新體制民用雷達(dá)與實時信息處理研究

龍騰 丁澤剛 李銀川 田衛(wèi)明 劉海波 姚迪 曾濤

(1.北京理工大學(xué)信息與電子學(xué)院雷達(dá)技術(shù)研究所，北京，100081；2.嵌入式實時信息處理技術(shù)北京市重點實驗室，北京，100081)

新體制民用雷達(dá)與實時信息處理研究

龍騰1，2丁澤剛1，2李銀川1，2田衛(wèi)明1，2劉海波1，2姚迪1，2曾濤1，2

(1.北京理工大學(xué)信息與電子學(xué)院雷達(dá)技術(shù)研究所，北京，100081；2.嵌入式實時信息處理技術(shù)北京市重點實驗室，北京，100081)

隨著天線制造技術(shù)、超寬帶技術(shù)、合成孔徑技術(shù)和信息處理技術(shù)的發(fā)展，雷達(dá)的體積不斷減小，探測精度和成像分辨率大大提升，雷達(dá)開始在民用領(lǐng)域中活躍起來，尤其是應(yīng)用于穿透成像、微波遙感成像、滑坡監(jiān)測和機場異物檢測等領(lǐng)域的民用雷達(dá)發(fā)展十分迅速。為了讓民用雷達(dá)在復(fù)雜的自然環(huán)境中具有更高、更穩(wěn)定的性能，雷達(dá)信息處理技術(shù)一直在不斷創(chuàng)新。本文介紹了民用雷達(dá)的新趨勢和新技術(shù)，以及探墻雷達(dá)、微型SAR、邊坡雷達(dá)和異物檢測(Foreign object debris,FOD)雷達(dá)實時信息處理的關(guān)鍵問題和解決方案。

民用雷達(dá)；探墻雷達(dá)；微型SAR；邊坡雷達(dá)；FOD雷達(dá)

引 言

雷達(dá)(Radio detection and ranging, Radar)是通過發(fā)射電磁波和接收目標(biāo)反射電磁波來發(fā)現(xiàn)目標(biāo)并測定目標(biāo)空間位置的設(shè)備[1]。相比光學(xué)檢測等，雷達(dá)具有全天候、全天時的特點，并有一定的穿透能力。因此雷達(dá)被廣泛應(yīng)用于探測、制導(dǎo)、預(yù)警、導(dǎo)航和遙感等傳統(tǒng)軍事領(lǐng)域[2]。近年來，隨著天線制造技術(shù)、超寬帶技術(shù)、合成孔徑技術(shù)和信息處理技術(shù)的發(fā)展，雷達(dá)的體積不斷減小，雷達(dá)的探測精度和成像分辨率大大提升[3,4]。雷達(dá)開始向穿透成像、微波遙感[5]、滑坡監(jiān)測、機場異物檢測[6]、災(zāi)情評估、遠(yuǎn)程搜救、氣象預(yù)報以及資源探測等民用領(lǐng)域快速發(fā)展。很多新體制民用雷達(dá)已經(jīng)走進(jìn)了人民群眾的生活中，如用于建筑物內(nèi)淺埋導(dǎo)線、鋼筋和管道等高分辨檢測的探墻雷達(dá)(Wall-penetrating radar, WPR)[7]；用于高分辨微波遙感的車載或機載微型合成孔徑雷達(dá)(Synthetic aperture radar, SAR)[8,9]；用于礦山邊坡、尾礦庫、排土場監(jiān)測預(yù)警的邊坡雷達(dá)(Slope radar)和用于檢測機場跑道異物檢測的異物檢測(Foreign object debris, FOD)雷達(dá)等[10-13]。

