FM-CW雷達(dá)探測(cè)器控制與信號(hào)處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王 華

(國(guó)營(yíng)8450廠，三明 365001)

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FM-CW雷達(dá)探測(cè)器控制與信號(hào)處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王 華

(國(guó)營(yíng)8450廠，三明 365001)

本文闡述了該雷達(dá)探測(cè)器的數(shù)字信號(hào)處理過(guò)程，重點(diǎn)分析了動(dòng)目標(biāo)自動(dòng)檢測(cè)原理，并給出了該檢測(cè)算法的實(shí)現(xiàn)步驟。根據(jù)該雷達(dá)探測(cè)器的特點(diǎn)和需求，設(shè)計(jì)了基于DSP的控制與信號(hào)處理系統(tǒng)，詳細(xì)給出了其軟、硬件實(shí)現(xiàn)方案。該系統(tǒng)具有高性價(jià)比以及較好的通用性，已經(jīng)成功應(yīng)用于項(xiàng)目。

雷達(dá)探測(cè)器；動(dòng)目標(biāo)自動(dòng)檢測(cè)；恒虛警；DSP;FM-CW

引 言

調(diào)頻連續(xù)波(FM-CW)雷達(dá)設(shè)備簡(jiǎn)單，發(fā)射頻譜窄，發(fā)射峰值功率與平均功率相當(dāng)，不存在近距離盲區(qū)和速度模糊，而且還具有近距離信號(hào)抑制功能等優(yōu)點(diǎn)，因此采用該技術(shù)設(shè)計(jì)地面近程雷達(dá)探測(cè)器具有很強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)。如果想發(fā)揮FM-CW雷達(dá)的優(yōu)勢(shì)，就要具有相應(yīng)的數(shù)字信號(hào)處理功能。

本文針對(duì)采用I、Q解調(diào)零拍接收技術(shù)的FM-CW雷達(dá)設(shè)計(jì)，以數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)芯片為基本運(yùn)算單元，以單片機(jī)為主控制器，構(gòu)造了靈活、控制與處理能力強(qiáng)、通用性好、性價(jià)比高的控制與信號(hào)處理系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過(guò)對(duì)目標(biāo)多普勒回波信號(hào)進(jìn)行濾波、相干積累等處理完成動(dòng)目標(biāo)自動(dòng)檢測(cè)過(guò)程和人機(jī)交互。

1 數(shù)字信號(hào)處理

本文涉及的FM-CW雷達(dá)探測(cè)器主要功能是檢測(cè)動(dòng)目標(biāo)并且計(jì)算動(dòng)目標(biāo)運(yùn)動(dòng)的速度和方向(朝向或遠(yuǎn)離雷達(dá)站)。I、Q回波信號(hào)通過(guò)正弦解調(diào)后得到I、Q多普勒信號(hào)，數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)通過(guò)對(duì)I、Q多普勒信號(hào)的分析處理完成動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)，其實(shí)現(xiàn)過(guò)程如圖1所示。

圖1 目標(biāo)檢測(cè)框圖

對(duì)I、Q兩路信號(hào)先后同步采樣，并把數(shù)據(jù)保存至相應(yīng)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間，采樣完一幀數(shù)據(jù)后，DSP分別取出存儲(chǔ)的兩路N階FFT數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理(主要是進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、去直流運(yùn)算)；然后對(duì)I、Q信號(hào)進(jìn)行相干積累，獲得相應(yīng)的積累增益，然后針對(duì)功率譜分布情況，計(jì)算恒虛警率門限進(jìn)行恒虛警率處理(CFAR)；最后把最大的子濾波器功率值和計(jì)算的恒虛警率門限比較，若小于門限值，則認(rèn)為沒發(fā)現(xiàn)目標(biāo)；反之，則認(rèn)為發(fā)現(xiàn)目標(biāo)，同時(shí)計(jì)算該目標(biāo)的參數(shù)信息(包括速度、運(yùn)動(dòng)方向、相對(duì)幅度等)，并按照規(guī)定的協(xié)議對(duì)目標(biāo)參數(shù)信息打包輸出。

