張 蘇，譚 愷，雒梅逸香，唐文明，陳浩宇，徐 豐

（1.復(fù)旦大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，上海 200433；2.上海御渡半導(dǎo)體科技有限公司，上海 201306）

0 引言

毫米波雷達(dá)系統(tǒng)廣泛應(yīng)用在民用領(lǐng)域中，例如航空領(lǐng)域用于探測障礙物，保證民用航空的安全；再如工業(yè)清洗行業(yè)需要判別不同的目標(biāo)以確定最佳的清洗模式，這都要求對目標(biāo)的特性進(jìn)行捕捉。通常地，光學(xué)設(shè)備可以捕捉目標(biāo)特性實現(xiàn)目標(biāo)的分類，但是光譜信息的獲取對光線的要求較為嚴(yán)格。此時還可以利用射線技術(shù)對目標(biāo)的信息進(jìn)行提取，但是成本較高且精度較低。另外，即使在光照條件良好的條件下，很多物體也很難進(jìn)行識別。因此需要利用毫米波雷達(dá)不限于天氣因素和光照條件約束的優(yōu)勢，進(jìn)行目標(biāo)的電磁特性測量。

目前較多毫米波系統(tǒng)應(yīng)用到目標(biāo)的電磁特性測量當(dāng)中，浙江工業(yè)大學(xué)團(tuán)隊利用毫米波雷達(dá)傳感器采集不同物體的回波，獲取去噪后的包絡(luò)信息，得出結(jié)論：在相同距離下，毫米波雷達(dá)獲得的不同目標(biāo)回波的包絡(luò)信息是不同的，然后構(gòu)建機(jī)器學(xué)習(xí)分類器實現(xiàn)物體的判別。加利福尼亞大學(xué)利用寬頻毫米波互補金屬氧化物半導(dǎo)體（Complementary Metal Oxide Semiconductor，CMOS）接收器，實現(xiàn)了毫米波信號的相干檢測，驗證了該系統(tǒng)可以記錄W 波段脈沖通過多種固體目標(biāo)的傳輸功率。新加坡南洋理工大學(xué)團(tuán)隊利用94 GHz 的毫米波雷達(dá)系統(tǒng)進(jìn)行多層復(fù)合材料嵌入缺陷檢測與識別，利用自動三維--平臺實現(xiàn)合成孔徑的獲取，結(jié)合反向投影算法得到輸出圖像檢測2 個掃描方向的缺陷異常。這些方法或作用距離很近，在遠(yuǎn)距離情況下無法判定回波源自目標(biāo)還是雜波；或不能進(jìn)行成像，很難提取目標(biāo)散射特征；或最多具備2 個通道，可以測量方向，但是角度分辨率過低，不具備空間分辨能力。

本文選用Texas Instrument（TI）公司設(shè)計生產(chǎn)的四芯片級聯(lián)雷達(dá)射頻板卡（AWR1243P Four-Device Cascade RF）和研制的高速信號處理板組成毫米波級聯(lián)雷達(dá)系統(tǒng)，相比之前慣用的單芯片毫米波雷達(dá)系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以對目標(biāo)進(jìn)行級聯(lián)雷達(dá)成像，根據(jù)不同入射角及目標(biāo)本身的區(qū)別得到不同強(qiáng)度的散射信息，以不同目標(biāo)之間的電磁特性比較，受益于射頻板卡12 發(fā)16 收的天線分布，具備空間分辨率能力。本文首先進(jìn)行了系統(tǒng)硬件組成的介紹，然后進(jìn)行了天線發(fā)射信號和成像算法的分析，最后進(jìn)行了級聯(lián)雷達(dá)的點目標(biāo)成像以及復(fù)雜目標(biāo)成像實驗。實驗結(jié)果驗證了毫米波級聯(lián)雷達(dá)的分辨能力以及電磁特性測量的能力。

