劉宏宇,黃 嘯,倪 亮,陳建煒

（1.上海無線電設(shè)備研究所,上海 201109;2.上海目標識別與環(huán)境感知工程技術(shù)研究中心,上海 201109;3.中國航天科技集團有限公司交通感知雷達技術(shù)研發(fā)中心,上海 201109）

0 引言

測高雷達作為一種探測距離地面、海面相對高度的裝置,必須能夠?qū)崟r給出高度信息,并保證測量結(jié)果的準確性。常見的測高雷達多基于數(shù)字信號處理器（DSP）實現(xiàn)。DSP雖然在數(shù)字信號處理方面具有優(yōu)勢,但其實現(xiàn)控制功能的能力較弱,有時需要結(jié)合現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）等其他芯片來實現(xiàn),導(dǎo)致雷達設(shè)計的復(fù)雜度增加。

ARM處理器作為一種常用的嵌入式處理器,因具有高性能、低功耗、低成本、芯片類型豐富、第三方支持廣泛等特點而受到廣大用戶的青睞。ARM處理器包含非常豐富的外設(shè),能在各個領(lǐng)域的不同應(yīng)用場景中完成精確的控制功能。相比于FPGA、DSP等處理器,ARM處理器能大大降低系統(tǒng)設(shè)計復(fù)雜度,提高系統(tǒng)集成度。STM32系列的ARM處理器內(nèi)部集成了硬件浮點運算單元（FPU）,支持多種DSP指令集,能夠?qū)崿F(xiàn)快速傅里葉變換（FFT）等數(shù)字運算。此外該處理器還集成了一整套專門用于軟件開發(fā)的函數(shù)庫,用戶只需調(diào)用上層函數(shù)即可實現(xiàn)相應(yīng)功能,并不需要進行復(fù)雜的寄存器操作,大大降低了軟件的開發(fā)難度,節(jié)省了開發(fā)時間。目前ARM處理器已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各種嵌入式系統(tǒng)。

本文設(shè)計了一種基于ARM處理器STM32F407ZGT6的測高雷達,實現(xiàn)對地面、海面相對高度的測量以及海面測高時對海浪高度的計算,并通過機載掛飛和造波池實驗,驗證該雷達的連續(xù)跟蹤測高能力和海浪高度計算的準確性。

1 測高雷達組成

基于ARM的測高雷達通過微波組件發(fā)射信號,并對雷達接收的目標回波信號進行放大、濾波、自動增益控制（AGC）等處理,經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）采樣,通過ARM處理器運算處理后得到高度信息。測高雷達組成如圖1所示。

圖1中ARM處理器為雷達信號處理器的核心。通過RS422串口與控制系統(tǒng)通信,接收控制系統(tǒng)的控制指令,并將測高結(jié)果和遙測信息傳遞給控制系統(tǒng)。通過串行外設(shè)接口（SPI）配置微波組件控制參數(shù),使其產(chǎn)生特定頻率和帶寬的線性調(diào)頻信號。調(diào)頻同步和功放開關(guān)信號用于實現(xiàn)微波組件信號發(fā)射和關(guān)閉的控制,并生成系統(tǒng)工作、信號處理的時序。功率控制信號用于實現(xiàn)測高雷達距離地面、海面不同高度時發(fā)射功率的自適應(yīng)調(diào)節(jié)。收發(fā)天線具有寬波束和窄波束兩種工作模式,可通過通道選擇進行更改。

圖1 基于ARM處理器的測高雷達組成

2 測高雷達硬件設(shè)計

基于ARM處理器的測高雷達的硬件電路主要由ARM處理器和其他外圍電路組成。ARM處理器主要完成微波組件控制、控制系統(tǒng)通信、天線通道選擇和回波信號采集處理等功能。其他外圍電路包括電源模塊、時鐘電路、串口通信電路、濾波電路、自動增益控制電路等。其中電源模塊為微波組件和ARM處理器提供電壓;時鐘電路為ARM處理器提供穩(wěn)定的外部時鐘源;串口通信電路實現(xiàn)ARM處理器和控制系統(tǒng)的RS422通信;濾波電路濾除電路中產(chǎn)生的噪聲以及回波信號中由雜波引起的干擾;自動增益控制電路實現(xiàn)對回波信號強度的自適應(yīng)調(diào)節(jié),使其始終保持在一個合適的范圍。

2.1 ARM處理器

本文選用ST公司的高集成度32位ARM處理器STM32F407ZGT6。該處理器采用ARM Cortex-M4F架構(gòu),工作頻率最高可達168 MHz。集成了1 MB的片上閃存（Flash）、192 kB的片上靜態(tài)隨機存取存儲器（SRAM）、114個輸入輸出（I/O）接口、3個12位的ADC、17個定時器、6個通用同步/異步串行接收/發(fā)送器（USART）及3個SPI。主要應(yīng)用在低功耗、低成本條件下,并能取得較高的性能。

