0 引言

    調(diào)頻連續(xù)波(Frequency Modulated Continuous Wave，F(xiàn)MCW）雷達采用具有大時寬帶寬積的連續(xù)波信號作為發(fā)射信號，接收端采用成熟的Dechirp技術對回波信號進行處理。與脈沖雷達相比，不僅可顯著提高距離分辨率，而且發(fā)射功率小，不易被外界截獲。FMCW雷達系統(tǒng)體積小、重量輕，易于實現(xiàn)各類無人機載、彈載、星載等平臺的安裝，因而在軍用和民用上，如精密制導、區(qū)域監(jiān)視、防災減災、地質(zhì)勘測等領域得到了廣泛應用。

    近年來，隨著固態(tài)微波技術與信號處理技術的發(fā)展， FMCW雷達技術在理論體系研究與應用上取得了諸多進展。在提高測量精度上，提出了如補零FFT相位差法^[1]、Rife測距法^[2]和改進型ZFFT測距法^[3]等新興算法，在工程應用上對于制約FMCW雷達探測性能的關鍵因素(如射頻泄漏等問題)也出現(xiàn)了對消處理等^[4-6]一系列技術手段。目前，TERMA公司的SCANTER 5000和6000系列^[7]雷達已能實現(xiàn)3 m~6 m的距離分辨率；Kelvin Hughes公司的SharpEye系列能達到3 m~5 m的距離分辨率^[8-9]；而Aselsan公司的ALPER(Aselsan Low Power ECCM Radar)雷達，在發(fā)射功率范圍為0.001~1 W的情況下，最高可距離分辨率也可達到5 m^[10]。國內(nèi)調(diào)頻連續(xù)波雷達研究雖然起步較晚，但隨著研究投入的增加，在FMCW雷達關鍵技術，如發(fā)射信號線性度矯正與泄露控制、目標背景干擾抑制、系統(tǒng)設計等方面取得了大量研究成果^[11]。

    針對海面目標搜索監(jiān)視應用需求，本文首先闡述了數(shù)字化固態(tài)FMCW雷達的詳細設計方案，著重對于FMCW波形產(chǎn)生、回波接收與Dechirp處理、數(shù)字頻譜處理等關鍵技術進行了詳細論述，最后給出了系統(tǒng)測試結(jié)果。

1 系統(tǒng)設計

    FMCW搜索監(jiān)視雷達的系統(tǒng)構(gòu)成如圖1所示。系統(tǒng)主要由發(fā)射接收天線、微波組件、波形產(chǎn)生組件、中頻控制模塊、信號處理模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊和顯示控制終端七部分構(gòu)成。

    在圖1中，波形產(chǎn)生組件在系統(tǒng)控制信號驅(qū)動下，產(chǎn)生發(fā)射通道所需的FMCW中頻信號、本地FMCW參考信號、系統(tǒng)同步參考時鐘。微波組件由發(fā)射通道和接收通道兩部分構(gòu)成。發(fā)射通道接收波形產(chǎn)生組件產(chǎn)生的參考時鐘和中頻調(diào)頻連續(xù)波發(fā)射信號，進行上變頻處理與功率驅(qū)動輸出給天線，作為系統(tǒng)高頻FMCW發(fā)射信號；接收通道對天線接收的高頻回波信號進行兩級放大與Dechirp處理，輸出用于目標搜索與監(jiān)測用的模擬信號。中頻控制模塊是系統(tǒng)工作的核心，用以產(chǎn)生系統(tǒng)工作時序、發(fā)射波形產(chǎn)生所需控制信號。同時，中頻控制模塊接收Dechirp處理后的回波信號并進行數(shù)字化處理，并對處理后的回波信號打包通過光纖接口發(fā)送給數(shù)字處理模塊與數(shù)據(jù)存儲模塊。數(shù)字處理模塊通過光纖接口接收數(shù)字化雷達回波信號，進行FFT、CFAR、距離走動補償?shù)饶繕俗R別與跟蹤處理，計算目標相對載機的空間方位等信息，通過光纖接口發(fā)送至數(shù)字顯示控制終端。

    數(shù)字顯示控制終端，一方面產(chǎn)生雷達系統(tǒng)工作參數(shù)，控制系統(tǒng)工作模式；另一面接收數(shù)字處理模塊產(chǎn)生的目標信息，進行后期處理，并將目標信息動態(tài)地在屏幕上顯示，包括目標的位置和方位信息的靜態(tài)顯示與感興趣目標的跟蹤預測結(jié)果兩部分。

