高帧率步进频穿墙成像雷达扫频方法*

张宝伟，朱国富，陆必应

(国防科学技术大学 电子科学与工程学院，长沙 410073)

1 引言

穿墙成像雷达(Through－Wall Imaging Radar，TWIR)能够穿透非金属墙壁等障碍物，对墙后目标进行成像、检测、识别和跟踪。TWIR 在军事(探雷、反恐、墙内物探测)、民用(灾后生命救援)方面应用十分广泛［1］。

步进频连续波雷达的发射信号是多个单频信号，利用多个单频信号脉冲合成宽带信号，极大地降低了对接收机和A/D 采样的带宽要求，并且系统中接收机因具有较小的中频带宽而能够有效地抑制噪声和干扰，提高灵敏度，因此，步进频率雷达是实现高分辨率成像的有效途径［2］。

步进频合成器的主要实现途径有三种:直接合成、锁相合成以及数字直接合成(DDS)［3］。锁相式频率合成器的优点是能抑制杂散分量，避免了大量使用滤波器［4］，有利于集成化和小型化，同时能得到很高的信号输出频率，非常适合作为工程应用的超宽带穿墙成像雷达信号源［5］。但是锁相合成技术也有其自身的缺点，最主要的问题就是频点切换时间长［6］。穿墙成像雷达带宽大，频点多，收发通道数量多，频率扫描再加上收发天线的阵列扫描，将会使总的扫描周期非常长，造成最终的目标成像帧率低，难以满足对动目标的成像要求。

针对这个问题，国内外研究大多从降低单步跳频时长的方向入手，采用小数分频锁相环(FNPLL)［7］或者采用压控振荡器(VCO)预置电压［8］技术来降低跳频时间，但只适用于中速的系统，而且会增加设备复杂度，提高成本，同时还会带来其他负效应。本文提出了一种新的简单有效的扫描方案，显著提高了步进频穿墙成像雷达的帧率，实测结果验证了本文所提方法的可行性。

2 步进频穿墙成像雷达帧率分析

传统的步进频穿墙成像雷达的扫描方式一般是先进行信号源的频率扫描再进行收发系统的天线阵列扫描，收发系统在一个收发组合也就是一个通道内部完成整个频段内所有频点的切换［9］。这种扫描方式与系统的频点数、收发系统的通道数以及频点切换时间和通道切换时间有关，用公式表示如下:

式中，TF表示一帧数据的时长;nF表示频段范围内的频点数量;Δt 表示单步跳频的时长;tc表示通道切换的时长;nc表示收发系统的通道数量;tb表示留有的缓冲时间，用来为下一帧数据做准备。这种情况下，通道数、频点数、频点切换时间都与一帧的时长成正比例关系。

针对频点切换时间的问题，步进频穿墙成像雷达中所使用的锁相技术是一种相位负反馈技术，由鉴相器得到与频率源的输入信号和压控振荡器(VCO)的输出信号的相位差成正比的电压，将其作为误差电压来控制振荡器的频率，从而使其与输入信号频率相等［10］。但由于锁相环(PLL)是一个闭环系统，其控制过程是一个惰性过程，故锁相环输出频率在进行频率切换时，必须经过一个捕获过程才能达到同步，导致频率转换时间过长。

对于具有多通道收发系统的应用平台(图1)来说，在每一个通道内完成整个频段的频点扫描将会使一帧数据的时长成倍地增加。PLL 锁相合成技术的跳频时间即Δt 本身就已经很大，对于超宽带信号频点数也会很多，再乘以通道数，将严重影响成像帧率，不能对目标进行实时显示。以本文的雷达系统应用平台来说，步进频合成器由4个超宽带PLL 组成，工作时由单刀四掷(SP4T)开关选择一路PLL 输出，其余3 路PLL 被预置到下3个即将输出的频点，以缩短步进频跳频时间。在此基础上，可以将每个频点的跳频时间缩短到理论上的25 μs。实际应用中，应该留有一定的裕量，以便稳定相位，为下一次跳频做准备。因此，如果单步跳频时长Δt 具有不大于50 μs的容忍度、收发系统具有两发六收12个数据通道和一个校验通道、工作频段是0.5～3 GHz、单步跳频2 MHz的话，就有1250个频点，通道切换的速度比较快，单刀八掷(SP8T)开关单路的切换时间可以达到100 ns，实际编程使用时采用1 μs。单步跳频时长取50 μs，暂不考虑缓冲时间，这样就可以得到单帧数据的最小时长为1250 ×(50 μs +1 μs)×13≈0.83 s，帧率最高为1.2 Hz。显然，这样低的帧率无法满足穿墙成像雷达的需要。

图1 步进频收发平台的系统框图Fig.1 Block diagram of stepped－frequency transceiver platform system

3 高帧率步进频穿墙成像雷达扫描方案

由上述分析可知，传统的步进频穿墙成像雷达的扫描方法在一帧数据中包含有多个通道的频率重复扫描，而频率扫描的跳频时间又非常长，从而导致整帧时间过长，严重影响了成像帧率，降低了显示的实时性。要解决这个问题，可以从两个方面入手:一是降低单步跳频的时长，二是减少跳频的次数。降低单步跳频时长的方法前文已经说明，实际应用有一定限制。本文将从第二个方面着手，通过减少整帧的跳频次数来提高成像帧率。要减少一帧的跳频次数，可以通过缩短扫频的频段范围或者增大频率跳频步长，但是这两种方法都会对成像性能造成影响。由于时间较长的频率扫描会在每一个通道内重复进行，大大加长了扫频时间，因此我们考虑在不影响成像性能的情况下，将重复的扫频步骤去掉。也就是在一帧数据中，只进行一次频率扫描，在一个频点的持续时间内完成所有通道的切换，步进到下一个频点之后再次进行所有通道的顺序切换，就这样依次完成频段范围内所有频点的切换。整个过程由现场可编程门阵列(FPGA)控制时序，图2 是根据所提方法理论分析得到的一帧图像中频点的切换以及通道切换的时序图，band_sel 表示的是频段范围的选择，Rf_on 表示一个频点的持续时间，频点的脉宽是40 μs，在这个40 μs内完成由开关信号switch_o控制的13个通道切换，每1 μs切换一次。

