商用低成本FMCW雷達測量小尺寸物體RCS可行性研究

李莎莎

(黑龍江工程學(xué)院,哈爾濱 150008)

0 引言

調(diào)頻連續(xù)波(FMCW)雷達由于低功率的特性，在雷達技術(shù)的早期，大多只能在某些特定區(qū)域使用[1-2]。但是在過去的20年中，民用毫米波雷達組件甚至收發(fā)器已集成在單個芯片上,毫米波FMCW雷達被廣泛用于工業(yè)和汽車領(lǐng)域中。

雷達截面(RCS)是物體自身的基本屬性之一[3-4]。針對9 mm原始子彈模型的RCS長寬比變化的測量問題，采用普通商業(yè)雷達系統(tǒng)開展實驗研究，并將實驗結(jié)果與仿真結(jié)果進行比較，意義在于證明該領(lǐng)域的技術(shù)研究與開發(fā)并不一定只局限于專業(yè)的消聲室或矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀。

1 基本原理

1.1 RCS測量原理

RCS測量的常規(guī)做法是使用VNA收集頻域數(shù)據(jù)，并通過IFFT將其轉(zhuǎn)換為時域數(shù)據(jù)[5-8]。文中使用中頻(IF)段的同相正交(I/Q)復(fù)數(shù)數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)來自商用FMCW雷達收發(fā)器芯片中內(nèi)置的16位模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)。在離線處理期間，此數(shù)據(jù)用于構(gòu)建雷達數(shù)據(jù)立方體，并在時域做256點的FFT，計算范圍輪廓[9]。在FFT中不使用零填充，也不使用截斷。

RCS可表示為目標反向散射功率Pb與雷達透射功率Pt之比[10-11]：

(1)

由于電磁波的功率與其電場或磁場強度的平方成正比，式(1)被廣泛寫為[10,12]：

(2)

式中：R為雷達到目標的距離；Eb和Et分別為電場的反向散射和透射的復(fù)振幅。

1.2 校準RCS測量原理

采用普通的商用FMCW雷達系統(tǒng)測量RCS，反向散射的回波還要經(jīng)歷放大，本地振蕩器的頻率混合，IF信號的轉(zhuǎn)換，ADC數(shù)字化處理幾個附加過程。在這些過程中，盡管保留了有關(guān)距離和速度的信息，但在雷達上接收到的原始反向散射回波的幅度發(fā)生了較大的變化，如使用該數(shù)據(jù)進行后續(xù)的信號處理，式(2)將無法獲得RCS的精確值。在種種情況下，相對校準的概念變得較為方便，目標的相對校準RCS可表示為：

(3)

式中：ET和E0分別為目標和參考目標(球體)的回波強度；σ0為參考目標(球體)RCS的理論計算值[12]。

2 系統(tǒng)設(shè)計

2.1 硬件設(shè)計

選用9 mm子彈模型，使用普通商用毫米波雷達系統(tǒng)作為硬件平臺進行RCS測量。該FMCW雷達系統(tǒng)可在77～81 GHz頻率范圍內(nèi)工作，子彈模型按圖1中尺寸由通用鋁加工而成。本實驗在標準實驗室中進行，子彈模型在0°～360°內(nèi)以每10°增量依次暫停，懸掛的子彈模型如圖2所示。

加工直徑為15 mm的鋁球作為本次研究的參考目標，其中球的直徑對應(yīng)于子彈模型的最大尺寸(長度)，如圖3所示。選用的硬件配置主要參數(shù)為：帶寬為4 GHz的FMCW線性調(diào)頻雷達，線性調(diào)頻頻率為67 MHz，256點的ADC采樣/調(diào)頻，采樣頻率5 209 kHz以及128個頻率周期。子彈模型放置在距離雷達76 cm處，以滿足遠場要求。

圖3 Φ15 mm的參考球體和子彈模型

懸掛的子彈模型從0°旋轉(zhuǎn)到360°，每增加10°進行一次測量，在每個測量角度位置獲取3個雷達數(shù)據(jù)立方體的讀數(shù)，并使用這些復(fù)數(shù)幅度的平均值來計算距離分布。將直徑為15 mm的鋁制參考球懸掛在相同位置，并通過與子彈模型相同的方法進行RCS測量。

2.2 參數(shù)設(shè)計

2.2.1 相對校準

半徑為r的球體，RCS由10lg(πr2)計算得到，對于參考模型直徑為15 mm的球體，可計算出RCS為-37.5 dBsm。在選定的79 GHz頻率下，Dassault Systems的CST Studio Suite仿真系統(tǒng)軟件,測得的仿真值是-37.2 dBsm。