1 系統(tǒng)介紹

1.1 射頻板卡

毫米波級聯(lián)雷達(dá)系統(tǒng)選用TI公司設(shè)計生產(chǎn)的四芯片級聯(lián)雷達(dá)射頻板卡作為主要傳感器。該板卡屬于多輸入輸出（Multiple-Input Multiple-Output，MIMO）雷達(dá)，工作在77～81 GHz 波段，中心波長為3.9 mm，屬于毫米波段。該級聯(lián)雷達(dá)相比單芯片雷達(dá)，不僅可以對目標(biāo)距離和速度進(jìn)行探測，還具備極高的角度分辨率和自由度，可以獲取目標(biāo)的三維坐標(biāo)及速度，實現(xiàn)目標(biāo)的4D 成像，獲取目標(biāo)的空間位置。毫米波級聯(lián)雷達(dá)射頻板卡的實物圖如圖1 所示。它由4 片3 發(fā)4 收的射頻芯片級聯(lián)而成，構(gòu)成12 發(fā)16 收的天線陣面，信號發(fā)射模式為時分多址（Time Division Multiple Access，TDMA）。圖1 中，紅色框所示為級聯(lián)雷達(dá)的接收天線，藍(lán)色框所示為級聯(lián)雷達(dá)的發(fā)射天線?？傮w來說，該級聯(lián)雷達(dá)的主要優(yōu)勢在于：可對目標(biāo)進(jìn)行三維高分辨成像，有效提取目標(biāo)的空間位置、幾何特征以及散射特性；可以通過數(shù)字波束合成（Digital Beamforming，DBF）技術(shù)控制發(fā)射信號的指向，掃描區(qū)域遠(yuǎn)大于普通雷達(dá)，水平方向視場角（Field of View，F(xiàn)OV）為［-60°，60°］。

圖1 77 GHz 毫米波級聯(lián)射頻板卡Fig.1 77 GHz millimeter wave cascade radio frequency card

為研究圖1 所示的毫米波級聯(lián)雷達(dá)射頻板卡的空間分辨能力，對其天線結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，對應(yīng)的天線結(jié)構(gòu)如圖2 所示。其中，R為接收天線，T為發(fā)射天線，為該毫米波級聯(lián)雷達(dá)的波長，對應(yīng)3.9 mm。從圖2 的天線分布可以看出，該射頻板不僅在水平方向（）上具有較長的孔徑，在垂直方向（）上也排布了3 個單獨的發(fā)射天線，使得毫米波級聯(lián)雷達(dá)在水平和垂直方向上都能得到一定的分辨能力，角度分辨率可達(dá)到1.8°左右，使得應(yīng)用該射頻板卡探測同距離且同速度的目標(biāo)時，從空間的角度上也可實現(xiàn)對目標(biāo)的區(qū)分。

圖2 級聯(lián)雷達(dá)天線陣列Fig.2 Cascade radar antenna array

根據(jù)射頻板卡的天線分布，可以得到該射頻板卡在水平方向上的分辨率和垂直方向上的分辨率：

式中：D和D分別為水平方向（）和垂直方向（）上收發(fā)天線孔徑分布長度；為級聯(lián)雷達(dá)相對成像目標(biāo)的參考距離。

1.2 高速信號處理板卡

圖1 所示的毫米波級聯(lián)雷達(dá)射頻板卡由于具備通道數(shù)目多、發(fā)射信號時間短等特點，需要采用高采樣頻率、高傳輸速率的數(shù)字信號處理板保存與處理數(shù)據(jù)，因而配備采用現(xiàn)場可編程邏輯門陣列（Field Programmable Gate Array，F(xiàn)PGA）與單片機(jī)異構(gòu)架構(gòu)的高速信號處理板，其中FPGA 選型為XCKU040，單片機(jī)選型為GD32F307E。該高速信號處理板由蘇州深見智能科技有限公司和我方聯(lián)合研發(fā)，對每個通道的采樣頻率為4 MHz，可以有效采集并存儲各通道獲取的目標(biāo)回波數(shù)據(jù)，板卡實物圖如圖3 所示。

1.3 毫米波級聯(lián)雷達(dá)系統(tǒng)

毫米波級聯(lián)雷達(dá)系統(tǒng)由毫米波級聯(lián)雷達(dá)射頻板（如圖1 所示）和高速信號處理板（如圖3 所示）組成，該系統(tǒng)的主要工程流程如圖4 所示。

圖3 高速信號處理板Fig.3 High-speed signal processing board

圖4 毫米波級聯(lián)雷達(dá)系統(tǒng)工作流程Fig.4 Flow chart of millimeter wave cascade radar system operation