探墻雷達(dá)利用電磁波對墻體內(nèi)部目標(biāo)進(jìn)行探測或者高分辨二維成像，相比傳統(tǒng)探測設(shè)備其具有成像精度高、可單邊成像、設(shè)備輕便和對人體無害等優(yōu)點。無人機載微型合成孔徑雷達(dá)通過距離向發(fā)射大帶寬信號進(jìn)行脈沖壓縮，以及方位向進(jìn)行合成孔徑處理獲取兩維高分辨圖像，相對于光電成像技術(shù)，合成孔徑雷達(dá)具有全天時、全天候的技術(shù)特點。探墻雷達(dá)和微型SAR的共同點是都要小型化和具備高分辨成像的能力。此外，邊坡雷達(dá)利用對邊坡表面形變場進(jìn)行長時間監(jiān)測，分析邊坡的微小形變。FOD雷達(dá)利用毫米波傳播穩(wěn)定性好、穿透能力強和測距測角精度高的特性來探測機場跑道異物。邊坡雷達(dá)和FOD雷達(dá)的共同點是要具備高精度和高可靠性檢測的能力?？梢娦乱淮裼美走_(dá)對信息處理的分辨率或精度要求都非常高，傳統(tǒng)的雷達(dá)信息處理方法已經(jīng)不能滿足新一代民用雷達(dá)高精度檢測與成像的需求，因此需要研究信息處理新方法來進(jìn)一步提升新體制民用雷達(dá)的性能。

針對民用雷達(dá)高精度檢測與成像實時信息處理難度大的問題，本文將系統(tǒng)地介紹當(dāng)前主流發(fā)展的探墻雷達(dá)、微型SAR、邊坡雷達(dá)和FOD雷達(dá)的新趨勢和新技術(shù)，以及實時信息處理的關(guān)鍵問題和解決方案等，對新體制民用雷達(dá)實時信息處理的難點與方法開展詳細(xì)論述。本文最后對介紹的代表性新體制民用雷達(dá)進(jìn)行了梳理總結(jié)，并對雷達(dá)的前景進(jìn)行了展望。

1 探墻雷達(dá)

1.1 探墻雷達(dá)簡介

探墻雷達(dá)是利用電磁波對物體的穿透特性，通過向墻體內(nèi)部發(fā)射并接受電磁波信號，來實現(xiàn)對墻體內(nèi)部目標(biāo)進(jìn)行探測或者高分辨二維成像的雷達(dá)。因其具有成像精度高、可單邊成像、設(shè)備輕便和對人體無害等優(yōu)點，已逐漸成為建筑物內(nèi)淺埋導(dǎo)線、鋼筋和管道等高分辨檢測、隱藏危險物探查、反恐救援與環(huán)境勘察等領(lǐng)域的重要探測手段。圖1所示是探墻雷達(dá)的工作原理示意圖。

表1所示是國內(nèi)外探墻雷達(dá)產(chǎn)品參數(shù)?，F(xiàn)在國內(nèi)外市場上的探墻雷達(dá)產(chǎn)品多是從探地雷達(dá)產(chǎn)品衍生過來的，工作頻率多在L,S頻段，甚至更低，其主要使用目的是實現(xiàn)對電線、鋼筋和水管等大型長條狀物體的探測、準(zhǔn)確定位或輔助成像，其對水泥探測的深度多為40 cm左右，分辨率多為4 cm左右，無法實現(xiàn)對小目標(biāo)的高分辨成像。

圖1 探墻雷達(dá)工作原理示意圖

Fig.1 Working principle schematic diagram of WPR

表1 探墻雷達(dá)產(chǎn)品參數(shù)

Tab. 1 Parameters of WPR products

產(chǎn)品名稱頻段/GHz探測深度/m分辨率/cmStructureScan1.0～2.60.4～0.6—NDR-47003.6～4.00.22NJJ-1052.00.34ALADDIN2.00.4—LTD-801.50.324

1.2 信息處理難點與方法

對淺埋小目標(biāo)成像的難點有淺表層雜波抑制困難和近場高精度成像困難兩方面[14,15]。雜波抑制困難的原因是成像目標(biāo)處于介質(zhì)淺表層，介質(zhì)表面反射雜波與目標(biāo)回波混疊，難以分離；同時介質(zhì)表面反射雜波強度遠(yuǎn)大于目標(biāo)回波，導(dǎo)致目標(biāo)回波被完全淹沒。當(dāng)小目標(biāo)回波強度弱于雜波非均勻差異，傳統(tǒng)雜波抑制方法會把目標(biāo)回波與雜波一起抑制。

