24 GHz MIMO FMCW雷達(dá)實(shí)驗(yàn)平臺的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

朱熙鋮，王玲玲，張盼盼，林樂宵，葉 穎，張永鑫

（1.南京信息工程大學(xué)電子與信息工程學(xué)院，南京 210044；2.南京郵電大學(xué)電子與光學(xué)工程學(xué)院，南京 210003）

0 引言

雷達(dá)［1］在軍事應(yīng)用領(lǐng)域有著重要的位置，如預(yù)警探測、搜索警戒、戰(zhàn)地監(jiān)視、火控引導(dǎo)等應(yīng)用；在民用領(lǐng)域也有著廣泛的應(yīng)用，如遙感測繪、氣象探測、航空管制、人體成像等。由于雷達(dá)在軍民領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，國內(nèi)部分大中專院校開設(shè)了雷達(dá)原理等相關(guān)課程［2-4］。受限于傳統(tǒng)雷達(dá)設(shè)備價格昂貴、體積龐大等因素，大中專院校雷達(dá)原理等課程的教學(xué)內(nèi)容更多偏向于理論教學(xué)和軟件仿真，教學(xué)過程中較少涉及基于實(shí)際雷達(dá)系統(tǒng)的相關(guān)實(shí)驗(yàn)［4-5］。

近年來，隨著微電子工藝的迅猛發(fā)展以及24 GHz車載雷達(dá)市場的高速增長，24 GHz射頻收發(fā)信機(jī)芯片的集成度越來越高且芯片價格大幅下降。以此為契機(jī)，南京信息工程大學(xué)和南京郵電大學(xué)共同開發(fā)完成了一個低成本、小尺寸的24 GHz 多發(fā)多收（Multiple Input Multiple Output，MIMO）調(diào)頻連續(xù)波（Frequency Modulation Continuous Wave，F(xiàn)MCW）雷達(dá)實(shí)驗(yàn)平臺，可作為大專中院校雷達(dá)原理等課程中相關(guān)實(shí)驗(yàn)的支撐平臺。本文介紹了FMCW 體制和MIMO 體制的基本原理，24 GHz MIMO FMCW雷達(dá)實(shí)驗(yàn)平臺硬件系統(tǒng)和信號處理算法的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)過程，最后給出了實(shí)驗(yàn)平臺的實(shí)驗(yàn)過程及其結(jié)果。

1 MIMO FMCW雷達(dá)的工作原理

1.1 FMCW體制

FMCW雷達(dá)的調(diào)制波形有鋸齒波、三角波、正弦調(diào)頻波、平方律調(diào)頻波等，其中鋸齒波是目前應(yīng)用最廣泛調(diào)制波形之一。

如圖1 所示，雷達(dá)的發(fā)射信號遇到目標(biāo)發(fā)生反射，經(jīng)時延tc后雷達(dá)接收到回波信號。由于時間延遲效應(yīng)，發(fā)射信號和回波信號的頻率之間存在差異，根據(jù)頻率差異IF和目標(biāo)距離R 之間的關(guān)系可得目標(biāo)的距離信息：

式中：c為光速；B為掃描帶寬；Tc為掃頻周期。

當(dāng)目標(biāo)運(yùn)動時，各周期中頻信號的相位由于多普勒效應(yīng)會發(fā)生周期變化。根據(jù)中頻信號的相位變化規(guī)律得到目標(biāo)的多普勒頻率fd，可得目標(biāo)的速度信息

式中：fc為雷達(dá)中心工作頻率。

圖1 FMCW雷達(dá)波形（鋸齒波）

1.2 集中式MIMO體制

MIMO雷達(dá)是目前新體制雷達(dá)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。相比于單通道雷達(dá)，MIMO 雷達(dá)可明顯增強(qiáng)抗截獲能力，提高對微弱小目標(biāo)的檢測能力等優(yōu)勢［6-7］。集中式MIMO雷達(dá)利用虛擬陣列形成技術(shù)，可顯著增加收發(fā)通道數(shù)目，從而提升雷達(dá)的角度分辨能力。如圖2 所示，利用2 個發(fā)射通道和4 個接收通道，共可形成7 個虛擬接收通道，虛擬接收通道數(shù)目是實(shí)際接收通道數(shù)目的近2 倍。