具體地，首先給單片機(jī)供電，根據(jù)時序依次激活FPGA 與射頻前端完成電源管理功能；通過參數(shù)配置功能，將配置好的信號調(diào)制參數(shù)發(fā)送給射頻前端；發(fā)射天線進(jìn)行分時發(fā)射，再利用高速信號處理板對回波信號進(jìn)行數(shù)字采樣及處理；最后通過圖3綠色框標(biāo)注的雷電3 接口發(fā)送至上位機(jī)，可以實時查看各通道采集的數(shù)據(jù)波形結(jié)果。該系統(tǒng)的主要優(yōu)勢包括：

1）由單片機(jī)完成對整個系統(tǒng)的實時控制。在系統(tǒng)工作期間，單片機(jī)對板卡的功率和溫度進(jìn)行監(jiān)測與控制，防止溫度過高或短路，有效保障設(shè)備安全，延長系統(tǒng)使用壽命。

2）前后端均采用高速數(shù)據(jù)接口。MIMO 天線通過16 路低電壓差分信號（Low-Voltage Differential Signaling，LVDS）與FPGA 連接，信號處理板通過雷電3 接口與上位機(jī)連接，實現(xiàn)信號實時傳輸，并具有較高的刷新率。此外，LVDS 每路傳輸速度為600 Mbit/s，雷電3 接口的設(shè)計和使用使得系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸速度可達(dá)到20 Gbit/s。

2 信號模型

本毫米波級聯(lián)雷達(dá)系統(tǒng)的發(fā)射波形為鋸齒狀調(diào)頻連續(xù)波（Frequency-Modulated Continuous Wave，F(xiàn)MCW），它具有高分辨率和低發(fā)射功率等優(yōu)點。設(shè)FMCW 發(fā)射信號的參數(shù)信息如下：為調(diào)頻起始頻率，為調(diào)頻周期，為調(diào)頻斜率，則第個點目標(biāo)的回波信號可以表示為

式中：為第個目標(biāo)的回波信號的振幅；rect(·)為窗函數(shù)；為快時間；τ為第個點目標(biāo)的回波時延，是該目標(biāo)到收發(fā)天線的距離與光速的函數(shù)。

根據(jù)圖2 所示級聯(lián)雷達(dá)天線分布結(jié)構(gòu)，可把級聯(lián)雷達(dá)的第個發(fā)射天線的空間三維坐標(biāo)設(shè)為(t，t，t)，其中∈[1，12]；再設(shè)級聯(lián)雷達(dá)的第個接收天線的坐標(biāo)為(r，r，r)，其中∈[1，16]。雷達(dá)視線區(qū)域內(nèi)的第個散射點坐標(biāo)為(x，x，x)，則該級聯(lián)雷達(dá)第個發(fā)射天線和第個接收天線到目標(biāo)第個散射點的距離R和R為

面向由級聯(lián)雷達(dá)接收到的回波數(shù)據(jù)，選用了后向投影（Back Projection，BP）算法進(jìn)行成像。該算法對雷達(dá)孔徑的結(jié)構(gòu)和排布沒有硬性要求，對圖2 所示收發(fā)天線分布不均勻的級聯(lián)雷達(dá)回波數(shù)據(jù)也可以得到聚焦效果良好的成像結(jié)果。BP 算法面向級聯(lián)雷達(dá)所得回波數(shù)據(jù)的成像步驟如下：

對回波數(shù)據(jù)進(jìn)行距離壓縮，每一個回波脈沖都存儲著該發(fā)射信號在該時刻成像目標(biāo)的距離維信息；

對目標(biāo)成像區(qū)域進(jìn)行像素點劃分，依次計算不同發(fā)射天線和接收天線組合相對該像素點的時延；

遍歷所有的發(fā)射天線和接收天線組合相干疊加，遍歷步驟2 中劃分的區(qū)域，即可得到該成像區(qū)域的聚焦成像結(jié)果。

另外，因為本級聯(lián)雷達(dá)系統(tǒng)發(fā)射的信號為FMCW，在進(jìn)行距離壓縮的過程中可以直接通過傅里葉變換實現(xiàn)，避免了匹配濾波的過程。