ARM處理器資源配置情況如圖2所示。ARM處理器通過專用的電源接口（VDD）和外部電源模塊相連,獲得ARM處理器工作時所需要的穩(wěn)定電壓。通過時鐘接口（CLK）和外部時鐘電路相連,接收經(jīng)時鐘電路分頻后的具有高穩(wěn)定性和準確性的50 MHz外部時鐘,隨后經(jīng)過芯片內(nèi)部的時鐘處理電路,為各個外設(shè)提供工作時鐘。通過一路SPI與微波組件相連,對微波組件進行配置,產(chǎn)生滿足要求的線性調(diào)頻信號。分別通過一路I/O接口控制調(diào)頻同步和功放開關(guān)信號,產(chǎn)生工作時序。通過一路UART與串口通信電路（RS422）相連,經(jīng)RS422串口芯片完成與控制系統(tǒng)的雙向通信。通過一路ADC與濾波電路的輸出相連,完成對濾波后中頻回波信號的采集。通過一路I/O接口與收發(fā)天線相連,完成天線寬、窄波束模式的選擇。通過3路I/O接口完成對微波組件發(fā)射功率的控制。通過3路I/O接口連接外圍自動增益控制電路實現(xiàn)對回波強度的自適應(yīng)調(diào)節(jié)。

圖2 ARM處理器資源配置框圖

2.2 外圍電路

（1）電源模塊

電源模塊為測高雷達系統(tǒng)提供電壓,主要將控制系統(tǒng)提供的+28 V電壓轉(zhuǎn)換為+8,+5,-5 V等3種不同的電壓。其中+8 V電壓主要用于微波組件,+5 V和-5 V電壓用于ARM處理器和其他電路。

（2）時鐘電路

ARM處理器在時鐘的驅(qū)動下,進行時序邏輯處理,時鐘的穩(wěn)定性和準確性對ARM處理器的工作性能起到至關(guān)重要的作用。STM32F4系列處理器集成了內(nèi)部時鐘源,同時支持外接時鐘源。為了提高時鐘的穩(wěn)定性和抗干擾能力,采用外接時鐘源（CD54HC74F）,縮短時鐘信號的邊沿變化時間,對外部輸入的50 MHz時鐘進行分頻,得到穩(wěn)定的25 MHz時鐘供ARM處理器使用。

（3）串口通信電路

串口通信電路用于實現(xiàn)ARM處理器與控制系統(tǒng)的雙向通信。ADM2682串口通信芯片是一款完全集成的信號與電源隔離的數(shù)據(jù)收發(fā)器,具有±15 kV靜電保護,適用于多點傳輸?shù)母咚偻ㄐ?。通過配置全雙工的RS422串口通信電路實現(xiàn)與控制系統(tǒng)的高速實時雙向通信。

（4）濾波電路

濾波電路分為低通濾波和高通濾波兩部分。目標回波信號進入雷達,經(jīng)過放大后,先進行高通濾波,濾除由地物等雜波引起的低頻信號,減小地物雜波的干擾。再對高通濾波后的信號進行自動增益控制,將信號幅度控制在一個合適的范圍后進行低通濾波,以減小信號被放大后的高頻毛刺引起的干擾。

（5）自動增益控制電路

為了避免雷達接收到的目標回波信號經(jīng)濾波處理后,信號過大飽和或過小難以檢測的問題,需要控制回波信號的幅度在一定范圍內(nèi)自適應(yīng)調(diào)節(jié)。使用可變增益放大器AD603AR對回波信號的幅度進行調(diào)整,實現(xiàn)信號增益在（-1～+41）dB范圍內(nèi)變化,滿足測高雷達的工作需求。

3 測高雷達軟件設(shè)計

3.1 軟件設(shè)計流程

測高雷達軟件的開發(fā)環(huán)境為Keil5.27,在開發(fā)環(huán)境中移植ARM處理器專用的函數(shù)庫來加快開發(fā)進程。軟件的主要功能為通過控制ARM處理器、外圍電路及微波組件實現(xiàn)對地面、海面高度的測量及海浪高度的計算,軟件設(shè)計流程如圖3所示。

圖3 軟件設(shè)計流程圖

測高雷達上電后,首先進行雷達的初始化,主要包括時鐘、ADC、串口、SPI及I/O接口的初始化。然后開啟與控制系統(tǒng)的通信,接收來自控制系統(tǒng)的開機指令和測高模式控制指令。在不同的測高模式下完成回波信號采集,并根據(jù)信號強度進行自動增益控制。對采集的信號進行FFT等運算,得出高度值,在海面測高模式下還要進行高度數(shù)據(jù)的積累,計算得到浪高值。最后將獲得的高度數(shù)據(jù)和浪高數(shù)據(jù)返回給控制系統(tǒng)。

