24 GHz MIMO FMCW雷达实验平台的设计与实现

朱熙铖，王玲玲，张盼盼，林乐宵，叶 颖，张永鑫

（1.南京信息工程大学电子与信息工程学院，南京 210044；2.南京邮电大学电子与光学工程学院，南京 210003）

0 引言

雷达［1］在军事应用领域有着重要的位置，如预警探测、搜索警戒、战地监视、火控引导等应用；在民用领域也有着广泛的应用，如遥感测绘、气象探测、航空管制、人体成像等。由于雷达在军民领域有着广泛的应用，国内部分大中专院校开设了雷达原理等相关课程［2-4］。受限于传统雷达设备价格昂贵、体积庞大等因素，大中专院校雷达原理等课程的教学内容更多偏向于理论教学和软件仿真，教学过程中较少涉及基于实际雷达系统的相关实验［4-5］。

近年来，随着微电子工艺的迅猛发展以及24 GHz车载雷达市场的高速增长，24 GHz射频收发信机芯片的集成度越来越高且芯片价格大幅下降。以此为契机，南京信息工程大学和南京邮电大学共同开发完成了一个低成本、小尺寸的24 GHz 多发多收（Multiple Input Multiple Output，MIMO）调频连续波（Frequency Modulation Continuous Wave，FMCW）雷达实验平台，可作为大专中院校雷达原理等课程中相关实验的支撑平台。本文介绍了FMCW 体制和MIMO 体制的基本原理，24 GHz MIMO FMCW雷达实验平台硬件系统和信号处理算法的设计和实现过程，最后给出了实验平台的实验过程及其结果。

1 MIMO FMCW雷达的工作原理

1.1 FMCW体制

FMCW雷达的调制波形有锯齿波、三角波、正弦调频波、平方律调频波等，其中锯齿波是目前应用最广泛调制波形之一。

如图1 所示，雷达的发射信号遇到目标发生反射，经时延tc后雷达接收到回波信号。由于时间延迟效应，发射信号和回波信号的频率之间存在差异，根据频率差异IF和目标距离R 之间的关系可得目标的距离信息：

式中：c为光速；B为扫描带宽；Tc为扫频周期。

当目标运动时，各周期中频信号的相位由于多普勒效应会发生周期变化。根据中频信号的相位变化规律得到目标的多普勒频率fd，可得目标的速度信息

式中：fc为雷达中心工作频率。

图1 FMCW雷达波形（锯齿波）

1.2 集中式MIMO体制

MIMO雷达是目前新体制雷达领域的研究热点之一。相比于单通道雷达，MIMO 雷达可明显增强抗截获能力，提高对微弱小目标的检测能力等优势［6-7］。集中式MIMO雷达利用虚拟阵列形成技术，可显著增加收发通道数目，从而提升雷达的角度分辨能力。如图2 所示，利用2 个发射通道和4 个接收通道，共可形成7 个虚拟接收通道，虚拟接收通道数目是实际接收通道数目的近2 倍。

图2 MIMO雷达（2T4R）虚拟收发通道形成示意图

多收发通道雷达系统的测角方法主要有数字波束形成方法和以MUSIC算法为代表的超分辨测向方法。数字波束形成的基本原理如下［7］：

式中：E（θ）为波束合成结果；WN为加权系数；XN为各阵列单元接收信号；EN为相位因子。

MUSIC算法的基本原理如下［8］：

式中：R为阵列信号的协方差矩阵；XN为各阵列单元接收信号；PMUSIC为空间谱估计结果；Us、Un为接收信号的信号子空间和噪声子空间；a（θ）为导引矢量。通过对PMUSIC进行谱峰搜索，可得到目标信号的角度信息。

2 雷达实验平台

图3 雷达实验平台的原理框图

如图3 所示，雷达实验平台主要由天线阵列、射频前端、雷达信号处理及控制等模块所组成。雷达实验平台的基本工作原理如下：由压控振荡器、锁相环等电路产生具有一定调制规律的连续波信号，经射频放大后由发射天线阵列辐射至自由空间。经目标反射后产生回波信号，回波信号由接收天线阵列接收后再经射频放大、混频、滤波、中频放大、模数转换等处理后，进而由雷达信号处理电路根据理论公式计算得到目标的距离、速度、角度等信息。

2.1 天线阵列

由于微带贴片天线具有低剖面、轻质量、易加工等优点，雷达实验平台采用微带贴片作为天线辐射单元，并结合串联馈电形式设计和实现天线阵列单元，天线阵列单元的性能参数：频段24～24.25 GHz；天线增益≥13 dB；波束形式，扇形波束；馈电形式，一维线阵，串馈；极化方式垂直线极化；波束垂直覆盖范围－45°～＋45°；波束垂直覆盖范围≤±10°；副瓣电平≤－15 dB；驻波比≤1.5；收发天线隔离≥20 dB。根据MIMO体制要求，天线阵列要求采用2 发4 收形式。为降低天线阵列单元间互耦作用的影响，在4 个接收天线单元的两侧各加了1 个伪天线（Dummy Antenna）。图4给出了收发天线阵列的实物照片。