    系統(tǒng)運行過程中，中頻控制模塊、信號處理模塊與數(shù)據(jù)存儲模塊之間數(shù)據(jù)交互采用FPGA吉比特高速串行收發(fā)端口，數(shù)據(jù)處理模塊與顯示控制終端間采用UDP網(wǎng)絡協(xié)議進行數(shù)據(jù)通信。高速數(shù)據(jù)交換接口通信介質(zhì)均采用光纖，以適應在不同載體的部署需要，同時提高整機的電磁兼容性。

2 系統(tǒng)發(fā)射與接收前端設計

    FMCW系統(tǒng)一般采用線性調(diào)頻連續(xù)波信號(LFMCW)為發(fā)射信號，接收端采用延遲后的LFMCW信號與回波信號進行Dechirp處理，得到目標的距離、速度等信息。因此，LFMCW的帶寬與線性度直接決定了系統(tǒng)距離分辨率。目前產(chǎn)生LFMCW信號的方式主要有兩種：基于鎖相環(huán)的頻率合成(PLL)^[12]技術與基于直接頻率合成(DDS)^[13]技術。PLL技術能夠很好地捕捉和跟蹤所需要的頻率，體積小易于集成，但頻率轉(zhuǎn)換穩(wěn)定時間長，寬帶的線性度難以保證；DDS技術可以在較寬頻率范圍內(nèi)產(chǎn)生高精度、高分辨率、快捷的調(diào)頻連續(xù)波信號^[14]，但輸出信號的相位噪聲與雜散分量較高，需經(jīng)過進一步的模擬濾波處理，以滿足高精度測量系統(tǒng)對信號源的低相位噪聲、低雜散需求。系統(tǒng)設計較為復雜，成本較高。

    本設計采用DDS加帶通濾波技術產(chǎn)生LFMCW信號，結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

    在圖2中，采用ADI公司高性能DDS芯片AD9914產(chǎn)生LFMCW信號。AD9914能夠產(chǎn)生帶寬高達1.4 GHz的掃頻信號，寬帶無雜散動態(tài)范圍優(yōu)于-52 dBc，在±500 kHz窄帶范圍內(nèi)，無雜散動態(tài)范圍可達-92 dBc以上。AD9914產(chǎn)生的LFMCW信號經(jīng)帶通濾波器BPF1進一步濾除雜散信號后，經(jīng)放大器AMP1放大后與發(fā)射載波混頻，混頻后的信號通過帶通濾波器BPF2去除高頻分量后，再經(jīng)功率放大器AMP2提升信號功率后，送入發(fā)射天線。

    圖3給出了系統(tǒng)接收前端數(shù)據(jù)處理流程?；夭ㄐ盘柦?jīng)接收天線接收后送入接收處理通道。在接收通道中，回波信號首先經(jīng)低噪放(AMP4)放大與帶通濾波處理(BPF5)濾除帶外干擾，然后與本地LFMCW參考信號在混頻器中進行Dechirp處理，經(jīng)帶通濾波(BPF6)后得到中頻目標回波信號f_out。為消除發(fā)射信號泄露對系統(tǒng)接收靈敏度的影響，采用反射功率對消技術，將衰減后的發(fā)射信號耦合到接收通道并進行對消處理，從而提高系統(tǒng)弱目標回波信號的檢測能力。

3 回波信號中頻處理與目標檢測

    為提升弱信號檢測能力，系統(tǒng)采用AD9467實現(xiàn)接收中頻回波信號的模數(shù)轉(zhuǎn)換。AD9467模擬輸入帶寬達900 MHz，采樣分辨率為16 bit，可滿足遠距離弱目標信號的檢測需求。AD9467輸出數(shù)字中頻回波信號在FPGA內(nèi)下變頻處理后得到基帶信號?；鶐Щ夭ㄐ盘柦?jīng)抽取與同步處理后，利用高速串行數(shù)據(jù)傳輸接口打包發(fā)送至信號處理模塊完成目標檢測功能。

    信號處理模塊采用FPGA+DSP處理架構(gòu)，實現(xiàn)信號的實時傳輸與處理。FPGA為Xilinx公司高性能FPGA——XC7K325T。FPGA首先調(diào)用內(nèi)部高速通信IP核，實現(xiàn)波特率為3.125 Gb/s的基帶回波數(shù)據(jù)接收，接收數(shù)據(jù)在FPGA外接DDR3 SDRAM中進行緩存后，再次被讀入FPGA進行FFT處理與CFAR處理。DSP采用TI公司C66x系列 DSP芯片TMS320C6657，實現(xiàn)CFAR處理后目標信號的檢測與特征信息提取。

