安防雷達(dá)的總體設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

安徽博微長(zhǎng)安電子有限公司 王 彬

0 引言

隨著技術(shù)日新月異，傳統(tǒng)視頻監(jiān)控系統(tǒng)已無(wú)法滿(mǎn)足要地及要害部門(mén)的安全防衛(wèi)工作，安防雷達(dá)可根據(jù)物體在探測(cè)區(qū)域的微波變化，獲取物體類(lèi)別與距離等信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)防護(hù)區(qū)域高可靠預(yù)警[1]。

1 安防雷達(dá)技術(shù)體制

調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)具有高距離分辨率，低功耗、無(wú)盲區(qū)、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)。常用的調(diào)頻方式主要有二種：LFMCW體制，F(xiàn)SK體制[2]。FSK體制難以多目標(biāo)檢測(cè)，安防雷達(dá)系統(tǒng)中，采用LFMCW體制較多。

本雷達(dá)設(shè)計(jì)采用三角波的形式。圖1給出了三角形線(xiàn)性調(diào)頻波形示意圖。目標(biāo)回波與雷達(dá)發(fā)射波的形狀相同，只是在時(shí)間上有一個(gè)△t的延時(shí)，因此雷達(dá)混頻器輸出的差拍信號(hào)是包含目標(biāo)信息[4]。

圖1 調(diào)頻波形示意圖

差拍頻率確定為：

差拍頻率與距離和速度的關(guān)系確定為：

2 安防雷達(dá)總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的整體方案設(shè)計(jì)圖2所示。

雷達(dá)由射頻前端模塊、信號(hào)調(diào)理模塊和數(shù)字信號(hào)處理模塊組成。射頻前端向外發(fā)射探測(cè)波形，雷達(dá)的回波信號(hào)輸出至信號(hào)調(diào)理模塊做預(yù)處理以及AD變換，然后送到信號(hào)處理模塊，經(jīng)處理后提取出目標(biāo)距離、速度、角度信息。

圖2 安防雷達(dá)整體方案設(shè)計(jì)

信號(hào)調(diào)理模塊主要功能完成射頻前端模塊的功能設(shè)置及中頻信號(hào)的調(diào)理，可實(shí)現(xiàn)對(duì)雷達(dá)發(fā)射功率，發(fā)射帶寬，調(diào)制波形的產(chǎn)生、及接收中頻增益等進(jìn)行控制。中頻信號(hào)預(yù)處理對(duì)泄露三角調(diào)制頻率的抑制、高頻噪聲的濾除、信號(hào)放大、AD轉(zhuǎn)換等。

信號(hào)處理模塊主要負(fù)責(zé)模數(shù)轉(zhuǎn)換之后的數(shù)字中頻信號(hào)進(jìn)行相應(yīng)的處理來(lái)提取出被探測(cè)目標(biāo)的距離、速度和方位角等信息。主要包括波形矯正、FIR濾波、FFT及主頻檢測(cè)、綜合運(yùn)算等。

2.1 射頻前端

射頻前端集成了雷達(dá)發(fā)射和接收天線(xiàn)、信號(hào)通道、壓控振蕩器(VCO) 、低噪放大器(LNA)、 混頻器和中頻放大器等，雷達(dá)前端采用單發(fā)雙收設(shè)計(jì)，雷達(dá)除了測(cè)距測(cè)速之外，還具有測(cè)角功能，能夠測(cè)出目標(biāo)與天線(xiàn)前端法線(xiàn)之間的夾角，從而準(zhǔn)確的得出目標(biāo)的位置信息，其原理框圖如圖3所示：

圖3 雷達(dá)前端內(nèi)部原理框圖

2.2 調(diào)制三角波信號(hào)產(chǎn)生

本系統(tǒng)采用三角波信號(hào)作為雷達(dá)的調(diào)制信號(hào)，射頻前端內(nèi)部集成ADF4158芯片鎖相芯片，通過(guò)邏輯控制芯片配置ADF4158參數(shù)，產(chǎn)生某固定頻率固定幅度的三角波。ADF4158工作原理如圖4所示：

