FM—CW雷達(dá)探測(cè)器控制與信號(hào)處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：本文闡述了該雷達(dá)探測(cè)器的數(shù)字信號(hào)處理過(guò)程，重點(diǎn)分析了動(dòng)目標(biāo)自動(dòng)檢測(cè)原理，并給出了該檢測(cè)算法的實(shí)現(xiàn)步驟。根據(jù)該雷達(dá)探測(cè)器的特點(diǎn)和需求，設(shè)計(jì)了基于DS尸的控制與信號(hào)處理系統(tǒng)，詳細(xì)給出了其軟、硬件實(shí)現(xiàn)方案。該系統(tǒng)具有高性?xún)r(jià)比以及較好的通用性，已經(jīng)成功應(yīng)用于項(xiàng)目。

引言

調(diào)頻連續(xù)波(FM—CW)雷達(dá)設(shè)備簡(jiǎn)單，發(fā)射頻譜窄，發(fā)射峰值功率與平均功率相當(dāng)，不存在近距離肓區(qū)和速度模糊，而且還具有近距離信號(hào)抑制功能等優(yōu)點(diǎn)，因此采用該技術(shù)設(shè)計(jì)地面近程雷達(dá)探測(cè)器具有很強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)。如果想發(fā)揮FM—CW雷達(dá)的優(yōu)勢(shì)，就要具有相應(yīng)的數(shù)字信號(hào)

處理功能。

本文針對(duì)采用I、Q解調(diào)零拍接收技術(shù)的FM—CW雷達(dá)設(shè)計(jì)，以數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)芯片為基本運(yùn)算單元，以單片機(jī)為主控制器，構(gòu)造了靈活、控制與處理能力強(qiáng)、通用性好、性?xún)r(jià)比高的控制與信號(hào)處理系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過(guò)對(duì)目標(biāo)多普勒回波信號(hào)進(jìn)行濾波、相干積累等處理完成動(dòng)目標(biāo)自動(dòng)檢測(cè)過(guò)程和人機(jī)交互。

1 數(shù)字信號(hào)處理

本文涉及的FM—CW雷達(dá)探測(cè)器主要功能是檢測(cè)動(dòng)目標(biāo)并且計(jì)算動(dòng)目標(biāo)運(yùn)動(dòng)的速度和方向(朝向或遠(yuǎn)離雷達(dá)站)。I、Q回波信號(hào)通過(guò)正弦解調(diào)后得到I、Q多普勒信號(hào)，數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)通過(guò)對(duì)I、Q多普勒信號(hào)的分析處理完成動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)，其實(shí)現(xiàn)過(guò)程如圖1所示。

對(duì)I、Q兩路信號(hào)先后同步采樣，并把數(shù)據(jù)保存至相應(yīng)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間，采樣完一幀數(shù)據(jù)后，DSP分別取出存儲(chǔ)的兩路N階FFT數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理(主要是進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、去直流運(yùn)算);然后對(duì)I、Q信號(hào)進(jìn)行相干積累，獲得相應(yīng)的積累增益，然后針對(duì)功率譜分布情況，計(jì)算恒虛警率門(mén)限進(jìn)行恒虛警率處理(CFAR);最后把最大的子濾波器功率值和計(jì)算的恒虛警率門(mén)限比較，若小于門(mén)限值，則認(rèn)為沒(méi)發(fā)現(xiàn)目標(biāo);反之，則認(rèn)為發(fā)現(xiàn)目標(biāo)，同時(shí)計(jì)算該目標(biāo)的參數(shù)信息(包括速度、運(yùn)動(dòng)方向、相對(duì)幅度等)，并按照規(guī)定的協(xié)議對(duì)目標(biāo)參數(shù)信息打包輸出。

1.1 預(yù)處理算法

當(dāng)采用單電源進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換時(shí)，在模擬端不可避免的存在直流分量，而直流量的存在將降低數(shù)字信號(hào)處理的動(dòng)態(tài)范圍，因此降低直流分量很有意義。利用數(shù)字處理容易實(shí)現(xiàn)，其過(guò)程如下：

①根據(jù)下式分別計(jì)算I、Q數(shù)據(jù)的數(shù)學(xué)期望E1(x)和EQ(x)。

其中，N表示一幀數(shù)據(jù)的個(gè)數(shù)，xi表示第i個(gè)數(shù)據(jù)。

②根據(jù)公式y(tǒng)i=xi-E(x)(i的取值范圍[0，1])，將I、Q數(shù)據(jù)分別減去數(shù)學(xué)期望值E(X)，得到新的I、Q數(shù)據(jù)幀：

1.2 動(dòng)目標(biāo)自動(dòng)檢測(cè)

動(dòng)目標(biāo)自動(dòng)檢測(cè)主要包含相干積累、恒虛警率處理(CFAR)和目標(biāo)判決與參數(shù)估計(jì)等過(guò)程實(shí)現(xiàn)。

