一種低功耗低成本便攜式戰場偵察雷達系統設計

陳 勇，汪魚洋

（中國電子科技集團公司第38 研究所，安徽合肥）

戰場偵察雷達是指采用集成化、輕量化設計供步兵小組便攜使用的戰場活動目標偵察雷達，用于前沿偵察防止偷襲及時為戰場指揮官提供實時、準確的戰場情報等目的。除了在戰場的應用以外，在和平時期這類偵察雷達也可以用于邊境偵察、緝毒與反走私行動以及國際維和行動。國內、國際市場對輕型戰場使雷達的需求旺盛，但國內形成批量裝備的戰場偵察雷達的型號產品較少，在輕量化、低功耗和低成本上還需進一步加強[1-3]。

本文圍繞戰場偵察雷達進行了深入研究，設計了一款低成本、低功耗、便攜式的雷達系統，詳細介紹了系統工作原理、軟硬件架構，實現了優異的雜波抑制能力和強大的低速小目標探測能力。

1 系統工作原理

系統工作體制上選擇連續波體制，收發同時，探測盲區極小，兼顧遠近目標探測；發射大時寬、大帶寬信號，具備更高的距離和速度分辨力[4]。線性調頻鋸齒波是常見的連續波調制方式，其工作原理見圖1。

圖1 線性調頻鋸齒波雷達工作原理

雷達發射出去的信號在遇到目標時，會有部分能量返回形成回波信號，該信號經天饋系統的饋線輸入至接收機，與發射系統定向耦合過來的發射信號進行差拍，差拍后的信號包含有目標的距離與速度信息。通過對這個差拍信號進行兩維分析，可以得到目標的距離和多普勒等信息。對于占空比100%的理想調頻鋸齒連續波情況，在不考慮其它因素條件下，雷達接收到的回波信號在時間上與發射信號相比將有2R/C的時間延遲，其中R 表示系統到目標的距離，C 為自由空間電磁波的傳播速度。則可以得到與距離成正比的差拍fc：

式中：B 為掃頻帶寬；Tm為掃頻周期；fc為差拍頻率。

如果目標以相對速度v 運動時，則差拍信號會包含由于多普勒效應造成的頻率偏差。

對于目標回波，其距離與差拍信號的頻率關系如下式所示：

式中：fd為目標的多普勒頻率。

目標回波可以通過2D-FFT 獲取目標R 維濾波器響應和D 維濾波器響應，可快速獲取目標距離速度信息。

fc±fd可以通過對回波的一維FFT 獲取。

式中：ΔR 為距離單元長度；j 為距離單元序號對于動目標。由于目標相對雷達存在位置變化，反應在幀間回波相位變化，可以通過2D-FFT 運算，根據回波速度濾波器相應，獲取目標速度，目標速度計算公式如下：

2 系統硬件設計

系統由天線、射頻前端和綜合處理單元組成。系統采用慢波線+微帶線陣天線，掃描方式上選擇頻掃體制，單通道實現波束電掃描，省去伺服、TR、波束控制環節，是一種常用的低成本電掃實現方案。通過改變雷達的工作頻率，使信號經過饋電網絡后達到各個發射單元的饋電相位相應變化，使天線波束在空域上實現掃描。

頻率掃描天線是陣元中的相位關系與頻率有關，隨頻率的變化而變化。其相位差的實現是通過相同長度傳輸線傳輸不同頻率時相位不同來實現的，即光學中的“色散”。長度為L 的傳輸線傳輸兩個頻率時的相位差為：

由上式可知，若想實現大角度掃描，可通過增加帶寬或增加兩單元間的傳輸線長度L。但太大的帶寬，會給天線單元和饋電網絡的設計帶來麻煩。因此頻率掃描天線大角度掃描通常通過增加單元間的傳輸線長度來實現?？紤]空間限制，工程中用蛇形線（或慢波線）解決大角度頻率掃描問題。

在中心工作頻率時，各線陣饋電相位相同，波束指向陣面的法線方向。隨著頻率的增加，各個線陣之間的饋電相位按一定規律變化，從而實現天線陣波束隨頻率變化而掃描。系統組成見圖2。

圖2 系統組成

射頻前端采用收發通道+頻率源實現，收發通道設計上，保證系統性能的前提下，設計收發單通道，在頻率源設計上，采用數字鎖相技術直接產生激勵信號和系統時鐘，省去大量的上變頻模塊和混頻器，在電路實現上更為簡潔，沒有混頻交調，輸出頻譜更為純凈，整個射頻前端平均功耗控制在30 W 以內，重量控制在0.5 kg。

