吳 俊

(安徽四創(chuàng)電子股份有限公司 合肥 230031)

0 引言

多頻連續(xù)波體制很早就用在大地勘探和導(dǎo)彈制導(dǎo)雷達(dá)中來進(jìn)行精確測距，隨著數(shù)字處理理論和器件的飛速發(fā)展，使得基于FFT頻譜分析技術(shù)的多頻連續(xù)波雷達(dá)通過數(shù)字比相技術(shù)能夠同時獲得高多普勒分辨力和高距離分辨力[1]。多頻連續(xù)波雷達(dá)得到了巨大的發(fā)展，并且廣泛應(yīng)用于測速、測距和低空監(jiān)視。國際上比較有代表性的產(chǎn)品有丹麥Weibel公司連續(xù)波雷達(dá)系列，其中有W-700/SL-52M0短距測量雷達(dá)，W700/W68i中距測速雷達(dá)，MVRS-700測速單脈沖雷達(dá)和RR-2100測距雷達(dá)，Weibel公司的連續(xù)波雷達(dá)系統(tǒng)無論在技術(shù)還是在性能上，在世界上都是領(lǐng)先的[2-3]。但是由于技術(shù)秘密和商業(yè)上的利益，國內(nèi)很少了解其技術(shù)細(xì)節(jié)。針對于多頻連續(xù)波，許多文章[4-5]做了相關(guān)的理論分析和仿真，但仍然沒有一個實(shí)際的原理樣機(jī)。文獻(xiàn)[6]提出利用多載頻MIMO 雷達(dá)發(fā)射頻率分集信號，通過MIMO 雷達(dá)多發(fā)多收的特性產(chǎn)生虛擬陣列以此擴(kuò)大天線孔徑，利用LFMCW 上下掃頻的數(shù)據(jù)進(jìn)行精準(zhǔn)的測距測速，進(jìn)行譜峰搜索精確估計(jì)目標(biāo)方向。姜春磊等人[7]推導(dǎo)了多頻連續(xù)波體制下的信號模型與距離、速度參數(shù)估計(jì)的克拉美羅下限，并提出了一種基于傅里葉系數(shù)插值的二維聯(lián)合距離-速度估計(jì)方法。隨著交通工業(yè)對于測速和測距的需求，多頻連續(xù)波也擴(kuò)展到這個領(lǐng)域[8-9]。

基于深刻的理論分析和分析相關(guān)實(shí)物，本雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)計(jì)十分復(fù)雜、精巧。本雷達(dá)系統(tǒng)采用特殊的波形在頻域進(jìn)行高分辨率測速和高精度測距，順序發(fā)射多個頻率波形，使用參差多頻進(jìn)行測距。精細(xì)選擇的參數(shù)可以簡化計(jì)算，同時通過比較雙天線的相位精確測量目標(biāo)角度。本雷達(dá)系統(tǒng)對于現(xiàn)有交通雷達(dá)系統(tǒng)有很大的優(yōu)勢，速度測量精度可以達(dá)到0.1 m/s，距離精度0.25 m?；趯?shí)際的原理機(jī)數(shù)據(jù)，有效地驗(yàn)證了前期的理論分析。最終研制的雷達(dá)通過頻域測速具有很高的速度分辨率，并且選擇多頻點(diǎn)避免距離模糊獲得高的測距精度。

1 多頻連續(xù)波

1.1 時域模型

多頻連續(xù)波時域模型同時存在多個連續(xù)波，雙頻連續(xù)波時域模型如圖1所示。

發(fā)射兩個頻率信號，可表示為

s1(t)=A1sin(2πf1t)

(1)

s2(t)=A2sin(2πf2t)

(2)

相應(yīng)的對于一個動目標(biāo)的接收信號如式(3)、式(4)

s1r(t)=Ar1sin(2πf1t-φ1)

(3)

s2r(t)=Ar2sin(2πf2t-φ2)

(4)