1.2.1 動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)基本原理

眾所周知，多普勒頻率在雷達(dá)中目標(biāo)的徑向速度和回波多普勒頻率存在如下所示的關(guān)系：

式中：c=3.08×108m/s;表示雷達(dá)的工作頻率;fd和Vd分別表示目標(biāo)的多普勒頻率和目標(biāo)徑向速度。

根據(jù)式(3)可知，只需計(jì)算出多普勒頻率fd就可獲得目標(biāo)的徑向速度，而且通過(guò)fd可以判斷是否發(fā)現(xiàn)目標(biāo)。

雷達(dá)的多普勒效應(yīng)表明：當(dāng)目標(biāo)朝向雷達(dá)站運(yùn)動(dòng)時(shí)，多普勒頻率(fd)為正值，而當(dāng)目標(biāo)遠(yuǎn)離雷達(dá)站運(yùn)動(dòng)時(shí)，多普勒頻率(fd)為負(fù)值，因此可以通過(guò)fd值的正負(fù)來(lái)確定目標(biāo)運(yùn)動(dòng)方向。

為了實(shí)現(xiàn)目標(biāo)多普勒回波相干積累，并計(jì)算其頻率值大小和正負(fù)，采用快速傅里葉變換(FFT)方法實(shí)現(xiàn)，并且FFT技術(shù)實(shí)現(xiàn)N(一幀數(shù)據(jù)長(zhǎng)度)個(gè)濾波器組(也稱(chēng)子濾波器)，計(jì)算量小，方便硬件實(shí)現(xiàn)，是可行的。

1.2.2 動(dòng)目標(biāo)自動(dòng)檢測(cè)算法實(shí)現(xiàn)

雷達(dá)的工作環(huán)境背景非常復(fù)雜，回波信號(hào)中包含大量的隨機(jī)噪聲、雜波信號(hào)以及其他電磁波的干擾信息。目前的雷達(dá)探測(cè)器(系統(tǒng))都要求能夠在復(fù)雜和不確知的背景環(huán)境中檢測(cè)目標(biāo)的存在并保持給定的虛警概率。為此，必須自動(dòng)實(shí)時(shí)計(jì)算恒虛警門(mén)限以保持恒虛警率實(shí)現(xiàn)。

算法實(shí)現(xiàn)步驟如下：

①對(duì)新的I、Q數(shù)據(jù)幀組合成復(fù)數(shù)，然后進(jìn)行FFT運(yùn)算，并對(duì)各子濾波器信號(hào)幅值求模。

②找出信號(hào)幅度前4的4個(gè)子濾波器并標(biāo)記其濾波器位置(Mj)和幅度大小(VMj)，并且把信號(hào)幅度最大的濾波器進(jìn)行二次標(biāo)記(濾波器位置為Mmax，信號(hào)幅度為Vmax)。

③根據(jù)式(4)求所有子濾波器的數(shù)學(xué)期望E(xx)和平均方差σ2，去除幅值最大的前4個(gè)數(shù)據(jù)有利于減少信號(hào)閃爍。

式中：N表示子濾波器個(gè)數(shù)(參與FFT運(yùn)算的數(shù)據(jù)幀長(zhǎng)度);Vi表示第i個(gè)濾波器的信號(hào)幅度。

④根據(jù)式(5)計(jì)算恒虛警率門(mén)限VT。

VT=αE(xx)+βσ2 (5)

式中：α、β表示加權(quán)系數(shù);α、β值決定了目標(biāo)判決門(mén)限VT，VT的具體值需要結(jié)合發(fā)現(xiàn)概率和虛警概率確定。

⑤把最大的信號(hào)幅度Vmax與恒虛警率門(mén)限VT相比較，若不小于VT值則認(rèn)為目標(biāo)存在，并且由Mmax值估計(jì)多普勒目標(biāo)頻率，然后根據(jù)式(3)確定目標(biāo)的徑向速度;同時(shí)也可以根據(jù)Mmax值確定目標(biāo)遠(yuǎn)離或靠近運(yùn)動(dòng)，當(dāng)Mmax

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

該控制與信號(hào)處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則：可靠穩(wěn)定、性?xún)r(jià)比高、小型化。其總體設(shè)計(jì)如圖2所示。

