摘要：随着我国的经济在快速的发展，社会在不断的进步，相较于传统防护手段，安防雷达具有全天候、全天时的主动预警功能，尤其在重要部位防护有广阔的应用前景。本文基于调频连续波工作体制的安防雷达，给出了安防雷达总体设计思路，并进行相关试验和验证。
关键词：安防雷达；工作体制；调频连续波；总体设计
引言
在主动安防领域，视频安防系统和红外安防系统等已成为安防技术防范系统中最为关键的子系统。但在特殊环境条件（如雾霾、雨、雪、黑夜和沙尘暴等）下应用时，其有效性和可靠性将极大地降低。针对此问题，连续波雷达作为解决方法之一被引入到了安防技术防范系统中。线性调频连线波（LinearFrequencyModulatedContinuousWave，LFMCW）雷达作为一种短距测量雷达系统，可对静态或动态目标的距离或速度进行有效测量。目前，LFMCW雷达一般应用于车载雷达，对行人的测量距离一般不超过50m，且在实际应用时受视场内背景杂波的影响较大。鉴于此，本文将LFMCW技术应用到了安防雷达设计中，根据安防雷达的实际应用场景提出了完整的系统设计方案，并对雷达硬件和数字信号处理算法进行了研发。此外，为满足实际应用需求，引入了MTI滤波、背景杂波去除、动态目标检测和背景自学习等技术到主动式安防雷达设计中。其中，背景杂波频谱图自学习方法为无监督机器学习算法在安防雷达设计中的一次重要尝试，可有效解决雷达系统在复杂多干扰背景下的应用问题。
1安防雷达技术体制
调频连续波雷达具有高距离分辨率，低功耗、无盲区、抗干扰能力强等特点。常用的调频方式主要有二种：LFMCW体制，FSK体制。FSK体制难以多目标检测，安防雷达系统中，采用LFMCW体制较多。
2安防雷达总体设计
2.1系统构成
根据安防雷达运行原理，设计出相应的安防雷达系统，该系统主要由数字信号处理模块、中频信号处理模块构成，其中，中频信号处理模块的功能十分丰富，并且已经相对较为完善，能够以定制的方式投入到应用当中。而数字处理模块中的功能由于涉及到的领域众多而存在较大的区别，特别是目前无线电技术迅猛发展，使该模块的功能与内容方面均产生了一定的影响。天线主要是由接收与发射两个部分，主要作用是针对射频信号进行接收与发射，在射频通道中，将中频发射信号中的上变频转变为信号的中频或者下频中，通过信号处理系统完成对FFT、MTI、GFAR、杂波图等功能，从而将雷达回波中所显示出的画面进行优化，该模块也因此成为了雷达系统中的关键部分。本文通过TMS320DSP平台与C语言技术进行研究。
2.2调制三角波信号产生
本系统采用三角波信号作为雷达的调制信号，射频前端内部集成ADF4158芯片锁相芯片，通过逻辑控制芯片配置ADF4158参数，产生某固定频率固定幅度的三角波。
2.3滤波放大模块方案设计
本系统滤波放大电路主要设计思想：（1）解决射频前端调频三角波的发射泄露；（2）对目标回波信号进行放大。滤波放大电路原理如图5所示。电路根据目标信号和发射泄露信号不同频率进行相应的滤波和放大。滤波电路设有可调数字电位器，可根据目标位置，来调整回波信号幅度增益，即在远距离目标信号较小时，增加信号增益，提高信号强度；近距离是信号较大时，信号增益减少，避免信号太强导致模/数转换器溢出。
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2.4系统应用
在实际应用过程中，雷达现场中存有一定面积的静态目标，为了对动态目标进行精准的检测，应利用雷达回波信号的方式，将动态目标从中分离出来。在本文设计的系统中，使用MTI滤波器的方式实现数字滤波，达到将静态滤波去除的目的。在经过数字滤波处理以后，在原有的雷达信号中仍然存在少数静态杂波的残留，同时还存在一些系统噪声、地面反射杂波等。在对动态目标进行检测的过程中，应将所有杂乱的背景回波彻底去除，以此来提升雷达系统使用的可靠性与有效性。对于不同的应用场景来说，背景杂波的类型也不尽相同，通常情况下，利用无监督学习法便能够主动获取到检测现场中的背景杂波。当背景杂波被学习完后，利用背差法使杂波中的频谱消除，然后对频谱的最大峰值与相应的相位差进行搜索，便能够获取到所要检测的动态目标以及相应的角度信息。
