毫米波相控陣雷達檢測算法與硬件實現

馬琪

摘要：毫米波相控陣雷達具有高距離分辨率、低成本、低功耗和無近距離盲區等優點。本文提出了一種毫米波相控陣雷達檢測算法與硬件實現方案，實現了相控陣雷達接收數字波束合成，利用雷達回波調頻段與非調頻段信號譜分析實現目標距離速度解耦合，并完成了目標的測角、跟蹤功能。

關鍵詞：毫米波相控陣雷達;接收數字波束合成;距離速度解耦合

中圖分類號：TN958.92 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2019）04-0080-02

0 引言

毫米線性調頻連續波（FMCW）雷達是一種通過對連續波進行頻率調制來獲得距離與速度信息的雷達體制[1]， 它的優點在于結構簡單、體積小、重量輕;距離分辨力高;不存在距離盲區[2];而且在小型戰術毫米波相控陣雷達中，低成本、更高頻段，數字化與可擴展是推動相控陣天線集成技術發展的主要動力。隨著RF-BiCMOS技術的發展，天線集成陣列結構的全雷達功能芯片（包括T/R組件與數字處理）的單芯片雷達：單片一體化相控陣系統已成為可能，這為當前發展戰術毫米波相控陣雷達的重要途徑。

1 算法原理

本文提出一種相控陣毫米波雷達信號處理方案，信號處理模塊主要完成方位、俯仰通道的數字波束合成，多個波束信號的調頻去斜處理、相參積累以及目標的檢測與跟蹤處理。能夠對調頻波三角波信號上升段和下降段分別去斜處理，實現目標距離和速度的解耦合處理;具備目標距離、速度高精度估計能力。連續波信號距離譜分析功能采用FFT算法對每個接收波束的去斜后回波信號進行頻譜分析，得到頻譜結果后利用調頻連續波的頻譜距離變換關系計算出目標的距離，信號處理流程如圖1所示。

方位、俯仰接收波束數字合成，主要實現方位、俯仰接收波束的同時多波束數字合成。方位需要同時合成45個接收波束，俯仰需要同時合成17個接收波束。方位和俯仰分別輸入48個接收單元的通道IQ信號，采用通道幅度相位加權方法來合成不同指向的和路接收波束。可以同時實現多通道之間的幅相誤差校正功能。

連續波信號距離譜分析功能采用FFT算法對每個接收波束的去斜后回波信號進行頻譜分析[3]，得到頻譜結果后利用調頻連續波的頻譜距離變換關系計算出目標的距離。

調頻連續波對于運動目標會有距離速度耦合問題。使用三角波調頻信號的正斜率段和負斜率段信號配合解距離速度耦合時，對于多目標會有目標之間的配對問題，從而產生虛假目標。為了去除虛假目標，可以利用連續波信號非調頻段信號譜分析功能中得到的目標速度去除虛假目標。對于配對算法產生的多個目標，真實目標的輸出速度和虛假目標的輸出速度是不同的，而利用非調頻段回波信號進行譜分析得到的真實目標速度進行匹配篩選，就可以剔除具有不同速度的虛假目標，從而得到真實目標，處理流程如圖2。

對于目標檢測要求，利用接收機的AGC數據，與目標的距離、速度和回波幅度等參數相配合，建立不同口徑目標的回波數據庫，對回波中檢測到的目標信號進行數據庫檢索，來剔除不需要的目標類型，保留需要關心的目標。使用αβ濾波器來進行目標的距離跟蹤，來保證目標的測距精度。

目標差波束數字合成與測角功能，對于在接收和波束中檢測到的目標，在對應的接收波束方向，對接收通道回波信號利用數字合成方法產生接收差波束，采用和差法進行目標測角，從而保證目標的測角精度。

對于俯仰支路的處理，當方位支路檢測到目標后，對于該目標進行俯仰支路的差波束測角，俯仰支路測出目標俯仰角后，與方位支路的目標融合后，將目標參數輸出。

2 算法硬件實現

信號處理硬件模塊采用技術比較成熟的FPGA+DSP架構實現。其中FPGA用于計算量大，數據規整的算法;DSP用于計算量略小，需要較靈活的處理的算法。信號處理板框圖如圖4。

每個信號處理板上集成2片TMS320C6678和2片XC7VX690T。其中，以1片FPGA和1片DSP為一個模塊完成方位波束合成、距離譜分析、距離速度解耦合、目標檢測距離跟蹤、差波束測角，1片FPGA和1片DSP為一個模塊完成俯仰波束合成、距離譜分析、差波束測角、目標融合輸出。具體硬件設計如圖3。由于算法中數字波束合成部分需要大量的乘法器、加法器、RAM資源、FFT譜分析需要大量的DSP資源、RAM資源， DSP進行少量的距離速度解耦合運算，所以選用了Xilinx含有大容量片內RAM和硬件乘法器和DSP資源的V7系列的XC7V690T芯片，該FPGA芯片3600個DSP slice，內部RAM達到68Mb，邏輯單元數達到了1955K，完全能滿足算法的實現，并能利用剩余資源放置其他運算單元和控制模塊，基本實現了單片的系統集成化設計。

3 結語

本文提出了一種毫米波相控陣雷達檢測算法與硬件實現方案，實現了相控陣雷達接收數字波束合成，利用雷達回波非調頻段譜分析解出目標速度，結合調頻段回波譜分析完成目標距離速度耦合問題，并完成了目標的測角、跟蹤功能。

參考文獻

[1] 朱江，董健，王雪松.相參FMCW導航雷達方案設計與信號仿真[J].現代電子技術，2014.（19）：1-5.

[2] 艾俊軼.毫米波高精度測距雷達信號處理及實現[D].成都：電子科技大學信號與信息處理，2006.

[3] 宋瑋.FMCW 雷達測距精度及其信號處理技術的研究[D].南京：南京理工大學通信與信息系統，2004.