高 星
(中國船舶重工集團(tuán)公司第七二三研究所,江蘇 揚(yáng)州 225101)
線性調(diào)頻連續(xù)波(LFMCW)雷達(dá)技術(shù)由來已久,但是因?yàn)橄嚓P(guān)的理論問題,所以線性調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)的應(yīng)用一直比較有限。從20世紀(jì)70年代后期開始,研究學(xué)者們才開始深入地研究線性調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)的各種關(guān)鍵技術(shù),使其得到了更多更全面的認(rèn)識和關(guān)注。線性調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)的一些特性分析如下[1]:
(1) 由于線性調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)發(fā)射大帶寬的調(diào)制信號,從而可以得到非常高的距離分辨力;
(2) 傳統(tǒng)的截獲接收機(jī)很難檢測到線性調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)發(fā)射的發(fā)射信號;
(3) 線性調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)發(fā)射信號的調(diào)頻時(shí)寬遠(yuǎn)大于信號傳輸時(shí)延,而且發(fā)射機(jī)與接收機(jī)可以同時(shí)工作,所以線性調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)在距離上沒有盲區(qū);
(4) 由于線性調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)采用超大時(shí)帶積信號,其持續(xù)時(shí)間在毫秒量級,相對于同樣信號電平和信號帶寬的脈沖信號,其具有更大的能量,所以可以得到更強(qiáng)的雷達(dá)檢測性能;
(5) 基于快速傅里葉變換(FFT)的算法,能夠?qū)€性調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)系統(tǒng)的差拍回波的頻率信息進(jìn)行分析,從而可以比較容易地得到目標(biāo)的距離信息;
(6) 線性調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)信號的發(fā)射能量通過大時(shí)寬來獲得,因此對發(fā)射峰值功率[2]要求比較低,從而發(fā)射機(jī)工作電壓要求相對較低,降低了發(fā)射機(jī)的制造難度,進(jìn)一步降低了成本。同時(shí)雷達(dá)更加容易固態(tài)化,機(jī)動(dòng)性好,能較好地適應(yīng)復(fù)雜和惡劣的環(huán)境,利于在工程上的實(shí)現(xiàn)。
雷達(dá)發(fā)射機(jī)發(fā)射鋸齒波調(diào)頻信號,掃頻初始頻率為f0,調(diào)制周期為Tm,調(diào)制帶寬為β,調(diào)頻信號在t=0時(shí)刻開始掃頻,由圖1所示發(fā)射信號的頻率表示如下[3]:
fT(t)=f0+K(t-nTm),nTm≤t≤(n+1)Tm
(1)
圖1 鋸齒波LFMCW信號的頻率-時(shí)間曲線
單個(gè)周期的線性調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)發(fā)射信號表示如下:
sr(t)=Acos(2πfTt+θ0)=
(2)
式中:f0為調(diào)制信號的初始頻率;θ0為調(diào)制信號的初始相位;A為調(diào)制信號的幅度。
發(fā)射信號經(jīng)天線發(fā)射出去遇到目標(biāo)后形成目標(biāo)回波信號,目標(biāo)回波信號和發(fā)射機(jī)直接耦合過來的信號在接收機(jī)混頻器內(nèi)混頻。2個(gè)信號波形相同,回波信號相對于發(fā)射信號在時(shí)間上有一個(gè)延遲τ,由圖1所示回波信號的頻率為:
fR(t)=f0+K(t-τ-nTm),nTm+τ≤
t≤(n+1)Tm+τ,n=0,1,2,…
(3)
單個(gè)周期的回波信號可表示為:
sR(t)=sr(t-τ)=d1Acos(2πf0(t-τ)+
(4)
式中:d1為空間傳播衰減系數(shù)。
回波信號與發(fā)射信號通過混頻器混頻再濾去高頻項(xiàng)后,得到差拍回波信號sD(t)可表示為:
τ≤t≤Tm
(5)
式中:d2為混頻增益。
則差拍信號的瞬時(shí)頻率為:
(6)
目標(biāo)信號的時(shí)延τ可由下式表示:
(7)
式中:R為目標(biāo)相對于雷達(dá)的距離;c為光速。
由式(6)和式(7),目標(biāo)距離可以表示如下:
(8)
由上式可知,在確定的調(diào)制帶寬B和調(diào)制周期Tm的情況下,目標(biāo)距離R與差拍信號的頻率fD成線形比例關(guān)系,因此只要檢測到差拍回波信號的頻率值即可計(jì)算出目標(biāo)的距離值。
本文根據(jù)線性調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)的基本原理,設(shè)計(jì)了線性調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)信號處理系統(tǒng)的基本流程,然后結(jié)合FPGA處理器,進(jìn)一步設(shè)計(jì)了模/數(shù)轉(zhuǎn)換(ADC)、加窗快速傅里葉變換(FFT)運(yùn)算、求幅度值、非相參積累、距離單元恒虛警等FPGA信號處理模塊,下面對各個(gè)線性調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)信號處理模塊的功能進(jìn)行具體分析。