圖2 MIMO雷達(dá)（2T4R）虛擬收發(fā)通道形成示意圖

多收發(fā)通道雷達(dá)系統(tǒng)的測角方法主要有數(shù)字波束形成方法和以MUSIC算法為代表的超分辨測向方法。數(shù)字波束形成的基本原理如下［7］：

式中：E（θ）為波束合成結(jié)果；WN為加權(quán)系數(shù)；XN為各陣列單元接收信號；EN為相位因子。

MUSIC算法的基本原理如下［8］：

式中：R為陣列信號的協(xié)方差矩陣；XN為各陣列單元接收信號；PMUSIC為空間譜估計(jì)結(jié)果；Us、Un為接收信號的信號子空間和噪聲子空間；a（θ）為導(dǎo)引矢量。通過對PMUSIC進(jìn)行譜峰搜索，可得到目標(biāo)信號的角度信息。

2 雷達(dá)實(shí)驗(yàn)平臺

圖3 雷達(dá)實(shí)驗(yàn)平臺的原理框圖

如圖3 所示，雷達(dá)實(shí)驗(yàn)平臺主要由天線陣列、射頻前端、雷達(dá)信號處理及控制等模塊所組成。雷達(dá)實(shí)驗(yàn)平臺的基本工作原理如下：由壓控振蕩器、鎖相環(huán)等電路產(chǎn)生具有一定調(diào)制規(guī)律的連續(xù)波信號，經(jīng)射頻放大后由發(fā)射天線陣列輻射至自由空間。經(jīng)目標(biāo)反射后產(chǎn)生回波信號，回波信號由接收天線陣列接收后再經(jīng)射頻放大、混頻、濾波、中頻放大、模數(shù)轉(zhuǎn)換等處理后，進(jìn)而由雷達(dá)信號處理電路根據(jù)理論公式計(jì)算得到目標(biāo)的距離、速度、角度等信息。

2.1 天線陣列

由于微帶貼片天線具有低剖面、輕質(zhì)量、易加工等優(yōu)點(diǎn)，雷達(dá)實(shí)驗(yàn)平臺采用微帶貼片作為天線輻射單元，并結(jié)合串聯(lián)饋電形式設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)天線陣列單元，天線陣列單元的性能參數(shù)：頻段24～24.25 GHz；天線增益≥13 dB；波束形式，扇形波束；饋電形式，一維線陣，串饋；極化方式垂直線極化；波束垂直覆蓋范圍－45°～＋45°；波束垂直覆蓋范圍≤±10°；副瓣電平≤－15 dB；駐波比≤1.5；收發(fā)天線隔離≥20 dB。根據(jù)MIMO體制要求，天線陣列要求采用2 發(fā)4 收形式。為降低天線陣列單元間互耦作用的影響，在4 個接收天線單元的兩側(cè)各加了1 個偽天線（Dummy Antenna）。圖4給出了收發(fā)天線陣列的實(shí)物照片。

