毫米波相控阵雷达检测算法与硬件实现

马琪

摘要：毫米波相控阵雷达具有高距离分辨率、低成本、低功耗和无近距离盲区等优点。本文提出了一种毫米波相控阵雷达检测算法与硬件实现方案，实现了相控阵雷达接收数字波束合成，利用雷达回波调频段与非调频段信号谱分析实现目标距离速度解耦合，并完成了目标的测角、跟踪功能。

关键词：毫米波相控阵雷达;接收数字波束合成;距离速度解耦合

中图分类号：TN958.92 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2019）04-0080-02

0 引言

毫米线性调频连续波（FMCW）雷达是一种通过对连续波进行频率调制来获得距离与速度信息的雷达体制[1]， 它的优点在于结构简单、体积小、重量轻;距离分辨力高;不存在距离盲区[2];而且在小型战术毫米波相控阵雷达中，低成本、更高频段，数字化与可扩展是推动相控阵天线集成技术发展的主要动力。随着RF-BiCMOS技术的发展，天线集成阵列结构的全雷达功能芯片（包括T/R组件与数字处理）的单芯片雷达：单片一体化相控阵系统已成为可能，这为当前发展战术毫米波相控阵雷达的重要途径。

1 算法原理

本文提出一种相控阵毫米波雷达信号处理方案，信号处理模块主要完成方位、俯仰通道的数字波束合成，多个波束信号的调频去斜处理、相参积累以及目标的检测与跟踪处理。能够对调频波三角波信号上升段和下降段分别去斜处理，实现目标距离和速度的解耦合处理;具备目标距离、速度高精度估计能力。连续波信号距离谱分析功能采用FFT算法对每个接收波束的去斜后回波信号进行频谱分析，得到頻谱结果后利用调频连续波的频谱距离变换关系计算出目标的距离，信号处理流程如图1所示。

方位、俯仰接收波束数字合成，主要实现方位、俯仰接收波束的同时多波束数字合成。方位需要同时合成45个接收波束，俯仰需要同时合成17个接收波束。方位和俯仰分别输入48个接收单元的通道IQ信号，采用通道幅度相位加权方法来合成不同指向的和路接收波束。可以同时实现多通道之间的幅相误差校正功能。

连续波信号距离谱分析功能采用FFT算法对每个接收波束的去斜后回波信号进行频谱分析[3]，得到频谱结果后利用调频连续波的频谱距离变换关系计算出目标的距离。

调频连续波对于运动目标会有距离速度耦合问题。使用三角波调频信号的正斜率段和负斜率段信号配合解距离速度耦合时，对于多目标会有目标之间的配对问题，从而产生虚假目标。为了去除虚假目标，可以利用连续波信号非调频段信号谱分析功能中得到的目标速度去除虚假目标。对于配对算法产生的多个目标，真实目标的输出速度和虚假目标的输出速度是不同的，而利用非调频段回波信号进行谱分析得到的真实目标速度进行匹配筛选，就可以剔除具有不同速度的虚假目标，从而得到真实目标，处理流程如图2。

对于目标检测要求，利用接收机的AGC数据，与目标的距离、速度和回波幅度等参数相配合，建立不同口径目标的回波数据库，对回波中检测到的目标信号进行数据库检索，来剔除不需要的目标类型，保留需要关心的目标。使用αβ滤波器来进行目标的距离跟踪，来保证目标的测距精度。

目标差波束数字合成与测角功能，对于在接收和波束中检测到的目标，在对应的接收波束方向，对接收通道回波信号利用数字合成方法产生接收差波束，采用和差法进行目标测角，从而保证目标的测角精度。

对于俯仰支路的处理，当方位支路检测到目标后，对于该目标进行俯仰支路的差波束测角，俯仰支路测出目标俯仰角后，与方位支路的目标融合后，将目标参数输出。

2 算法硬件实现

信号处理硬件模块采用技术比较成熟的FPGA+DSP架构实现。其中FPGA用于计算量大，数据规整的算法;DSP用于计算量略小，需要较灵活的处理的算法。信号处理板框图如图4。

每个信号处理板上集成2片TMS320C6678和2片XC7VX690T。其中，以1片FPGA和1片DSP为一个模块完成方位波束合成、距离谱分析、距离速度解耦合、目标检测距离跟踪、差波束测角，1片FPGA和1片DSP为一个模块完成俯仰波束合成、距离谱分析、差波束测角、目标融合输出。具体硬件设计如图3。由于算法中数字波束合成部分需要大量的乘法器、加法器、RAM资源、FFT谱分析需要大量的DSP资源、RAM资源， DSP进行少量的距离速度解耦合运算，所以选用了Xilinx含有大容量片内RAM和硬件乘法器和DSP资源的V7系列的XC7V690T芯片，该FPGA芯片3600个DSP slice，内部RAM达到68Mb，逻辑单元数达到了1955K，完全能满足算法的实现，并能利用剩余资源放置其他运算单元和控制模块，基本实现了单片的系统集成化设计。

3 结语

本文提出了一种毫米波相控阵雷达检测算法与硬件实现方案，实现了相控阵雷达接收数字波束合成，利用雷达回波非调频段谱分析解出目标速度，结合调频段回波谱分析完成目标距离速度耦合问题，并完成了目标的测角、跟踪功能。

参考文献

[1] 朱江，董健，王雪松.相参FMCW导航雷达方案设计与信号仿真[J].现代电子技术，2014.（19）：1-5.

[2] 艾俊轶.毫米波高精度测距雷达信号处理及实现[D].成都：电子科技大学信号与信息处理，2006.

[3] 宋玮.FMCW 雷达测距精度及其信号处理技术的研究[D].南京：南京理工大学通信与信息系统，2004.