現(xiàn)在探墻雷達(dá)較常用的雜波抑制方法有均值對消法、凹陷濾波法、子空間濾波法以及自適應(yīng)濾波法等。濾波方法的缺點是需要回波比較穩(wěn)定來保證效果。而探墻雷達(dá)為了實現(xiàn)方位向高分辨需要采用陣列天線進(jìn)行掃描，天線對之間的性能差異會導(dǎo)致回波分布極不均勻，因此濾波算法不太適用。而均值對消算法會對目標(biāo)產(chǎn)生影響，使成像出現(xiàn)旁瓣。針對探墻雷達(dá)的高精度成像需求，需要改進(jìn)傳統(tǒng)雜波抑制算法。

針對這一問題，一種較好的雜波抑制思路是采用時頻聯(lián)合的雜波抑制算法。處理流程如圖2所示，通過在時域均值對消處理后，在頻域建立非均勻雜波和小目標(biāo)的模型，對目標(biāo)進(jìn)行修復(fù)來消除成像旁瓣。通過時頻聯(lián)合濾波處理，實現(xiàn)高精度雜波抑制，有效分離小目標(biāo)與非均勻雜波。

近場高精度成像困難的原因是淺表層目標(biāo)在天線近場區(qū)成像，遠(yuǎn)場成像算法不再適用，同時當(dāng)對復(fù)雜墻體成像時，電磁波穿透不同介質(zhì)時產(chǎn)生折射會造成介質(zhì)內(nèi)目標(biāo)成像散焦的問題。因此必須研究介質(zhì)參數(shù)未知條件下的自聚焦成像。一種較好的解決思路是通過建立近場電磁場半空間遞推模型，建立介質(zhì)參數(shù)未知條件下頻點與偏移相位的映射模型，通過最小熵搜索最優(yōu)補償相位對深度進(jìn)行補償，實現(xiàn)介質(zhì)參數(shù)未知的自適應(yīng)聚焦成像。圖3是探墻雷達(dá)成像處理流程圖。

圖2 時頻聯(lián)合處理雜波抑制算法流程圖
Fig.2 Flow chart of the joint time-frequency processing clutter removal method

圖3 探墻雷達(dá)成像處理流程圖Fig.3 Imaging processing flow chart of WPR

1.3 實例展示

圖4 探墻雷達(dá)Fig.4 Wall penetrating radar

圖5 鐵片和LED燈成像結(jié)果Fig.5 The imaging result of iron sheet and LED light

圖4展示了一款解決了淺表層雜波抑制和高精度成像難題的探墻雷達(dá)系統(tǒng)。此探墻雷達(dá)運用時頻聯(lián)合的信息處理方法解決了淺表層雜波抑制困難的問題，運用自聚焦成像的方法解決了近場高分辨成像困難的問題，實現(xiàn)了對淺表層小目標(biāo)的精確探測。圖5(a,b)給出了穿透4 cm水泥板對3 cm×3 cm鐵片的試驗場景和成像結(jié)果。使用時頻聯(lián)合雜波抑制算法能很好地對雜波進(jìn)行抑制，而且不產(chǎn)生明顯旁瓣。圖5(c,d)給出了穿透2 cm木板對LED燈的試驗場景和成像結(jié)果。該系統(tǒng)實現(xiàn)了對淺表層小目標(biāo)的精確探測，可廣泛應(yīng)用于建筑質(zhì)量評估、無損檢測等領(lǐng)域。探墻雷達(dá)的性能指標(biāo)如表2所示。

表2 探墻雷達(dá)性能指標(biāo)