其中，φ1=2πf1(2R/c)，φ2=2πf2(2R/c)，因此角度差為

φ2-φ1=Δφ=4πR/c×(f2-f1)=4π(R/c)Δf

(5)

當(dāng)Δφ=2π，不模糊距離是

R=c/(2Δf)

(6)

根據(jù)文獻(xiàn)[10]，其測量精度為

(7)

根據(jù)式(6)、式(7)可以看出，Δf越小，不模糊距離越大，但精度越低。

上述分析是在時域分析的，但時域信號一般有收發(fā)泄露，并且包含的地雜波較強(qiáng)，很難通過時域來測得精準(zhǔn)的相位并求取距離。不過通過FFT在頻域處理可以提高功率信噪比N倍(N是FFT點(diǎn)數(shù))，另外動目標(biāo)頻譜不在零頻，因此地雜波可以有效去除。

另外同時傳輸兩個頻率，f1的回波能夠被f1的接收機(jī)接收，也可被f2的接收機(jī)接收，反之亦然。這樣會造成虛假目標(biāo)，如圖2所示。

圖2 同時傳輸兩頻率模型

如果同時發(fā)射并采用一個接收機(jī)，混頻后的濾波器只有幾十kHz的帶寬，而不同頻點(diǎn)之間差MHz量級，會將另一個頻點(diǎn)回波濾掉。因此必須采用單個接收機(jī)，并巧妙設(shè)計(jì)波形。

1.2 頻域模型

時域方法中，信噪比要求較高。在實(shí)際使用中，除了微波暗室，基本沒有符合使用條件的場所。因?yàn)榈仉s波完全可以掩蓋目標(biāo)回波，或使信雜比下降到無法測量目標(biāo)的程度。在頻域，由于信號有相干積累得益，并且收發(fā)泄露、地雜波基本在FFT濾波器的零頻道附近，因此可以有效檢測雜波中目標(biāo)。

對信號做2N次冪的FFT進(jìn)行頻域變換，當(dāng)一個目標(biāo)以徑向速度V飛向雷達(dá)，則中頻信號可以表示為

x0(n)=exp(j·(ωd0n-2πf0·2R/c))

(8)

x1(n)=exp(j·(ωd1n-2πf1·2R/c))

(9)

做FFT后，最大點(diǎn)的相位分別為

φ0=-2πf0·2R0/c

(10)

φ1=-2πf1·2R1/c

(11)

式(10)、(11)相減得

Δφ=4π(f1-f0)/cR0

(12)

其中f0、f1是兩個發(fā)射頻點(diǎn)，R0是目標(biāo)距離。

1.3 測距模糊

由前述可知，雙頻連續(xù)波測距中，Δf越小，不模糊距離越大，但測距精度越低。根據(jù)文獻(xiàn)[11]有兩種方法可以二次差頻和參差多頻。二次差頻是逐級解模糊的方式，每次測量均可得到無模糊距離，測距精度是逐級提高的。參差多頻是多次雙頻測量得到多個模糊距離，外推至最后一次測量距離，最后利用中國余數(shù)定理完成多頻解模糊測距。

本系統(tǒng)采用的是文獻(xiàn)[12]方法。即發(fā)多組頻點(diǎn)，對應(yīng)不同模糊距離。第一組為最大頻差，決定最大不模糊距離，目標(biāo)距離在最大不模糊距離內(nèi)。這樣第一次測距目標(biāo)距離是不模糊的，但距離精度不高。然后第二組比第一組頻差小，測距精度提高，但對目標(biāo)距離是模糊的，如式(13)所示

Rreal=m·R+4π(R/c)Δf

(13)

Rreal為目標(biāo)真實(shí)距離，R為不模糊距離，m為倍數(shù)。其中倍數(shù)m是由上一級解算距離來確定。這樣測距也是不模糊的，同時測距精度比上一級高。

