0 引言

    調頻連續(xù)波(Frequency Modulated Continuous Wave，FMCW）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]。國內調頻連續(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，本文首先闡述了數字化固態(tài)FMCW雷達的詳細設計方案，著重對于FMCW波形產生、回波接收與Dechirp處理、數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)測試結果。

1 系統(tǒng)設計

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

    在圖1中，波形產生組件在系統(tǒng)控制信號驅動下，產生發(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成。發(fā)射通道接收波形產生組件產生的參考時鐘和中頻調頻連續(xù)波發(fā)射信號，進行上變頻處理與功率驅動輸出給天線，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，用以產生系統(tǒng)工作時序、發(fā)射波形產生所需控制信號。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)送給數字處理模塊與數據存儲模塊。數字處理模塊通過光纖接口接收數字化雷達回波信號，進行FFT、CFAR、距離走動補償等目標識別與跟蹤處理，計算目標相對載機的空間方位等信息，通過光纖接口發(fā)送至數字顯示控制終端。

    數字顯示控制終端，一方面產生雷達系統(tǒng)工作參數，控制系統(tǒng)工作模式；另一面接收數字處理模塊產生的目標信息，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、信號處理模塊與數據存儲模塊之間數據交互采用FPGA吉比特高速串行收發(fā)端口，數據處理模塊與顯示控制終端間采用UDP網絡協議進行數據通信。高速數據交換接口通信介質均采用光纖，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產生高精度、高分辨率、快捷的調頻連續(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加帶通濾波技術產生LFMCW信號，結構示意圖如圖2所示。

    在圖2中，采用ADI公司高性能DDS芯片AD9914產生LFMCW信號。AD9914能夠產生帶寬高達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，無雜散動態(tài)范圍可達-92 dBc以上。AD9914產生的LFMCW信號經帶通濾波器BPF1進一步濾除雜散信號后，經放大器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)接收前端數據處理流程。回波信號經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實現接收中頻回波信號的模數轉換。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輸出數字中頻回波信號在FPGA內下變頻處理后得到基帶信號。基帶回波信號經抽取與同步處理后，利用高速串行數據傳輸接口打包發(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，實現信號的實時傳輸與處理。FPGA為Xilinx公司高性能FPGA——XC7K325T。FPGA首先調用內部高速通信IP核，實現波特率為3.125 Gb/s的基帶回波數據接收，接收數據在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CFAR處理后目標信號的檢測與特征信息提取。

4 測試結果分析

    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點基帶回波數據，存儲后數據在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)所示基帶數據進行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，右側為左側局部放大圖。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。實驗驗證結果表明，系統(tǒng)能夠實現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。

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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)