Tab.2 Performance index of WPR

指標(biāo)名稱性能參數(shù)探測深度(水泥)/cm>7探測深度(木板)/cm>8探測深度(裝修層)/cm>15探測精度/mm<1成像分辨率/mm<2

2 無人機載微型合成孔徑雷達(dá)

2.1 簡介

無人機載微型合成孔徑雷達(dá)通過距離向發(fā)射大帶寬信號進(jìn)行脈沖壓縮，以及方位向進(jìn)行合成孔徑處理獲取兩維高分辨圖像，相對于光電成像技術(shù)，合成孔徑雷達(dá)具有全天時、全天候的技術(shù)特點[8]。圖6所示是微型合成孔徑雷達(dá)工作原理示意圖。

近年來無人機技術(shù)發(fā)展迅速，小型無人機平臺具有成本低、使用靈活的優(yōu)勢，適用于小型無人機平臺的微型化合成孔徑雷達(dá)成為熱點研究方向。美國ImSAR公司研制了質(zhì)量僅為兩磅(0.9 kg)的NanoSAR系統(tǒng)，目前該雷達(dá)安裝在“掃描鷹”無人機平臺上，是目前世界上最小的SAR系統(tǒng)；美國Sandia國家實驗室從20世紀(jì)90年代末期開始研制了系列化的無人機載SAR，最新一代的MiniSAR系統(tǒng)分辨率可達(dá)0.15 m[16]。國內(nèi)外代表性產(chǎn)品的性能參數(shù)如表3所示。

圖6 微型合成孔徑雷達(dá)工作原理示意圖

Fig.6 Working principle schematic diagram of small SAR

表3 微型SAR產(chǎn)品參數(shù)

Tab.3 Parameters of the small SAR product

產(chǎn)品名稱質(zhì)量/kg分辨率/m功耗/W美國SandiaMiniSAR12.20.15×0.15<60美國NanoSAR0.90.50×0.50<30中國SAR-SYM2.0<0.50×0.50<20荷蘭MetaSensingMiniSAR20.01.0×1.0<250

圖7 微帶陣列天線和微波電路集成技術(shù)Fig.7 Microstrip array antenna and microwave circuit integration technology

2.2 信息處理難點與方法

小型無人機平臺搭載能力有限，飛行穩(wěn)定性差，運動誤差顯著，同時高分辨SAR成像對成像處理和運動補償精度提出了更高的要求，因此微型高分辨SAR系統(tǒng)的主要關(guān)鍵技術(shù)包括寬帶雷達(dá)微型化技術(shù)、高分辨微型無人機載SAR成像處理與運動補償技術(shù)。在寬帶雷達(dá)微型化技術(shù)方面，微型SAR系統(tǒng)綜合采用了高效率微型化微帶陣列天線技術(shù)、基于低溫共燒陶瓷(Low temperature co-fired ceramic,LTCC)技術(shù)、微波電路集成技術(shù)和圖形處理器(Graphics processing unit, GPU)實時處理技術(shù)實現(xiàn)了寬帶雷達(dá)天線、射頻收發(fā)信道和機上實時成像處理器的微型化設(shè)計，大幅度降低了系統(tǒng)的體積和重量，實現(xiàn)了雷達(dá)載荷的微型化。

在高分辨微型無人機載SAR成像處理與運動補償技術(shù)方面，針對小型無人機平臺和SAR系統(tǒng)成像參數(shù)的技術(shù)特點，提出了子孔徑距離多普勒高分辨SAR成像算法，采用浮點/定點混合的SAR成像算法降低了成像處理的運算量，提出了基于慣導(dǎo)測量數(shù)據(jù)和基于回波數(shù)據(jù)相結(jié)合的成像參數(shù)估計和運動補償技術(shù)，有效解決了低空慢速平臺條件下的高分辨SAR成像和運動補償問題。圖8是高分辨微型SAR成像處理流程圖。

