安防雷達的總體設計與實現

安徽博微長安電子有限公司 王 彬

0 引言

隨著技術日新月異，傳統視頻監控系統已無法滿足要地及要害部門的安全防衛工作，安防雷達可根據物體在探測區域的微波變化，獲取物體類別與距離等信息，實現對防護區域高可靠預警[1]。

1 安防雷達技術體制

調頻連續波雷達具有高距離分辨率，低功耗、無盲區、抗干擾能力強等特點。常用的調頻方式主要有二種：LFMCW體制，FSK體制[2]。FSK體制難以多目標檢測，安防雷達系統中，采用LFMCW體制較多。

本雷達設計采用三角波的形式。圖1給出了三角形線性調頻波形示意圖。目標回波與雷達發射波的形狀相同，只是在時間上有一個△t的延時，因此雷達混頻器輸出的差拍信號是包含目標信息[4]。

圖1 調頻波形示意圖

差拍頻率確定為：

差拍頻率與距離和速度的關系確定為：

2 安防雷達總體設計

系統的整體方案設計圖2所示。

雷達由射頻前端模塊、信號調理模塊和數字信號處理模塊組成。射頻前端向外發射探測波形，雷達的回波信號輸出至信號調理模塊做預處理以及AD變換，然后送到信號處理模塊，經處理后提取出目標距離、速度、角度信息。

圖2 安防雷達整體方案設計

信號調理模塊主要功能完成射頻前端模塊的功能設置及中頻信號的調理，可實現對雷達發射功率，發射帶寬，調制波形的產生、及接收中頻增益等進行控制。中頻信號預處理對泄露三角調制頻率的抑制、高頻噪聲的濾除、信號放大、AD轉換等。

信號處理模塊主要負責模數轉換之后的數字中頻信號進行相應的處理來提取出被探測目標的距離、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、綜合運算等。

2.1 射頻前端

射頻前端集成了雷達發射和接收天線、信號通道、壓控振蕩器(VCO) 、低噪放大器(LNA)、 混頻器和中頻放大器等，雷達前端采用單發雙收設計，雷達除了測距測速之外，還具有測角功能，能夠測出目標與天線前端法線之間的夾角，從而準確的得出目標的位置信息，其原理框圖如圖3所示：

圖3 雷達前端內部原理框圖

2.2 調制三角波信號產生

本系統采用三角波信號作為雷達的調制信號，射頻前端內部集成ADF4158芯片鎖相芯片，通過邏輯控制芯片配置ADF4158參數，產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計

本系統濾波放大電路主要設計思想：（1）解決射頻前端調頻三角波的發射泄露；（2）對目標回波信號進行放大。濾波放大電路原理如圖5所示。 電路根據目標信號和發射泄露信號不同頻率進行相應的濾波和放大[5]。

圖5 濾波放大電路設計

濾波電路設有可調數字電位器，可根據目標位置，來調整回波信號幅度增益，即在遠距離目標信號較小時，增加信號增益，提高信號強度；近距離是信號較大時，信號增益減少，避免信號太強導致模/數轉換器溢出。

圖6 信號處理流程圖

3 軟件部分的設計

本設計采取DSP+FPGA做處理器[6]，采用FPGA做所有外設的接口，所有的DSP與外設之間都經過FPGA。FPGA的時序控制能力強，可以精確的控制時鐘輸出輸入，將讀取到的數據進行預處理之后，送給DSP進行處理，DSP信號處理流程入圖6所示。

在初始化階段，FPGA和DSP會讀取存儲在非易失器件中的程序和數據，加載到芯片中并運行。系統運行的FIFO由FPGA生成，集成在FPGA中，不需要外部器件支持，簡化電路，節約成本。

在顯示軟件方面，開發了一個基于MFC的人機交互界面，該界面采用雷達與視頻聯動技術，便于用戶操作和觀察。軟件界面如圖7所示。

圖7 界面截圖

4 實驗數據

對100米以內的目標進行測試，測試條件：帶寬200M，調制頻率200Hz，選取在較開闊處，雜波較小，測試目標1～3個。目標距離信息通過一部紅外測距儀獲得。外場測試采集數據由FPGA通過控制A/D采樣中頻輸入給基帶信號得到， 利用采集的數據，在MATLAB經算法仿真后得到目標信息截圖如圖8所示。

圖8 目標信息截圖

表1 測試與測距的誤差分析

從表1可以看出，本項目設計的安防雷達，無論是在穩定性，還是實用性上，都有較大的優勢，可投入安防監控應用。

[1]吳昭.安防雷達信號處理的設計與實現[D].碩士論文:南京理工大學,2015:03-23.

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

[3]黃文奎,劉文超,等.FSK體制汽車避碰雷達的數據采集系統[J].微電子學于計算機,2005,22(10):165.

[4]楊帆.LFMCW雷達信號處理算法研究及實現[D].碩士論文:西安電子科技大學,2007:23-31.

[5]吳鵬飛.基于雙通道射頻前端的汽車輔助雷達設計與實現[D].碩士論文,2013,12.