強雜波背景下FMCW雷達低小慢目標(biāo)探測研究

薛衛(wèi)東，王文軍，秦 征，彭炳江，李百社，秦光明

(陜西長嶺電子科技有限責(zé)任公司，陜西 寶雞721006)

0 引言

隨著復(fù)雜電磁環(huán)境下信息對抗技術(shù)的發(fā)展,雷達同時面臨著截獲概率降低和最大探測距離增加的雙重考驗。這對雷達從信號形式、采樣速率、信號處理到終端顯示都提出了更高的要求。

復(fù)雜海洋環(huán)境下的雷達回波處理給雷達信號處理工作帶來了新的挑戰(zhàn)。因此,提高雷達的抗干擾性能已成為雷達設(shè)計者面臨的嚴(yán)峻任務(wù)[1]。調(diào)頻連續(xù)波(Frequency Modulated Continuous Wave,FMCW)雷達在雜波背景下具有靈敏度高、距離盲區(qū)小、距離分辨率高、輻射功率小、體積小、成本低及能耗低等優(yōu)點[2]。

在復(fù)雜的海洋環(huán)境下,對于低截獲概率雷達來說連續(xù)波雷達是最佳的選擇[3],同時,調(diào)頻連續(xù)波雷達在近距離測量和低速目標(biāo)的探測方面上具有顯著優(yōu)勢[4]。當(dāng)前,隨著調(diào)頻連續(xù)波雷達發(fā)射功率的進一步降低,其抗截獲性能顯著增強,已經(jīng)具備了一定的射頻隱身功能[5]。根據(jù)FMCW雷達的測量精度、量程及實時性等指標(biāo),通過對硬件前端和后端信號處理算法進行調(diào)整和優(yōu)化,使其靈活性得到進一步增強,已經(jīng)在民用和綜合領(lǐng)域得到越來越廣泛的應(yīng)用[6]。

復(fù)雜海洋環(huán)境下的雜波抑制工作主要通過雷達信號處理來完成,通過相干積累和對消法的方法抑制海雜波[7]。信噪比的提高可以通過對干擾及噪聲進行抑制、對目標(biāo)信號進行積累[8]以及對數(shù)字下變頻(Digital Downconverter,DDC)系數(shù)的優(yōu)化來實現(xiàn)[9],但雷達回波信號的實時性有所降低,同時,各種對消處理算法的使用提高了抑制海雜波的能力,但降低了對弱小目標(biāo)的探測能力。如何在復(fù)雜海洋環(huán)境下,既提高海雜波的抑制能力,又不影響針對低小慢目標(biāo)的探測能力,對雷達信號處理工作提出了新的要求。

當(dāng)前,解決上述問題的辦法主要是通過選擇合適的FMCW發(fā)射波形,同時采用相關(guān)的雷達信號處理算法以及海上回波的觀測試驗來獲得最佳的回波性能。FMCW信號主要包括線性FMCW信號、三角波FMCW信號、正弦FMCW信號和平方律FMCW信號等[10]。

本文通過中頻采樣電路把模擬中頻信號變成多路數(shù)字差分信號,再進行DDC、低通濾波和抽取,然后再對兩路數(shù)字差分信號進行快速傅里葉變換(FFT)等信號處理。最后,選取適當(dāng)?shù)睦走_參數(shù),并通過動目標(biāo)顯示/自適應(yīng)動目標(biāo)顯示(MTI/AMTI)處理、反異步處理、恒虛警及動態(tài)雜波圖等信號處理算法的相互組合使用,進一步提高強雜波背景下針對近距離低小慢目標(biāo)的探測能力。

1 系統(tǒng)原理分析

FMCW信號處理原理框圖如圖1所示,輸入模擬中頻信號,通過高速A/D采樣電路輸出差分?jǐn)?shù)字中頻信號,再完成DDC及FFT等信號處理。最后,將雷達數(shù)據(jù)包送上位機完成終端顯示。

圖1 FMCW信號處理原理框圖Fig.1 Schematic block diagram of FMCW signal processing

線性調(diào)頻信號的表達式如式(1)所示[11]:

(1)

式中:A為信號的幅度,rect(t/τ)為矩形函數(shù),當(dāng) -τ/2≤t≤τ/2時,矩形函數(shù)值為1,t為其他值時為0。由實測數(shù)據(jù)繪制出的線性調(diào)頻信號在功率為 -70 dBm的波形如圖2所示。