圖8 微型SAR成像處理流程圖
Fig.8 Imaging processing flow chart of the small SAR

2.3 實例展示

圖9展示了一款解決了微型化和運動補償難的題微型合成孔徑雷達(dá)系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要由機上雷達(dá)載荷和地面系統(tǒng)組成，其中機上雷達(dá)載荷為微型化、低功耗、高分辨和實時成像能力的合成孔徑雷達(dá)，完成雷達(dá)信號的發(fā)射和接收、回波信號的實時成像和圖像數(shù)據(jù)壓縮；地面處理系統(tǒng)主要完成SAR圖像信息的接收和顯示，雷達(dá)載荷和地面處理系統(tǒng)通過數(shù)據(jù)鏈實現(xiàn)雙向數(shù)據(jù)通信。該系統(tǒng)開展了多型無人機飛行成像實驗，獲取了滿意的成像效果，掛飛成像結(jié)果如圖10所示，性能指標(biāo)參數(shù)如表4所示。

圖9 無人機載SAR系統(tǒng)

Fig.9 Unmanned airborne SAR system

Fig.10 Hanging fly imaging results

表4 微型SAR性能指標(biāo)

Tab.4 Performance index of the small SAR

指標(biāo)名稱性能參數(shù)質(zhì)量/kg<2功耗/W40作用距離/km>2距離向分辨率/m0.2方位向分辨率/m0.2

3 邊坡雷達(dá)

3.1 邊坡雷達(dá)簡介

對邊坡表面形變場進(jìn)行監(jiān)測的雷達(dá)稱為邊坡穩(wěn)定性監(jiān)測雷達(dá)，簡稱邊坡雷達(dá)[10]。其在露天礦邊坡、尾礦壩、大型水壩、山體邊坡、橋梁和高層建筑的安全監(jiān)測和災(zāi)害預(yù)警等領(lǐng)域有著重要作用。邊坡雷達(dá)結(jié)合大帶寬信號和合成孔徑技術(shù)可以實現(xiàn)邊坡表面的高分辨二維成像。通過對不同時間獲取的多幅雷達(dá)圖像進(jìn)行差分干涉處理，從而實現(xiàn)對邊坡表面徑向形變場的高精度監(jiān)測。該雷達(dá)的工作原理如圖11所示。

邊坡雷達(dá)根據(jù)方位向高分辨原理不同可以分為實孔徑體制和合成孔徑體制兩種類型。表5給出了現(xiàn)有實孔徑體制和合成孔徑體制的邊坡雷達(dá)主要產(chǎn)品參數(shù)[17-23]。

圖11 邊坡雷達(dá)工作原理示意圖

Fig.11 Working principle schematic diagram of the slope radar

表5 邊坡雷達(dá)產(chǎn)品參數(shù)

Tab.5 Parameters of the slope radar products

種類產(chǎn)品名稱檢測精度/mm每幅圖像獲取時間距離向分辨率/m方位向分辨率/m@1km實孔徑瑞士GPRI0.02～4.0030min0.757.0澳大利亞SSR0.03～3.5015min0.759.0南非MSR0.90<30min0.504.4合成孔徑歐盟LiSAR0.02～4.0030min0.503.0意大利IBIS-L/M0.03～4.008min0.5/0.754.4西班牙RiskSAR1.601min1.254.0荷蘭FastGBSAR0.104s0.504.5

