基于線性調頻技術的主動式安防雷達設計

鮑曉利，王志強

(中國電子科技集團公司第十三研究所，河北省 石家莊 050000)

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基于線性調頻技術的主動式安防雷達設計

鮑曉利，王志強

(中國電子科技集團公司第十三研究所，河北省 石家莊 050000)

摘要為彌補現有視頻安防技術、紅外安防技術等在特定環境下存在的固有缺陷，線性調頻連續波雷達被引入到安防技術體系中。目前，線性調頻連續波雷達產品絕大部分為車載雷達，其不能被直接用于安防監控系統中。為滿足市場和客戶的需求，基于線性調頻技術對主動式安防雷達進行了研究，并開發出了主動式安防雷達原型機。為對雷達原型機進行驗證和分析，在真實環境下進行了測量實驗。通過對實驗結果進行分析，表明研發出的雷達原型機的可監測距離可達77m，可實時對單目標的方位、距離和速率進行測量。通過無監督背景學習方法的引入，雷達原型機可被應用于復雜場景中。

關鍵詞安防監控；雷達；線性調頻；動態目標檢測

0引言

在主動安防領域，視頻安防系統和紅外安防系統等已成為安防技術防范系統中最為關鍵的子系統[1]。但在特殊環境條件(如霧霾、雨、雪、黑夜和沙塵暴等)下應用時，其有效性和可靠性將極大地降低。針對此問題，連續波雷達作為解決方法之一被引入到了安防技術防范系統中[2]。線性調頻連線波(Linear Frequency Modulated Continuous Wave，LFMCW)雷達作為一種短距測量雷達系統，可對靜態或動態目標的距離或速度進行有效測量。目前，LFMCW雷達一般應用于車載雷達，對行人的測量距離一般不超過50m，且在實際應用時受視場內背景雜波的影響較大。鑒于此，本文將LFMCW技術應用到了主動式安防雷達設計中，根據主動式安防雷達的實際應用場景提出了完整的系統設計方案，并對雷達硬件和數字信號處理算法進行了研發。此外，為滿足實際應用需求，引入了MTI濾波、背景雜波去除、動態目標檢測和背景自學習等技術到主動式安防雷達設計中。其中，背景雜波頻譜圖自學習方法為無監督機器學習算法在主動式安防雷達設計中的一次重要嘗試，可有效解決雷達系統在復雜多干擾背景下的應用問題。

1主動式安防雷達系統原理

(1)

(2)

式中，Ac為發射信號幅度；wc為載波信號角頻率；wb為調制信號角頻率；θ為發射信號相位；θ′為接收信號相位；N為調制信號周期重復次數；Tp為調制信號周期；k為調制信號斜率；Ac′為接收信號幅度；Δt為雷達信號行程時間差。

由式(1)和式(2)可知，雷達視場內目標距離R為：

(3)

式中，c0為光速；Δf為差頻信號頻率。

動態目標速度為[4]：

(4)

式中，Rt1和Rt2為動態目標在t1和t2時刻的距離。雷達的距離分辨率ΔRmin和速度分辨率Δcmin為：

(5)

本文采用單基線相位干涉方法對動態目標的方位角θ進行測量，計算公式式為：

(6)

式中，d為接收天線1和接收天線2間的距離；SI1(k)、SQ1(k)、SI2(k)和SQ2(k)分別為雷達接收機I1、Q1、I2和Q2通道中頻信號的離散傅里葉變換值。

2主動式安防雷達系統設計與實現

根據上述內容，本文對主動式安防雷達系統進行了設計和開發，其系統組成如圖1所示。

圖1　雷達系統組成

從圖1中可知，雷達系統主要包括射頻/中頻模擬信號處理模塊[5]和基帶數字信號處理模塊[6-7]。射頻/中頻模擬信號處理模塊中所包含的功能部件已相對成熟，可通過定制的方式予以實現。限于篇幅，本文不對射頻/中頻模擬信號處理模塊進行說明，感興趣的讀者可參看文獻[8-10]。

基帶數字信號處理模塊所包含的功能組件因應用領域不同而有較大不同，尤其是隨著近年軟件無線電技術的快速進步，其功能組件的實現方法和性能也有著本質的差異。因此，基帶數字信號處理模塊為主動式安防雷達系統的核心模塊。本文基帶數字信號處理模塊所包括的功能組件均采用TMS320 F28335 DSP平臺和標準C語言進行開發，其算法流程圖如圖2所示。限于篇幅，本節僅對基帶數字信號處理模塊中的MTI濾波、背景雜波去除和動態目標檢測功能組件的具體實現算法進行說明，其余功能組件的具體實現方法均在文獻[8-10]中有詳細闡述，讀者可自行查閱。