圖2 線性調(diào)頻信號波形圖Fig.2 Waveform of linear frequency modulation signal

在FMCW信號處理系統(tǒng)中,將接收到的回波信號與發(fā)射信號混頻,并濾去其中的高頻分量,得到的差頻信號如式(2)所示[12]:

(2)

通過對接收到的中頻差拍信號進行高速A/D采樣及DDC,其采樣頻率fs與DDC數(shù)控振蕩器(NCO)的輸出頻率fn應(yīng)滿足以下條件[13]:

(3)

fs≥2B。

(4)

選取適當(dāng)?shù)膍值,當(dāng)滿足式(3)和式(4)時,兩路數(shù)字中頻信號就可以實現(xiàn)中頻采樣DDC。然后再完成FFT等信號處理工作。最后由式(2)可得差拍信號的頻率以及雷達的作用距離如式(5)和式(6)所示:

fIF=Bτ/T=2BR/TC,

(5)

R=fIFTC/2B。

(6)

在該FMCW波信號處理系統(tǒng)中,對相同的調(diào)制周期,采用不同的調(diào)頻帶寬及FFT處理點數(shù),從而實現(xiàn)對雷達最大作用距離、近距離小目標(biāo)探測和提高雷達分辨率的均衡處理。

2 高速A/D采樣電路設(shè)計

在本文設(shè)計中,先將中頻模擬信號通過TC2-1T+變?yōu)椴罘中盘?再送給AD9268實現(xiàn)兩路差分信號的輸入、16位差分信號輸出。AD9268是一款雙通道差分輸入、16位差分輸出、最高采樣頻率可以達到125 MHz的模數(shù)轉(zhuǎn)換器。通過AD9268的串行外設(shè)接口(SPI)端口能夠?qū)崿F(xiàn)外部現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)對其相關(guān)參數(shù)的控制。AD9268具有通過低功耗模擬輸入改善無雜散動態(tài)范圍(Spurious-Free Dynamic Range,SFDR)性能,在高采樣頻率下仍能保持較好的信噪比(Signal to Noise Ratio,SNR)性能。

3 FMCW雷達信號處理算法設(shè)計

FMCW雷達信號處理算法設(shè)計由FMCW雷達信號處理流程設(shè)計和FMCW雷達信號處理算法實現(xiàn)組成,下面對FMCW雷達信號處理算法設(shè)計進行詳細(xì)分析。

3.1 FMCW雷達信號處理流程設(shè)計

FMCW雷達信號處理流程設(shè)計如圖3所示,該設(shè)計首先將AD采樣后的16對差分信號送到FPGA中。該FPGA采用XILINX公司的Virtex-5,主要完成DDC、FFT處理及動目標(biāo)檢測(Moving Targets Detection,MTD)處理;再將FPGA處理后的數(shù)據(jù)依次送入數(shù)字信號處理器DPS1、DSP2、DSP4及DSP3中,該DSP芯片采用AD公司的高速實時數(shù)字信號處理芯片TS101;然后,將做完處理的雷達數(shù)據(jù)包信號由DSP3回送至FPGA;最后,由FPGA通過總線接口芯片PCI9054完成與上位機的各種通信及雷達數(shù)據(jù)包的上傳工作。

圖3 FMCW雷達信號處理流程Fig.3 Flowchart of FMCW radar signal processing

3.2 FMCW雷達信號處理算法實現(xiàn)

FMCW雷達信號處理算法由DSP1、DSP2、DSP3及DSP4實現(xiàn)。DSP1主要通過MTI/AMTI信號處理算法實現(xiàn)雨雪等氣象雜波的抑制;DSP2主要通過反異步信號處理算法實現(xiàn)同頻異步雜波信號的消除;DSP3主要通過恒虛警信號處理算法實現(xiàn)假回波和干擾信號的清除;DSP4主要通過動態(tài)雜波圖信號處理算法實現(xiàn)海上慢速目標(biāo)探測能力的提升。

同時,通過對MTI/AMTI處理、反異步處理、恒虛警及動態(tài)雜波圖等DSP算法的相互組合,能夠優(yōu)化和提升復(fù)雜海洋環(huán)境下雷達回波的性能。

4 FMCW雷達信號處理實驗與應(yīng)用

4.1 FMCW雷達數(shù)據(jù)包及控制信息實驗分析

如圖4所示,在FPGA中應(yīng)用在線邏輯分析儀能夠很容易地看出經(jīng)DSP算法處理后的雷達數(shù)據(jù)包及相關(guān)控制信息。

圖4 雷達數(shù)據(jù)包和相關(guān)控制信息圖Fig.4 Radar data packet and related control information diagram