圖4 天線收發(fā)陣列

2.2 射頻前端

射頻前端主要由ADI公司的ADF5901、ADF4159，Infineon 公司的BGT24AR4 等雷達(dá)射頻芯片組成。ADF5901 是一款24 GHz 單片微波集成電路（Monolithic Microwave Integrated Circuit，MMIC），片內(nèi)集成24 GHz壓控振蕩器（Voltage Controlled Oscillator，VCO）和可編程增益放大器（Programmable Gain Amplifier，PGA），共有兩個發(fā)射通道，每個發(fā)射通道都包含一個功率控制電路。ADF4159 是一款具有調(diào)制，以及快速和慢速波形產(chǎn)生能力的13 GHz小數(shù)N分頻頻率合成器，該器件使用25 位固定模數(shù)，提供次赫茲級頻率分辨率。利用ADI 公司的ADF5901、ADF4159等芯片可實(shí)現(xiàn)雷達(dá)實(shí)驗(yàn)平臺的2 路24～24.25 GHz的發(fā)射通道，且可支持多種雷達(dá)調(diào)制波形，包括：連續(xù)波、多頻鍵控、三角波、鋸齒波等波形，從而為雷達(dá)實(shí)驗(yàn)平臺的通用性奠定技術(shù)基礎(chǔ)。雷達(dá)發(fā)射通道的主要性能參數(shù)：頻段24～24.25 GHz，核心芯片型號ADF5901、ADF4159，控制方式SPI，發(fā)射通道數(shù)2，調(diào)頻線性度0.1%，最大輸出功率10 dBm，輸出功率可調(diào)范圍10 dB，相位噪聲－30 dBc／Hz ＠10 kHz。BGT24AR4 是一款24GHz功能高度集成的MMIC，內(nèi)部集成了多個吉爾伯特正交下混頻電路、PGA 電路。單片BGT24AR4 芯片可提供4 路接收通道，這極大地減小了雷達(dá)的尺寸和功耗，降低接收通道的設(shè)計(jì)難度。雷達(dá)接收通道的主要性能參數(shù)；頻段24～24.25 GHz，核心芯片型號BGT24AR4，控制方式SPI，發(fā)射通道數(shù)4，噪聲系數(shù)12 dB，靈敏度－100 dBm，增益范圍16～47 dB，中頻帶寬～5 MHz，動態(tài)范圍～70 dB。雷達(dá)射頻前端實(shí)物如圖5 所示。

圖5 雷達(dá)射頻前端

圖6 雷達(dá)信號處理及控制

2.3 雷達(dá)信號處理及控制

雷達(dá)信號處理及控制以Xilinx Zynq-7020 為核心主控芯片［10］，該芯片基于Xilinx 的可擴(kuò)展處理器平臺架構(gòu)（Extensible Processing Platform，EPP），將雙核ARM Cortex-A9 處理器和FPGA 可編程邏輯單元集成在一顆單芯片中，從而構(gòu)成所謂的PS（Processing System）和PL（Programmable Logic）的單芯片SoC解決方案，可實(shí)現(xiàn)優(yōu)秀的性價比和最大的設(shè)計(jì)靈活性。其中，雷達(dá)信號處理由PL部分實(shí)現(xiàn)完成，可有效保障信號處理的實(shí)時性。雷達(dá)波形控制和時序同步等操作由PS部分來完成［11］，可有效地實(shí)現(xiàn)分工協(xié)作。最后實(shí)現(xiàn)的雷達(dá)信號處理及控制PCB板實(shí)物如圖6 所示，其中集成了一個千兆網(wǎng)口用于和上位機(jī)交互信息，便于雷達(dá)實(shí)驗(yàn)平臺的教學(xué)應(yīng)用及后續(xù)開發(fā)。

具體的雷達(dá)信號處理過程如圖7 所示。首先對4路由AD8285 采樣所得接收通道的中頻信號數(shù)據(jù)進(jìn)行抽取運(yùn)算，以降低處理器的運(yùn)算量。隨后，每一路中頻信號將進(jìn)行一維快速傅里葉變換（Fast Fourier Transform，F(xiàn)FT）計(jì)算得到目標(biāo)的距離信息［12-13］。然后將一維FFT 所得數(shù)據(jù)再利用FFT 算法可得到目標(biāo)的速度信息，在已知目標(biāo)運(yùn)動速度的情況下進(jìn)行距離速度解耦合將得到目標(biāo)的準(zhǔn)確位置［14］。考慮到采用MIMO體制，將二維FFT 所得數(shù)據(jù)進(jìn)行目標(biāo)恒虛警（Constant False Alarm Rate，CFAR）檢測，利用目標(biāo)峰值點(diǎn)數(shù)據(jù)構(gòu)成一個7 路收發(fā)通道的虛擬線陣，最終利用數(shù)字波束形成、超分辨等測角方法可獲得目標(biāo)的角度信息。最后，實(shí)驗(yàn)平臺可輸出目標(biāo)的距離、速度、相對角度信息。