3.2 信息處理難點與方法

邊坡雷達(dá)實現(xiàn)邊坡表面形變場高精度監(jiān)測的信息處理難點主要包括大氣相位擾動和時間去相干兩方面。大氣相位擾動是指電磁波在空間中的傳播速度會因為大氣的影響而發(fā)生變化，因此接收回波的相位與大氣相關(guān)。在邊坡雷達(dá)多次觀測間隔內(nèi)大氣發(fā)生變化會造成干涉結(jié)果中存在大氣相位誤差，嚴(yán)重影響形變反演精度。針對這一問題，一種信息處理解決方法是采用多參數(shù)模型法來對大氣相位進(jìn)行補償，如通過建立一階斜距模型或斜距-高程模型，選取成像結(jié)果中的穩(wěn)定散射點建立干涉相位方程組，然后通過最小均方法來估算大氣相位參數(shù)，進(jìn)而對整個觀測場景進(jìn)行大氣相位補償，消除大氣帶來的干涉相位誤差。時間去相干是指在采用邊坡雷達(dá)進(jìn)行長時間形變監(jiān)測時，目標(biāo)區(qū)域的散射特性會發(fā)生改變，尤其是對于自然地形下的植被覆蓋區(qū)域，如植被的生長或消亡，會導(dǎo)致雷達(dá)圖像相干性的降低，嚴(yán)重影響形變反演精度。針對這一問題，一種信息處理解決方法是利用動態(tài)永久散射體(Permanent scatterer, PS)技術(shù)來解決時間去相關(guān)的問題，首先基于幅度信息或相位信息選取在長時間范圍內(nèi)保持高相干性的散射點作為PS點，通過對PS點進(jìn)行動態(tài)更新、差分干涉處理及形變分析，進(jìn)一步反演得到整個監(jiān)測場景內(nèi)的形變信息。圖12給出了邊坡雷達(dá)形變反演信息處理流程圖。

圖12 邊坡雷達(dá)形變反演處理流程圖
Fig.12 Deformation inversion processing flow chart of the slope radar

3.3 實例展示

圖13展示了一款解決了大氣相位擾動和時間去相干難點的邊坡雷達(dá)系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用大帶寬調(diào)頻連續(xù)波信號和合成孔徑技術(shù)實現(xiàn)二維高分辨成像，結(jié)合相位差分干涉技術(shù)實現(xiàn)邊坡表面徑向形變場的高精度監(jiān)測，在露天礦邊坡、尾礦壩、大型水壩、山體邊坡、橋梁和高層建筑的安全監(jiān)測和災(zāi)害預(yù)警中都取得了較好的效果。該邊坡雷達(dá)系統(tǒng)的性能指標(biāo)如表6所示。圖14(a)為首鋼水廠鐵礦的一處邊坡，圖14(b)為邊坡雷達(dá)反演出的形變量。

圖13 邊坡雷達(dá)

Fig.13 Slope radar

表6 邊坡雷達(dá)性能指標(biāo)

Tab.6 Performance index of the slope radar

指標(biāo)名稱性能參數(shù)指標(biāo)名稱性能參數(shù)監(jiān)測精度/mm0.1距離向分辨率/m0.3每幅圖像獲取時間/min3～10方位向分辨率@1km/m4監(jiān)測距離/m10～4000

圖14 露天礦邊坡形變監(jiān)測結(jié)果

Fig.14 Deformation monitoring result of open pit mine

4 FOD雷達(dá)

4.1 FOD雷達(dá)簡介

FOD雷達(dá)利用毫米波傳播時受自然光和熱輻射源影響小，穿透霧、煙、灰塵的能力強，測距、測角精度高的特性來探測異物[11-13]。FOD雷達(dá)通常采用線性調(diào)頻連續(xù)波(Linear frequency modulation continuous wave, LFMCW)體制，利用同源激勵同時產(chǎn)生發(fā)射信號和接收本振信號零差拍的原理，通過在時間上改變發(fā)射信號的頻率，并測量接收信號相對于發(fā)射信號的頻率的方法來測定異物目標(biāo)相對雷達(dá)的距離。圖15所示是FOD雷達(dá)工作原理示意圖。

采用FOD雷達(dá)進(jìn)行機場道面異物檢測，有助于減少和杜絕由于機場道面異物入侵導(dǎo)致的安全事故和財產(chǎn)損失。表7所示是現(xiàn)階段世界上已投入商業(yè)運營的4種FOD 探測系統(tǒng)。

圖15 FOD雷達(dá)工作原理示意圖

Fig.15 Working principle schematic diagram of the FOD radar

表7 商業(yè)運營的FOD系統(tǒng)參數(shù)

