(1.成都信息工程大学 打算机学院，四川 成都610225；
2.长春理工大学空地激光通信技能国防重点学科实验室，吉林 长春130022)
基于调频连续波技能，给出了一种可用于海面孔标搜索监视的轻型雷达的系统设计方案。该方案采取AD9914产生高宽带、低杂散扫频旗子暗记，采取反射功率对消技能与高速、高精度模数转换芯片AD9467实现弱目标回波旗子暗记吸收。系统设计7大功能模块，模块间数据交流采取高速光纤接口，在提高系统电磁兼容特性的同时又便于在各种平台支配。实验结果表明，该系统能有效分辨临近目标，探测灵敏度知足设计哀求。
中图分类号： TN958.94
文献标识码：A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.2017.07.017
中文引用格式：方德闯，张磊，王录涛. FMCW搜索监视雷达系统设计[J].电子技能运用，2017，43(7)：67-69，73.
英文引用格式：Fang Dechuang，Zhang Lei，Wang Lutao. Design of FMCW radar for searching and surveillance[J].Application of Electronic Technique，2017，43(7)：67-69，73.
0 弁言
调频连续波(Frequency Modulated Continuous Wave，FMCW）雷达采取具有大时宽带宽积的连续波旗子暗记作为发射旗子暗记，吸收端采取成熟的Dechirp技能对回波旗子暗记进行处理。与脉冲雷达比较，不仅可显著提高间隔分辨率，而且发射功率小，不易被外界截获。FMCW雷达系统体积小、重量轻，易于实现各种无人机载、弹载、星载等平台的安装，因而在军用和民用上，如精密制导、区域监视、防灾减灾、地质勘测等领域得到了广泛运用。
近年来，随着固态微波技能与旗子暗记处理技能的发展， FMCW雷达技能在理论体系研究与运用上取得了诸多进展。在提高丈量精度上，提出了如补零FFT相位差法[1]、Rife测距法[2]和改进型ZFFT测距法[3]等新兴算法，在工程运用上对付制约FMCW雷达探测性能的关键成分(如射频泄露等问题)也涌现了对消处理等[4-6]一系列技能手段。目前，TERMA公司的SCANTER 5000和6000系列[7]雷达已能实现3 m~6 m的间隔分辨率；Kelvin Hughes公司的SharpEye系列能达到3 m~5 m的间隔分辨率[8-9]；而Aselsan公司的ALPER(Aselsan Low Power ECCM Radar)雷达，在发射功率范围为0.001~1 W的情形下，最高可间隔分辨率也可达到5 m[10]。海内调频连续波雷达研究虽然起步较晚，但随着研究投入的增加，在FMCW雷达关键技能，如发射旗子暗记线性度纠正与透露掌握、目标背景滋扰抑制、系统设计等方面取得了大量研究成果[11]。
针对海面孔标搜索监视运用需求，本文首先阐述了数字化固态FMCW雷达的详细设计方案，着重对付FMCW波形产生、回波吸收与Dechirp处理、数字频谱处理等关键技能进行了详细论述，末了给出了系统测试结果。
1 系统设计
FMCW搜索监视雷达的系统构成如图1所示。系统紧张由发射吸收天线、微波组件、波形产生组件、中频掌握模块、旗子暗记处理模块、数据存储模块和显示掌握终端七部分构成。
在图1中，波形产生组件在系统掌握旗子暗记驱动下，产生发射通道所需的FMCW中频旗子暗记、本地FMCW参考旗子暗记、系统同步参考时钟。微波组件由发射通道和吸收通道两部分构成。发射通道吸收波形产生组件产生的参考时钟和中频调频连续波发射旗子暗记，进行上变频处理与功率驱动输出给天线，作为系统高频FMCW发射旗子暗记；吸收通道对天线吸收的高频回波旗子暗记进行两级放大与Dechirp处理，输出用于目标搜索与监测用的仿照旗子暗记。中频掌握模块是系统事情的核心，用以产生系统事情时序、发射波形产生所需掌握旗子暗记。同时，中频掌握模块吸收Dechirp处理后的回波旗子暗记并进行数字化处理，并对处理后的回波旗子暗记打包通过光纤接口发送给数字处理模块与数据存储模块。数字处理模块通过光纤接口吸收数字化雷达回波旗子暗记，进行FFT、CFAR、间隔走动补偿等目标识别与跟踪处理，打算目标相对载机的空间方位等信息，通过光纤接口发送至数字显示掌握终端。
数字显示掌握终端，一方面产生雷达系统事情参数，掌握系统事情模式；另一壁吸收数字处理模块产生的目标信息，进行后期处理，并将目标信息动态地在屏幕上显示，包括目标的位置和方位信息的静态显示与感兴趣目标的跟踪预测结果两部分。
