基于FPGA的线性调频连续波雷达信号 处理设计与实现

高 星

(中国船舶重工集团公司第七二三研究所，江苏 扬州 225101)

0 引 言

线性调频连续波(LFMCW)雷达技术由来已久，但是因为相关的理论问题，所以线性调频连续波雷达的应用一直比较有限。从20世纪70年代后期开始，研究学者们才开始深入地研究线性调频连续波雷达的各种关键技术，使其得到了更多更全面的认识和关注。线性调频连续波雷达的一些特性分析如下[1]：

(1) 由于线性调频连续波雷达发射大带宽的调制信号，从而可以得到非常高的距离分辨力；

(2) 传统的截获接收机很难检测到线性调频连续波雷达发射的发射信号；

(3) 线性调频连续波雷达发射信号的调频时宽远大于信号传输时延，而且发射机与接收机可以同时工作，所以线性调频连续波雷达在距离上没有盲区；

(4) 由于线性调频连续波雷达采用超大时带积信号，其持续时间在毫秒量级，相对于同样信号电平和信号带宽的脉冲信号，其具有更大的能量，所以可以得到更强的雷达检测性能；

(5) 基于快速傅里叶变换(FFT)的算法，能够对线性调频连续波雷达系统的差拍回波的频率信息进行分析，从而可以比较容易地得到目标的距离信息；

(6) 线性调频连续波雷达信号的发射能量通过大时宽来获得，因此对发射峰值功率[2]要求比较低，从而发射机工作电压要求相对较低，降低了发射机的制造难度，进一步降低了成本。同时雷达更加容易固态化，机动性好，能较好地适应复杂和恶劣的环境，利于在工程上的实现。

1 线性调频连续波雷达测距原理

雷达发射机发射锯齿波调频信号，扫频初始频率为f0，调制周期为Tm，调制带宽为β，调频信号在t=0时刻开始扫频，由图1所示发射信号的频率表示如下[3]：

fT(t)=f0+K(t-nTm),nTm≤t≤(n+1)Tm

(1)

图1 锯齿波LFMCW信号的频率-时间曲线

单个周期的线性调频连续波雷达发射信号表示如下：

sr(t)=Acos(2πfTt+θ0)=

(2)

式中：f0为调制信号的初始频率；θ0为调制信号的初始相位；A为调制信号的幅度。

发射信号经天线发射出去遇到目标后形成目标回波信号，目标回波信号和发射机直接耦合过来的信号在接收机混频器内混频。2个信号波形相同，回波信号相对于发射信号在时间上有一个延迟τ，由图1所示回波信号的频率为：

fR(t)=f0+K(t-τ-nTm),nTm+τ≤

t≤(n+1)Tm+τ,n=0,1,2,…

(3)

单个周期的回波信号可表示为：

sR(t)=sr(t-τ)=d1Acos(2πf0(t-τ)+

(4)

式中：d1为空间传播衰减系数。

回波信号与发射信号通过混频器混频再滤去高频项后，得到差拍回波信号sD(t)可表示为:

τ≤t≤Tm

(5)

式中：d2为混频增益。

则差拍信号的瞬时频率为：

(6)

目标信号的时延τ可由下式表示：

(7)

式中：R为目标相对于雷达的距离；c为光速。

由式(6)和式(7)，目标距离可以表示如下:

(8)

由上式可知，在确定的调制带宽B和调制周期Tm的情况下，目标距离R与差拍信号的频率fD成线形比例关系，因此只要检测到差拍回波信号的频率值即可计算出目标的距离值。

2 基于FPGA的线性调频连续波雷达信号处理算法

本文根据线性调频连续波雷达的基本原理，设计了线性调频连续波雷达信号处理系统的基本流程，然后结合FPGA处理器，进一步设计了模/数转换(ADC)、加窗快速傅里叶变换(FFT)运算、求幅度值、非相参积累、距离单元恒虚警等FPGA信号处理模块，下面对各个线性调频连续波雷达信号处理模块的功能进行具体分析。

由图2所示,整个线性调频连续波雷达信号处理系统由5个子处理模块组成：

(1) ADC模块。ADC模块完成线性调频连续波雷达差拍信号数字化的转换。

(2) FFT运算模块。FFT运算模块是整个线性调频连续波雷达信号处理系统的重要组成部分,用于实现差拍回波信号数据由时域到频域的转换,本设计中，FFT运算模块中的FFT点数为8 192，先对差拍信号数据进行汉宁加窗处理，再通过Quartus中的具有FFT功能的IP核,对可用采样时间内的采样单元数据进行FFT运算。

(3) 求幅度值模块。求幅度值模块完成差拍信号频域幅度的求解功能。对FFT运算后的差拍实部信号和虚部信号进行求幅度值处理。

(4) 非相参积累模块。非相参积累模块实现目标谱峰检测的功能。本设计中对5个重复周期的差拍回波的求幅度值模块的输出数据，根据距离单元进行数据重排，然后对同一距离单元的5个数据进行累加并求平均，最后将平均后的数据输出至距离单元恒虚警模块。

(5) 距离单元恒虚警模块。距离单元恒虚警模块进一步完成目标谱峰的检测，去除虚警。本设计中采用单元平均选大恒虚警率(CFAR)的方法，即在被检测单元两侧各选16个单元，分别求这16个单元的均值，两者选大后输出，乘以门限系数作为自适应门限值。其主要利用相邻距离方位单元相对均匀背景的相似杂波特性,通过两边相邻单元回波数据平均求取杂波的平均值选大构造检测门限,进而实现目标检测。为了避免目标本身对门限的影响，防止扩散到峰值附近单元的信号被当作杂波抑制掉，被检测单元两侧各空出一个单元，从而实现了对目标的浮动门限检测处理，能够大大降低虚警率。输出谱峰数据，用于目标距离的计算。

3 仿真与结果分析

本设计采用Altera公司StratixⅡ系列的FPGA器件EP2S90,来实现线性调频连续波雷达信号处理的设计。在AD前灌入1 MHz的差拍信号，使用Quartus调试工具逻辑分析仪SignalTapⅡ来观测FPGA硬件实现结果，其中经过信号处理前后，运用SignalTapⅡ观测到的信号波形如图3所示。

图3 LFMCW雷达差拍信号处理结果

SignalTapⅡ逻辑分析仪的观测时钟为20 MHz，其中serial_top:inst∣MP_IN为信号处理主脉冲，serial_top:inst∣REAL_IN为差拍信号，serial_top:inst∣BKG_result[14∶0]为信号处理背景视频输出结果，serial_top:inst∣BKG_valid为信号处理背景视频输出结果有效，serial_top:inst∣VIDEO_result[14∶0]为信号处理视频输出结果，serial_top:inst∣VIDEO_valid为信号处理输出结果有效。可以看出，信号处理输出了正确的频率信息，并符合设计要求。

4 结束语

本文对线性调频连续波雷达信号处理算法进行了研究，针对研究对象和设计目标进行了较深入的分析比较，确定了线性调频连续波雷达信号处理方案。采用Altera公司的StratixⅡ系列FPGA器件EP2S90,实现了线性调频连续波雷达信号处理算法,在做实时信号处理时,该设计能够优化信号处理硬件资源,同时具有较好的运算速度，符合实际应用要求,同时比较容易实现,在实际工程中的运用价值比较高。