FM―CW雷達探測器控制與信號處理系統設計

摘要：本文闡述了該雷達探測器的數字信號處理過(guò)程，重點(diǎn)分析了動(dòng)目標自動(dòng)檢測原理，并給出了該檢測算法的實(shí)現步驟。根據該雷達探測器的特點(diǎn)和需求，設計了基于DS尸的控制與信號處理系統，詳細給出了其軟、硬件實(shí)現方案。該系統具有高性?xún)r(jià)比以及較好的通用性，已經(jīng)成功應用于項目。

引言

調頻連續波(FM—CW)雷達設備簡(jiǎn)單，發(fā)射頻譜窄，發(fā)射峰值功率與平均功率相當，不存在近距離肓區和速度模糊，而且還具有近距離信號抑制功能等優(yōu)點(diǎn)，因此采用該技術(shù)設計地面近程雷達探測器具有很強的優(yōu)勢。如果想發(fā)揮FM—CW雷達的優(yōu)勢，就要具有相應的數字信號

處理功能。

本文針對采用I、Q解調零拍接收技術(shù)的FM—CW雷達設計，以數字信號處理器(DSP)芯片為基本運算單元，以單片機為主控制器，構造了靈活、控制與處理能力強、通用性好、性?xún)r(jià)比高的控制與信號處理系統。該系統通過(guò)對目標多普勒回波信號進(jìn)行濾波、相干積累等處理完成動(dòng)目標自動(dòng)檢測過(guò)程和人機交互。

1 數字信號處理

本文涉及的FM—CW雷達探測器主要功能是檢測動(dòng)目標并且計算動(dòng)目標運動(dòng)的速度和方向(朝向或遠離雷達站)。I、Q回波信號通過(guò)正弦解調后得到I、Q多普勒信號，數字信號處理器(DSP)通過(guò)對I、Q多普勒信號的分析處理完成動(dòng)目標檢測，其實(shí)現過(guò)程如圖1所示。

對I、Q兩路信號先后同步采樣，并把數據保存至相應的數據存儲空間，采樣完一幀數據后，DSP分別取出存儲的兩路N階FFT數據進(jìn)行預處理(主要是進(jìn)行數據轉換、去直流運算);然后對I、Q信號進(jìn)行相干積累，獲得相應的積累增益，然后針對功率譜分布情況，計算恒虛警率門(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算的恒虛警率門(mén)限比較，若小于門(mén)限值，則認為沒(méi)發(fā)現目標;反之，則認為發(fā)現目標，同時(shí)計算該目標的參數信息(包括速度、運動(dòng)方向、相對幅度等)，并按照規定的協(xié)議對目標參數信息打包輸出。

1.1 預處理算法

當采用單電源進(jìn)行A/D轉換時(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字信號處理的動(dòng)態(tài)范圍，因此降低直流分量很有意義。利用數字處理容易實(shí)現，其過(guò)程如下：

①根據下式分別計算I、Q數據的數學(xué)期望E1(x)和EQ(x)。

其中，N表示一幀數據的個(gè)數，xi表示第i個(gè)數據。

②根據公式yi=xi-E(x)(i的取值范圍[0，1])，將I、Q數據分別減去數學(xué)期望值E(X)，得到新的I、Q數據幀：

1.2 動(dòng)目標自動(dòng)檢測

動(dòng)目標自動(dòng)檢測主要包含相干積累、恒虛警率處理(CFAR)和目標判決與參數估計等過(guò)程實(shí)現。

1.2.1 動(dòng)目標檢測基本原理

眾所周知，多普勒頻率在雷達中目標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;表示雷達的工作頻率;fd和Vd分別表示目標的多普勒頻率和目標徑向速度。

根據式(3)可知，只需計算出多普勒頻率fd就可獲得目標的徑向速度，而且通過(guò)fd可以判斷是否發(fā)現目標。

雷達的多普勒效應表明：當目標朝向雷達站運動(dòng)時(shí)，多普勒頻率(fd)為正值，而當目標遠離雷達站運動(dòng)時(shí)，多普勒頻率(fd)為負值，因此可以通過(guò)fd值的正負來(lái)確定目標運動(dòng)方向。