1.1 預(yù)處理算法

當(dāng)采用單電源進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換時(shí)，在模擬端不可避免的存在直流分量，而直流量的存在將降低數(shù)字信號(hào)處理的動(dòng)態(tài)范圍，因此降低直流分量很有意義。利用數(shù)字處理容易實(shí)現(xiàn)，其過(guò)程如下：

① 根據(jù)下式分別計(jì)算I、Q數(shù)據(jù)的數(shù)學(xué)期望E1(x)和EQ(x)。

(1)

其中,N表示一幀數(shù)據(jù)的個(gè)數(shù)，xi表示第i個(gè)數(shù)據(jù)。

② 根據(jù)公式y(tǒng)i=xi-E(x)(i的取值范圍[0，1])，將I、Q數(shù)據(jù)分別減去數(shù)學(xué)期望值E(X),得到新的I、Q數(shù)據(jù)幀:

(2)

1.2 動(dòng)目標(biāo)自動(dòng)檢測(cè)

動(dòng)目標(biāo)自動(dòng)檢測(cè)主要包含相干積累、恒虛警率處理(CFAR)和目標(biāo)判決與參數(shù)估計(jì)等過(guò)程實(shí)現(xiàn)。

1.2.1 動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)基本原理

眾所周知，多普勒頻率在雷達(dá)中目標(biāo)的徑向速度和回波多普勒頻率存在如下所示的關(guān)系：

(3)

式中：c=3.08×108m/s；表示雷達(dá)的工作頻率；fd和Vd分別表示目標(biāo)的多普勒頻率和目標(biāo)徑向速度。

根據(jù)式(3)可知，只需計(jì)算出多普勒頻率fd就可獲得目標(biāo)的徑向速度，而且通過(guò)fd可以判斷是否發(fā)現(xiàn)目標(biāo)。雷達(dá)的多普勒效應(yīng)表明：當(dāng)目標(biāo)朝向雷達(dá)站運(yùn)動(dòng)時(shí)，多普勒頻率(fd)為正值，而當(dāng)目標(biāo)遠(yuǎn)離雷達(dá)站運(yùn)動(dòng)時(shí)，多普勒頻率(fd)為負(fù)值，因此可以通過(guò)fd值的正負(fù)來(lái)確定目標(biāo)運(yùn)動(dòng)方向。

為了實(shí)現(xiàn)目標(biāo)多普勒回波相干積累，并計(jì)算其頻率值大小和正負(fù)，采用快速傅里葉變換(FFT)方法實(shí)現(xiàn)，并且FFT技術(shù)實(shí)現(xiàn)N(一幀數(shù)據(jù)長(zhǎng)度)個(gè)濾波器組(也稱子濾波器)，計(jì)算量小，方便硬件實(shí)現(xiàn)，是可行的[1]。

1.2.2 動(dòng)目標(biāo)自動(dòng)檢測(cè)算法實(shí)現(xiàn)

雷達(dá)的工作環(huán)境背景非常復(fù)雜，回波信號(hào)中包含大量的隨機(jī)噪聲、雜波信號(hào)以及其他電磁波的干擾信息。目前的雷達(dá)探測(cè)器(系統(tǒng))都要求能夠在復(fù)雜和不確知的背景環(huán)境中檢測(cè)目標(biāo)的存在并保持給定的虛警概率。為此，必須自動(dòng)實(shí)時(shí)計(jì)算恒虛警門限以保持恒虛警率實(shí)現(xiàn)[2]。

算法實(shí)現(xiàn)步驟如下：

① 對(duì)新的I、Q數(shù)據(jù)幀組合成復(fù)數(shù)，然后進(jìn)行FFT運(yùn)算,并對(duì)各子濾波器信號(hào)幅值求模。

② 找出信號(hào)幅度前4的4個(gè)子濾波器并標(biāo)記其濾波器位置(Mj)和幅度大小(VMj)，并且把信號(hào)幅度最大的濾波器進(jìn)行二次標(biāo)記(濾波器位置為Mmax，信號(hào)幅度為Vmax)。

