强杂波背景下FMCW雷达低小慢目标探测研究

薛卫东，王文军，秦 征，彭炳江，李百社，秦光明

(陕西长岭电子科技有限责任公司，陕西 宝鸡721006)

0 引言

随着复杂电磁环境下信息对抗技术的发展,雷达同时面临着截获概率降低和最大探测距离增加的双重考验。这对雷达从信号形式、采样速率、信号处理到终端显示都提出了更高的要求。

复杂海洋环境下的雷达回波处理给雷达信号处理工作带来了新的挑战。因此,提高雷达的抗干扰性能已成为雷达设计者面临的严峻任务[1]。调频连续波(Frequency Modulated Continuous Wave,FMCW)雷达在杂波背景下具有灵敏度高、距离盲区小、距离分辨率高、辐射功率小、体积小、成本低及能耗低等优点[2]。

在复杂的海洋环境下,对于低截获概率雷达来说连续波雷达是最佳的选择[3],同时,调频连续波雷达在近距离测量和低速目标的探测方面上具有显著优势[4]。当前,随着调频连续波雷达发射功率的进一步降低,其抗截获性能显著增强,已经具备了一定的射频隐身功能[5]。根据FMCW雷达的测量精度、量程及实时性等指标,通过对硬件前端和后端信号处理算法进行调整和优化,使其灵活性得到进一步增强,已经在民用和综合领域得到越来越广泛的应用[6]。

复杂海洋环境下的杂波抑制工作主要通过雷达信号处理来完成,通过相干积累和对消法的方法抑制海杂波[7]。信噪比的提高可以通过对干扰及噪声进行抑制、对目标信号进行积累[8]以及对数字下变频(Digital Downconverter,DDC)系数的优化来实现[9],但雷达回波信号的实时性有所降低,同时,各种对消处理算法的使用提高了抑制海杂波的能力,但降低了对弱小目标的探测能力。如何在复杂海洋环境下,既提高海杂波的抑制能力,又不影响针对低小慢目标的探测能力,对雷达信号处理工作提出了新的要求。

当前,解决上述问题的办法主要是通过选择合适的FMCW发射波形,同时采用相关的雷达信号处理算法以及海上回波的观测试验来获得最佳的回波性能。FMCW信号主要包括线性FMCW信号、三角波FMCW信号、正弦FMCW信号和平方律FMCW信号等[10]。

本文通过中频采样电路把模拟中频信号变成多路数字差分信号,再进行DDC、低通滤波和抽取,然后再对两路数字差分信号进行快速傅里叶变换(FFT)等信号处理。最后,选取适当的雷达参数,并通过动目标显示/自适应动目标显示(MTI/AMTI)处理、反异步处理、恒虚警及动态杂波图等信号处理算法的相互组合使用,进一步提高强杂波背景下针对近距离低小慢目标的探测能力。

1 系统原理分析

FMCW信号处理原理框图如图1所示,输入模拟中频信号,通过高速A/D采样电路输出差分数字中频信号,再完成DDC及FFT等信号处理。最后,将雷达数据包送上位机完成终端显示。

图1 FMCW信号处理原理框图Fig.1 Schematic block diagram of FMCW signal processing

线性调频信号的表达式如式(1)所示[11]:

(1)

式中:A为信号的幅度,rect(t/τ)为矩形函数,当 -τ/2≤t≤τ/2时,矩形函数值为1,t为其他值时为0。由实测数据绘制出的线性调频信号在功率为 -70 dBm的波形如图2所示。

图2 线性调频信号波形图Fig.2 Waveform of linear frequency modulation signal

在FMCW信号处理系统中,将接收到的回波信号与发射信号混频,并滤去其中的高频分量,得到的差频信号如式(2)所示[12]:

(2)

通过对接收到的中频差拍信号进行高速A/D采样及DDC,其采样频率fs与DDC数控振荡器(NCO)的输出频率fn应满足以下条件[13]:

(3)

fs≥2B。

(4)

选取适当的m值,当满足式(3)和式(4)时,两路数字中频信号就可以实现中频采样DDC。然后再完成FFT等信号处理工作。最后由式(2)可得差拍信号的频率以及雷达的作用距离如式(5)和式(6)所示:

fIF=Bτ/T=2BR/TC,

(5)

R=fIFTC/2B。

(6)

