商用低成本FMCW雷达测量小尺寸物体RCS可行性研究

李莎莎

(黑龙江工程学院,哈尔滨 150008)

0 引言

调频连续波(FMCW)雷达由于低功率的特性，在雷达技术的早期，大多只能在某些特定区域使用[1-2]。但是在过去的20年中，民用毫米波雷达组件甚至收发器已集成在单个芯片上,毫米波FMCW雷达被广泛用于工业和汽车领域中。

雷达截面(RCS)是物体自身的基本属性之一[3-4]。针对9 mm原始子弹模型的RCS长宽比变化的测量问题，采用普通商业雷达系统开展实验研究，并将实验结果与仿真结果进行比较，意义在于证明该领域的技术研究与开发并不一定只局限于专业的消声室或矢量网络分析仪。

1 基本原理

1.1 RCS测量原理

RCS测量的常规做法是使用VNA收集频域数据，并通过IFFT将其转换为时域数据[5-8]。文中使用中频(IF)段的同相正交(I/Q)复数数据，该数据来自商用FMCW雷达收发器芯片中内置的16位模数转换器(ADC)。在离线处理期间，此数据用于构建雷达数据立方体，并在时域做256点的FFT，计算范围轮廓[9]。在FFT中不使用零填充，也不使用截断。

RCS可表示为目标反向散射功率Pb与雷达透射功率Pt之比[10-11]：

(1)

由于电磁波的功率与其电场或磁场强度的平方成正比，式(1)被广泛写为[10,12]：

(2)

式中：R为雷达到目标的距离；Eb和Et分别为电场的反向散射和透射的复振幅。

1.2 校准RCS测量原理

采用普通的商用FMCW雷达系统测量RCS，反向散射的回波还要经历放大，本地振荡器的频率混合，IF信号的转换，ADC数字化处理几个附加过程。在这些过程中，尽管保留了有关距离和速度的信息，但在雷达上接收到的原始反向散射回波的幅度发生了较大的变化，如使用该数据进行后续的信号处理，式(2)将无法获得RCS的精确值。在种种情况下，相对校准的概念变得较为方便，目标的相对校准RCS可表示为：

(3)

式中：ET和E0分别为目标和参考目标(球体)的回波强度；σ0为参考目标(球体)RCS的理论计算值[12]。

2 系统设计

2.1 硬件设计

选用9 mm子弹模型，使用普通商用毫米波雷达系统作为硬件平台进行RCS测量。该FMCW雷达系统可在77～81 GHz频率范围内工作，子弹模型按图1中尺寸由通用铝加工而成。本实验在标准实验室中进行，子弹模型在0°～360°内以每10°增量依次暂停，悬挂的子弹模型如图2所示。

加工直径为15 mm的铝球作为本次研究的参考目标，其中球的直径对应于子弹模型的最大尺寸(长度)，如图3所示。选用的硬件配置主要参数为：带宽为4 GHz的FMCW线性调频雷达，线性调频频率为67 MHz，256点的ADC采样/调频，采样频率5 209 kHz以及128个频率周期。子弹模型放置在距离雷达76 cm处，以满足远场要求。

图3 Φ15 mm的参考球体和子弹模型

悬挂的子弹模型从0°旋转到360°，每增加10°进行一次测量，在每个测量角度位置获取3个雷达数据立方体的读数，并使用这些复数幅度的平均值来计算距离分布。将直径为15 mm的铝制参考球悬挂在相同位置，并通过与子弹模型相同的方法进行RCS测量。

2.2 参数设计

2.2.1 相对校准

半径为r的球体，RCS由10lg(πr2)计算得到，对于参考模型直径为15 mm的球体，可计算出RCS为-37.5 dBsm。在选定的79 GHz频率下，Dassault Systems的CST Studio Suite仿真系统软件,测得的仿真值是-37.2 dBsm。

接下来，通过实际雷达接收机的中频段同相正交(I/Q)复数数据计算参考球体的RCS。雷达发射功率为17 mW，经过参考球体反射得到反射回波，FFT处理后得到IF数据。通过式(2)计算出模型球体RCS为95 dBsm，此值与-37 dBsm的理论模拟值并不匹配，这是因为式(2)仅使用了散射和透射电场的幅度值。对于一般雷达系统而言，相对于系统的硬件规格，校准RCS更为准确和重要，且在应用过程中，需要考虑在信号调节和信号处理的各个阶段进行所有幅度的转换。

2.2.2 模拟频率

实验仿真阶段雷达参数为：带宽4 GHz，起始频率77 GHz，测量直径为15 mm参考球体的RCS以及测量子弹模型分别置于坐标系中绕z轴旋转90°和270°两个位置时的RCS。子弹模型在90°时反射最强，在270°时反射最弱。图4给出了仿真结果，从实验结果中不难发现，具有不同方向的子弹模型和参考球体仿真的RCS在77～81 GHz频率范围内几乎保持恒定。因此，后续实验在平均频率79 GHz条件下对子弹模型的RCS进行仿真以及实际测量，最后将仿真数据与实验测量结果进行比较。

图4 子弹模型和参考球体的仿真RCS

3 实验结果及分析

3.1 RCS测量实验结果

将子弹模型绕z轴进行旋转，在所有角度位置进行RCS测量。图5显示了在测量范围内模型位于100°时测量的RCS情况，其中0.76 m处的峰值与子弹模型相对应，y轴的值对应计算校准后的RCS取值。

图5 子弹模型位于z轴旋转100°方位校准后的RCS值

在FMCW雷达中，近距离天线耦合是普遍现象。增加距离会降低接收信号的信号强度，因此，0.76 m是实验中子弹放置的最佳距离。

图6表示了子弹模型位于180°时RCS的测量情况。实验中还需考虑室内环境中出现的来自屋顶、地板和墙面等反射带来的干扰，为了便于在合理范围内获取有效数据，在本次实验中，将距离门控限制为3 m。从图6可以看出，虽然设置了距离门控，但仍有类似的干扰回波出现。

图6 子弹模型位于z轴旋转180°方位时校准后的RCS值

图7绘制了相对于纵横角测量后的校准RCS，以及使用CST Studio Suite获得的相同弹头模型的仿真结果对比。

图7 实测RCS与仿真RCS数据对比图

3.2 实验结果分析

为了探索普通实验条件和商用雷达可被进一步开发研究的可能性，实验中并没有采用信号加窗、滤波以及实验测量数据的曲线拟合等处理。

由于子弹的特殊结构以及子弹的长度，当子弹从雷达侧面0°经过90°横向穿越到180°这一过程时，校准后的RCS十分重要。尽管子弹在90°处所构成的反射面积小于其位于0°和180°处所构成的反射面积，但由于子弹后脊的不连续性，位于90°时RCS最大。当子弹面对雷达时(270°)，其RCS最小，子弹的RCS约为45 dBsm。这是77 GHz商用FMCW系统最难完成的部分，但可以利用这部分的纵横比来评估不同商用雷达系统的参数，合理的在噪声中提高RCS值。

4 结 论

介绍了使用普通商用毫米波FMCW雷达收发器对9 mm子弹模型进行校准的RCS测量的应用研究结果。该研究意义在于揭示通过普通雷达系统也可解决此类具有挑战性问题的可能性，同时，确定了潜在的挑战以及可能面临的问题。探索了使用低成本商用系统在77～81 GHz频段上测量RCS的方法，为此类低成本雷达平台测量小尺寸物体RCS研究提供参考。