調頻連續波毫米波雷達信號處理軟件分析

高 山，但 波，劉 克，翟龍軍

（海軍航空大學，山東煙臺264001）

雷達按照信號形式可以劃分為脈沖雷達與連續波雷達，脈沖雷達適用于多目標的信息測量[1]，但由于收發一體的技術特點致使單基地脈沖雷達無法同時進行收、發信號，因而產生了距離盲區。但連續波雷達則與之相反，不存在距離盲區。同時，隨著技術的發展，連續波雷達多目標檢測、收發隔離等問題都有所改善，連續波雷達的優勢逐漸凸顯，并受到極大的關注。連續波雷達的結構相對簡單，信號的峰值功率不大，采用微波器件和固態源可以有效地減小雷達體積與重量[2]；調制信號多樣化，通過調頻或者調相等擴頻技術的發射信號具有抗偵察與抗對抗的能力，更好地對敵方進行隱身[3]。在導彈近程制導的應用方面，連續波雷達功率低、調制信號多樣化而且測量精度高[4]，十分符合末制導雷達的需求。集成電路、微波技術的發展也為連續波雷達應用于末端制導提供了可能。

連續波雷達最早得到應用，是1924年英國利用調頻連續波雷達測量電離層高度[5]；20 世紀50 年代中期，功率僅為幾十毫瓦的微波固態源代替作為信號源代替了電真空器件，連續波多普勒導航系列雷達的跟蹤控制器應用了微處理機技術，該雷達與其他雷達相比，不僅效能得到了提升，而且抑制雜波干擾與電子偵察的能力也得到了增強；20世紀90年代以后我國對于連續波雷達的研究也逐漸增多，并取得了一系列研究成果，沈福民、賈永康教授對相位測距中的解模糊技術提出新看法，沈福民教授主導研制了多頻連續波雷達等[6]。

本文通過研究DemoRad雷達信號處理軟件，分析了連續波雷達的工作原理和信號處理過程，并進一步研討調頻連續波毫米波雷達用于近程制導的可行性。首先，介紹了研究背景與意義；接著，給出了DemoRad雷達的硬件與DemoRad雷達信號處理軟件，并對軟件各模式功能進行實驗測試；最后，介紹調頻連續波毫米波雷達的性能特點，對其應用于末端制導的缺陷給出改善方案。

1 測量平臺

1.1 平臺硬件

本文使用的A24BF 是ADI 公司新型的雷達產品。它是一個具有2 組發射天線、4 組接收天線、1 個可編程Blackfin 數字信號處理器的24GHzMIMO 雷達，包括射頻天線和全射頻信號電路、ADF5904（接收）、ADF5901（發射）、ADF4159（PLL）、ADAR7251（AFE）和ADI 的ADSP-BF707 DSP。DemoRad 系統框圖如圖1所示。由圖1可知，一個Blackfin數字信號處理器是用來控制射頻前端處理接收通道的雷達測量信號。根據框圖ADF5901 雙通道發射機與頻率合成器ADF4159相結合，產生FMCW發射信號。2組天線由ADF4159 發射機饋電，前端的接收路徑由ADF5904 四通道接收機實現采用ADAR7251 模擬前端對接收機的測量信號進行放大和采樣。然后，在DSP中對信號進行處理，通過USB 2.0或CAN接口對處理結果進行訪問。包括電源在內的整個電路板設計在一個總尺寸為100 mm×100 mm 的PCB上。

圖1 DemoRad系統框圖Fig.1 System chart of DemoRad

1.2 平臺軟件

信號處理軟件的整體設計思路及系統結構如圖2所示，用戶選擇不同的模式，并在選擇模式下進行操作；進行實時數據采集并處理時選擇“參數載入”將參數載入到DemoRad 雷達平臺中，DemoRad 開始工作并通過USB2.0 或CAN 接口向上位機發送數據；用戶可以點擊“數據保存”將實時測試數據進行保存；也可以點擊“數據載入”將數據庫中數據載入到上位機；通過“在線”或“離線”數據載入到上位機后，點擊“開始”對數據進行處理，并在用戶界面上繪制相應圖像，并顯示參數。

圖2 信號處理軟件的整體設計思路及系統結構Fig.2 Design idea and system structure of signal processing software