在该FMCW波信号处理系统中,对相同的调制周期,采用不同的调频带宽及FFT处理点数,从而实现对雷达最大作用距离、近距离小目标探测和提高雷达分辨率的均衡处理。

2 高速A/D采样电路设计

在本文设计中,先将中频模拟信号通过TC2-1T+变为差分信号,再送给AD9268实现两路差分信号的输入、16位差分信号输出。AD9268是一款双通道差分输入、16位差分输出、最高采样频率可以达到125 MHz的模数转换器。通过AD9268的串行外设接口(SPI)端口能够实现外部现场可编程门阵列(FPGA)对其相关参数的控制。AD9268具有通过低功耗模拟输入改善无杂散动态范围(Spurious-Free Dynamic Range,SFDR)性能,在高采样频率下仍能保持较好的信噪比(Signal to Noise Ratio,SNR)性能。

3 FMCW雷达信号处理算法设计

FMCW雷达信号处理算法设计由FMCW雷达信号处理流程设计和FMCW雷达信号处理算法实现组成,下面对FMCW雷达信号处理算法设计进行详细分析。

3.1 FMCW雷达信号处理流程设计

FMCW雷达信号处理流程设计如图3所示,该设计首先将AD采样后的16对差分信号送到FPGA中。该FPGA采用XILINX公司的Virtex-5,主要完成DDC、FFT处理及动目标检测(Moving Targets Detection,MTD)处理;再将FPGA处理后的数据依次送入数字信号处理器DPS1、DSP2、DSP4及DSP3中,该DSP芯片采用AD公司的高速实时数字信号处理芯片TS101;然后,将做完处理的雷达数据包信号由DSP3回送至FPGA;最后,由FPGA通过总线接口芯片PCI9054完成与上位机的各种通信及雷达数据包的上传工作。

图3 FMCW雷达信号处理流程Fig.3 Flowchart of FMCW radar signal processing

3.2 FMCW雷达信号处理算法实现

FMCW雷达信号处理算法由DSP1、DSP2、DSP3及DSP4实现。DSP1主要通过MTI/AMTI信号处理算法实现雨雪等气象杂波的抑制;DSP2主要通过反异步信号处理算法实现同频异步杂波信号的消除;DSP3主要通过恒虚警信号处理算法实现假回波和干扰信号的清除;DSP4主要通过动态杂波图信号处理算法实现海上慢速目标探测能力的提升。

同时,通过对MTI/AMTI处理、反异步处理、恒虚警及动态杂波图等DSP算法的相互组合,能够优化和提升复杂海洋环境下雷达回波的性能。

4 FMCW雷达信号处理实验与应用

4.1 FMCW雷达数据包及控制信息实验分析

如图4所示,在FPGA中应用在线逻辑分析仪能够很容易地看出经DSP算法处理后的雷达数据包及相关控制信息。

图4 雷达数据包和相关控制信息图Fig.4 Radar data packet and related control information diagram

通过实时观测的MTI/AMTI处理、反异步处理、恒虚警及动态杂波图等DSP算法处理后的回波效果,进一步调整相关算法参数,能够使雷达终端显示回波达到最优的状态。

4.2 强杂波背景下FMCW雷达低小慢目标的探测能力提升分析

在复杂海洋环境下,通过选取适当的雷达参数,同时对MTI/AMTI处理、反异步处理、恒虚警及动态杂波图等DSP算法的相互组合使用,能够提升针对强杂波背景下近距离小木船及海面漂浮的浮筒等低小慢目标的探测能力。从而为复杂海洋环境下FMCW雷达低小慢目标探测提供了一种新方法。

线性调频中频发射信号和接收回波信号分别如式(7)和式(8)所示[14]:

(7)

SR(t)=KST(t-τ),

(8)

式中:K和A0分别为常量,f0为线性调频中频发射信号的起始频率,τ为回波延迟时间。线性FMCW雷达选用的发射波形为锯齿波,发射波形、接收回波和发射周期时序如图5所示。

图5 发射波形、接收回波和发射周期时序图Fig.5 Time sequence diagram of transmission waveform, received echo and transmission period

图5中,f0为线性调频中频发射信号的起始频率,μ为线性调频中频发射信号的调频斜率,Bs为调频带宽,Ts为调频周期,τ为回波延迟时间,fb为差拍信号的频率,c0为光在真空介质中的传播速度。由上图可知,有效差拍信号的频率fb如式(9)所示[15]:

(9)

式中:有效时段内的差拍信号频率fb与回波延迟时间τ成正比,所以求得有效段内的差拍信号频率,即可得到目标的距离。

通过雷达作用距离的基本方程可知,雷达最大作用距离Rmax和雷达参数及目标特性之间的关系如式(10)所示:

(10)

式中:Pt为雷达发射功率,Gr为接收天线增益,Gt为发射天线增益,λ为雷达工作波长,σ为目标散射截面,Si min为最小可检测信号功率。

依据雷达检测目标的要求,能够确定所需的最小输出SNR (S/N)o min,这样就能够得到最小可检测信号Si min,其表达式如式(11)所示:

(11)

