LFMCW雷達信號處理算法研究

史厚寶，戴 健

(中國船舶重工集團公司第七二三研究所，江蘇 揚州 225101)

0 引 言

船用導航[1]雷達對各類船舶安全航行發(fā)揮著重大作用。近年來，經(jīng)常發(fā)生船舶航行事故，造成了嚴重的財產(chǎn)損失和人員傷亡。導航雷達可用于探測船舶載體周圍的船只、海岸線、橋墩、海島、礁石等各類物體，給船舶駕駛員提供導航，并及時發(fā)出告警信息，提高船舶海面航行的安全性，順利泊錨。隨著固態(tài)發(fā)射機技術的發(fā)展和應用，船用連續(xù)波導航雷達具有輻射功率小、穩(wěn)定性高、距離分辨率高、沒有距離盲區(qū)、抗海雜波抗干擾能力強、具有良好的電子對抗和低截獲性能等特點[2]。連續(xù)波導航雷達非常適用于中小型船舶。目前我國船用導航雷達技術發(fā)展較慢，所以研制采用線性調(diào)頻連續(xù)波體制的船用導航雷達有著很大的市場潛力和現(xiàn)實意義。近年來，隨著數(shù)字信號處理器和現(xiàn)場可編程邏輯門陣列的迅速發(fā)展，數(shù)字信號處理算法[3]在雷達系統(tǒng)性能中起到越來越明顯的作用。為了提高雷達系統(tǒng)性能，需要對信號處理算法進行更加深入的研究、分析、仿真與驗證。

1 線性調(diào)頻連續(xù)波(LFMCW)雷達測距原理

雷達發(fā)射機發(fā)射鋸齒波線性調(diào)頻信號，在雷達照射的方向上設置一目標，以速度v勻速飛向雷達，發(fā)射信號遇到運動目標后反射，產(chǎn)生回波信號，回波信號與發(fā)射信號通過混頻器混頻再濾去高頻項后，得到單個周期的差拍回波信號sb(t)，可近似表示為:

(1)

式中：d1為空間傳播衰減系數(shù)；d2為混頻增益；B為調(diào)制帶寬；Tm為調(diào)制周期；R0為目標距離；f0為掃頻初始頻率；θ1為由目標反射引起的額外相移。

(2)

進而可以求解出點目標的距離：

R0=frcTm/2B

(3)

又由fd=2vf0/c，很容易求解得到運動目標的徑向運動速度：

v=fdc/2f0

(4)

對于靜止或低速目標而言，多普勒頻率fd=0，從而得到fr=fb。通過對差拍信號在距離向作一維FFT運算后進行頻譜分析，可以得到差拍信號的中心頻率fb。從而得到fr，目標距離R與差拍信號的頻率fr成線形比例關系，只要檢測到差拍回波信號的頻率值，即可計算出目標的距離值。

2 LFMCW雷達信號處理原理

在本設計中，信號處理模塊對目標回波數(shù)據(jù)信號先進行加窗 FFT 處理，提取各個距離的差頻信號，然后通過非相參處理高信噪比，最后根據(jù)恒虛警(CFAR)準則進行比較判決；如果超過門限，判定為目標，提取距離與幅度信息。

(1) 加窗 FFT 處理

本設計中采用切比雪夫窗進行加窗，加窗可以用來抑制旁瓣，事實證明，加窗可以明顯改善雷達圖像。加窗FFT的原理框圖如圖1所示。

圖1 加窗FFT的原理框圖

I、Q兩路差拍數(shù)據(jù)分別與切比雪夫窗系數(shù)相乘得到I、Q兩路加權差拍數(shù)據(jù)，再進行FFT處理，得到I、Q頻域差拍數(shù)據(jù)。

(2) 非相參積累

(3) 距離單元平均選小檢測算法

當主要干擾來自于地物或海浪雜波，而不是均勻的噪聲，則這些雜波往往具有嚴重的非均勻性。當待檢單元位于或靠近具有不同反射率的區(qū)域邊界處時，則恒虛警處理前后參考窗內(nèi)的數(shù)據(jù)統(tǒng)計特性會有區(qū)別，將導致在雜波邊緣處的檢測發(fā)生虛警。

CFAR-SO 檢測算法可以解決單邊參考單元中出現(xiàn)多個干擾目標的問題，其主要思想是選取2個檢測單元中功率較小者作為檢測算法雜波水平。

具有保護單元的選大單元平均恒虛警(CFAR-SO)檢測的原理方框圖如圖2所示。

圖2 CFAR-SO原理框圖

3 LFMCW雷達信號處理算法實現(xiàn)流程

本文根據(jù)LFMCW雷達的測距和信號處理原理，設計了LFMCW雷達信號處理系統(tǒng)的基本流程，LFMCW雷達信號處理系統(tǒng)將接收到的I、Q 2路差拍回波正交信號送至高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)芯片進行采樣,然后輸出2路正交的數(shù)字差拍回波信號,在現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)內(nèi)進行數(shù)據(jù)的緩存和處理后得到距離信息。