該系統(tǒng)主要是針對(duì)某型號(hào)FM—CW雷達(dá)探測(cè)器設(shè)計(jì)的，主要分為主控制器部分、調(diào)頻信號(hào)處理部分和DC/DC電源。其工作流程：DSP控制模數(shù)轉(zhuǎn)換器(A/D)，對(duì)I、Q多普勒信號(hào)進(jìn)行同步采樣，同時(shí)把采集的數(shù)據(jù)保存在片內(nèi)存儲(chǔ)器中，直到一幀數(shù)據(jù)采集完成;DSP對(duì)該幀數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波、動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)算法處理，處理完成后把目標(biāo)數(shù)據(jù)送至主控制器;主控制器(MCU)接收到目標(biāo)參數(shù)信息后，按照規(guī)定的協(xié)議把目標(biāo)參數(shù)信息打包并通過(guò)數(shù)據(jù)通信接口輸出，同時(shí)按照預(yù)定的要求向CPLD輸出控制信號(hào)，MCU還應(yīng)及時(shí)接收鍵盤(pán)模塊輸出的數(shù)據(jù)和按周期采集各個(gè)檢測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，并且控制LCD顯示模塊正確顯示各種狀態(tài);數(shù)據(jù)通信接口采用RS23協(xié)議。

CPLD主要是對(duì)控制命令進(jìn)行譯碼和邏輯運(yùn)算，按照正確的邏輯時(shí)序控制A/D采樣和報(bào)警電路。

DC/DC電源部分，外部輸入+12 V的電源電壓，通過(guò)多個(gè)集成電源芯片分別產(chǎn)生+5V、+3.3 V、+1.9 V電壓供系統(tǒng)工作。

2.1 主控制部分

主控制器部分，包含型號(hào)為C8051F023的單片機(jī)和型號(hào)為EPM3064的CPLD，其主要功能如下：

①控制系統(tǒng)自檢。包括電壓、電流檢測(cè)、高頻發(fā)射源和高頻接收模塊工作狀態(tài)檢測(cè)。

②實(shí)現(xiàn)對(duì)鍵盤(pán)模塊管理、對(duì)LCD顯示模塊的控制。

③對(duì)數(shù)字信號(hào)處理的管理，并從信號(hào)處理器獲取目標(biāo)參數(shù)信息。

④對(duì)目標(biāo)信息進(jìn)行二次處理并進(jìn)行數(shù)據(jù)打包，通過(guò)數(shù)據(jù)通信接口發(fā)送，從數(shù)據(jù)通信接口接收外部指令并進(jìn)行相應(yīng)操作。

⑤完成對(duì)DSP控制命令的譯碼和控制報(bào)警電路工作(主要由CPLD完成)。

2.2 數(shù)字信號(hào)處理部分

數(shù)字信號(hào)處理部分主要包含A/D采樣、數(shù)字信號(hào)處理和調(diào)頻信號(hào)產(chǎn)生器。其中A/D采樣采用型號(hào)為MAX1306的芯片完成，數(shù)字信號(hào)處理采用型號(hào)為T(mén)MS320F2812的32位DSP實(shí)現(xiàn)。

調(diào)頻信號(hào)產(chǎn)生器主要利用DDS技術(shù)，采用型號(hào)為AD9850的芯片實(shí)現(xiàn)。該部分的核心功能是參考圖1完成動(dòng)目標(biāo)自動(dòng)檢測(cè)運(yùn)算，數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)軟件流程圖如圖3所示。

DSP開(kāi)機(jī)上電復(fù)位后，初始化自身的配置，使得系統(tǒng)進(jìn)入預(yù)定的工作狀態(tài);在正常工作狀態(tài)模式下，按照AD9850的參考協(xié)議(本文采用的是串行3線(xiàn)制)配置寄存器，產(chǎn)生所需要的正弦調(diào)頻信號(hào)，然后延遲等待;

直到雷達(dá)探測(cè)器高頻部分工作穩(wěn)定后，DSP啟動(dòng)采樣中斷，按照設(shè)定的周期控制A/D采集數(shù)據(jù)，直到I、Q兩路分別采集完成1 024點(diǎn)數(shù)據(jù)(一幀)，DSP關(guān)閉采樣中斷，然后數(shù)據(jù)進(jìn)行處理完成動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)過(guò)程。首先DSP對(duì)采集的I、Q兩路數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，接著利用海明窗函數(shù)進(jìn)行

加權(quán)并完成復(fù)數(shù)FFT運(yùn)算，對(duì)運(yùn)算結(jié)果做恒虛警率處理(CFAR)，計(jì)算出恒虛警門(mén)限值，然后進(jìn)行目標(biāo)判決得出有無(wú)目標(biāo)的結(jié)論。

若發(fā)現(xiàn)目標(biāo)，則將目標(biāo)的速度、運(yùn)動(dòng)方向、信號(hào)相對(duì)強(qiáng)度送至主控制器，最后重新啟動(dòng)數(shù)據(jù)采樣，進(jìn)入下一次運(yùn)算。

結(jié)語(yǔ)

本文采用DSP十MCU+CPLD方式實(shí)現(xiàn)的控制與信號(hào)處理機(jī)已經(jīng)成功應(yīng)用于某型號(hào)FM—CW雷達(dá)探測(cè)器上，具有成本低、性能較高且應(yīng)用靈活等特點(diǎn)。該系統(tǒng)也可以應(yīng)用于其他領(lǐng)域窄帶信號(hào)的處理，具有較好的通用性。