系统运行过程中，中频掌握模块、旗子暗记处理模块与数据存储模块之间数据交互采取FPGA吉比特高速串行收发轫口，数据处理模块与显示掌握终端间采取UDP网络协议进行数据通信。高速数据交流接口通信介质均采取光纤，以适应在不同载体的支配须要，同时提高整机的电磁兼容性。
2 系统发射与吸收前端设计
FMCW系统一样平常采取线性调频连续波旗子暗记(LFMCW)为发射旗子暗记，吸收端采取延迟后的LFMCW旗子暗记与回波旗子暗记进行Dechirp处理，得到目标的间隔、速率等信息。因此，LFMCW的带宽与线性度直接决定了系统间隔分辨率。目前产生LFMCW旗子暗记的办法紧张有两种：基于锁相环的频率合成(PLL)[12]技能与基于直接频率合成(DDS)[13]技能。PLL技能能够很好地捕捉和跟踪所须要的频率，体积小易于集成，但频率转换稳定韶光长，宽带的线性度难以担保；DDS技能可以在较宽频率范围内产生高精度、高分辨率、快捷的调频连续波旗子暗记[14]，但输出旗子暗记的相位噪声与杂散分量较高，需经由进一步的仿照滤波处理，以知足高精度丈量系统对旗子暗记源的低相位噪声、低杂散需求。系统设计较为繁芜，本钱较高。
本设计采取DDS加带通滤波技能产生LFMCW旗子暗记，构造示意图如图2所示。
在图2中，采取ADI公司高性能DDS芯片AD9914产生LFMCW旗子暗记。AD9914能够产生带宽高达1.4 GHz的扫频旗子暗记，宽带无杂散动态范围优于-52 dBc，在±500 kHz窄带范围内，无杂散动态范围可达-92 dBc以上。AD9914产生的LFMCW旗子暗记经带通滤波器BPF1进一步滤除杂散旗子暗记后，经放大器AMP1放大后与发射载波混频，混频后的旗子暗记通过带通滤波器BPF2去除高频分量后，再经功率放大器AMP2提升旗子暗记功率后，送入发射天线。
图3给出了系统吸收前端数据处理流程。回波旗子暗记经吸收天线吸收后送入吸收处理通道。在吸收通道中，回波旗子暗记首先经低噪放(AMP4)放大与带通滤波处理(BPF5)滤除带外滋扰，然后与本地LFMCW参考旗子暗记在混频器中进行Dechirp处理，经带通滤波(BPF6)后得到中频目标回波旗子暗记f_out。为肃清发射旗子暗记透露对系统吸收灵敏度的影响，采取反射功率对消技能，将衰减后的发射旗子暗记耦合到吸收通道并进行对消处理，从而提高系统弱目标回波旗子暗记的检测能力。
3 回波旗子暗记中频处理与目标检测
为提升弱旗子暗记检测能力，系统采取AD9467实现吸收中频回波旗子暗记的模数转换。AD9467仿照输入带宽达900 MHz，采样分辨率为16 bit，可知足远间隔弱目标旗子暗记的检测需求。AD9467输出数字中频回波旗子暗记在FPGA内下变频处理后得到基带旗子暗记。基带回波旗子暗记经抽取与同步处理后，利用高速串行数据传输接口打包发送至旗子暗记处理模块完成目标检测功能。
旗子暗记处理模块采取FPGA+DSP处理架构，实现旗子暗记的实时传输与处理。FPGA为Xilinx公司高性能FPGA——XC7K325T。FPGA首先调用内部高速通信IP核，实现波特率为3.125 Gb/s的基带回波数据吸收，吸收数据在FPGA外接DDR3 SDRAM中进行缓存后，再次被读入FPGA进行FFT处理与CFAR处理。DSP采取TI公司C66x系列 DSP芯片TMS320C6657，实现CFAR处理后目标旗子暗记的检测与特色信息提取。
4 测试结果剖析
在旗子暗记处理模块的FPGA中，设置采样率为30 MHz，采取ChipScope采集90 000点基带回波数据，存储后数据在MATLAB中重绘，得如图4(a)所示时域波形。目标为两艘中型货船，距雷达天线间隔分别为4海里与5海里。图4(b)为对图4(a)所示基带数据进行FFT变换得到的功率谱图。由于两目标雷达反射面积较大且相距较远，目标回波旗子暗记信噪比较高，因而功率谱图清晰可见。
图5为雷达终端显示的小目标检测结果。目标为两艘并排航行的小渔船，与雷达间隔为0.7海里，右侧为左侧局部放大图。从图5可知，本文设计的FMCW系统具有较高的间隔分辨率，能够有效分辨间隔附近的小型目标。
5 结论
本文采取模块化设计方法，给出了运用于海上目标搜索监视用的FMCW雷达的设计方案，对付发射LFMCW旗子暗记产生、弱旗子暗记吸收、回波信息处理等关键技能进行了详细论述。该系统射频旗子暗记收发、目标检测与显示组件采取高速光纤接口互连，极大方便了在各种平台的支配。实验验证结果表明，系统能够实现小弱目标的检测并具有较好的间隔分辨率，但在探测间隔的提升、杂波环境下的弱目标检测等方面仍存在不敷，需进一步优化以及对目标检测算法进行更深入的研究。
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