如何實現(xiàn)基于FPGA的低成本安防雷達設計呢？

系統(tǒng)架構

1.硬件設計簡述

1.1 天線

1.1.1天線設計指標：

頻率：5.4-5.6GHz

相鄰陣元隔離度：不大于55dB

與校正通道耦合度：30dB

駐波：不大于1.2

陣元數(shù)：12

俯仰波束角：20°

水平波束角：10°

天線增益：21.8dB

1.1.2 天線仿真結果分析：

整個有源陣列天線尺寸為38×12cm，波束水平寬度約為10°，通過改變相移可實現(xiàn)波束掃描，即可覆蓋前方±45°范圍。

陣列天線的波束寬度理論上會隨波束指向角的變化而變化。下圖為12個陣元微帶天線不同指向角對應的波束寬度變化曲線。



圖3-1 12陣元理論波束寬度與角度關系

圖中可以看出，法線方向時，對應的波束寬度最窄，為9.236°，±45°時對應的波束寬度最大，為13.6°。



圖3-2天線結構圖

圖3-3天線3d俯仰面截圖與水平面截圖

1.2 雷達板卡

雷達板卡組成框圖如圖3.3所示。其中射頻綜合處理模塊包括了12個射頻收發(fā)通道和1個收發(fā)校正通道。

FPGA主要實現(xiàn)整機時序控制、波形產生、幅相校正、DBF、脈壓等功能，最終的FPGA數(shù)據(jù)通過千兆以太網輸出。



圖3-4C波段雷達板卡結構圖

射頻集成模塊采用無線電標桿產品AD9361。而每個芯片都集成了兩路12位的ADC和DAC用作收發(fā)，并且AD9361的每個通道均支持時分雙工和頻分雙工兩種模式。

千兆網用于上傳最終的處理結果，而光纖用于調試階段上傳更多的原始數(shù)據(jù)或中間處理結果。

其中本雷達的射頻前端主要指標如下表：

表3-1射頻前端指標表

根據(jù)框圖中的指標設計鏈路如下:



圖3-4收發(fā)鏈路方案設計圖

使用ADI的性能鏈路仿真軟件計算如下：



圖3-5接收鏈路仿真圖



圖3-6發(fā)射鏈路仿真圖

由上圖可以看出，接收通道噪聲系數(shù)3.6dB，總體增益大約19.2dB。發(fā)射鏈路中，仿真建立AD9361的輸出功率是-19dBm，鏈路增益增益45dB，最后輸出功率27dBm，達到預期目標。

2 基于ZYNQ的信號處理

2.1 收發(fā)通道校準

由于雷達收發(fā)信號為IQ信號，所以校準因子也就是一個復數(shù)的因子，也就是說校準過程也就是一個復數(shù)乘法的的過程。由于接收校準和發(fā)射校準只是數(shù)據(jù)流的方向相反，所以下面的介紹只以發(fā)射校準為例。

在校準模塊內部，每一路發(fā)射通道的IQ數(shù)據(jù)被送入一個復數(shù)乘法器，與之前存儲在模塊內部的校準因子相乘，并將計算結果送出，結構如圖。



圖3-7發(fā)射校準模塊

2.2 數(shù)字波束形成

數(shù)字波束合成分為發(fā)射數(shù)字波束合成和接收數(shù)字波束合成兩個部分。

發(fā)射數(shù)字波束合成是對發(fā)射校準模塊輸入的多路信號進行加權運算，運算方式是與權值系數(shù)進行復乘。權值系數(shù)總共9組，每一組對應一個波位，循環(huán)使用這9組權值系數(shù)，就可以完成波束的掃描，也就實現(xiàn)了相控陣的功能。其結構如下下圖。



圖3-8發(fā)射數(shù)字波束合成

接收數(shù)字波束合成是對接收校準模塊輸入數(shù)據(jù)進行加權運算，對12路接收數(shù)據(jù)同時進行兩組加權運算，得到2路的數(shù)據(jù)輸出，每一路數(shù)據(jù)對應當下波位內的一個波束，通過同一個波位內的兩個波束，可以完成比幅測角的運算。

接收數(shù)字波束合成模塊的工作方式及流程與發(fā)射數(shù)字波束合成大體上相同，不同的是接收數(shù)字波束合成模塊具有18組權值系統(tǒng)，每2組構成同時工作的一對，即總共有9對權值系數(shù)。其結構與發(fā)射數(shù)字波束合成相似。

2.3 脈沖壓縮

因為發(fā)射數(shù)據(jù)為線性調頻信號，所以數(shù)據(jù)接收回來后，需要進行脈沖壓縮處理。在脈沖重復周期100us，采樣率10M的情況下，每一包數(shù)據(jù)具有1000個點，約10us的脈寬有100點的脈壓系數(shù)。

因為點數(shù)較多，使用時域卷積的方式效率會比較低，因此選用頻域點乘方式。

輸入數(shù)據(jù)首先做一個1024點的FFT，將數(shù)據(jù)變到頻域，然后與頻域的脈壓系數(shù)進行點乘（頻域的脈壓系數(shù)是事先將時域脈壓系數(shù)做1024點FFT得到的），計算結果就是脈壓后頻域的數(shù)據(jù)，最后將計算結果輸入到1024點逆FFT的核中，得到時域的數(shù)據(jù)。