2.5软件部分的设计
本设计采取DSP+FPGA做处理器，采用FPGA做所有外设的接口，所有的DSP与外设之间都经过FPGA。FPGA的时序控制能力强，可以精确的控制时钟输出输入，将读取到的数据进行预处理之后，送给DSP进行处理，DSP信号处理流程入图6所示。在初始化阶段，FPGA和DSP会读取存储在非易失器件中的程序和数据，加载到芯片中并运行。系统运行的FIFO由FPGA生成，集成在FPGA中，不需要外部器件支持，简化电路，节约成本。在显示软件方面，开发了一个基于MFC的人机交互界面，该界面采用雷达与视频联动技术，便于用户操作和观察。
3安防雷达系统实验
对本文设计的系统功能进行验证时，通过建立动态目标测量系统的方式来完成，在实验过程中以人为测量对象，并且在道路的两侧设置了草地、楼房与树木等多种类型的目标。在本次实验中共计划分为两组进行：第一组的主要目标在于对固定距离、固定角度的行人进行测量；第二组的主要目标在于对不固定距离、不固定角度的行人进行测量。通过对第一组实验数据进行统计和分析后得知，雷达距离分辨率为0.8m、角度的分辨率为1.7°；通过第二组的实验数据分析可知，由于行人在雷达现场中采用迂回行走的方式，在系统对其进行跟踪测量以后，发现距离分辨率为3-73m范围内。另外，还能够说明在雷达检测的过程中，行人在运动的速度方面不具有稳定性、起伏较大，这主要是由于人们在行走的过程中，身体上的各个部分均处于不同速度的运动中，当出现加速度时，身体各个部位的反应程度不同，进而导致运动速度波动较大。本文在对设计系统的有效性进行检测以后，将检测结果与国内外相关雷达产品的技术指标进行对比分析，对比的对象分别为houston-rader公司与changxiangelee公司，在类型的选择上，前者为PD300，后者为CXELFMCWRadar；本文使用的类型为安防雷达，对比的内容分别为频段、测量距离、角度与速度，对比结果为：PD300雷达的频段为24GHz、测量距离为37m；角度为“NO”、速度为“NO”；CXELFMCWRadar雷达的频段为77GHz、测量距离为60m；角度为“Yes”、速度为“Yes”；安防雷达的频段为24GHz、测量距离为77m；角度为角度为“Yes”、速度为“Yes”；从上述对比分析中可知，本文所设计的雷达在综合测量指标方面更具优势。
结语
为满足安防领域对小型监视雷达的需要，本文基于LFMCW技术提出了一种主动式安防雷达。为实现LFMCW雷达在安防应用中的技术要求，引入了MTI滤波、背景杂波去除、动态目标检测和背景自学习等技术，并针对实际应用环境对其实现算法进行了优化，可实现单个目标的距离、方位、速度和路径的准确实时监测。其中，背景杂波频谱图无监督学习方法可有效降低复杂环境下的雷达虚警率，使主动式安防雷达系统具有较好的可用性。通过实验数据分析和雷达产品技术指标对比表明，本文所研发雷达相较于现有同类产品其整体性能更优，其中测量距离可达77m。
参考文献：
[1]吴昭.安防雷达信号处理的设计与实现[D].硕士论文：南京理工大学，2015：03-23.
[2]丁鹭飞，耿富录，陈建春.雷达原理[M].北京：电子工业出版社，2009：273-276.
论文作者:徐明飞
论文发表刊物:《基层建设》2019年第5期
论文发表时间:2019/5/7
标签：安防论文; 系统论文; 信号论文; 目标论文; 测量论文; 距离论文; 背景论文; 《基层建设》2019年第5期论文;