3 級聯(lián)雷達(dá)成像實驗

3.1 點目標(biāo)成像實驗

首先利用毫米波級聯(lián)雷達(dá)系統(tǒng)進(jìn)行點目標(biāo)成像實驗，成像點目標(biāo)選用邊長為3 cm 的角反射器。圖5（a）所示為毫米波級聯(lián)雷達(dá)點目標(biāo)成像實驗場景圖，級聯(lián)雷達(dá)的天線分布面平行于吸波材料墻面，把單個角反射器放置于吸波材料墻上，以雷達(dá)中心為原點建立空間坐標(biāo)系，角反射器到級聯(lián)雷達(dá)的徑向（方向）距離為1.2 m，系統(tǒng)發(fā)射FMCW 參數(shù)詳見表1。圖5（b）為修正后單個角反射器的成像結(jié)果，明顯地，角反射器的回波數(shù)據(jù)得到聚焦。圖5（c）為對應(yīng)的3 dB 示意圖，可以得到該級聯(lián)雷達(dá)系統(tǒng)在水平方向的實際分辨率為0.028 m，垂直方向上的實際分辨率為0.064 m。

圖5 點目標(biāo)成像實驗Fig.5 Imaging experiment for a point target

表1 級聯(lián)雷達(dá)發(fā)射信號參數(shù)Tab.1 Parameters of cascade radar transmit signals

此外進(jìn)行多個點目標(biāo)的成像實驗，以級聯(lián)雷達(dá)中心在吸波材料墻面的投影為中心點，在水平方向（方向）上距其左右間隔20 cm 處分別放置一個角反射器，實驗場景圖如圖6（a）所示，系統(tǒng)發(fā)射信號參數(shù)見表1，所得成像結(jié)果如圖6（b）所示。從實驗結(jié)果可以看出，2 個角反射器均得到了有效成像，且坐標(biāo)位置比較準(zhǔn)確，驗證了該毫米波級聯(lián)雷達(dá)系統(tǒng)對點目標(biāo)進(jìn)行成像的有效性。此外，點目標(biāo)成像實驗所用時間為2.25 s，驗證了系統(tǒng)的快速成像能力。

圖6 角反射器成像實驗Fig.6 Imaging experiment for the angle reflector

3.2 復(fù)雜目標(biāo)成像實驗

為了驗證毫米波級聯(lián)雷達(dá)系統(tǒng)面向復(fù)雜目標(biāo)的電磁特性測量結(jié)果，選用了金屬板和水泥板進(jìn)行成像實驗，2 個板材形狀均為邊長為30 cm 的正方形。實驗以級聯(lián)雷達(dá)為中心建立空間坐標(biāo)系，以級聯(lián)雷達(dá)中心在吸波材料墻面的投影為中心點，在水平方向（方向）上距其左右間隔5 cm 處分別放置水泥板和金屬，實驗場景圖如圖7（a）所示。本實驗中系統(tǒng)發(fā)射信號參數(shù)見表1，得到回波數(shù)據(jù)使用BPA進(jìn)行成像處理，得到成像結(jié)果如圖7（b）所示。從中可以看出，金屬箔板所在右側(cè)區(qū)域的回波信號強(qiáng)度明顯高于水泥板所在的左側(cè)區(qū)域，可以明顯比較得到金屬箔板和水泥板的電磁特性差別。復(fù)雜目標(biāo)成像實驗所用時間為2.41 s，證明了系統(tǒng)在快速成像上的能力。

圖7 復(fù)雜目標(biāo)成像實驗（水泥-金屬）Fig.7 Imaging experiment for complex targets（concrete-metal）

4 結(jié)束語

面向電磁特性測量的毫米波雷達(dá)大多有分辨率低和雷達(dá)測量維度低的問題，本文提出一套毫米波級聯(lián)雷達(dá)系統(tǒng)方案。該系統(tǒng)由四芯片級聯(lián)射頻板卡和自研的高速信號處理板構(gòu)成，可以有效提取目標(biāo)散射特征，對目標(biāo)進(jìn)行成像，且受益于其特殊的天線結(jié)構(gòu)分布，該系統(tǒng)的空間分辨率高。使用該毫米波級聯(lián)雷達(dá)系統(tǒng)展開了實測實驗，實驗中利用角反射器對系統(tǒng)進(jìn)行了點目標(biāo)成像，并根據(jù)角反射器的成像結(jié)果進(jìn)行空間分辨率的分析；又利用復(fù)雜目標(biāo)實驗板，展開成像實驗以進(jìn)行電磁特性鑒別。實驗結(jié)果證明，該系統(tǒng)具備良好的空間分辨能力和電磁特性測量能力，為該系統(tǒng)之后用于更多應(yīng)用提供基礎(chǔ)。