結構如下圖。



圖3-9脈沖壓縮模塊

3 上位機數(shù)據(jù)處理（目標跟蹤算法）

圖3-10目標聚類和跟蹤算法的實現(xiàn)流程

跟蹤算法輸入為聚類處理結果，采用卡爾曼濾波器完成目標跟蹤，跟蹤目標的X/Y坐標及X/Y向速度。

本應用中使用的是經典的卡爾曼跟蹤算法，采用的是恒速度模型，該算法較為成熟，在此不再贅述。

但匹配原則較為重要，簡述于下： 對于每個聚類結果，都需要將其與現(xiàn)存的軌跡進行匹配，綜合考慮目標尺寸變化問題，匹配規(guī)則如下:

? 式中分別為預測軌跡位置、聚類結果位置和關聯(lián)半徑，分別為目標的X、Y向尺寸，為尺寸權系數(shù)。只要聚類結果落在以軌跡預測位置為中心的半徑為關聯(lián)半徑的圓內，即認為該聚類結果關聯(lián)至該軌跡。

若多個聚類結果被匹配至同一軌跡，這些聚類結果將被合并至一點，再更新軌跡，包括該軌跡的所有狀態(tài)；若某條軌跡本幀內未被關聯(lián)，則按照預測結果填補本幀結果，并開始失配計數(shù)，若直至達到失配閾值，也沒有新的聚類結果被關聯(lián)至該軌跡，這條軌跡將被刪除；若某個聚類結果未被關聯(lián)至任何軌跡，則本次將新建一條軌跡，并開始激活計數(shù)，直至激活計數(shù)值大于激活閾值，這條軌跡將被激活，算作有效軌跡。

有效軌跡將被顯示至顯示屏，以供決策人員決策。 經過上述一系列算法處理之后，我們已經能夠成功檢測出目標并建立航跡，只需按照特定的數(shù)據(jù)協(xié)議通過udp傳送到顯控終端，由終端對航跡進行相應地繪制。

設計演示

1.測試方法

測試時使用大疆精靈4無人機（截面積0.01m2）做為測試目標，以城市環(huán)境為背景，將雷達架設在露天陽臺。無人機在飛手遙控下，從雷達架設點起飛，飛至遙控信號所能達到的最遠距離，然后返航（由于城市中電磁環(huán)境復雜，飛行器最遠飛行距離也不會超過1000m）。 無人機飛行時，通過上位機軟件觀察無人機飛行的點跡和航跡，同時將來自雷達前端的數(shù)據(jù)保存在電腦中，測試后再由MATLAB對保存數(shù)據(jù)進行分析、尋找問題，以此來提高雷達探測性能。

同時還要通過多次的重復實驗，來尋找設計中存在的漏洞。且雷達前端設計時參數(shù)靈活多變，可以在線更改，所以需要通過實驗找一組合適的雷達參數(shù)，作為今后無人機探測模式去使用。下圖為測試環(huán)境的照片。



圖4-1 雷達現(xiàn)場測試環(huán)境

2.測試結果

通過上位機軟件，可以看到無人機連續(xù)的航跡，無人機從飛出盲區(qū)直到最遠飛行距離都可以連續(xù)跟蹤。如下圖為無人機返航時的航跡，大約從960m無人機返航處開始建立航跡，直到飛入雷達盲區(qū)，航跡連續(xù)。



圖4-2建立航跡和連續(xù)追蹤

圖中除了無人機的航跡外，還有一些雜點存在，這是由于城市中電磁環(huán)境復雜，且有高樓這樣的強反射體的存在，導致有很大的地雜波。地雜波雖然本身為靜目標，但是由于相位噪聲的影響，會使大幅度的回波信號有著更大的起伏，最終導致MTD后靜目標從零通道擴散到其他多普勒通道。大部分雜點在此后通過優(yōu)化上位機的算法，在建立航跡時可以去除掉。

3.結果分析

因為雷達的探測距離超過了無人機最遠飛行距離，所以需要對現(xiàn)有測試條件的數(shù)據(jù)，進行分析和仿真，來計算出雷達對于小型無人機的最遠探測距離。



圖4-3雷達MTD結果顯示

上圖中為MTD的結果，最高的尖峰為無人機，X軸為距離，Y軸為無人機速度，Z軸為信號幅度。從圖中可以看出，無人機與雷達的距離為930m，速度為7.324m/s。通過計算求得目標在此距離下的信噪比為21dB。

由雷達方程知，目標信噪比與目標距離的四次方成反比，如下式。



其中k為比例常數(shù)，包含如天線增益、目標RCS等多種因素，在完整的雷達方程會被拆解成多項。通過上圖中的信噪比和目標距離，可以估算此環(huán)境下的k值，然后再代入上式，可得如下結果。



圖4-4信噪比與目標距離關系圖

以13dB信噪比作為雷達檢測門限，RCS為0.01的大疆精靈4探測距離可以達到1470m；RCS為0.2的小型無人機，探測距離可以達到3000；對于RCS為0.5的行人，探測距離可以達到3000m以上。

結論得出，是以一次較好的實驗效果為基礎，由此估計所得的雷達威力一定會偏高，在改變實驗條件或實驗環(huán)境更加惡劣時，不一定能達到所估算的威力。所以此次雷達威力的估計是一個較優(yōu)的值，而不是穩(wěn)定可以達到的值。 如果實驗環(huán)境改為電磁環(huán)境干凈，且較為空曠的野外，由于雜波干擾相對城市環(huán)境少很多，所以一定會得到更遠的探測距離。

審核編輯：劉清