通過實時觀測的MTI/AMTI處理、反異步處理、恒虛警及動態(tài)雜波圖等DSP算法處理后的回波效果,進一步調(diào)整相關(guān)算法參數(shù),能夠使雷達終端顯示回波達到最優(yōu)的狀態(tài)。

4.2 強雜波背景下FMCW雷達低小慢目標(biāo)的探測能力提升分析

在復(fù)雜海洋環(huán)境下,通過選取適當(dāng)?shù)睦走_參數(shù),同時對MTI/AMTI處理、反異步處理、恒虛警及動態(tài)雜波圖等DSP算法的相互組合使用,能夠提升針對強雜波背景下近距離小木船及海面漂浮的浮筒等低小慢目標(biāo)的探測能力。從而為復(fù)雜海洋環(huán)境下FMCW雷達低小慢目標(biāo)探測提供了一種新方法。

線性調(diào)頻中頻發(fā)射信號和接收回波信號分別如式(7)和式(8)所示[14]:

(7)

SR(t)=KST(t-τ),

(8)

式中:K和A0分別為常量,f0為線性調(diào)頻中頻發(fā)射信號的起始頻率,τ為回波延遲時間。線性FMCW雷達選用的發(fā)射波形為鋸齒波,發(fā)射波形、接收回波和發(fā)射周期時序如圖5所示。

圖5 發(fā)射波形、接收回波和發(fā)射周期時序圖Fig.5 Time sequence diagram of transmission waveform, received echo and transmission period

圖5中,f0為線性調(diào)頻中頻發(fā)射信號的起始頻率,μ為線性調(diào)頻中頻發(fā)射信號的調(diào)頻斜率,Bs為調(diào)頻帶寬,Ts為調(diào)頻周期,τ為回波延遲時間,fb為差拍信號的頻率,c0為光在真空介質(zhì)中的傳播速度。由上圖可知,有效差拍信號的頻率fb如式(9)所示[15]:

(9)

式中:有效時段內(nèi)的差拍信號頻率fb與回波延遲時間τ成正比,所以求得有效段內(nèi)的差拍信號頻率,即可得到目標(biāo)的距離。

通過雷達作用距離的基本方程可知,雷達最大作用距離Rmax和雷達參數(shù)及目標(biāo)特性之間的關(guān)系如式(10)所示:

(10)

式中:Pt為雷達發(fā)射功率,Gr為接收天線增益,Gt為發(fā)射天線增益,λ為雷達工作波長,σ為目標(biāo)散射截面,Si min為最小可檢測信號功率。

依據(jù)雷達檢測目標(biāo)的要求,能夠確定所需的最小輸出SNR (S/N)o min,這樣就能夠得到最小可檢測信號Si min,其表達式如式(11)所示:

(11)

考慮到檢測因子D0=(S/N)o min,將其代入式(11),最小可檢測信號Si min可以進一步可以表示為:

Si min=KT0BnFnD0。

(12)

線性FMCW雷達通過處理增益,即BsTs來降低發(fā)射功率,Bs為線性FMCW雷達調(diào)頻帶寬,Ts為線性FMCW雷達調(diào)頻周期,從而實現(xiàn)雷達的低截獲性能。因此,雷達發(fā)射功率Pt可以進一步表示為:

(13)

(14)

通過雷達方程,在確知最大探測距離的條件下,能夠計算出探測目標(biāo)的有效反射面積。由式(14)可以得出目標(biāo)的有效反射面積σ,計算如式(15)所示:

(15)

下面在確知最大探測距離為4 n mile的條件下,通過設(shè)置相關(guān)雷達參數(shù),計算出相應(yīng)探測目標(biāo)的有效反射面積。

參數(shù)設(shè)置如下:

30lg(4π)+10lgK+10lgT0+10lgBn+10lgFn+

10lgGt-20lgλ-10lgBs-10lgTs=

30lg 4π+10lg(1.38×10-23)+10lg290+

10lg(6×106)+3.5+13+5+40lg(7 408)-

10lg2-25-25-10lg(3×108/1010)2-

10lg(9×107)-10lg(2 700×10-6)=

-3.340 6。

(16)

由式(16)可得:

σ=0.463 m2。

上述計算結(jié)果表明,在強雜波海洋環(huán)境下,通過選取適當(dāng)?shù)睦走_參數(shù)及信號處理算法的組合應(yīng)用,能夠提升FMCW雷達針對近距離低小慢目標(biāo)的探測能力,其優(yōu)化和提升主要體現(xiàn)在以下兩方面:

