朱熙鋮，王玲玲，張盼盼，林樂宵，葉 穎，張永鑫

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

0 引言

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

近年來，隨著微電子工藝的迅猛發(fā)展以及24 GHz車載雷達市場的高速增長，24 GHz射頻收發(fā)信機芯片的集成度越來越高且芯片價格大幅下降。以此為契機，南京信息工程大學和南京郵電大學共同開發(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）雷達實驗平臺，可作為大專中院校雷達原理等課程中相關(guān)實驗的支撐平臺。本文介紹了FMCW 體制和MIMO 體制的基本原理，24 GHz MIMO FMCW雷達實驗平臺硬件系統(tǒng)和信號處理算法的設(shè)計和實現(xiàn)過程，最后給出了實驗平臺的實驗過程及其結(jié)果。

1 MIMO FMCW雷達的工作原理

1.1 FMCW體制

FMCW雷達的調(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用最廣泛調(diào)制波形之一。

如圖1 所示，雷達的發(fā)射信號遇到目標發(fā)生反射，經(jīng)時延tc后雷達接收到回波信號。由于時間延遲效應，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和目標距離R 之間的關(guān)系可得目標的距離信息：

式中：c為光速；B為掃描帶寬；Tc為掃頻周期。

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

式中：fc為雷達中心工作頻率。

圖1 FMCW雷達波形（鋸齒波）

1.2 集中式MIMO體制

MIMO雷達是目前新體制雷達領(lǐng)域的研究熱點之一。相比于單通道雷達，MIMO 雷達可明顯增強抗截獲能力，提高對微弱小目標的檢測能力等優(yōu)勢［6-7］。集中式MIMO雷達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)目是實際接收通道數(shù)目的近2 倍。

圖2 MIMO雷達（2T4R）虛擬收發(fā)通道形成示意圖

多收發(fā)通道雷達系統(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）為導引矢量。通過對PMUSIC進行譜峰搜索，可得到目標信號的角度信息。

2 雷達實驗平臺

圖3 雷達實驗平臺的原理框圖

如圖3 所示，雷達實驗平臺主要由天線陣列、射頻前端、雷達信號處理及控制等模塊所組成。雷達實驗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，進而由雷達信號處理電路根據(jù)理論公式計算得到目標的距離、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，雷達實驗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)計和實現(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等芯片可實現(xiàn)雷達實驗平臺的2 路24～24.25 GHz的發(fā)射通道，且可支持多種雷達調(diào)制波形，包括：連續(xù)波、多頻鍵控、三角波、鋸齒波等波形，從而為雷達實驗平臺的通用性奠定技術(shù)基礎(chǔ)。雷達發(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的尺寸和功耗，降低接收通道的設(shè)計難度。雷達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。雷達射頻前端實物如圖5 所示。

圖5 雷達射頻前端

圖6 雷達信號處理及控制

2.3 雷達信號處理及控制

雷達信號處理及控制以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，可實現(xiàn)優(yōu)秀的性價比和最大的設(shè)計靈活性。其中，雷達信號處理由PL部分實現(xiàn)完成，可有效保障信號處理的實時性。雷達波形控制和時序同步等操作由PS部分來完成［11］，可有效地實現(xiàn)分工協(xié)作。最后實現(xiàn)的雷達信號處理及控制PCB板實物如圖6 所示，其中集成了一個千兆網(wǎng)口用于和上位機交互信息，便于雷達實驗平臺的教學應用及后續(xù)開發(fā)。

具體的雷達信號處理過程如圖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)進行抽取運算，以降低處理器的運算量。隨后，每一路中頻信號將進行一維快速傅里葉變換（Fast Fourier Transform，F(xiàn)FT）計算得到目標的距離信息［12-13］。然后將一維FFT 所得數(shù)據(jù)再利用FFT 算法可得到目標的速度信息，在已知目標運動速度的情況下進行距離速度解耦合將得到目標的準確位置［14］。考慮到采用MIMO體制，將二維FFT 所得數(shù)據(jù)進行目標恒虛警（Constant False Alarm Rate，CFAR）檢測，利用目標峰值點數(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的角度信息。最后，實驗平臺可輸出目標的距離、速度、相對角度信息。

圖7 雷達信號處理流程

3 實驗結(jié)果與分析

雷達實驗平臺的實驗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。雷達實驗平臺被放在測試轉(zhuǎn)臺上，在測試轉(zhuǎn)臺前方區(qū)域放置角反射器作為雷達測試目標，測試環(huán)境如圖8所示。

圖8 雷達實驗平臺測試環(huán)境

在本次實驗中，雷達實驗平臺的工作參數(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 給出了雷達實驗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 處理后的運算結(jié)果，可得目標的距離信息為4.5 m，和實際距離相符。圖9（b）給出了經(jīng)二維FFT處理后的運算結(jié)果，可得目標的速度信息為0 m／s，和實際場景中測試目標是靜止的相符。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?？梢杂^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 雷達實驗平臺的測量結(jié)果

針對現(xiàn)有國內(nèi)大專中院校雷達原理等課程教學工作中普遍缺乏相關(guān)實驗內(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)波雷達實驗平臺的設(shè)計與實現(xiàn)過程，并給出了實驗過程及其實驗結(jié)果。實驗結(jié)果表明，該雷達實驗平臺可一定程度上解決教學過程中缺乏實驗相關(guān)教學內(nèi)容的問題，有助于加深師生對雷達工作原理的認識和提高學生的工程實踐能力。且本雷達實驗平臺具有低成本、小尺寸等優(yōu)點，在雷達原理等教學領(lǐng)域具有良好的推廣潛力。后續(xù)將基于該雷達實驗平臺開發(fā)配套的參數(shù)配置及界面顯示的上位機程序，從而更加便于在教學中使用。