安徽博微長安電子有限公司 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)已無法滿足要地及要害部門的安全防衛(wèi)工作，安防雷達可根據(jù)物體在探測區(qū)域的微波變化，獲取物體類別與距離等信息，實現(xiàn)對防護區(qū)域高可靠預警[1]。

1 安防雷達技術(shù)體制

調(diào)頻連續(xù)波雷達具有高距離分辨率，低功耗、無盲區(qū)、抗干擾能力強等特點。常用的調(diào)頻方式主要有二種：LFMCW體制，F(xiàn)SK體制[2]。FSK體制難以多目標檢測，安防雷達系統(tǒng)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(diào)頻波形示意圖。目標回波與雷達發(fā)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(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 安防雷達總體設計

系統(tǒng)的整體方案設計圖2所示。

雷達由射頻前端模塊、信號調(diào)理模塊和數(shù)字信號處理模塊組成。射頻前端向外發(fā)射探測波形，雷達的回波信號輸出至信號調(diào)理模塊做預處理以及AD變換，然后送到信號處理模塊，經(jīng)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(diào)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(diào)理，可實現(xiàn)對雷達發(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行控制。中頻信號預處理對泄露三角調(diào)制頻率的抑制、高頻噪聲的濾除、信號放大、AD轉(zhuǎn)換等。

信號處理模塊主要負責模數(shù)轉(zhuǎn)換之后的數(shù)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(fā)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(fā)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(nèi)部原理框圖

2.2 調(diào)制三角波信號產(chǎn)生

本系統(tǒng)采用三角波信號作為雷達的調(diào)制信號，射頻前端內(nèi)部集成ADF4158芯片鎖相芯片，通過邏輯控制芯片配置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計

本系統(tǒng)濾波放大電路主要設計思想：（1）解決射頻前端調(diào)頻三角波的發(fā)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(jù)目標信號和發(fā)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(diào)數(shù)字電位器，可根據(jù)目標位置，來調(diào)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(shù)轉(zhuǎn)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(jīng)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(shù)據(jù)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，F(xiàn)PGA和DSP會讀取存儲在非易失器件中的程序和數(shù)據(jù)，加載到芯片中并運行。系統(tǒng)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(jié)約成本。

在顯示軟件方面，開發(fā)了一個基于MFC的人機交互界面，該界面采用雷達與視頻聯(lián)動技術(shù)，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(shù)據(jù)

對100米以內(nèi)的目標進行測試，測試條件：帶寬200M，調(diào)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)，在MATLAB經(jīng)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(wěn)定性，還是實用性上，都有較大的優(yōu)勢，可投入安防監(jiān)控應用。

[1]吳昭.安防雷達信號處理的設計與實現(xiàn)[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(yè)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(shù)據(jù)采集系統(tǒng)[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(xiàn)[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(xiàn)[D].碩士論文,2013,12.