① 選取適當(dāng)?shù)睦走_參數(shù)。在確知最大探測距離的條件下,對FMCW雷達能調(diào)整的雷達參數(shù)較少,主要有雷達發(fā)射功率、接收天線增益、發(fā)射天線增益、雷達工作波長、調(diào)頻帶寬及調(diào)頻周期。受限于抗截獲能力的需求,FMCW雷達發(fā)射功率幾乎沒有提升的可能。由于海上工作環(huán)境的限制,FMCW雷達接收天線和發(fā)射天線無法做得很大,天線增益很難提高。同時由于進一步降低發(fā)射頻率會導(dǎo)致雨、雪、霧及海浪產(chǎn)生的氣象效應(yīng),FMCW雷達發(fā)射頻率沒有大的下降空間,雷達工作波長增大受到限制。因此,在已知最大探測距離的條件下,調(diào)頻帶寬的提高是以收發(fā)前端復(fù)雜度和成本的快速上升為代價,同時,調(diào)頻周期的增大將進一步影響雷達回波的實時性處理及終端顯示。為了進一步提升針對低小慢目標(biāo)的探測能力,只能在一定的工程范圍內(nèi)選取適當(dāng)?shù)恼{(diào)頻帶寬和調(diào)頻周期。

② 信號處理算法的組合應(yīng)用。在確知最大探測距離的條件下,對信號處理算法的組合應(yīng)用能夠從強雜波海洋環(huán)境下提取FMCW雷達低小慢目標(biāo),同時對其周圍的雜波和干擾進行抑制。通過MTI/AMTI算法和平均選大恒虛警檢測器(GO-CFAR)算法的組合應(yīng)用,能夠抑制低小慢目標(biāo)周圍的固定雜波;通過MTI/AMTI算法和動態(tài)雜波圖算法的組合應(yīng)用,能夠抑制雨雪引起的氣象雜波;通過反異步算法和動態(tài)雜波圖算法的組合應(yīng)用,能夠抑制低小慢目標(biāo)周圍的電磁干擾信號。所以,信號處理算法的組合應(yīng)用,能夠使近距離低小慢目標(biāo)的回波更具可觀測性。

綜上所述,通過選取適當(dāng)?shù)睦走_參數(shù)及信號處理算法的組合應(yīng)用,能夠進一步提升FMCW雷達針對近距離低小慢目標(biāo)的探測能力。

4.3 FMCW雷達信號處理應(yīng)用

通過對FMCW雷達信號處理深入而詳細(xì)的分析,其主要應(yīng)用在以下方面:

① 復(fù)雜海況下,船只進出港的導(dǎo)航。隨著港口周圍建筑物的增多,港口環(huán)境異常復(fù)雜,雷達顯示界面回波與雜波并存,甚至回波淹沒在強雜波和干擾中,通過相關(guān)信號處理算法的組合使用,能夠提升船只進出港的導(dǎo)航能力。

② 復(fù)雜電磁環(huán)境下,提升FMCW雷達的抗干擾性能。隨著海上船只的增多,相同及相近頻率的電磁波信號經(jīng)常干擾FMCW雷達的正常工作,通過相關(guān)信號處理算法的組合使用,能夠提升FMCW雷達的抗干擾性能。

③ 強雜波背景下,低小慢目標(biāo)的探測。在復(fù)雜海洋環(huán)境下,特別是近距離條件下,小木船及海面漂浮的浮筒等低小慢目標(biāo)嚴(yán)重影響著船只的航行安全,通過選取適當(dāng)?shù)睦走_參數(shù)及信號處理算法,能夠提升FMCW雷達針對近距離低小慢目標(biāo)的探測能力。

5 結(jié)束語

FMCW雷達信號處理作為一種重要的信號處理方法,在雷達中發(fā)揮了重要的作用。通過選取適當(dāng)?shù)睦走_參數(shù),并對強雜波背景下FMCW雷達回波信號進行相關(guān)信號處理組合應(yīng)用,能夠優(yōu)化和提升針對強雜波背景下近距離低小慢目標(biāo)的探測能力。下一步將對遠(yuǎn)距離低小慢目標(biāo)的探測能力進行提升設(shè)計,進而使FMCW雷達能夠在復(fù)雜的海洋環(huán)境下具備更優(yōu)的針對低小慢目標(biāo)的探測能力。