Tab.7 Parameters of the commercial operation FOD system

技術(shù)產(chǎn)品名稱檢測概率/%檢測距離/m檢測精度/m毫米波雷達(dá)英國Tarsier>903～20001.0以色列FODetect—451.6美國FODFinder—70～2751.5視頻攝像新加坡iFerret>92<10001.0

采用毫米波雷達(dá)技術(shù)的FOD探測系統(tǒng)不容易受到天氣條件(例如陰雨)和光線條件(例如黑夜)的制約，采用單一視頻攝像技術(shù)的FOD探測系統(tǒng)比較容易受到環(huán)境影響。雖然中國的FOD雷達(dá)的研制工作起步較晚，但進(jìn)展迅速，尤其是在遠(yuǎn)距離高分辨檢測以及低虛警、高檢測概率檢測等技術(shù)難題上取得突破，目前已經(jīng)出現(xiàn)可以商用化的產(chǎn)品。

4.2 信息處理難點與方法

FOD雷達(dá)對機場道面異物進(jìn)行檢測主要有兩個關(guān)鍵問題：(1)小目標(biāo)的遠(yuǎn)距離高分辨檢測；(2)低虛警和高檢測概率檢測。為了實現(xiàn)小目標(biāo)高分辨檢測，F(xiàn)OD雷達(dá)選用毫米波段的調(diào)頻連續(xù)波體制。高工作頻率更容易實現(xiàn)大帶寬、高分辨率檢測，且該頻段天線具有窄波束低旁瓣的性能，可以實現(xiàn)更高的測角精度。為實現(xiàn)小目標(biāo)遠(yuǎn)距離探測，在系統(tǒng)設(shè)計上增加天線增益和射頻前端發(fā)射功率、降低接收機噪聲系數(shù)，并利用相參積累等信息處理手段提高信噪比，從而增大檢測作用距離。

為了達(dá)到低虛警和高檢測概率檢測，首先考慮克服地雜波干擾。雷達(dá)工作過程中，受高功率地雜波干擾，目標(biāo)檢測在不同的距離-方位單元雜波變化很劇烈，傳統(tǒng)的恒虛警檢測算法不適用于該雜波背景，為此采用雜波圖對消技術(shù)，實現(xiàn)對目標(biāo)的距離-方位二維低虛警高檢測概率檢測。另外，雷達(dá)在工作過程中機場跑道上飛機、車輛等仍然正常運行，為了使雷達(dá)不因飛機和車輛等強目標(biāo)影響，在射頻接收鏈路增加限幅器防止功率飽和，增大ADC采樣動態(tài)范圍，并運用目標(biāo)檢測信息處理方法在距離、方位和速度多個維度識別大型移動目標(biāo)，從而可將異物類型區(qū)分為跑道異物或其他類型異物(人、車和飛機等)。FOD雷達(dá)信息處理流程如圖16所示，圖中回波預(yù)處理包括數(shù)字下變頻、FIR濾波、抽取、加窗、回波積累和快速傅里葉變換等，之后通過雜波圖檢測算法、目標(biāo)融合算法和大目標(biāo)識別算法等對目標(biāo)進(jìn)行多重檢測與識別。

圖16 FOD雷達(dá)信息處理流程圖
Fig.16 The information processing flow chart of the FOD radar

4.3 實例展示

圖17展示了一款實現(xiàn)了小目標(biāo)的遠(yuǎn)距離、高分辨、低虛警和高概率檢測的FOD雷達(dá)系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過架設(shè)在機場跑道一側(cè)的塔架上，對跑道進(jìn)行持續(xù)不斷的往返掃描來探測異物，實現(xiàn)了對異物全天時、全天候的檢測與告警。FOD雷達(dá)系統(tǒng)對多種異物的探測結(jié)果如圖18所示。該系統(tǒng)對直徑43 mm的高爾夫球探測性能如表8所示。

圖17 FOD雷達(dá)

Fig.17 FOD radar

Fig.18 Foreign object debris detection result

表8 FOD雷達(dá)性能指標(biāo)