再根據(jù)第三組更小的頻差，解算距離，同在式(13)確定解算倍數(shù)和精細(xì)距離，距離也是不模糊的，測距精度進(jìn)一步提高。

1.4 測速模糊

根據(jù)fd=2v/λ，由目標(biāo)速度可以確定最大多普勒速度。這樣可以確定采樣頻率，和采樣持續(xù)時間。根據(jù)本系統(tǒng)目標(biāo)最大速度55 m/s，最大fd=9.1 kHz，采樣頻率fs=21 kHz，這樣能夠避免速度模糊。而不同頻點(diǎn)之間fd，由于頻點(diǎn)相差不大，fd實(shí)際是相同的。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 雙天線測角

為了實(shí)現(xiàn)小型化，天線采用微帶天線。同時為了實(shí)現(xiàn)和差測角，采用一個發(fā)射，兩個接收天線形式。如圖 3所示，設(shè)在θ方向有一遠(yuǎn)區(qū)目標(biāo)，則到達(dá)接收點(diǎn)的目標(biāo)所反射的電磁波近似為平面波。由于兩天線間距為d，它們收到的信號由于存在波程差ΔR而產(chǎn)生一個相位差φ，其中λ為波長

(14)

天線采用低副瓣設(shè)計(jì)，主副瓣相差20 dB，雙程差40 dB。這樣保證主波束內(nèi)目標(biāo)不受副瓣目標(biāo)干擾。并通過后臺點(diǎn)跡、航跡濾波去除虛假目標(biāo)。

圖3 比相法測角示意圖

2.2 多頻波形設(shè)計(jì)

為了結(jié)構(gòu)簡單，系統(tǒng)采用順序發(fā)射4頻點(diǎn)跳頻波形，頻率范圍在24.0～24.25 GHz，形成3組頻差信號進(jìn)行解模糊。實(shí)際波形設(shè)計(jì)圖4所示，順序發(fā)f0、f1、f2、f34個頻率，每個持續(xù)鎖相環(huán)切換時間為12 μs，4個頻率47 μs，持續(xù)發(fā)1000組共47 ms，這樣構(gòu)成一組處理數(shù)據(jù)。由于各個頻率切換時間很短，目標(biāo)速度基本不變，而且相差不大，同一目標(biāo)求得多普勒頻率是一致的。

圖4 系統(tǒng)波形設(shè)計(jì)

2.3 信號處理流程

后端信號處理接收兩路中頻模擬I/Q信號，對兩路I/Q信號進(jìn)行放大、采樣，再經(jīng)過處理形成和差信號。首先對和差信號進(jìn)行高精度地測角，得出目標(biāo)方位信息；然后利用FFT算法得出多普勒頻移，計(jì)算出速度、譜寬信息；并且根據(jù)1.3節(jié)描述得出目標(biāo)距離信息，最后進(jìn)行虛假目標(biāo)剔除、多散射點(diǎn)凝聚、目標(biāo)識別。

圖5 信號處理流程圖

2.4 自動標(biāo)校

本雷達(dá)具有較完善的標(biāo)校功能，可以對天線的和差波束進(jìn)行標(biāo)校、修正。同時為了對不同目標(biāo)進(jìn)行分類，可以對不同距離、不同強(qiáng)度的目標(biāo)進(jìn)行基準(zhǔn)標(biāo)校。同時系統(tǒng)還能根據(jù)自身存儲信息或由終端軟件輸入的雷達(dá)安裝位置信息完成天線坐標(biāo)數(shù)據(jù)與道路車道信息數(shù)據(jù)的坐標(biāo)系計(jì)算。此外所計(jì)算的數(shù)據(jù)按照一定的協(xié)議傳輸至軟件終端，實(shí)現(xiàn)軟件的后期開發(fā)，并用多個3D雷達(dá)可以聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)聯(lián)合跟蹤，充分發(fā)揮3D交通管理雷達(dá)的性能。