LFMCW雷達信號處理算法具體流程為:第1步先將天線得到的I、Q兩路差拍信號進行模/數(shù)(A/D)轉(zhuǎn)換處理,得到I、Q兩路數(shù)字差拍信號;第2步將I、Q兩路數(shù)字差拍信號運用切比雪夫窗進行加窗FFT處理,得到差拍信號的距離頻譜;第3步,將差拍信號的距離頻譜通過非相參積累算法,以簡化目標環(huán)境，消除海雜波,確定目標個數(shù),并同時標記出每個目標的譜峰位置；第4步,通過距離單元平均選小恒虛警率檢測算法實現(xiàn)對目標的浮動門限檢測處理，能夠大大降低虛警率，輸出每個目標更加精確的譜峰位置。通過對目標的譜峰位置進行分析，最終可以計算得出目標的距離信息。

LFMCW雷達信號處理流程如圖3所示。

圖3 LFMCW雷達差拍信號處理流程

4 LFMCW雷達信號仿真參數(shù)設定

本節(jié)對LFMCW雷達信號仿真參數(shù)進行了設定。仿真系統(tǒng)信號參數(shù)設定如下:線性調(diào)頻帶寬B=100 MHz,發(fā)射時寬t=220 μs,有效調(diào)制時寬tm=200 μs,采樣頻率fs=10 MHz,發(fā)射周期內(nèi)有效采樣點數(shù)為2 048個;信噪比(SNR)為-11 dB。用模擬的韋布爾模型的海雜波作為海雜波干擾信號，假設在雷達前方設置4個不同距離(單位m)、不同速度(單位m/s)的待檢測目標,其距離及速度參數(shù)分別為X1(200,0)、X2(400,-20)、X3(600,10)、X4(700,40)。

5 LFMCW雷達信號處理仿真及分析

根據(jù)上節(jié)LFMCW雷達信號處理算法流程及所設定的目標信號參數(shù),為了檢驗LFMCW雷達信號處理算法的可行性及有效性,用Matlab軟件對整個LFMCW雷達信號處理過程進行仿真。下面對各個LFMCW雷達信號處理過程進行具體的分析。

一個重復周期內(nèi)，4個仿真目標差拍回波信號添加韋布爾分布海雜波干擾信號之后的時域和頻域波形如圖4、圖5所示。

圖4 差拍信號時域波形

圖5 差拍信號頻域波形

對一個重復周期的差拍數(shù)據(jù)信號進行加窗FFT處理，先乘以漢寧窗系數(shù)再進行2 048點FFT運算并對幅度求模，得到相應的距離譜如圖6所示。

圖6 加窗差拍信號頻域波形

由圖6可以看出,距離譜出現(xiàn)了4個目標譜峰,通過選用漢寧窗進行加窗FFT得到差拍信號的距離譜,這樣可以有效降低差拍信號的頻譜旁瓣,減小旁瓣造成的虛警概率以及對鄰近目標的影響。

對加窗FFT運算后的距離譜通過非相參積累處理判定目標頻譜峰值位置,非相參積累后處理結(jié)果如圖7所示。

圖7 非相參積累后頻域波形

由圖7看出,非相參處理后留下目標的譜峰信息，成功地檢測到這4個待檢測目標。同時對海雜波進行有效的抑制，信噪比得到了一定程度的提高。

對非相參處理后的距離譜通過距離單元平均選小恒虛警處理判定目標頻譜峰值位置,距離單元平均選小恒虛警處理檢測結(jié)果如圖8所示。

圖8 CFAR后頻域波形

由圖8看出,距離單元平均選小恒虛警處理后留下目標的譜峰信息，成功檢測到這4個待檢測目標，同時，對海雜波具有更加有效、明顯的抑制，表明該檢測算法具有穩(wěn)定、良好的檢測效果。

最后通過檢測到的目標譜峰信息,得到頻率信息，最終確定目標的距離參數(shù)。目標具體的距離參數(shù)如表1所示。

表1 距離參數(shù)仿真結(jié)果

從表1可以看出,本文設計的LFMCW雷達信號處理算法流程可以在復雜海雜波背景、多個目標環(huán)境下精確計算出每個目標的距離參數(shù)，距離誤差在1 m之內(nèi)。

6 結(jié)束語

本文首先研究了LFMCW雷達測距原理和信號處理算法,然后給出了LFMCW雷達信號處理算法的完整實現(xiàn)流程,通過Matlab軟件仿真進行具體的驗證和分析,最終實現(xiàn)較為精確的多目標測距。這表明本LFMCW雷達信號處理系統(tǒng)在復雜的海雜波背景下能夠保持良好的性能。