2 信號處理軟件功能實現及實驗驗證

2.1 FMCW模式驗證

對于FMCW模式的準確性進行實驗驗證，在雷達正前方1 m 處放置一靜止目標，實物場景圖如圖3 所示

圖4 為上位機接收的雷達采樣信號，對其進行傅里葉變換，采樣信號頻譜如圖5所示。

圖3 實物場景圖Fig.3 Entity scene graph

圖4 雷達采樣信號Fig.4 Radar sampling signal

圖5 采樣信號頻譜Fig.5 Sampling signal frequency spectrum

圖6 距離剖面圖Fig.6 Range profile

2.2 Range-Doppler模式驗證

本節通過2個實驗的測試、分析結果，判斷其性能與測量精度。

將雷達面對道路，在雷達前方13 m、21 m 和23 m位置處有靜止目標，同時觀測16～18 m 處道路上的汽車。當汽車路過時記錄此時數據，獲得的距離剖面圖與距離-多普勒圖，如圖7所示。由圖7可以看出，在17 m 左右位置有一動目標，其速度為2 m/s?？梢钥闯隼走_可以顯示不同速度的目標。

由于觀測位置相同，靜止目標位置不變，觀測到路邊距離雷達15 m 位置處有2 名路人，其中1 名靜止不動，1名以0.5 m/s 的速度運動，當2人處于相同位置時記錄得到數據，如圖8 a）、b）所示。

圖7 距離剖面圖及距離-多普勒圖Fig.7 Range profile and range-doppler profile

圖8 距離剖面圖及速度-多普勒圖Fig.8 Range profile and range-doppler profile

圖8中，15 m 位置處有2個目標。一個速度為0，另一個為0.5 m/s，驗證了雷達進行距離-多普勒處理可以將相同位置處的不同速度的目標進行區分。

2.3 DBF模式驗證

在DBF模式中，目標距離信息的測定方式與FMCW模式相同，本節不再進行分析。

在雷達左前方1 m、30°放置一靜止目標，實物場景圖如圖9所示。

對雷達回傳數據進行處理，得到其距離維信息，距離剖面圖如圖10所示。

圖9 實物場景圖Fig.9 Entity scene graph

圖10 距離剖面圖Fig.10 Range profile

從圖10 看出目標所在位置，選取目標所在距離維，對該距離維信息進行傅里葉變換，將包含目標角度信息轉移到頻譜，并解算出角度，得到目標距離維下的方位剖面圖以及距離方位圖，如圖11 a）、b）所示。

為了進一步測定DBF模式下的雷達測量精度，在雷達前方不同方位放置2 個相同靜止目標，其實物圖與距離-方位顯示如圖12 a）、b）所示。

圖11 方位剖面圖與距離方位圖Fig.11 Azimuth profile and range azimuth profile

圖12 實物場景圖與測試結果Fig.12 Entity scene graph and test result

2.4 MIMO技術仿真及其性能分析

DBF模式是對目標的距離、角度信息進行提取分析，但是DemoRad雷達平臺僅有2組發射天線、4組接收天線，其角度分辨力很低，為了增加雷達的角度分辨力，雷達采用了MIMO 技術，增加了雷達孔徑增強了雷達測角精度。

DemoRad雷達平臺，具有2組發射天線、4組接收天線，采用了稀疏發射緊密接收的天線布陣方式。dT=3dR、dR=λ/2，其中：dT為發射天線間距；dR為接收天線間距。通過多輸入多輸出技術可以得到Ne=7組模擬接收單元，Ne為等效陣的陣元素。

1）在雷達偏左55° 前方1.5 m ，放置1 個靜止目標，對接收數據進行處理。采用與不采用MIMO技術得到的結果如圖13 所示?？梢钥闯鲈诓捎枚噍斎攵噍敵黾夹g后檢測到的目標精度更高，目標更精確。

圖13 MIMO技術對雷達精度影響Fig.13 Influence of MIMO on radar accuracy

2）為了進一步測試多輸入多輸出技術對雷達分辨力的影響，在雷達左、右一定角度1 m 位置放置2個完全相同的靜止物體，實驗結果見圖14。圖14的實驗結果可以看出，采用了多輸入多輸出技術后雷達的角分辨力大幅提高，有效地提升了雷達性能[8]。

圖14 MIMO技術對雷達精度影響Fig.14 Influence of MIMO on radar accuracy

2.5 Target-Detection模式實現

Target-Detection模式提取到了目標的距離、方位、速度信息，將256個采樣周期的數據作為一組數據，對每個采樣周期的數據做數字波束形成和距離多普勒處理，通過門限檢測檢測到目標，計算其數量與能量中心，確定目標的距離、方位二維分辨單元，對同一目標的距離與方位二維分辨單元的256 個采樣周期做FFT變換，取得目標速度。