考虑到检测因子D0=(S/N)o min,将其代入式(11),最小可检测信号Si min可以进一步可以表示为:

Si min=KT0BnFnD0。

(12)

线性FMCW雷达通过处理增益,即BsTs来降低发射功率,Bs为线性FMCW雷达调频带宽,Ts为线性FMCW雷达调频周期,从而实现雷达的低截获性能。因此,雷达发射功率Pt可以进一步表示为:

(13)

(14)

通过雷达方程,在确知最大探测距离的条件下,能够计算出探测目标的有效反射面积。由式(14)可以得出目标的有效反射面积σ,计算如式(15)所示:

(15)

下面在确知最大探测距离为4 n mile的条件下,通过设置相关雷达参数,计算出相应探测目标的有效反射面积。

参数设置如下:

30lg(4π)+10lgK+10lgT0+10lgBn+10lgFn+

10lgGt-20lgλ-10lgBs-10lgTs=

30lg 4π+10lg(1.38×10-23)+10lg290+

10lg(6×106)+3.5+13+5+40lg(7 408)-

10lg2-25-25-10lg(3×108/1010)2-

10lg(9×107)-10lg(2 700×10-6)=

-3.340 6。

(16)

由式(16)可得:

σ=0.463 m2。

上述计算结果表明,在强杂波海洋环境下,通过选取适当的雷达参数及信号处理算法的组合应用,能够提升FMCW雷达针对近距离低小慢目标的探测能力,其优化和提升主要体现在以下两方面:

① 选取适当的雷达参数。在确知最大探测距离的条件下,对FMCW雷达能调整的雷达参数较少,主要有雷达发射功率、接收天线增益、发射天线增益、雷达工作波长、调频带宽及调频周期。受限于抗截获能力的需求,FMCW雷达发射功率几乎没有提升的可能。由于海上工作环境的限制,FMCW雷达接收天线和发射天线无法做得很大,天线增益很难提高。同时由于进一步降低发射频率会导致雨、雪、雾及海浪产生的气象效应,FMCW雷达发射频率没有大的下降空间,雷达工作波长增大受到限制。因此,在已知最大探测距离的条件下,调频带宽的提高是以收发前端复杂度和成本的快速上升为代价,同时,调频周期的增大将进一步影响雷达回波的实时性处理及终端显示。为了进一步提升针对低小慢目标的探测能力,只能在一定的工程范围内选取适当的调频带宽和调频周期。

② 信号处理算法的组合应用。在确知最大探测距离的条件下,对信号处理算法的组合应用能够从强杂波海洋环境下提取FMCW雷达低小慢目标,同时对其周围的杂波和干扰进行抑制。通过MTI/AMTI算法和平均选大恒虚警检测器(GO-CFAR)算法的组合应用,能够抑制低小慢目标周围的固定杂波;通过MTI/AMTI算法和动态杂波图算法的组合应用,能够抑制雨雪引起的气象杂波;通过反异步算法和动态杂波图算法的组合应用,能够抑制低小慢目标周围的电磁干扰信号。所以,信号处理算法的组合应用,能够使近距离低小慢目标的回波更具可观测性。

综上所述,通过选取适当的雷达参数及信号处理算法的组合应用,能够进一步提升FMCW雷达针对近距离低小慢目标的探测能力。

4.3 FMCW雷达信号处理应用

通过对FMCW雷达信号处理深入而详细的分析,其主要应用在以下方面:

① 复杂海况下,船只进出港的导航。随着港口周围建筑物的增多,港口环境异常复杂,雷达显示界面回波与杂波并存,甚至回波淹没在强杂波和干扰中,通过相关信号处理算法的组合使用,能够提升船只进出港的导航能力。

② 复杂电磁环境下,提升FMCW雷达的抗干扰性能。随着海上船只的增多,相同及相近频率的电磁波信号经常干扰FMCW雷达的正常工作,通过相关信号处理算法的组合使用,能够提升FMCW雷达的抗干扰性能。

③ 强杂波背景下,低小慢目标的探测。在复杂海洋环境下,特别是近距离条件下,小木船及海面漂浮的浮筒等低小慢目标严重影响着船只的航行安全,通过选取适当的雷达参数及信号处理算法,能够提升FMCW雷达针对近距离低小慢目标的探测能力。

5 结束语

FMCW雷达信号处理作为一种重要的信号处理方法,在雷达中发挥了重要的作用。通过选取适当的雷达参数,并对强杂波背景下FMCW雷达回波信号进行相关信号处理组合应用,能够优化和提升针对强杂波背景下近距离低小慢目标的探测能力。下一步将对远距离低小慢目标的探测能力进行提升设计,进而使FMCW雷达能够在复杂的海洋环境下具备更优的针对低小慢目标的探测能力。