③ 根據(jù)式(4)求所有子濾波器的數(shù)學(xué)期望E(xx)和平均方差σ2，去除幅值最大的前4個(gè)數(shù)據(jù)有利于減少信號(hào)閃爍。

(4)

式中：N表示子濾波器個(gè)數(shù)(參與FFT運(yùn)算的數(shù)據(jù)幀長(zhǎng)度)；Vi表示第i個(gè)濾波器的信號(hào)幅度。

④ 根據(jù)式(5)計(jì)算恒虛警率門限VT。

(5)

式中：α、β表示加權(quán)系數(shù);α、β值決定了目標(biāo)判決門限VT，VT的具體值需要結(jié)合發(fā)現(xiàn)概率和虛警概率確定[3]。

⑤ 把最大的信號(hào)幅度Vmax與恒虛警率門限VT相比較，若不小于VT值則認(rèn)為目標(biāo)存在，并且由Mmax值估計(jì)多普勒目標(biāo)頻率，然后根據(jù)式(3)確定目標(biāo)的徑向速度；同時(shí)也可以根據(jù)Mmax值確定目標(biāo)遠(yuǎn)離或靠近運(yùn)動(dòng)，當(dāng)Mmax

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

該控制與信號(hào)處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則：可靠穩(wěn)定、性價(jià)比高、小型化。其總體設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)總體框圖

該系統(tǒng)主要是針對(duì)某型號(hào)FM-CW雷達(dá)探測(cè)器設(shè)計(jì)的，主要分為主控制器部分、調(diào)頻信號(hào)處理部分和DC/DC電源。其工作流程： DSP控制模數(shù)轉(zhuǎn)換器(A/D),對(duì)I、Q多普勒信號(hào)進(jìn)行同步采樣，同時(shí)把采集的數(shù)據(jù)保存在片內(nèi)存儲(chǔ)器中，直到一幀數(shù)據(jù)采集完成;DSP對(duì)該幀數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波、動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)算法處理，處理完成后把目標(biāo)數(shù)據(jù)送至主控制器；主控制器(MCU)接收到目標(biāo)參數(shù)信息后，按照規(guī)定的協(xié)議把目標(biāo)參數(shù)信息打包并通過(guò)數(shù)據(jù)通信接口輸出，同時(shí)按照預(yù)定的要求向CPLD輸出控制信號(hào)，MCU還應(yīng)及時(shí)接收鍵盤模塊輸出的數(shù)據(jù)和按周期采集各個(gè)檢測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，并且控制LCD顯示模塊正確顯示各種狀態(tài)；數(shù)據(jù)通信接口采用RS232協(xié)議。

CPLD主要是對(duì)控制命令進(jìn)行譯碼和邏輯運(yùn)算，按照正確的邏輯時(shí)序控制A/D采樣和報(bào)警電路。

DC/DC電源部分，外部輸入+12 V的電源電壓，通過(guò)多個(gè)集成電源芯片分別產(chǎn)生+5 V、+3.3 V、+1.9 V電壓供系統(tǒng)工作。

2.1 主控制部分

主控制器部分，包含型號(hào)為C8051F023的單片機(jī)和型號(hào)為EPM3064的CPLD，其主要功能如下：

① 控制系統(tǒng)自檢。包括電壓、電流檢測(cè)、高頻發(fā)射源和高頻接收模塊工作狀態(tài)檢測(cè)。

② 實(shí)現(xiàn)對(duì)鍵盤模塊管理、對(duì)LCD顯示模塊的控制。

③ 對(duì)數(shù)字信號(hào)處理的管理，并從信號(hào)處理器獲取目標(biāo)參數(shù)信息。

④ 對(duì)目標(biāo)信息進(jìn)行二次處理并進(jìn)行數(shù)據(jù)打包，通過(guò)數(shù)據(jù)通信接口發(fā)送，從數(shù)據(jù)通信接口接收外部指令并進(jìn)行相應(yīng)操作。