3 仿真分析

仿真(噪聲均值為0.5，標(biāo)準(zhǔn)方差為1，時域SNR=6 dB，M=1000點(diǎn)，順序發(fā)射連續(xù)波，1000次仿真)如圖6(a)、圖6(b)、圖6(c)為目標(biāo)速度30 m/s，目標(biāo)距離120 m的仿真情況；圖6(d)為距離相同、速度不同雙目標(biāo)檢測情況(目標(biāo)1速度30 m/s，目標(biāo)2速度110 m/s，目標(biāo)距離均為120 m)。

從圖6(a)中可以看出，兩個頻點(diǎn)的最大點(diǎn)序號k處于同一位置。經(jīng)Matlab仿真，測量距離為120.1617 m，圖6(b)中測量距離為25.4213m，距離接模糊后為119.8792 m；圖6(c)中測量距離為15.3506 m，距離解模糊后120.2253 m；圖6(d)中可以得出，兩目標(biāo)能分辨，距離分別為121.7915 m，120.1918 m。經(jīng)多次仿真得到不同信噪比測距誤差如表1所示。

圖6 FFT頻譜圖

表1 不同信噪比測距誤差

4 應(yīng)用與分析

本雷達(dá)整個系統(tǒng)相對緊湊，僅有信號處理和射頻兩個部分。射頻信號產(chǎn)生、混頻、接收僅由一個微波芯片組成。時序波形控制和信號處理由單個DSP芯片完成。由DSP產(chǎn)生相參波形、控制發(fā)射時序和信號采樣。同時信號處理匹配目標(biāo)、計(jì)算目標(biāo)距離，形成目標(biāo)參數(shù)，并傳輸?shù)胶笈_計(jì)算機(jī)。消除虛假目標(biāo)、目標(biāo)起始、目標(biāo)跟蹤、目標(biāo)終止、目標(biāo)分類、目標(biāo)統(tǒng)計(jì)、數(shù)據(jù)存儲、網(wǎng)絡(luò)互連，均由后臺計(jì)算機(jī)完成。系統(tǒng)同時具有校準(zhǔn)和錯誤診斷功能。

實(shí)際原理樣機(jī)照片如圖7所示，上半部分是雷達(dá)，前面是微帶板天線，后面是信號處理部分；下半部分是攝像機(jī)，共同整合進(jìn)前端系統(tǒng)。

圖7 工程樣機(jī)照片

利用實(shí)際的樣機(jī)大量數(shù)據(jù)采集并驗(yàn)證，如圖8、圖9所示分別為單人和雙人跨越波束的點(diǎn)跡圖，結(jié)果驗(yàn)證了本文提出的目標(biāo)檢測方法的有效性；圖10為系統(tǒng)界面，雷達(dá)和攝像機(jī)的點(diǎn)跡完好匹配。

圖8 單個人跨越波束的點(diǎn)跡

圖9 兩人跨越波束的點(diǎn)跡

圖10 3D交通雷達(dá)終端界面

5 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)一種基于參差多頻連續(xù)波同時測速測距的3D交通雷達(dá)，采用寬波束發(fā)射，并采用兩個接收天線，獲得高角度精度。順序發(fā)射4頻點(diǎn)跳頻波形獲得較大的不模糊距離覆蓋測量距離內(nèi)所有目標(biāo)，并且擁有高測距精度。本雷達(dá)系統(tǒng)對于現(xiàn)有交通雷達(dá)系統(tǒng)有很大的優(yōu)勢，對于行人的探測距離達(dá)到50 m，車輛的探測距離為160 m，速度測量精度可以達(dá)到0.1 m/s，距離精度0.25 m。針對3D交通管理雷達(dá)的特殊要求和自身特點(diǎn)，跳出原有雷達(dá)各分機(jī)分系統(tǒng)的界限，將天線與射頻部分集成化、芯片化，信號處理小型化、集成化，數(shù)據(jù)處理部分開放式軟件化，從而實(shí)現(xiàn)雷達(dá)體積的小型化。