4 測試結(jié)果分析

    在信號處理模塊的FPGA中，設置采樣率為30 MHz，采用ChipScope采集90 000點基帶回波數(shù)據(jù)，存儲后數(shù)據(jù)在MATLAB中重繪，得如圖4(a)所示時域波形。目標為兩艘中型貨船，距雷達天線距離分別為4海里與5海里。圖4(b)為對圖4(a)所示基帶數(shù)據(jù)進行FFT變換得到的功率譜圖。由于兩目標雷達反射面積較大且相距較遠，目標回波信號信噪比較高，因而功率譜圖清晰可見。

    圖5為雷達終端顯示的小目標檢測結(jié)果。目標為兩艘并排航行的小漁船，與雷達距離為0.7海里，右側(cè)為左側(cè)局部放大圖。從圖5可知，本文設計的FMCW系統(tǒng)具有較高的距離分辨率，能夠有效分辨距離相近的小型目標。

5 結(jié)論

    本文采用模塊化設計方法，給出了應用于海上目標搜索監(jiān)視用的FMCW雷達的設計方案，對于發(fā)射LFMCW信號產(chǎn)生、弱信號接收、回波信息處理等關鍵技術進行了詳細論述。該系統(tǒng)射頻信號收發(fā)、目標檢測與顯示組件采用高速光纖接口互連，極大方便了在各類平臺的部署。實驗驗證結(jié)果表明，系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)小弱目標的檢測并具有較好的距離分辨率，但在探測距離的提升、雜波環(huán)境下的弱目標檢測等方面仍存在不足，需進一步優(yōu)化以及對目標檢測算法進行更深入的研究。

參考文獻

[1] GUOQING Q.High accuracy range estimation of FMCW level radar based on the phase of the zero-padded FFT[C].Signal Processing，2004.Proceedings.ICSP′04.2004 7th International Conference on.IEEE，2004，3：2078-2081.

[2] 詹啟東，涂亞慶.基于Rife法的線性調(diào)頻連續(xù)波雷達測距算法及實現(xiàn)[J].兵工學報，2014，35(5)：748-752.

[3] 劉珍，朱莉，孫峰.提高LFMCW雷達測距精度的改進型ZFFT算法[C].2015年第十屆全國毫米波、亞毫米波學術會議論文集(二)，2015.

[4] GERZAGUET R，ROS L，BELVEZE F，et al.Performance of a digital transmitter leakage LMS-based cancellation algo-rithm for multi-standard radio-frequency transceivers[J].Digital Signal Processing，2016，51：35-46.

[5] 宋妍，王洪，汪學剛，等.基于LMS算法的FOD雷達射頻泄露對消技術[J].太赫茲科學與電子信息學報，2016(1)：34-39.

[6] YUEHONG M，QIUSHENG L，XIAOLIN Z.Research on carrier leakage cancellation technology of FMCW system[C].Advanced Communication Technology(ICACT)，2016 18th International Conference on.IEEE，2016：7-9.

[7] PEDERSEN J C.SCANTER 5000 and 6000 solid state radar：Utilisation of the SCANTER 5000 and 6000 series next generation solid state, coherent, frequency diversity and time diversity radar with software defined functionality for security applications[C].Waterside Security Conference (WSS)，2010 International.IEEE，2010：1-8.

[8] HUGHES S，BOWN M.Ongoing developments to SharpEye radar[J].SEA TECHNOLOGY，2016，57(3)：15-17.

[9] WADE B.SharPeye a ‘new technology’marine radar[C].Radar Systems，2007 IET International Conference on.IET，2007：1-5.

[10] PACE P，PAINTER R，HEINBACH K.Commercially available low probability of intercept radars and Non-cooperative ELINT receiver capabilities[R].Monterey，California，Naval Postgraduate School，Center for Joint Services Electronic Warfare，2014.

[11] Jia Yingxin，Wang Yanfei.超高分辨率機載SAR寬帶激勵源設計與實現(xiàn)[J].雷達學報，2013，2(1)：77-85.

[12] 張坤，陳義，張子才.基于鎖相環(huán)的頻率合成器的設計[J].現(xiàn)代電子技術，2007，30(19)：110-111.

[13] SCHEIBLHOFER S，SCHUSTER S，STELZER A.High-speed FMCW radar frequency synthesizer with DDS based linearization[J].IEEE Microwave and Wireless Components Letters，2007，17(5)：397-399.

[14] 張林行，尚小虎，趙美聰，等.基于FPGA的直接數(shù)字合成信號源設計[J].電子設計工程，2016(1)：172-174.

作者信息：

方德闖1，張  磊2，王錄濤1

(1.成都信息工程大學 計算機學院，四川 成都610225；

2.長春理工大學空地激光通信技術國防重點學科實驗室，吉林 長春130022)