圖2　數字信號處理模塊算法流程

在實際應用中，雷達視場內均存在一定面積的靜態背景目標。為檢測動態目標，須從雷達回波信號中分離出動態目標的雷達回波信號。為此，本文采用MTI濾波器對雷達回波信號進行數字濾波以去除靜態背景雷達回波信號。MTI濾波器結構圖如圖3所示。

圖3　數字MTI濾波器結構

經MTI濾波后的雷達回波信號中仍存在殘留靜態背景雜波、系統噪聲和非平坦地面反射雜波等多種背景雜波。在實際動態目標檢測中，須去除背景雜波以降低雷達系統的檢測虛警率。由于背景雜波在不同的應用場景中均具有不同的特征，所以本文采用無監督學習方法主動獲取雷達視場內的背景雜波頻譜圖，具體算法流程圖如圖4所示。圖4中迭代次數M由用戶設置。在背景雜波頻譜圖學習完成后，即可采用背差法去除背景雜波信號的頻譜，并通過搜索幅度頻譜最大峰值及其所對應的相位差獲取動態目標的距離和角度信息。

圖4　無監督背景頻譜學習算法流程

根據第1節和本節內容，本文已研發出主動式安防雷達原型機，其尺寸為25cm×15cm×10cm。

3實驗及結果分析

為對主動式安防雷達原型機進行驗證分析，本文構建了動態目標(以人為測量對象)測量實驗系統。實驗系統配置示意圖如5所示，雷達視場(方框內為行人)如圖6所示。從圖6中可看出，道路兩側存在著樹、草地、灌木叢和樓房等多種類型背景目標。

圖5　實驗系統配置示意　　　圖6　雷達視場

本節將分別進行2組實驗：第1組對固定距離或固定角度的行人進行測量；第2組實驗對距離和角度均不固定的行人進行測量。通過對第1組實驗數據進行統計分析可得雷達的距離分辨率和角度分辨率分別約為0.8m和1.7°。第2組實驗對直線(近似直線)行走和迂回行走的行人分別進行跟蹤測量，雷達測得行人的角度、距離、速度和運動軌跡如圖7和圖8所示。

圖7　　　　行人直線行走　　　　圖8　　　　行人迂回行走　　　　　測量結果　　　測量結果

從圖7和圖8中可知，雷達的測量距離范圍約為3～73m。此外，還可看出雷達測得的行人運動速度具有較大的波動，其主要由人在行走的過程中身體各個部分均具有不同的速度及加速度造成的。將本文所研發雷達的技術指標同國內外相關雷達產品的技術指標進行比較，對比結果如表1所示。從表1中可知，本文所研發雷達在測量距離方面更優。

表1　雷達產品技術指標對比

4結束語

為滿足安防領域對小型監視雷達的需要，本文基于LFMCW技術提出了一種主動式安防雷達。為實現LFMCW雷達在安防應用中的技術要求，引入了MTI濾波、背景雜波去除、動態目標檢測和背景自學習等技術，并針對實際應用環境對其實現算法進行了優化，可實現單個目標的距離、方位、速度和路徑的準確實時監測。其中，背景雜波頻譜圖無監督學習方法可有效降低復雜環境下的雷達虛警率，使主動式安防雷達系統具有較好的可用性。通過實驗數據分析和雷達產品技術指標對比表明，本文所研發雷達相較于現有同類產品其整體性能更優，其中測量距離可達77m。

參考文獻

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doi:10.3969/j.issn.1003-3106.2016.07.06

收稿日期：2016-04-01

中圖分類號TN959.6

文獻標志碼A

文章編號1003-3106(2016)07-0021-04

作者簡介

鮑曉利男，(1985—)，博士，工程師。主要研究方向：模擬/數字陣列天線設計、雷達信號處理。

王志強男，(1971—)，高級工程師。主要研究方向：雷達系統設計、微波組件/模塊設計。

An LFMCW Based Design of Active Security Surveillance Radar

BAO Xiao-li,WANG Zhi-qiang

(The13thResearchInstituteofCETC,ShijiazhuangHebei050000,China)

AbstractConsidering the inherent defects of video or infrared surveillance technologies,Linear Frequency-Modulated Continuous-Wave (LFMCW) radars are introduced into security surveillance applications.Currently,most LFMCW radar products are used as vehicular anti-collision radars,which can’t be applied directly in security surveillance.Therefore,LFMCW based active security surveillance radars are studied in this paper,and a prototype is developed.A set of experiments are conducted in real application environment.The experimental results show that the prototype radar can measure the direction,range and speed of the target,and the maximum measured range is up to 77m.The prototype radar can be applied in various scenarios by using background self-learning algorithm.

Key wordssecurity surveillance;radar;LFMCW;MTI

引用格式：鮑曉利,王志強.基于線性調頻技術的主動式安防雷達設計[J].無線電工程,2016,46(7):21-24.