基于FPGA的低成本安防雷達設計

FPGA技術江湖 2024-03-21 07:07

高性能SGT MOS產品，保障BMS高效可靠運行 測試中斷？接觸漂移？5 道題找到根因

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概述

近年隨著無人機行業的興起，微型無人機被應用于農業生產、電力軌道巡線、搜救行動、快遞運輸和影視攝像等多個領域。由于對無人機的巨大需求，無人機的銷售量正在旺盛增長。在2016年全球消費級的無人機市場的消費額達到72億元人民幣，根據對統計數據的分析估計，在2017-2022年，反無人機市場的消費額將以每年約23.89%的速度增長。

對于無人機井噴式的發展，雖然我國正在通過法律法規來進行管理和規范，但對于確實存在黑飛目標，卻難以及時的偵測和管制，從而帶來很多隱患。例如在無人機上搭載攝像頭、麥克風，就可以對特定目標進行竊聽和偷窺。當無人機在機場和大型集會場所等限飛區域飛行時，極有可能對群眾的生命財產安全造成威脅。近年來這些事件也在頻頻發生，如2017年4月中國成都雙流機場黑飛的無人機造成航班延誤、備降甚至返航；2016年4月，英國航空公司一架從日內瓦飛往倫敦希思羅國際機場的727航班就被一架無人機撞上了，雖未造成任何損傷，但被認為是嚴重民航事故。此外北京首都機場，重慶江北機場，法國巴黎機場等都發生過黑飛干擾飛行的事件。

面對眼前黑飛現象，必須要有一定的手段去偵測，鑒定和反制。隨著軍民融合的政策，可以將之前用于軍事用途的雷達技術，用于去偵測空中的低慢小目標（主要為民用的消費級無人機）。此類裝備可以部署在軍營，涉密研究所，機場，大型集會場所等敏感地區，用來偵測空中飛行的無人機，而后就可以使用撒網或者電磁干擾等手段對其進行反制，來及時阻止黑飛的無人機，從而可以防止機密泄露及群眾生命財產安全受到威脅。該裝備應當具有體積小，重量輕，可靠性高，成本低，盲區小，無速度盲點，高距離分辨率等特點。

主要創新點

從國內外的公開信息來看，小功率雷達已有較多研制成功的先例，但是由于大多源于軍工的用途，所以成本相對高昂（報價動輒上百萬元），且體積和重量較大，攜帶和架設不方便。另有小型民營企業開發的近距離安防雷達，采用線性調頻連續波體制，成本較為低廉，但探測距離在200m以內。而在民用安防雷達領域，需要在成本和性能之間做一個合適折中，并且除了小功率外，還需要像單兵雷達一樣便于攜帶和安裝。

作品首先的優勢在于體積小，重量輕，便于攜帶，通常情況下只需使用普通的雙肩背包便可裝下。在外場環境架設時也十分方便，由于重量輕，所以只需要使用普通的相機三角架便可完成架設，且架設過程就如同架設相機一般簡單。

其次作品具有很高的性價比，天線采用微帶天線，不需要高額精密的機械加工；T/R組件的射頻通道采用通用設計，全固態，沒有使用昂貴的大功率射頻模塊；信號處理的核心單元為ZYNQ7100，為xilinx主流的Soc器件。在性能方面，對于較為常用且截面積較小的大疆精靈系列無人機，探測距離可以達到1km以上，相對于極為低廉的安防雷達，具有較好的探測和預警能力。

系統架構

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：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個射頻收發通道和1個收發校正通道。FPGA主要實現整機時序控制、波形產生、幅相校正、DBF、脈壓等功能，最終的FPGA數據通過千兆以太網輸出。

圖3-4?C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，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據或中間處理結果。

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

	技術參數
	接收通道	發射通道
頻率要求	5500MHz	5500MHz
最大增益	20dB	45dB
輸出功率	-10dBm	27dBm
隔離度	54dB

根據框圖中的指標設計鏈路如下:

圖3-4?收發鏈路方案設計圖

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?發射鏈路仿真圖

由上圖可以看出，接收通道噪聲系數3.6dB，總體增益大約19.2dB。發射鏈路中，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 收發通道校準

由于雷達收發信號為IQ信號，所以校準因子也就是一個復數的因子，也就是說校準過程也就是一個復數乘法的的過程。由于接收校準和發射校準只是數據流的方向相反，所以下面的介紹只以發射校準為例。
????在校準模塊內部，每一路發射通道的IQ數據被送入一個復數乘法器，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?發射校準模塊

2.2 數字波束形成

數字波束合成分為發射數字波束合成和接收數字波束合成兩個部分。

發射數字波束合成是對發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進行復乘。權值系數總共9組，每一組對應一個波位，循環使用這9組權值系數，就可以完成波束的掃描，也就實現了相控陣的功能。其結構如下下圖。

圖3-8?發射數字波束合成

接收數字波束合成是對接收校準模塊輸入數據進行加權運算，對12路接收數據同時進行兩組加權運算，得到2路的數據輸出，每一路數據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。接收數字波束合成模塊的工作方式及流程與發射數字波束合成大體上相同，不同的是接收數字波束合成模塊具有18組權值系統，每2組構成同時工作的一對，即總共有9對權值系數。其結構與發射數字波束合成相似。

2.3 脈沖壓縮

因為發射數據為線性調頻信號，所以數據接收回來后，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，每一包數據具有1000個點，約10us的脈寬有100點的脈壓系數。因為點數較多，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。輸入數據首先做一個1024點的FFT，將數據變到頻域，然后與頻域的脈壓系數進行點乘（頻域的脈壓系數是事先將時域脈壓系數做1024點FFT得到的），計算結果就是脈壓后頻域的數據，最后將計算結果輸入到1024點逆FFT的核中，得到時域的數據。結構如下圖。

圖3-9?脈沖壓縮模塊

3 上位機數據處理（目標跟蹤算法）

圖3-10?目標聚類和跟蹤算法的實現流程

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，都需要將其與現存的軌跡進行匹配，綜合考慮目標尺寸變化問題，匹配規則如下:

式中

分別為預測軌跡位置、聚類結果位置和關聯半徑，

分別為目標的X、Y向尺寸，

為尺寸權系數。只要聚類結果落在以軌跡預測位置為中心的半徑為關聯半徑的圓內，即認為該聚類結果關聯至該軌跡。

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；若某條軌跡本幀內未被關聯，則按照預測結果填補本幀結果，并開始失配計數，若直至達到失配閾值，也沒有新的聚類結果被關聯至該軌跡，這條軌跡將被刪除；若某個聚類結果未被關聯至任何軌跡，則本次將新建一條軌跡，并開始激活計數，直至激活計數值大于激活閾值，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，只需按照特定的數據協議通過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據保存在電腦中，測試后再由MATLAB對保存數據進行分析、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，作為今后無人機探測模式去使用。下圖為測試環境的照片。

圖4-1 雷達現場測試環境

2.測試結果

通過上位機軟件，可以看到無人機連續的航跡，無人機從飛出盲區直到最遠飛行距離都可以連續跟蹤。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，航跡連續。

圖4-2?建立航跡和連續追蹤

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化上位機的算法，在建立航跡時可以去除掉。