图2 所提方法的理论分析时序图Fig.2 The theoretical analysis timing diagram achieved by using the proposed method

通道的切换速度相比频点的切换速度要快得多，上文提到只需要100 ns就可以完成SP8T 开关的单路切换。一个频点的周期是50 μs，完全有足够的时间完成所有通道的扫描。这样就相当于把频率扫描的重复换成了阵列扫描的重复，但是阵列的重复扫描并没有额外增加一帧的时长。

还是以本文的雷达系统应用平台为例，收发系统共13个通道，也就是只需要13 μs就可以完成所有通道的切换。而从一个频点步进到下一频点需要50 μs，完全可以将通道切换的13 μs嵌入到频点切换的50 μs内。这样求一帧数据的时长公式就变为

按此公式计算，每一帧的时长将缩减到62.5 ms左右，理想情况下，帧率最高可以达到16 Hz，相比传统扫描方案的1.2 Hz，在帧率上有了大幅度的提高，能够形成比较流畅的成像画面，在一定程度上可以满足实时成像的要求。

4 实验结果

针对上述提出的方案，我们使用FPGA 进行实现。通过FPGA 可以实现对频点切换与通道切换顺序的控制，同时还可以对整个步进频收发系统进行控制，包括信号频段的选择、频率步长的选择、通道切换的时间等。图3 是应用本文所提出的方法由FPGA 对频率步长、频段范围、频点切换以及通道切换的控制时序图。通过此图可以看出，本文所提出的方法在逻辑上是可以实现的，并且很容易判断出本方法在扫描时长上的优势。通过FPGA 可以自由选择1 MHz、2 MHz、4 MHz等频率步长，也可以在500 MHz～4 GHz自由选择频段。在频率步长设置为2 MHz、通道切换时间选择1 μs、频段选择在500 MHz～3 GHz时，实际测得的成像帧率为14 Hz。

图3 由所提方法仿真得到的一个频点内的时序图Fig.3 The simulation timing diagram in one frequency point achieved by using the proposed method

另外，针对本文提出的方案，可能引起的一个问题是:调换步进频穿墙雷达的扫描次序之后，会不会对步进频波形的合成以及脉压性能产生影响，继而影响最终的成像效果?为了验证这个问题，保证输出信号不受调换次序的影响，我们通过Matlab 提取出了实测数据中由穿墙成像雷达的一对收发天线对录而得到的单通道接收回波脉冲波形以及通过Matlab 仿真得到的理想的回波脉冲波形，比较结果如图4 所示。

图4 由所提方法经实测得到的单通道接收回波脉冲波形和仿真波形的比较Fig.4 The measured figure of single channel receiving echo by the proposed method and simulation waveform

通过比较可知，实测的单通道步进频脉冲回波信号和仿真结果比较一致，第一旁瓣几乎达到了－12 dB，波形效果非常好。因此，步进频穿墙成像雷达的步进频脉冲的发射接收并没有没有受到扫描方式变化的影响。

本文对提出的高帧率步进频穿墙成像雷达进行了实际成像测试。在宽敞的室内无风且周围无行人等未知因素影响的条件下，实验场景为自由空间下人体目标在离雷达距离向4.5 m处横向移动，得到的成像效果图如图5 所示。

图5 人在距离雷达4.5 m 处横向移动的成像效果Fig.5 The imaging result when a person is walking in crossrange 4.5 m away from radar

由成像结果可知，目标成像效果良好，没有引入新的杂散信号。最终的实际成像帧率为14 Hz，相比传统扫描方案1.2 Hz的成像帧率，在每个通道每个频点的实际驻留时间不变的情况下，对发射的步进频信号没有产生影响，并且成像结果基本相同，而帧率却有了大幅度的提高。因此，所提出的方法在不影响步进频合成波形以及最终成像效果的前提下，可以简单有效地缩短一帧数据的时长，提高图像显示的帧率。

5 结束语

本文针对穿墙成像雷达系统超宽带、密集跳频、大动态、低重量与成本这些特点，简单讨论了信号体制的选择以及信号源频率合成方法的选择;结合特定要求，选择了步进频连续波信号体制以及锁相合成步进频信号的实现途径;针对锁相合成技术跳频时间长的缺点，提出了一种简单的改进方法，即通过改变步进频穿墙雷达扫描方式来获得高帧率成像性能。多次实验证明，在每个通道每个频点的实际驻留时间不变的情况下，步进频输出脉冲信号以及成像效果不受扫描顺序的影响。同其他提高成像帧率降低跳频时长的方法相比，本文方法实现简单，成本低廉，效果显著，可以大幅提高成像帧率，满足实时成像要求，非常适合工程应用。本文的跳频时间还没有到达理论上的最低时长，可以应用相关技术缩短跳频时间，进一步提高成像帧率。

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