3 調頻連續波毫米波雷達末端制導可行性

3.1 調頻連續波毫米波體制雷達優勢與缺陷

調頻連續波毫米波體制雷達的優勢：

1）由于發射信號為連續波，消除了脈沖體制所面臨的距離盲區問題[9]。

2）連續波體制的工作電壓低，發射峰值功率低，信號源制作簡單，同時不易被敵方偵察到，具有很好的隱身性能。

3）調頻連續波雷達具有超大的時帶積信號，相比于其他體制雷達在相同信號強度以及信號帶寬的情況下信號能量較大，檢測目標能力較強[10]；

4）調頻連續波雷達結構簡單，隨著微波技術、集成元件和固態源等技術的發展，連續波雷達尺寸更小、體積更加輕便、成本也相對較??；

5）毫米波體制同時具有微波體制和紅外體制的優點[11]，毫米波系統易于集成化、精度高、抗干擾性能強同時具有較強的全天候工作能力。

調頻連續波毫米波體制雷達的缺陷：

1）收發隔離問題。收發隔離問題是連續波雷達一直須要解決的問題。采用收發共用天線，會存在收發耦合問題，因此，為了減小收發耦合，一般不采用收發共用天線[12]。但如果采用收發分置天線，由于導引頭內部空間小、收發天線間距小，會有發射信號直接通過接收天線進入接收機，所以收發隔離問題是主要限制連續波體制雷達應用于末端制導的問題；

2）動目標距離-速度耦合問題。由線性調頻連續波雷達信號可以推出線性調頻連續波雷達的模糊函數[13]為：

由式（1）可以看出線性調頻連續波的模糊函數是在τ-v 平面上斜率為μ 的正比例函數，即：

式（2）將引起動目標的距離-速度耦合問題，即由于線性調頻連續波雷達得到的目標多普勒頻移存在模糊，而引起的測距誤差[14]。

3.2 連續波雷達改善措施

3.2.1 收發隔離問題改善措施

利用隔離元件進行收發隔離主要是指在收發共用天線上利用環形器、耦合器對發射與接收信號進行物理隔離，發射信號與接收信號互不干擾，達到隔離的效果，但在實際應用中這種方法的隔離度并不高。

空間隔離，主要是在收發天線間距較大的情況下有所應用[15]，在天線間放置吸波材料或者屏蔽物，同時改善天線的波束指向，但是這種方法較為局限，在天線間距較近時不適用。對消技術主要是利用人為產生的信號來與泄露信號進行抵消來達到隔離的效果，按照對消信號的類型分為中頻對消、射頻對消。

DBF 技術，在對發射波束進行幅度加權，降低發射波束在直達接收波束方向的天線增益，同時在接收波束上也應用DBF技術，降低接收波束在發射天線方向的天線增益，來達到收發隔離的效果[16]。

3.2.2 速度距離耦合問題改善措施

多普勒測距誤差矯正可采用三角波波形測定上下變頻信號，利用上下變頻信號進行測距誤差矯正[17]，這就要判斷上變頻與下變頻信號頻譜是否來自同一目標，將同一目標的上下變頻頻譜進行配對。雖理論上同一目標的上下變頻信號應具有一樣的形狀和幅度，但是由于干擾、目標起伏特性等問題的存在，兩者會出現差異，所以只能通過一些頻譜特性進行配對。目前應用最為廣泛的方法是頻譜面積法和最小均方誤差法。

頻譜面積法是利用頻譜的面積大小作為判斷頻譜是否來自同一目標的標準，將頻譜面積相差最小的視為同一目標的上下變頻信號進行配對。

最小均方誤差法是對以一目標的上變頻信號為準，對各下變頻信號求出均方誤差，找到最小值即為同一目標的上下變頻信號[18]。

4 結束語

首先，介紹了DemoRad 雷達平臺，對其進行了簡要概述；接著，對信號處理軟件框架進行介紹，并對各模式進行分析測試，驗證其功能是否可以實現并檢測其精度；最后，對連續波毫米波雷達是否可以在末端制導上應用進行分析，分析了連續波和毫米波體制的優勢。同時，分析出應用于導引頭上存在的問題，對其主要問題提出改善措施。研究發現軟件設計中也存在一些缺陷，如在對部分模式信號處理進行編程時所采用的算法效率較差，致使在軟件運行時信號處理的實時性很差；軟件在進行多目標信息提取時會報錯導致軟件崩潰；軟件只能對雷達平臺某些參數進行修改限制過大等問題。這些問題會在今后逐漸完善。