由圖2所示,整個(gè)線性調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)信號處理系統(tǒng)由5個(gè)子處理模塊組成:
(1) ADC模塊。ADC模塊完成線性調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)差拍信號數(shù)字化的轉(zhuǎn)換。
(2) FFT運(yùn)算模塊。FFT運(yùn)算模塊是整個(gè)線性調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)信號處理系統(tǒng)的重要組成部分,用于實(shí)現(xiàn)差拍回波信號數(shù)據(jù)由時(shí)域到頻域的轉(zhuǎn)換,本設(shè)計(jì)中,F(xiàn)FT運(yùn)算模塊中的FFT點(diǎn)數(shù)為8 192,先對差拍信號數(shù)據(jù)進(jìn)行漢寧加窗處理,再通過Quartus中的具有FFT功能的IP核,對可用采樣時(shí)間內(nèi)的采樣單元數(shù)據(jù)進(jìn)行FFT運(yùn)算。
(3) 求幅度值模塊。求幅度值模塊完成差拍信號頻域幅度的求解功能。對FFT運(yùn)算后的差拍實(shí)部信號和虛部信號進(jìn)行求幅度值處理。
(4) 非相參積累模塊。非相參積累模塊實(shí)現(xiàn)目標(biāo)譜峰檢測的功能。本設(shè)計(jì)中對5個(gè)重復(fù)周期的差拍回波的求幅度值模塊的輸出數(shù)據(jù),根據(jù)距離單元進(jìn)行數(shù)據(jù)重排,然后對同一距離單元的5個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行累加并求平均,最后將平均后的數(shù)據(jù)輸出至距離單元恒虛警模塊。
(5) 距離單元恒虛警模塊。距離單元恒虛警模塊進(jìn)一步完成目標(biāo)譜峰的檢測,去除虛警。本設(shè)計(jì)中采用單元平均選大恒虛警率(CFAR)的方法,即在被檢測單元兩側(cè)各選16個(gè)單元,分別求這16個(gè)單元的均值,兩者選大后輸出,乘以門限系數(shù)作為自適應(yīng)門限值。其主要利用相鄰距離方位單元相對均勻背景的相似雜波特性,通過兩邊相鄰單元回波數(shù)據(jù)平均求取雜波的平均值選大構(gòu)造檢測門限,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)目標(biāo)檢測。為了避免目標(biāo)本身對門限的影響,防止擴(kuò)散到峰值附近單元的信號被當(dāng)作雜波抑制掉,被檢測單元兩側(cè)各空出一個(gè)單元,從而實(shí)現(xiàn)了對目標(biāo)的浮動(dòng)門限檢測處理,能夠大大降低虛警率。輸出譜峰數(shù)據(jù),用于目標(biāo)距離的計(jì)算。
本設(shè)計(jì)采用Altera公司StratixⅡ系列的FPGA器件EP2S90,來實(shí)現(xiàn)線性調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)信號處理的設(shè)計(jì)。在AD前灌入1 MHz的差拍信號,使用Quartus調(diào)試工具邏輯分析儀SignalTapⅡ來觀測FPGA硬件實(shí)現(xiàn)結(jié)果,其中經(jīng)過信號處理前后,運(yùn)用SignalTapⅡ觀測到的信號波形如圖3所示。
圖3 LFMCW雷達(dá)差拍信號處理結(jié)果
SignalTapⅡ邏輯分析儀的觀測時(shí)鐘為20 MHz,其中serial_top:inst∣MP_IN為信號處理主脈沖,serial_top:inst∣REAL_IN為差拍信號,serial_top:inst∣BKG_result[14∶0]為信號處理背景視頻輸出結(jié)果,serial_top:inst∣BKG_valid為信號處理背景視頻輸出結(jié)果有效,serial_top:inst∣VIDEO_result[14∶0]為信號處理視頻輸出結(jié)果,serial_top:inst∣VIDEO_valid為信號處理輸出結(jié)果有效??梢钥闯?,信號處理輸出了正確的頻率信息,并符合設(shè)計(jì)要求。
本文對線性調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)信號處理算法進(jìn)行了研究,針對研究對象和設(shè)計(jì)目標(biāo)進(jìn)行了較深入的分析比較,確定了線性調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)信號處理方案。采用Altera公司的StratixⅡ系列FPGA器件EP2S90,實(shí)現(xiàn)了線性調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)信號處理算法,在做實(shí)時(shí)信號處理時(shí),該設(shè)計(jì)能夠優(yōu)化信號處理硬件資源,同時(shí)具有較好的運(yùn)算速度,符合實(shí)際應(yīng)用要求,同時(shí)比較容易實(shí)現(xiàn),在實(shí)際工程中的運(yùn)用價(jià)值比較高。