強雜波背景下FMCW雷達低小慢目標探測研究

薛衛東，王文軍，秦 征，彭炳江，李百社，秦光明

(陜西長嶺電子科技有限責任公司，陜西 寶雞721006)

0 引言

隨著復雜電磁環境下信息對抗技術的發展,雷達同時面臨著截獲概率降低和最大探測距離增加的雙重考驗。這對雷達從信號形式、采樣速率、信號處理到終端顯示都提出了更高的要求。

復雜海洋環境下的雷達回波處理給雷達信號處理工作帶來了新的挑戰。因此,提高雷達的抗干擾性能已成為雷達設計者面臨的嚴峻任務[1]。調頻連續波(Frequency Modulated Continuous Wave,FMCW)雷達在雜波背景下具有靈敏度高、距離盲區小、距離分辨率高、輻射功率小、體積小、成本低及能耗低等優點[2]。

在復雜的海洋環境下,對于低截獲概率雷達來說連續波雷達是最佳的選擇[3],同時,調頻連續波雷達在近距離測量和低速目標的探測方面上具有顯著優勢[4]。當前,隨著調頻連續波雷達發射功率的進一步降低,其抗截獲性能顯著增強,已經具備了一定的射頻隱身功能[5]。根據FMCW雷達的測量精度、量程及實時性等指標,通過對硬件前端和后端信號處理算法進行調整和優化,使其靈活性得到進一步增強,已經在民用和綜合領域得到越來越廣泛的應用[6]。

復雜海洋環境下的雜波抑制工作主要通過雷達信號處理來完成,通過相干積累和對消法的方法抑制海雜波[7]。信噪比的提高可以通過對干擾及噪聲進行抑制、對目標信號進行積累[8]以及對數字下變頻(Digital Downconverter,DDC)系數的優化來實現[9],但雷達回波信號的實時性有所降低,同時,各種對消處理算法的使用提高了抑制海雜波的能力,但降低了對弱小目標的探測能力。如何在復雜海洋環境下,既提高海雜波的抑制能力,又不影響針對低小慢目標的探測能力,對雷達信號處理工作提出了新的要求。

當前,解決上述問題的辦法主要是通過選擇合適的FMCW發射波形,同時采用相關的雷達信號處理算法以及海上回波的觀測試驗來獲得最佳的回波性能。FMCW信號主要包括線性FMCW信號、三角波FMCW信號、正弦FMCW信號和平方律FMCW信號等[10]。

本文通過中頻采樣電路把模擬中頻信號變成多路數字差分信號,再進行DDC、低通濾波和抽取,然后再對兩路數字差分信號進行快速傅里葉變換(FFT)等信號處理。最后,選取適當的雷達參數,并通過動目標顯示/自適應動目標顯示(MTI/AMTI)處理、反異步處理、恒虛警及動態雜波圖等信號處理算法的相互組合使用,進一步提高強雜波背景下針對近距離低小慢目標的探測能力。

1 系統原理分析

FMCW信號處理原理框圖如圖1所示,輸入模擬中頻信號,通過高速A/D采樣電路輸出差分數字中頻信號,再完成DDC及FFT等信號處理。最后,將雷達數據包送上位機完成終端顯示。

圖1 FMCW信號處理原理框圖Fig.1 Schematic block diagram of FMCW signal processing

線性調頻信號的表達式如式(1)所示[11]:

(1)

式中:A為信號的幅度,rect(t/τ)為矩形函數,當 -τ/2≤t≤τ/2時,矩形函數值為1,t為其他值時為0。由實測數據繪制出的線性調頻信號在功率為 -70 dBm的波形如圖2所示。

圖2 線性調頻信號波形圖Fig.2 Waveform of linear frequency modulation signal

在FMCW信號處理系統中,將接收到的回波信號與發射信號混頻,并濾去其中的高頻分量,得到的差頻信號如式(2)所示[12]:

(2)

通過對接收到的中頻差拍信號進行高速A/D采樣及DDC,其采樣頻率fs與DDC數控振蕩器(NCO)的輸出頻率fn應滿足以下條件[13]:

(3)

fs≥2B。

(4)

選取適當的m值,當滿足式(3)和式(4)時,兩路數字中頻信號就可以實現中頻采樣DDC。然后再完成FFT等信號處理工作。最后由式(2)可得差拍信號的頻率以及雷達的作用距離如式(5)和式(6)所示:

fIF=Bτ/T=2BR/TC,

(5)

R=fIFTC/2B。

(6)