Tab.8 Performance index of the FOD radar

指標(biāo)名稱性能參數(shù)檢測距離/km>1檢測概率/%>99虛警時間/h8距離向分辨率/m<3方位向分辨率/(°)<0.5

5 結(jié)束語

民用雷達(dá)的發(fā)展十分迅速，在未來會有更多的雷達(dá)走進(jìn)人民的生活中。為了滿足更多的民用需求，雷達(dá)的性能需要進(jìn)一步提升，雷達(dá)信息處理的新方法與新技術(shù)是當(dāng)今需要加緊研究的重要課題。本文對代表性民用雷達(dá)進(jìn)行了綜述介紹，介紹了新體制探墻雷達(dá)、微型SAR、邊坡雷達(dá)和FOD雷達(dá)的新趨勢和新技術(shù)、信息處理的關(guān)鍵問題和解決方案，并舉例展示了具有代表性的系統(tǒng)和試驗結(jié)果。民用雷達(dá)在未來仍會加速發(fā)展，其應(yīng)用前景必將更加光明。

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New System Civil Radar and Real-Time Information Processing

Long Teng1，2， Ding Zegang1，2， Li Yinchuan1，2， Tian Weiming1，2， Liu Haibo1，2， Yao Di1，2， Zeng Tao1，2

(1. Radar Research Lab, School of Information and Electronics, Beijing Institute of Technology, Beijing, 100081, China; 2. Beijing Key Laboratory of Embedded Real-Time Information Processing Technology, Beijing, 100081, China)

With the development of antenna manufacturing technology, ultra-wideband technology, synthetic aperture technology and signal processing technology, the radar volume is decreasing, and radar detection accuracy and imaging resolution are greatly improved. Furthermore, radar began to be active in the civilian field. New civil radars which are used in penetrating imaging, microwave remote sensing imaging, landslide monitoring and airport foreign object debris detection are developing rapidly. In order to make civil radars with higher and more stable performance in a complex natural environment, radar signal processing technology has been innovating. Here, we introduce the new trends and new technologies of civil radars, as well as the key issues and solutions of signal processing for the wall-penetrating radar, the small SAR, the slope radar and the foreign object debris(FOD) radar.

civilian radar; wall-penetrating radar; small SAR; slope radar; FOD radar

國家自然科學(xué)基金(61427802，61370017)資助項目；長江學(xué)者獎勵計劃(T2012122)資助項目;高等學(xué)校學(xué)科創(chuàng)新引智計劃(B14010)資助項目。

2017-05-05；

2017-06-15

TN95

A

龍騰(1968-)，男，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向：實時信號處理、目標(biāo)探測與識別等，E-mail: longteng@ bit.edu.cn。

丁澤剛(1980-)，男，副教授，碩士生導(dǎo)師，研究方向：新體制雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)計和成像處理算法等，E-mail: Z.ding@bit.edu.cn。

李銀川(1994-)，男，博士研究生，研究方向：SAR成像算法、穿墻與探墻雷達(dá)成像等，E-mail: liyin-chuan@bit.edu.cn。

田衛(wèi)明(1983-)，男，講師，碩士生導(dǎo)師，研究方向：雙基地和高分辨SAR系統(tǒng)與信號處理，E-mail:tian-wei6779@163.com。

劉海波(1980-)，男，講師，碩士生導(dǎo)師，研究方向：雷達(dá)系統(tǒng)，SAR系統(tǒng)與信號處理，E-mail: haibolhb@bit.edu.cn。

姚迪(1978-)，男，講師，碩士生導(dǎo)師，研究方向：雷達(dá)系統(tǒng)、SAR信號處理，E-mail: ddyao@bit.edu.cn。

曾濤(1971-)，男，研究員，博士生導(dǎo)師，研究方向：雷達(dá)系統(tǒng)、雷達(dá)信號處理和新體制雷達(dá)，E-mail: zengtao@bit.edu.cn。