⑤ 完成對(duì)DSP控制命令的譯碼和控制報(bào)警電路工作(主要由CPLD完成)。

2.2 數(shù)字信號(hào)處理部分

數(shù)字信號(hào)處理部分主要包含A/D采樣、數(shù)字信號(hào)處理和調(diào)頻信號(hào)產(chǎn)生器。其中A/D采樣采用型號(hào)為MAX1306的芯片完成，數(shù)字信號(hào)處理采用型號(hào)為TMS320F2812的32位DSP實(shí)現(xiàn)[4]。

調(diào)頻信號(hào)產(chǎn)生器主要利用DDS技術(shù)，采用型號(hào)為AD9850的芯片實(shí)現(xiàn)。該部分的核心功能是參考圖1完成動(dòng)目標(biāo)自動(dòng)檢測(cè)運(yùn)算，數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)軟件流程圖如圖3所示。

DSP開機(jī)上電復(fù)位后，初始化自身的配置，使得系統(tǒng)進(jìn)入預(yù)定的工作狀態(tài)；在正常工作狀態(tài)模式下，按照AD9850的參考協(xié)議(本文采用的是串行3線制)配置寄存器，產(chǎn)生所需要的正弦調(diào)頻信號(hào)，然后延遲等待；

直到雷達(dá)探測(cè)器高頻部分工作穩(wěn)定后，DSP啟動(dòng)采樣中斷，按照設(shè)定的周期控制A/D采集數(shù)據(jù)，直到I、Q兩路分別采集完成1 024點(diǎn)數(shù)據(jù)(一幀)，DSP關(guān)閉采樣中斷，然后數(shù)據(jù)進(jìn)行處理完成動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)過(guò)程。首先DSP對(duì)采集的I、Q兩路數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，接著利用海明窗函數(shù)進(jìn)行加權(quán)并完成復(fù)數(shù)FFT運(yùn)算，對(duì)運(yùn)算結(jié)果做恒虛警率處理(CFAR)，計(jì)算出恒虛警門限值，然后進(jìn)行目標(biāo)判決得出有無(wú)目標(biāo)的結(jié)論。

圖3 信號(hào)處理器軟件流程圖

若發(fā)現(xiàn)目標(biāo)，則將目標(biāo)的速度、運(yùn)動(dòng)方向、信號(hào)相對(duì)強(qiáng)度送至主控制器，最后重新啟動(dòng)數(shù)據(jù)采樣，進(jìn)入下一次運(yùn)算。

結(jié) 語(yǔ)

[1] 丁鷺飛，耿富錄．雷達(dá)原理[M]．3版.西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2002：294．

[2] 陳那．信號(hào)測(cè)試、處理與系統(tǒng)控制分析技術(shù)使用全書[M]．北京：清華大學(xué)出版社，2005：420．

[3] Merrill I Skolnik. 雷達(dá)手冊(cè)[M]．王軍，等譯. 北京：電子工業(yè)出版社，2003：32．

[4] 江思敏．TMS320C2000系列DSP開發(fā)應(yīng)用技巧[M]．北京：中國(guó)電力出版社，2008．

[5] 潘琢金．C8051F020/1/2/3混合信號(hào)ISP FLASH微控制器數(shù)據(jù)手冊(cè)[OL]．[2013-11].www.xhl.com.cn．

王華(工程師)，主要研究方向?yàn)榍度胧较到y(tǒng)分析、設(shè)計(jì)。

Control and Signal Processing System Design of FM-CW Radar Detector

Wang Hua

(State-owned NO.8450 Factory, Sanming 365001, China)

The digital signal processing of the FM-CW radar detector is given，automatic detection principle of the moving target is analyzed，and steps of the detection algorithm are given. According to the characteristics and needs of the radar detector，the paper designs the control and signal processing system based on DSP, the software and hardware implementation are presented in detail.The system has good cost performance and wide versatility, and the design has been successfully applied to the project.

radar detector；moving target detection；CFAR；DSP;FM-CW

TN959.1

A

迪娜

2013-11-28)