在該FMCW波信號處理系統中,對相同的調制周期,采用不同的調頻帶寬及FFT處理點數,從而實現對雷達最大作用距離、近距離小目標探測和提高雷達分辨率的均衡處理。

2 高速A/D采樣電路設計

在本文設計中,先將中頻模擬信號通過TC2-1T+變為差分信號,再送給AD9268實現兩路差分信號的輸入、16位差分信號輸出。AD9268是一款雙通道差分輸入、16位差分輸出、最高采樣頻率可以達到125 MHz的模數轉換器。通過AD9268的串行外設接口(SPI)端口能夠實現外部現場可編程門陣列(FPGA)對其相關參數的控制。AD9268具有通過低功耗模擬輸入改善無雜散動態范圍(Spurious-Free Dynamic Range,SFDR)性能,在高采樣頻率下仍能保持較好的信噪比(Signal to Noise Ratio,SNR)性能。

3 FMCW雷達信號處理算法設計

FMCW雷達信號處理算法設計由FMCW雷達信號處理流程設計和FMCW雷達信號處理算法實現組成,下面對FMCW雷達信號處理算法設計進行詳細分析。

3.1 FMCW雷達信號處理流程設計

FMCW雷達信號處理流程設計如圖3所示,該設計首先將AD采樣后的16對差分信號送到FPGA中。該FPGA采用XILINX公司的Virtex-5,主要完成DDC、FFT處理及動目標檢測(Moving Targets Detection,MTD)處理;再將FPGA處理后的數據依次送入數字信號處理器DPS1、DSP2、DSP4及DSP3中,該DSP芯片采用AD公司的高速實時數字信號處理芯片TS101;然后,將做完處理的雷達數據包信號由DSP3回送至FPGA;最后,由FPGA通過總線接口芯片PCI9054完成與上位機的各種通信及雷達數據包的上傳工作。

圖3 FMCW雷達信號處理流程Fig.3 Flowchart of FMCW radar signal processing

3.2 FMCW雷達信號處理算法實現

FMCW雷達信號處理算法由DSP1、DSP2、DSP3及DSP4實現。DSP1主要通過MTI/AMTI信號處理算法實現雨雪等氣象雜波的抑制;DSP2主要通過反異步信號處理算法實現同頻異步雜波信號的消除;DSP3主要通過恒虛警信號處理算法實現假回波和干擾信號的清除;DSP4主要通過動態雜波圖信號處理算法實現海上慢速目標探測能力的提升。

同時,通過對MTI/AMTI處理、反異步處理、恒虛警及動態雜波圖等DSP算法的相互組合,能夠優化和提升復雜海洋環境下雷達回波的性能。

4 FMCW雷達信號處理實驗與應用

4.1 FMCW雷達數據包及控制信息實驗分析

如圖4所示,在FPGA中應用在線邏輯分析儀能夠很容易地看出經DSP算法處理后的雷達數據包及相關控制信息。

圖4 雷達數據包和相關控制信息圖Fig.4 Radar data packet and related control information diagram

通過實時觀測的MTI/AMTI處理、反異步處理、恒虛警及動態雜波圖等DSP算法處理后的回波效果,進一步調整相關算法參數,能夠使雷達終端顯示回波達到最優的狀態。

4.2 強雜波背景下FMCW雷達低小慢目標的探測能力提升分析

在復雜海洋環境下,通過選取適當的雷達參數,同時對MTI/AMTI處理、反異步處理、恒虛警及動態雜波圖等DSP算法的相互組合使用,能夠提升針對強雜波背景下近距離小木船及海面漂浮的浮筒等低小慢目標的探測能力。從而為復雜海洋環境下FMCW雷達低小慢目標探測提供了一種新方法。

線性調頻中頻發射信號和接收回波信號分別如式(7)和式(8)所示[14]:

(7)

SR(t)=KST(t-τ),

(8)

式中:K和A0分別為常量,f0為線性調頻中頻發射信號的起始頻率,τ為回波延遲時間。線性FMCW雷達選用的發射波形為鋸齒波,發射波形、接收回波和發射周期時序如圖5所示。

圖5 發射波形、接收回波和發射周期時序圖Fig.5 Time sequence diagram of transmission waveform, received echo and transmission period

圖5中,f0為線性調頻中頻發射信號的起始頻率,μ為線性調頻中頻發射信號的調頻斜率,Bs為調頻帶寬,Ts為調頻周期,τ為回波延遲時間,fb為差拍信號的頻率,c0為光在真空介質中的傳播速度。由上圖可知,有效差拍信號的頻率fb如式(9)所示[15]:

(9)

式中:有效時段內的差拍信號頻率fb與回波延遲時間τ成正比,所以求得有效段內的差拍信號頻率,即可得到目標的距離。

通過雷達作用距離的基本方程可知,雷達最大作用距離Rmax和雷達參數及目標特性之間的關系如式(10)所示:

(10)

式中:Pt為雷達發射功率,Gr為接收天線增益,Gt為發射天線增益,λ為雷達工作波長,σ為目標散射截面,Si min為最小可檢測信號功率。

依據雷達檢測目標的要求,能夠確定所需的最小輸出SNR (S/N)o min,這樣就能夠得到最小可檢測信號Si min,其表達式如式(11)所示:

(11)