圖4 ADF4158功能框圖

2.3 濾波放大模塊方案設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)濾波放大電路主要設(shè)計(jì)思想：（1）解決射頻前端調(diào)頻三角波的發(fā)射泄露；（2）對(duì)目標(biāo)回波信號(hào)進(jìn)行放大。濾波放大電路原理如圖5所示。 電路根據(jù)目標(biāo)信號(hào)和發(fā)射泄露信號(hào)不同頻率進(jìn)行相應(yīng)的濾波和放大[5]。

圖5 濾波放大電路設(shè)計(jì)

濾波電路設(shè)有可調(diào)數(shù)字電位器，可根據(jù)目標(biāo)位置，來(lái)調(diào)整回波信號(hào)幅度增益，即在遠(yuǎn)距離目標(biāo)信號(hào)較小時(shí)，增加信號(hào)增益，提高信號(hào)強(qiáng)度；近距離是信號(hào)較大時(shí)，信號(hào)增益減少，避免信號(hào)太強(qiáng)導(dǎo)致模/數(shù)轉(zhuǎn)換器溢出。

圖6 信號(hào)處理流程圖

3 軟件部分的設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)采取DSP+FPGA做處理器[6]，采用FPGA做所有外設(shè)的接口，所有的DSP與外設(shè)之間都經(jīng)過(guò)FPGA。FPGA的時(shí)序控制能力強(qiáng)，可以精確的控制時(shí)鐘輸出輸入，將讀取到的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理之后，送給DSP進(jìn)行處理，DSP信號(hào)處理流程入圖6所示。

在初始化階段，F(xiàn)PGA和DSP會(huì)讀取存儲(chǔ)在非易失器件中的程序和數(shù)據(jù)，加載到芯片中并運(yùn)行。系統(tǒng)運(yùn)行的FIFO由FPGA生成，集成在FPGA中，不需要外部器件支持，簡(jiǎn)化電路，節(jié)約成本。

在顯示軟件方面，開(kāi)發(fā)了一個(gè)基于MFC的人機(jī)交互界面，該界面采用雷達(dá)與視頻聯(lián)動(dòng)技術(shù)，便于用戶(hù)操作和觀察。軟件界面如圖7所示。

圖7 界面截圖

4 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

對(duì)100米以?xún)?nèi)的目標(biāo)進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試條件：帶寬200M，調(diào)制頻率200Hz，選取在較開(kāi)闊處，雜波較小，測(cè)試目標(biāo)1～3個(gè)。目標(biāo)距離信息通過(guò)一部紅外測(cè)距儀獲得。外場(chǎng)測(cè)試采集數(shù)據(jù)由FPGA通過(guò)控制A/D采樣中頻輸入給基帶信號(hào)得到， 利用采集的數(shù)據(jù)，在MATLAB經(jīng)算法仿真后得到目標(biāo)信息截圖如圖8所示。

圖8 目標(biāo)信息截圖

表1 測(cè)試與測(cè)距的誤差分析

從表1可以看出，本項(xiàng)目設(shè)計(jì)的安防雷達(dá)，無(wú)論是在穩(wěn)定性，還是實(shí)用性上，都有較大的優(yōu)勢(shì)，可投入安防監(jiān)控應(yīng)用。

[1]吳昭.安防雷達(dá)信號(hào)處理的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].碩士論文:南京理工大學(xué),2015:03-23.

[2]丁鷺飛,耿富錄,陳建春.雷達(dá)原理[M].北京:電子工業(yè)出版社,2009:273-276.

[3]黃文奎,劉文超,等.FSK體制汽車(chē)避碰雷達(dá)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)[J].微電子學(xué)于計(jì)算機(jī),2005,22(10):165.

[4]楊帆.LFMCW雷達(dá)信號(hào)處理算法研究及實(shí)現(xiàn)[D].碩士論文:西安電子科技大學(xué),2007:23-31.

[5]吳鵬飛.基于雙通道射頻前端的汽車(chē)輔助雷達(dá)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].碩士論文,2013,12.