FM―CW雷達探測器控制與信號處理系統(tǒng)設(shè)計

摘要：本文闡述了該雷達探測器的數(shù)字信號處理過程，重點分析了動目標自動檢測原理，并給出了該檢測算法的實現(xiàn)步驟。根據(jù)該雷達探測器的特點和需求，設(shè)計了基于DS尸的控制與信號處理系統(tǒng)，詳細給出了其軟、硬件實現(xiàn)方案。該系統(tǒng)具有高性價比以及較好的通用性，已經(jīng)成功應(yīng)用于項目。

引言

調(diào)頻連續(xù)波(FM—CW)雷達設(shè)備簡單，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(qū)和速度模糊，而且還具有近距離信號抑制功能等優(yōu)點，因此采用該技術(shù)設(shè)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(yīng)的數(shù)字信號

處理功能。

本文針對采用I、Q解調(diào)零拍接收技術(shù)的FM—CW雷達設(shè)計，以數(shù)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(gòu)造了靈活、控制與處理能力強、通用性好、性價比高的控制與信號處理系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過對目標多普勒回波信號進行濾波、相干積累等處理完成動目標自動檢測過程和人機交互。

1 數(shù)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目標并且計算動目標運動的速度和方向(朝向或遠離雷達站)。I、Q回波信號通過正弦解調(diào)后得到I、Q多普勒信號，數(shù)字信號處理器(DSP)通過對I、Q多普勒信號的分析處理完成動目標檢測，其實現(xiàn)過程如圖1所示。

對I、Q兩路信號先后同步采樣，并把數(shù)據(jù)保存至相應(yīng)的數(shù)據(jù)存儲空間，采樣完一幀數(shù)據(jù)后，DSP分別取出存儲的兩路N階FFT數(shù)據(jù)進行預(yù)處理(主要是進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、去直流運算);然后對I、Q信號進行相干積累，獲得相應(yīng)的積累增益，然后針對功率譜分布情況，計算恒虛警率門限進行恒虛警率處理(CFAR);最后把最大的子濾波器功率值和計算的恒虛警率門限比較，若小于門限值，則認為沒發(fā)現(xiàn)目標;反之，則認為發(fā)現(xiàn)目標，同時計算該目標的參數(shù)信息(包括速度、運動方向、相對幅度等)，并按照規(guī)定的協(xié)議對目標參數(shù)信息打包輸出。

1.1 預(yù)處理算法

當采用單電源進行A/D轉(zhuǎn)換時，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)字信號處理的動態(tài)范圍，因此降低直流分量很有意義。利用數(shù)字處理容易實現(xiàn)，其過程如下：

①根據(jù)下式分別計算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)的個數(shù)，xi表示第i個數(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 動目標自動檢測

動目標自動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(shù)估計等過程實現(xiàn)。

1.2.1 動目標檢測基本原理

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(jù)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fd可以判斷是否發(fā)現(xiàn)目標。

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

為了實現(xiàn)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)方法實現(xiàn)，并且FFT技術(shù)實現(xiàn)N(一幀數(shù)據(jù)長度)個濾波器組(也稱子濾波器)，計算量小，方便硬件實現(xiàn)，是可行的。

1.2.2 動目標自動檢測算法實現(xiàn)

雷達的工作環(huán)境背景非常復(fù)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(tǒng))都要求能夠在復(fù)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，必須自動實時計算恒虛警門限以保持恒虛警率實現(xiàn)。

算法實現(xiàn)步驟如下：

①對新的I、Q數(shù)據(jù)幀組合成復(fù)數(shù)，然后進行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行二次標記(濾波器位置為Mmax，信號幅度為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個數(shù)據(jù)有利于減少信號閃爍。

式中：N表示子濾波器個數(shù)(參與FFT運算的數(shù)據(jù)幀長度);Vi表示第i個濾波器的信號幅度。

④根據(jù)式(5)計算恒虛警率門限VT。

VT=αE(xx)+βσ2 (5)

式中：α、β表示加權(quán)系數(shù);α、β值決定了目標判決門限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把最大的信號幅度Vmax與恒虛警率門限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(jù)式(3)確定目標的徑向速度;同時也可以根據(jù)Mmax值確定目標遠離或靠近運動，當Mmax

2 系統(tǒng)設(shè)計

該控制與信號處理系統(tǒng)設(shè)計原則：可靠穩(wěn)定、性價比高、小型化。其總體設(shè)計如圖2所示。

該系統(tǒng)主要是針對某型號FM—CW雷達探測器設(shè)計的，主要分為主控制器部分、調(diào)頻信號處理部分和DC/DC電源。其工作流程：DSP控制模數(shù)轉(zhuǎn)換器(A/D)，對I、Q多普勒信號進行同步采樣，同時把采集的數(shù)據(jù)保存在片內(nèi)存儲器中，直到一幀數(shù)據(jù)采集完成;DSP對該幀數(shù)據(jù)進行濾波、動目標檢測算法處理，處理完成后把目標數(shù)據(jù)送至主控制器;主控制器(MCU)接收到目標參數(shù)信息后，按照規(guī)定的協(xié)議把目標參數(shù)信息打包并通過數(shù)據(jù)通信接口輸出，同時按照預(yù)定的要求向CPLD輸出控制信號，MCU還應(yīng)及時接收鍵盤模塊輸出的數(shù)據(jù)和按周期采集各個檢測點的數(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主要是對控制命令進行譯碼和邏輯運算，按照正確的邏輯時序控制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，通過多個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(tǒng)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實現(xiàn)對鍵盤模塊管理、對LCD顯示模塊的控制。

③對數(shù)字信號處理的管理，并從信號處理器獲取目標參數(shù)信息。

④對目標信息進行二次處理并進行數(shù)據(jù)打包，通過數(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行相應(yīng)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(shù)字信號處理部分

數(shù)字信號處理部分主要包含A/D采樣、數(shù)字信號處理和調(diào)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(shù)字信號處理采用型號為TMS320F2812的32位DSP實現(xiàn)。

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

DSP開機上電復(fù)位后，初始化自身的配置，使得系統(tǒng)進入預(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線制)配置寄存器，產(chǎn)生所需要的正弦調(diào)頻信號，然后延遲等待;

直到雷達探測器高頻部分工作穩(wěn)定后，DSP啟動采樣中斷，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點數(shù)據(jù)(一幀)，DSP關(guān)閉采樣中斷，然后數(shù)據(jù)進行處理完成動目標檢測過程。首先DSP對采集的I、Q兩路數(shù)據(jù)進行預(yù)處理，接著利用海明窗函數(shù)進行

加權(quán)并完成復(fù)數(shù)FFT運算，對運算結(jié)果做恒虛警率處理(CFAR)，計算出恒虛警門限值，然后進行目標判決得出有無目標的結(jié)論。

若發(fā)現(xiàn)目標，則將目標的速度、運動方向、信號相對強度送至主控制器，最后重新啟動數(shù)據(jù)采樣，進入下一次運算。

結(jié)語

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