考慮到檢測因子D0=(S/N)o min,將其代入式(11),最小可檢測信號Si min可以進一步可以表示為:

Si min=KT0BnFnD0。

(12)

線性FMCW雷達通過處理增益,即BsTs來降低發射功率,Bs為線性FMCW雷達調頻帶寬,Ts為線性FMCW雷達調頻周期,從而實現雷達的低截獲性能。因此,雷達發射功率Pt可以進一步表示為:

(13)

(14)

通過雷達方程,在確知最大探測距離的條件下,能夠計算出探測目標的有效反射面積。由式(14)可以得出目標的有效反射面積σ,計算如式(15)所示:

(15)

下面在確知最大探測距離為4 n mile的條件下,通過設置相關雷達參數,計算出相應探測目標的有效反射面積。

參數設置如下:

30lg(4π)+10lgK+10lgT0+10lgBn+10lgFn+

10lgGt-20lgλ-10lgBs-10lgTs=

30lg 4π+10lg(1.38×10-23)+10lg290+

10lg(6×106)+3.5+13+5+40lg(7 408)-

10lg2-25-25-10lg(3×108/1010)2-

10lg(9×107)-10lg(2 700×10-6)=

-3.340 6。

(16)

由式(16)可得:

σ=0.463 m2。

上述計算結果表明,在強雜波海洋環境下,通過選取適當的雷達參數及信號處理算法的組合應用,能夠提升FMCW雷達針對近距離低小慢目標的探測能力,其優化和提升主要體現在以下兩方面:

① 選取適當的雷達參數。在確知最大探測距離的條件下,對FMCW雷達能調整的雷達參數較少,主要有雷達發射功率、接收天線增益、發射天線增益、雷達工作波長、調頻帶寬及調頻周期。受限于抗截獲能力的需求,FMCW雷達發射功率幾乎沒有提升的可能。由于海上工作環境的限制,FMCW雷達接收天線和發射天線無法做得很大,天線增益很難提高。同時由于進一步降低發射頻率會導致雨、雪、霧及海浪產生的氣象效應,FMCW雷達發射頻率沒有大的下降空間,雷達工作波長增大受到限制。因此,在已知最大探測距離的條件下,調頻帶寬的提高是以收發前端復雜度和成本的快速上升為代價,同時,調頻周期的增大將進一步影響雷達回波的實時性處理及終端顯示。為了進一步提升針對低小慢目標的探測能力,只能在一定的工程范圍內選取適當的調頻帶寬和調頻周期。

② 信號處理算法的組合應用。在確知最大探測距離的條件下,對信號處理算法的組合應用能夠從強雜波海洋環境下提取FMCW雷達低小慢目標,同時對其周圍的雜波和干擾進行抑制。通過MTI/AMTI算法和平均選大恒虛警檢測器(GO-CFAR)算法的組合應用,能夠抑制低小慢目標周圍的固定雜波;通過MTI/AMTI算法和動態雜波圖算法的組合應用,能夠抑制雨雪引起的氣象雜波;通過反異步算法和動態雜波圖算法的組合應用,能夠抑制低小慢目標周圍的電磁干擾信號。所以,信號處理算法的組合應用,能夠使近距離低小慢目標的回波更具可觀測性。

綜上所述,通過選取適當的雷達參數及信號處理算法的組合應用,能夠進一步提升FMCW雷達針對近距離低小慢目標的探測能力。

4.3 FMCW雷達信號處理應用

通過對FMCW雷達信號處理深入而詳細的分析,其主要應用在以下方面:

① 復雜海況下,船只進出港的導航。隨著港口周圍建筑物的增多,港口環境異常復雜,雷達顯示界面回波與雜波并存,甚至回波淹沒在強雜波和干擾中,通過相關信號處理算法的組合使用,能夠提升船只進出港的導航能力。

② 復雜電磁環境下,提升FMCW雷達的抗干擾性能。隨著海上船只的增多,相同及相近頻率的電磁波信號經常干擾FMCW雷達的正常工作,通過相關信號處理算法的組合使用,能夠提升FMCW雷達的抗干擾性能。

③ 強雜波背景下,低小慢目標的探測。在復雜海洋環境下,特別是近距離條件下,小木船及海面漂浮的浮筒等低小慢目標嚴重影響著船只的航行安全,通過選取適當的雷達參數及信號處理算法,能夠提升FMCW雷達針對近距離低小慢目標的探測能力。

5 結束語

FMCW雷達信號處理作為一種重要的信號處理方法,在雷達中發揮了重要的作用。通過選取適當的雷達參數,并對強雜波背景下FMCW雷達回波信號進行相關信號處理組合應用,能夠優化和提升針對強雜波背景下近距離低小慢目標的探測能力。下一步將對遠距離低小慢目標的探測能力進行提升設計,進而使FMCW雷達能夠在復雜的海洋環境下具備更優的針對低小慢目標的探測能力。