上對于制約FMCW雷達(dá)探測性能的關(guān)鍵因素(如射頻泄漏等問題)也出現(xiàn)了對消處理等^[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)控制信號驅(qū)動(dòng)下,，產(chǎn)生發(fā)射通道所需的FMCW中頻信號、本地FMCW參考信號,、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,，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；接收通道對天線接收的高頻回波信號進(jìn)行兩級放大與Dechirp處理，輸出用于目標(biāo)搜索與監(jiān)測用的模擬信號,。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,。同時(shí),，中頻控制模塊接收Dechirp處理后的回波信號并進(jìn)行數(shù)字化處理，并對處理后的回波信號打包通過光纖接口發(fā)送給數(shù)字處理模塊與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊,。數(shù)字處理模塊通過光纖接口接收數(shù)字化雷達(dá)回波信號,，進(jìn)行FFT、CFAR,、距離走動(dòng)補(bǔ)償?shù)饶繕?biāo)識別與跟蹤處理,，計(jì)算目標(biāo)相對載機(jī)的空間方位等信息，通過光纖接口發(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)測結(jié)果兩部分,。

    系統(tǒng)運(yùn)行過程中，中頻控制模塊,、信號處理模塊與數(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(LFMCW)為發(fā)射信號,，接收端采用延遲后的LFMCW信號與回波信號進(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,，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^[14],，但輸出信號的相位噪聲與雜散分量較高,，需經(jīng)過進(jìn)一步的模擬濾波處理，以滿足高精度測量系統(tǒng)對信號源的低相位噪聲,、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，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。AD9914能夠產(chǎn)生帶寬高達(dá)1.4 GHz的掃頻信號,，寬帶無雜散動(dòng)態(tài)范圍優(yōu)于-52 dBc,，在±500 kHz窄帶范圍內(nèi)，無雜散動(dòng)態(tài)范圍可達(dá)-92 dBc以上,。AD9914產(chǎn)生的LFMCW信號經(jīng)帶通濾波器BPF1進(jìn)一步濾除雜散信號后,，經(jīng)放大器AMP1放大后與發(fā)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(jīng)功率放大器AMP2提升信號功率后,，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盘柦?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f_out,。為消除發(fā)射信號泄露對系統(tǒng)接收靈敏度的影響,，采用反射功率對消技術(shù)，將衰減后的發(fā)射信號耦合到接收通道并進(jìn)行對消處理,，從而提高系統(tǒng)弱目標(biāo)回波信號的檢測能力,。

3 回波信號中頻處理與目標(biāo)檢測

    為提升弱信號檢測能力，系統(tǒng)采用AD9467實(shí)現(xiàn)接收中頻回波信號的模數(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)信號的檢測需求,。AD9467輸出數(shù)字中頻回波信號在FPGA內(nèi)下變頻處理后得到基帶信號,?；鶐Щ夭ㄐ盘柦?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)送至信號處理模塊完成目標(biāo)檢測功能,。

    信號處理模塊采用FPGA+DSP處理架構(gòu),，實(shí)現(xiàn)信號的實(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)信號的檢測與特征信息提取,。

4 測試結(jié)果分析

    在信號處理模塊的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)回波信號信噪比較高,，因而功率譜圖清晰可見。

    圖5為雷達(dá)終端顯示的小目標(biāo)檢測結(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，對于發(fā)射LFMCW信號產(chǎn)生,、弱信號接收,、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)射頻信號收發(fā),、目標(biāo)檢測與顯示組件采用高速光纖接口互連,，極大方便了在各類平臺(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)的檢測并具有較好的距離分辨率,，但在探測距離的提升,、雜波環(huán)境下的弱目標(biāo)檢測等方面仍存在不足，需進(jìn)一步優(yōu)化以及對目標(biāo)檢測算法進(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.長春理工大學(xué)空地激光通信技術(shù)國防重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室，吉林 長春130022)