图4 天线收发阵列

2.2 射频前端

射频前端主要由ADI公司的ADF5901、ADF4159，Infineon 公司的BGT24AR4 等雷达射频芯片组成。ADF5901 是一款24 GHz 单片微波集成电路（Monolithic Microwave Integrated Circuit，MMIC），片内集成24 GHz压控振荡器（Voltage Controlled Oscillator，VCO）和可编程增益放大器（Programmable Gain Amplifier，PGA），共有两个发射通道，每个发射通道都包含一个功率控制电路。ADF4159 是一款具有调制，以及快速和慢速波形产生能力的13 GHz小数N分频频率合成器，该器件使用25 位固定模数，提供次赫兹级频率分辨率。利用ADI 公司的ADF5901、ADF4159等芯片可实现雷达实验平台的2 路24～24.25 GHz的发射通道，且可支持多种雷达调制波形，包括：连续波、多频键控、三角波、锯齿波等波形，从而为雷达实验平台的通用性奠定技术基础。雷达发射通道的主要性能参数：频段24～24.25 GHz，核心芯片型号ADF5901、ADF4159，控制方式SPI，发射通道数2，调频线性度0.1%，最大输出功率10 dBm，输出功率可调范围10 dB，相位噪声－30 dBc／Hz ＠10 kHz。BGT24AR4 是一款24GHz功能高度集成的MMIC，内部集成了多个吉尔伯特正交下混频电路、PGA 电路。单片BGT24AR4 芯片可提供4 路接收通道，这极大地减小了雷达的尺寸和功耗，降低接收通道的设计难度。雷达接收通道的主要性能参数；频段24～24.25 GHz，核心芯片型号BGT24AR4，控制方式SPI，发射通道数4，噪声系数12 dB，灵敏度－100 dBm，增益范围16～47 dB，中频带宽～5 MHz，动态范围～70 dB。雷达射频前端实物如图5 所示。

图5 雷达射频前端

图6 雷达信号处理及控制

2.3 雷达信号处理及控制

雷达信号处理及控制以Xilinx Zynq-7020 为核心主控芯片［10］，该芯片基于Xilinx 的可扩展处理器平台架构（Extensible Processing Platform，EPP），将双核ARM Cortex-A9 处理器和FPGA 可编程逻辑单元集成在一颗单芯片中，从而构成所谓的PS（Processing System）和PL（Programmable Logic）的单芯片SoC解决方案，可实现优秀的性价比和最大的设计灵活性。其中，雷达信号处理由PL部分实现完成，可有效保障信号处理的实时性。雷达波形控制和时序同步等操作由PS部分来完成［11］，可有效地实现分工协作。最后实现的雷达信号处理及控制PCB板实物如图6 所示，其中集成了一个千兆网口用于和上位机交互信息，便于雷达实验平台的教学应用及后续开发。

具体的雷达信号处理过程如图7 所示。首先对4路由AD8285 采样所得接收通道的中频信号数据进行抽取运算，以降低处理器的运算量。随后，每一路中频信号将进行一维快速傅里叶变换（Fast Fourier Transform，FFT）计算得到目标的距离信息［12-13］。然后将一维FFT 所得数据再利用FFT 算法可得到目标的速度信息，在已知目标运动速度的情况下进行距离速度解耦合将得到目标的准确位置［14］。考虑到采用MIMO体制，将二维FFT 所得数据进行目标恒虚警（Constant False Alarm Rate，CFAR）检测，利用目标峰值点数据构成一个7 路收发通道的虚拟线阵，最终利用数字波束形成、超分辨等测角方法可获得目标的角度信息。最后，实验平台可输出目标的距离、速度、相对角度信息。

图7 雷达信号处理流程

3 实验结果与分析

雷达实验平台的实验是在微波暗室中完成的。微波暗室可有效屏蔽电磁信号，减少电磁干扰等的影响。雷达实验平台被放在测试转台上，在测试转台前方区域放置角反射器作为雷达测试目标，测试环境如图8所示。

图8 雷达实验平台测试环境

在本次实验中，雷达实验平台的工作参数设置如下：扫频带宽为100 MHz，扫频周期为100 μs，距离总库数为64，速度总库数为128，工作模式为时分MIMO体制［15］。图9 给出了雷达实验平台在微波暗室的测量结果。图9（a）给出了采样数据经一维FFT 处理后的运算结果，可得目标的距离信息为4.5 m，和实际距离相符。图9（b）给出了经二维FFT处理后的运算结果，可得目标的速度信息为0 m／s，和实际场景中测试目标是静止的相符。图9（c）、（d）分别给出了MISO（单发多收）体制和MIMO体制的数字波束形成结果，其中MISO 体制仅利用1 个发射通道和4 个接收通道，MIMO体制利用了2 个发射通道和4 个接收通道从而形成7 个虚拟收发通道。可以观察到基于MIMO体制所得的波束宽度明显小于MISO 体制的结果，且均能正确地指向目标方向+15°。图9（e）、（f）分别给出了MISO 体制和MIMO 体制的MUSIC 算法所得结果，均能正确地指向目标方向+15°，其中基于MIMO体制的结果具有更低的噪声。

4 结语

图9 雷达实验平台的测量结果

针对现有国内大专中院校雷达原理等课程教学工作中普遍缺乏相关实验内容的现状，本文介绍了一个24 GHz多发多收调频连续波雷达实验平台的设计与实现过程，并给出了实验过程及其实验结果。实验结果表明，该雷达实验平台可一定程度上解决教学过程中缺乏实验相关教学内容的问题，有助于加深师生对雷达工作原理的认识和提高学生的工程实践能力。且本雷达实验平台具有低成本、小尺寸等优点，在雷达原理等教学领域具有良好的推广潜力。后续将基于该雷达实验平台开发配套的参数配置及界面显示的上位机程序，从而更加便于在教学中使用。