圖7 雷達(dá)信號處理流程

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

雷達(dá)實(shí)驗(yàn)平臺的實(shí)驗(yàn)是在微波暗室中完成的。微波暗室可有效屏蔽電磁信號，減少電磁干擾等的影響。雷達(dá)實(shí)驗(yàn)平臺被放在測試轉(zhuǎn)臺上，在測試轉(zhuǎn)臺前方區(qū)域放置角反射器作為雷達(dá)測試目標(biāo)，測試環(huán)境如圖8所示。

圖8 雷達(dá)實(shí)驗(yàn)平臺測試環(huán)境

在本次實(shí)驗(yàn)中，雷達(dá)實(shí)驗(yàn)平臺的工作參數(shù)設(shè)置如下：掃頻帶寬為100 MHz，掃頻周期為100 μs，距離總庫數(shù)為64，速度總庫數(shù)為128，工作模式為時分MIMO體制［15］。圖9 給出了雷達(dá)實(shí)驗(yàn)平臺在微波暗室的測量結(jié)果。圖9（a）給出了采樣數(shù)據(jù)經(jīng)一維FFT 處理后的運(yùn)算結(jié)果，可得目標(biāo)的距離信息為4.5 m，和實(shí)際距離相符。圖9（b）給出了經(jīng)二維FFT處理后的運(yùn)算結(jié)果，可得目標(biāo)的速度信息為0 m／s，和實(shí)際場景中測試目標(biāo)是靜止的相符。圖9（c）、（d）分別給出了MISO（單發(fā)多收）體制和MIMO體制的數(shù)字波束形成結(jié)果，其中MISO 體制僅利用1 個發(fā)射通道和4 個接收通道，MIMO體制利用了2 個發(fā)射通道和4 個接收通道從而形成7 個虛擬收發(fā)通道。可以觀察到基于MIMO體制所得的波束寬度明顯小于MISO 體制的結(jié)果，且均能正確地指向目標(biāo)方向+15°。圖9（e）、（f）分別給出了MISO 體制和MIMO 體制的MUSIC 算法所得結(jié)果，均能正確地指向目標(biāo)方向+15°，其中基于MIMO體制的結(jié)果具有更低的噪聲。

4 結(jié)語

圖9 雷達(dá)實(shí)驗(yàn)平臺的測量結(jié)果

針對現(xiàn)有國內(nèi)大專中院校雷達(dá)原理等課程教學(xué)工作中普遍缺乏相關(guān)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的現(xiàn)狀，本文介紹了一個24 GHz多發(fā)多收調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)實(shí)驗(yàn)平臺的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)過程，并給出了實(shí)驗(yàn)過程及其實(shí)驗(yàn)結(jié)果。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該雷達(dá)實(shí)驗(yàn)平臺可一定程度上解決教學(xué)過程中缺乏實(shí)驗(yàn)相關(guān)教學(xué)內(nèi)容的問題，有助于加深師生對雷達(dá)工作原理的認(rèn)識和提高學(xué)生的工程實(shí)踐能力。且本雷達(dá)實(shí)驗(yàn)平臺具有低成本、小尺寸等優(yōu)點(diǎn)，在雷達(dá)原理等教學(xué)領(lǐng)域具有良好的推廣潛力。后續(xù)將基于該雷達(dá)實(shí)驗(yàn)平臺開發(fā)配套的參數(shù)配置及界面顯示的上位機(jī)程序，從而更加便于在教學(xué)中使用。