在運算處理上，合理設計接收機中頻，降低系統采樣率，優化軟件架構，降低軟件接口數據量，基于ZYNQ+AD 的硬件架構，內部包含一個雙核ARM Contex-A9，每個CPU 頻率可達800 MHz，FPGA 包含有125 K 邏輯單元,Block Ram 總大小9.3 Mb,400 個DSP 計算單元，ADC 采用ADI 公司的AD9251，該系列支持14 bit 20MSPS/40MSPS/65MSPS/80MSPS，實現雷達從數字采樣到航跡處理的全過程，整個處理功耗峰值控制在10 W 以內。天線陣頻掃時波束覆蓋仿真結果見圖3。

圖3 天線陣頻掃時波束覆蓋仿真結果

3 系統軟件設計

軟件主要處理流程包括目標檢測與跟蹤任務處理流程、雷達控制與故障診斷處理流程，見圖4。

圖4 軟件工作流程

對接收到的雷達回波進行AD 數據采樣后數據送至信號處理模塊，信號處理完成二維FFT 濾波運算、恒虛警CFAR、虛警控制圖、滑窗檢測等檢測處理，形成原始點跡數據，然后對原始點跡進行點跡提取、點跡凝聚以及點跡濾波處理，形成點跡數據，點跡處理前信號處理過程由FPGA 實現，共占用52 k邏輯單元和4 180 Kbits 內部存儲器，點跡處理在ARM 中完成，利用外部DDR 緩存乒乓處理，占用系統一個CPU 處理資源，處理延遲160 ms。距離維FFT 濾波器的幅頻特性仿真（局部放大）見圖5。速度維濾波器改善因子仿真見圖6。

圖5 距離維FFT 濾波器的幅頻特性仿真（局部放大）

圖6 速度維濾波器改善因子仿真

數據處理完成雷達幀間的多目標點、點航相關、濾波與預測處理，更新已有的航跡或產生新航跡，完成雷達對多個目標的邊跟蹤邊搜索工作，同時由于采用頻掃體制，可以根據目標信息以靈活的波束調度完成目標的高數據率跟蹤，完成雷達對探測區域內行人、車輛等多類別目標的檢測與跟蹤任務。并根據目標運動特征、回波特征等多維特征，基于目標特征數據庫實現目標特征識別。

將點、航跡連同目標識別結果傳至通信/控制/狀態監控模塊。通信/控制/狀態監控模塊完成全機及配套設備的控制（雷達工作模式控制/工作參數選擇、收發組件控制、環控系統控制等）、監視（狀態、參數顯示和工作環境）、監測（故障采集、診斷、定位和報警）等功能，并完成與顯示/控制模塊的目標信息的上報和控制指令的下發。數據處理和通信/控制/狀態監控模塊占用ARM另外一個CPU 資源，處理延遲300 ms。

顯示/控制模塊提供人機接口和圖、文、表等多種顯示方式。顯示種類包括目標參數顯示、原始信息顯示、表格顯示等。提供人機交互接口，顯示點航信息，定位信息，時間信息等，可以進行多種地圖操作和人工干預操作。具有子窗口顯示功能，具有微表顯示功能，微表顯示航跡信息包括批號、距離、方位、速度和航向。能夠處理本地顯示方式的操作命令以及處理與目標相關的操作命令等。

4 測試結果

在系統完成軟硬件設計和系統聯調后，將整個雷達系統架設與湖邊，對湖面9.9 km 處的船只進行探測實驗，船只上架設一個10 m2標準角反，采AD、一維FFT、二維FFT 后數據，實驗結果見圖7。

圖7 目標時域、頻域及RD 譜信號回波

目標探測畫面見圖8。

圖8 雷達目標探測畫面

由于系統具備突出的低空慢速小目標探測能力，因此可以實現對典型無人機目標的低空探測，見圖9。

圖9 無人機目標探測畫面

經測試，其各項指標都滿足系統設計要求，系統總重量為9 kg，總功耗為65 W，尺寸不超過470 mm*470 mm*32 mm。在后續實驗中，其探測效果良好，工作穩定。

結束語

國內、國際市場對輕型戰場使雷達的需求旺盛，本文設計了一種低功耗低成本便攜式戰場偵察雷達系統。與國外同類型產品相比（如Blighter B400 系列雷達），該雷達采用慢波線+微帶線陣實現電掃描相較于慢波線+耦合喇叭尺寸重量更小，采用鎖相直接產生激勵信號相較于傳統的上變頻實現成本和功耗更低，采用ZYNQ+AD 的架構實現低功耗雷達軟件處理全過程。該系統集成度高、功耗低、成本低、使用性價比極高，適合戰場偵察、海防邊防、要地防護和城市低空防御。測試結果滿足系統設計要求。