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

1.2.2 動(dòng)目標自動(dòng)檢測算法實(shí)現

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

算法實(shí)現步驟如下：

①對新的I、Q數據幀組合成復數，然后進(jìn)行FFT運算，并對各子濾波器信號幅值求模。

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

③根據式(4)求所有子濾波器的數學(xué)期望E(xx)和平均方差σ2，去除幅值最大的前4個(gè)數據有利于減少信號閃爍。

式中：N表示子濾波器個(gè)數(參與FFT運算的數據幀長(cháng)度);Vi表示第i個(gè)濾波器的信號幅度。

④根據式(5)計算恒虛警率門(mén)限VT。

VT=αE(xx)+βσ2 (5)

式中：α、β表示加權系數;α、β值決定了目標判決門(mén)限VT，VT的具體值需要結合發(fā)現概率和虛警概率確定。

⑤把最大的信號幅度Vmax與恒虛警率門(mén)限VT相比較，若不小于VT值則認為目標存在，并且由Mmax值估計多普勒目標頻率，然后根據式(3)確定目標的徑向速度;同時(shí)也可以根據Mmax值確定目標遠離或靠近運動(dòng)，當Mmax

2 系統設計

該控制與信號處理系統設計原則：可靠穩定、性?xún)r(jià)比高、小型化。其總體設計如圖2所示。

該系統主要是針對某型號FM—CW雷達探測器設計的，主要分為主控制器部分、調頻信號處理部分和DC/DC電源。其工作流程：DSP控制模數轉換器(A/D)，對I、Q多普勒信號進(jìn)行同步采樣，同時(shí)把采集的數據保存在片內存儲器中，直到一幀數據采集完成;DSP對該幀數據進(jìn)行濾波、動(dòng)目標檢測算法處理，處理完成后把目標數據送至主控制器;主控制器(MCU)接收到目標參數信息后，按照規定的協(xié)議把目標參數信息打包并通過(guò)數據通信接口輸出，同時(shí)按照預定的要求向CPLD輸出控制信號，MCU還應及時(shí)接收鍵盤(pán)模塊輸出的數據和按周期采集各個(gè)檢測點(diǎn)的數據，并且控制LCD顯示模塊正確顯示各種狀態(tài);數據通信接口采用RS23協(xié)議。

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

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電壓供系統工作。

2.1 主控制部分

主控制器部分，包含型號為C8051F023的單片機和型號為EPM3064的CPLD，其主要功能如下：

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

②實(shí)現對鍵盤(pán)模塊管理、對LCD顯示模塊的控制。

③對數字信號處理的管理，并從信號處理器獲取目標參數信息。

④對目標信息進(jìn)行二次處理并進(jìn)行數據打包，通過(guò)數據通信接口發(fā)送，從數據通信接口接收外部指令并進(jìn)行相應操作。

⑤完成對DSP控制命令的譯碼和控制報警電路工作(主要由CPLD完成)。

2.2 數字信號處理部分

數字信號處理部分主要包含A/D采樣、數字信號處理和調頻信號產(chǎn)生器。其中A/D采樣采用型號為MAX1306的芯片完成，數字信號處理采用型號為T(mén)MS320F2812的32位DSP實(shí)現。

調頻信號產(chǎn)生器主要利用DDS技術(shù)，采用型號為AD9850的芯片實(shí)現。該部分的核心功能是參考圖1完成動(dòng)目標自動(dòng)檢測運算，數字信號處理器(DSP)軟件流程圖如圖3所示。

DSP開(kāi)機上電復位后，初始化自身的配置，使得系統進(jìn)入預定的工作狀態(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)生所需要的正弦調頻信號，然后延遲等待;

直到雷達探測器高頻部分工作穩定后，DSP啟動(dòng)采樣中斷，按照設定的周期控制A/D采集數據，直到I、Q兩路分別采集完成1 024點(diǎn)數據(一幀)，DSP關(guān)閉采樣中斷，然后數據進(jìn)行處理完成動(dòng)目標檢測過(guò)程。首先DSP對采集的I、Q兩路數據進(jìn)行預處理，接著(zhù)利用海明窗函數進(jìn)行

加權并完成復數FFT運算，對運算結果做恒虛警率處理(CFAR)，計算出恒虛警門(mén)限值，然后進(jìn)行目標判決得出有無(wú)目標的結論。

若發(fā)現目標，則將目標的速度、運動(dòng)方向、信號相對強度送至主控制器，最后重新啟動(dòng)數據采樣，進(jìn)入下一次運算。

結語(yǔ)

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