3.2 回波信號采集

回波信號采集是進行信號處理的基礎(chǔ)。采用ARM處理器內(nèi)部自帶的ADC,對其進行配置后完成對回波信號的采集。目標回波信號經(jīng)濾波之后的頻率為（15～850）kHz,因此配置ADC的采樣率為2 Msps,以滿足奈奎斯特采樣率的要求。同時為了提高采樣精度,配置ADC的采樣位數(shù)為12位,由于采樣速率較快,開啟ADC采樣結(jié)果的直接存儲器訪問（DMA）傳輸,將采樣后的數(shù)據(jù)直接搬移到內(nèi)存中供后續(xù)處理使用。

3.3 自動增益控制

自動增益控制通過改變和自動增益控制電路相連的3個I/O接口的高低電平來實現(xiàn)。3個接口的不同高低電平組合,可以控制自動增益控制電路產(chǎn)生不同范圍的增益變化。在實際工作過程中,當回波信號的強度超過設(shè)定的最高門限時,將AGC的自動調(diào)節(jié)數(shù)量減小一級以實現(xiàn)對信號的衰減;當回波信號的強度小于設(shè)定的最低門限時,將AGC的自動調(diào)節(jié)數(shù)量增大一級以實現(xiàn)對信號的增強。為了避免AGC自動調(diào)節(jié)過于靈敏,當信號強度連續(xù)8次超過范圍時才對其進行調(diào)節(jié),否則不調(diào)節(jié)。

3.4 高度計算

回波信號采集之后,通過對回波信號的處理,進行高度的計算,流程如圖4所示。

圖4 高度計算流程圖

首先對回波信號進行FFT運算。FFT運算是整個回波信號處理的核心,信號經(jīng)FFT運算后得到信號頻譜,目標距測高雷達的距離可由頻譜進行計算得出。通過尋找回波信號頻譜中能量最強的頻率即頻譜的最大值,確定目標回波在頻譜中的位置n,通過線性調(diào)頻信號的帶寬和脈寬,確定單位頻率分辨率大小的頻率對應(yīng)的距離d,則高度h的計算公式為

在進行FFT運算時,對前4個測量周期內(nèi)的回波信號取平均來保證測量結(jié)果的穩(wěn)定性,后續(xù)的信號經(jīng)過滑窗處理后再進行此操作。

3.5 浪高計算

在進行海面測高時,需要對海面進行精細化探測,實時計算海浪的高度。海浪高度通過對測量高度數(shù)據(jù)的積累與運算得到,根據(jù)高度測量周期,首先積累500個高度數(shù)據(jù)（約5 s）,以覆蓋一個完整的波浪,通過提取高度的變化信息,得到有效浪高

4 實驗驗證

通過機載掛飛和造波池實驗,分別驗證測高雷達的連續(xù)跟蹤測高性能以及海浪高度測量的準確性。

機載掛飛實驗時,將測高雷達安裝在實驗運輸機上,測量爬升階段飛機對地面的相對高度,并和飛機上搭載的全球定位系統(tǒng)（GPS）輸出高度進行同步對比。機載掛飛實驗地面測高結(jié)果如圖5所示。

圖5 機載掛飛實驗地面測高結(jié)果

由圖5可知,測高雷達在（0～1 200）m的高度范圍內(nèi)工作正常,能連續(xù)跟蹤測量高度。與GPS的輸出高度相比,測高雷達的平均測量誤差為12.9 m,誤差均方根為16.3 m,滿足測量精度要求。

造波池實驗場景如圖6所示。將測高雷達固定在塔吊的吊鉤上,并連接測試儀、電源等設(shè)備,然后將測高雷達置于造波池正上方某一固定高度處,對其下方造波池內(nèi)的人造浪進行測量。造波池可根據(jù)需求模擬（1～3）級海情的正弦譜浪或PM譜浪。

圖6 造波池實驗示意圖

將測高雷達置于造波池正上方15.5 m高度處,并模擬3級正弦譜浪進行測量,得到的測量高度和浪高如圖7所示。

圖7 3級正弦譜浪條件下的高度和浪高測量結(jié)果

由圖7可以看出,測高雷達測得的高度值呈正弦波形式變化,與模擬的3級正弦譜浪相吻合,得到的浪高大多為0.4 m。由于造浪池區(qū)域受限,接觸到池壁的浪涌反彈后與后續(xù)浪涌對沖,形成一個瞬時的浪峰,偶爾能測到0.5 m的浪高,按照海浪高度的劃分等級,屬于3級海情的浪高范圍。

5 結(jié)束語

基于STM32系列ARM處理器實現(xiàn)的測高雷達具有集成度高、體積小、重量輕的特點。通過機載掛飛和造波池實驗,驗證了該雷達具有良好的連續(xù)跟蹤測高性能,可實現(xiàn)海浪高度的精準測量,具有很好的工程應(yīng)用前景。