接下來，通過實際雷達接收機的中頻段同相正交(I/Q)復(fù)數(shù)數(shù)據(jù)計算參考球體的RCS。雷達發(fā)射功率為17 mW，經(jīng)過參考球體反射得到反射回波，F(xiàn)FT處理后得到IF數(shù)據(jù)。通過式(2)計算出模型球體RCS為95 dBsm，此值與-37 dBsm的理論模擬值并不匹配，這是因為式(2)僅使用了散射和透射電場的幅度值。對于一般雷達系統(tǒng)而言，相對于系統(tǒng)的硬件規(guī)格，校準RCS更為準確和重要，且在應(yīng)用過程中，需要考慮在信號調(diào)節(jié)和信號處理的各個階段進行所有幅度的轉(zhuǎn)換。

2.2.2 模擬頻率

實驗仿真階段雷達參數(shù)為：帶寬4 GHz，起始頻率77 GHz，測量直徑為15 mm參考球體的RCS以及測量子彈模型分別置于坐標系中繞z軸旋轉(zhuǎn)90°和270°兩個位置時的RCS。子彈模型在90°時反射最強，在270°時反射最弱。圖4給出了仿真結(jié)果，從實驗結(jié)果中不難發(fā)現(xiàn)，具有不同方向的子彈模型和參考球體仿真的RCS在77～81 GHz頻率范圍內(nèi)幾乎保持恒定。因此，后續(xù)實驗在平均頻率79 GHz條件下對子彈模型的RCS進行仿真以及實際測量，最后將仿真數(shù)據(jù)與實驗測量結(jié)果進行比較。

圖4 子彈模型和參考球體的仿真RCS

3 實驗結(jié)果及分析

3.1 RCS測量實驗結(jié)果

將子彈模型繞z軸進行旋轉(zhuǎn)，在所有角度位置進行RCS測量。圖5顯示了在測量范圍內(nèi)模型位于100°時測量的RCS情況，其中0.76 m處的峰值與子彈模型相對應(yīng)，y軸的值對應(yīng)計算校準后的RCS取值。

圖5 子彈模型位于z軸旋轉(zhuǎn)100°方位校準后的RCS值

在FMCW雷達中，近距離天線耦合是普遍現(xiàn)象。增加距離會降低接收信號的信號強度，因此，0.76 m是實驗中子彈放置的最佳距離。

圖6表示了子彈模型位于180°時RCS的測量情況。實驗中還需考慮室內(nèi)環(huán)境中出現(xiàn)的來自屋頂、地板和墻面等反射帶來的干擾，為了便于在合理范圍內(nèi)獲取有效數(shù)據(jù)，在本次實驗中，將距離門控限制為3 m。從圖6可以看出，雖然設(shè)置了距離門控，但仍有類似的干擾回波出現(xiàn)。

圖6 子彈模型位于z軸旋轉(zhuǎn)180°方位時校準后的RCS值

圖7繪制了相對于縱橫角測量后的校準RCS，以及使用CST Studio Suite獲得的相同彈頭模型的仿真結(jié)果對比。

圖7 實測RCS與仿真RCS數(shù)據(jù)對比圖

3.2 實驗結(jié)果分析

為了探索普通實驗條件和商用雷達可被進一步開發(fā)研究的可能性，實驗中并沒有采用信號加窗、濾波以及實驗測量數(shù)據(jù)的曲線擬合等處理。

由于子彈的特殊結(jié)構(gòu)以及子彈的長度，當子彈從雷達側(cè)面0°經(jīng)過90°橫向穿越到180°這一過程時，校準后的RCS十分重要。盡管子彈在90°處所構(gòu)成的反射面積小于其位于0°和180°處所構(gòu)成的反射面積，但由于子彈后脊的不連續(xù)性，位于90°時RCS最大。當子彈面對雷達時(270°)，其RCS最小，子彈的RCS約為45 dBsm。這是77 GHz商用FMCW系統(tǒng)最難完成的部分，但可以利用這部分的縱橫比來評估不同商用雷達系統(tǒng)的參數(shù)，合理的在噪聲中提高RCS值。

4 結(jié) 論

介紹了使用普通商用毫米波FMCW雷達收發(fā)器對9 mm子彈模型進行校準的RCS測量的應(yīng)用研究結(jié)果。該研究意義在于揭示通過普通雷達系統(tǒng)也可解決此類具有挑戰(zhàn)性問題的可能性，同時，確定了潛在的挑戰(zhàn)以及可能面臨的問題。探索了使用低成本商用系統(tǒng)在77～81 GHz頻段上測量RCS的方法，為此類低成本雷達平臺測量小尺寸物體RCS研究提供參考。