科学技术与工程

步进频雷达探测要求	数值
最大探测距离R_max	5 m
距离分辨率δ_R	0.083 m

步进频雷达探测要求	数值
最大探测距离R_max	5 m
距离分辨率δ_R	0.083 m

步进频信号参数	数值
扫频范围/MHz	200~2 000 MHz
初始频率f₀/MHz	200 MHz
等效带宽B/GHz	1.8 GHz
频率步进量Δf/MHz	2 MHz
脉冲发射时间T_p/μs	0.5 μs
脉冲重复周期T_r/μs	6.24 μs
子脉冲个数N	901
扫频时间NT_p/ms	5.62 ms

步进频信号参数	数值
扫频范围/MHz	200~2 000 MHz
初始频率f₀/MHz	200 MHz
等效带宽B/GHz	1.8 GHz
频率步进量Δf/MHz	2 MHz
脉冲发射时间T_p/μs	0.5 μs
脉冲重复周期T_r/μs	6.24 μs
子脉冲个数N	901
扫频时间NT_p/ms	5.62 ms

基于射频直采技术的步进频雷达收发系统设计

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郝婉瑞 ¹ , 谢跃雷 ¹^,²^,^*

科学技术与工程 | 论文·电子技术、通信技术 2025,25(3): 1117-1124

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科学技术与工程 | 论文·电子技术、通信技术 2025, 25(3): 1117-1124

基于射频直采技术的步进频雷达收发系统设计

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郝婉瑞¹, 谢跃雷¹^,²^,^*

作者信息

1.桂林电子科技大学信息与通信学院, 桂林 541004

2.南宁桂电电子科技研究院有限公司, 桂林 541004

郝婉瑞(1998—),女,汉族,山西运城人,硕士研究生。研究方向:探地雷达。E-mail:hwr19816@163.com。

通讯作者:

^* 谢跃雷(1975—),男,汉族,河北邯郸人,硕士,教授。研究方向:通信信号处理、阵列信号处理及信号处理的VISL设计实现。E-mail:ylx@guet.edu.cn。

Design of Stepped-frequency Radar Transceiver System Based on RF Direct Sampling Technology

Wan-rui HAO¹, Yue-lei XIE¹^,²^,^*

Affiliations

1. School of Information and Communication Engineering, Guilin University of Electronic Technology, Guilin 541004, China

2. Nanning Guidian Electronic Technology Research Institute Co., Ltd., Guilin 541004, China

出版时间: 2025-01-28 doi: 10.12404/j.issn.1671-1815.2401052

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摘要

收起

针对步进频体制雷达发射信号子脉冲切换速度慢,收发信号相位不相干的问题,设计了一种基于射频直采技术的步进频雷达收发系统。该系统对C波段雷达信号进行射频直采,所有信号处理过程均在数字域进行,系统集成度高且功耗小;采用快速跳频方式产生步进频信号,在6 ms之内实现1.8 GHz带宽的扫频,系统工作频段为200~2 000 MHz,频率步长2 MHz,同时本系统中步进频信号的参数可根据探测要求更改。实验测试结果表明,该步进频雷达系统可以实现一维测距功能。

关键词

射频直采 / 步进频脉冲信号 / 雷达 / 快速跳频技术

Abstract

收起

A stepped-frequency radar transmission and reception system based on RF direct sampling technology was designed to address the issues of slow switching speed of sub pulses and incoherent phase of transmission and reception signals in stepped-frequency radar. This system performs RF direct acquisition of C-band radar signals, and all signal processing processes were carried out in the digital domain. It also had high integration and low power consumption. It was generated stepped-frequency signals by fast frequency hopping, frequency sweep of 1.8 GHz bandwidth within 7 ms was gotten. The system operates in the frequency range of 200~2 000 MHz with a frequency step of 2 MHz. At the same time, the parameters of the stepped-frequency signal in this system can be changed according to detection requirements. The test results show that the stepped-frequency radar system can achieve one-dimensional ranging function.

Key words

RF direct acquisition / stepped-frequency pulse signal / radar / fast frequency hopping technology

引用本文

郝婉瑞, 谢跃雷. 基于射频直采技术的步进频雷达收发系统设计. 科学技术与工程, 2025 , 25 (3) : 1117 -1124 . DOI: 10.12404/j.issn.1671-1815.2401052

Wan-rui HAO, Yue-lei XIE. Design of Stepped-frequency Radar Transceiver System Based on RF Direct Sampling Technology[J]. Science Technology and Engineering, 2025 , 25 (3) : 1117 -1124 . DOI: 10.12404/j.issn.1671-1815.2401052

正文

收起

步进频体制雷达可以在损失一定信号时长代价下,在频域中合成频率步进脉冲回波,以获得更宽的信号带宽,从而提高雷达分辨率,已广泛应用于国防、航空航天、商业等领域。步进频雷达优势在于:①降低雷达硬件实现的难度,步进频信号子脉冲的瞬时带宽非常窄,可以大大降低系统采样速率;②具有良好的数字可控性,可以通过软件更改步进频信号的参数,满足不同的探测需求^[1];③对信号处理要求低,对回波信号进行多脉冲相参合成处理,即可获得探测目标的高分辨一维距离像^[2]。文献[3]对步进频雷达的回波信号进行建模仿真,分析了步进频雷达的距离维和速度维的分辨能力,建立了扩展目标合成模型,验证了步进频雷达的可行性。文献[4]基于矢量网络分析仪,搭建了Ku波频段的步进频连续波干涉雷达,用于高铁车桥耦合振动监测,在20 Hz的采样频率下,对桥梁的自振频率和强振频率的频谱测量精度达0.1 Hz。文献[5]利用太赫兹矢量网络分析仪,构建了0.215~0.33 THz步进频雷达近场成像系统,完成了对实验目标的三维成像,横向分辨率2 mm×2 mm,距离分辨率≤3 mm。文献[6]利用AD9910作为频谱源基带信号,通过2次混频和时域拼接,实现了0.5~2.5 GHz频段超宽带步进频雷达信号源,具有分辨率高、频率切换速度快的优点。文献[7]基于FPGA(field programmable gate array)和DDS(direct digital synthesizer)芯片设计了VHF(very high frequency)频段步进频探地雷达系统的收发电路,频段范围60~180 MHz,频率步进长度2 MHz,实现了基本的测距功能。文献[8]通过FPGA控制PLL(phase-locked loop)芯片ADF4154,构成快速步进频信号,实现了0.5~2.5 GHz步进频雷达系统,通过实测的一维距离像验证了系统的整体性能。这些文献说明可以使用FPGA+射频芯片作为雷达硬件,发射和接收超宽带步进频信号,对空间中的目标进行有效探测。

1 步进频雷达工作原理

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步进频信号是一组工作频率以固定的频率步进量增加的子脉冲构成的脉冲串,如图1所示。令步进频信号子脉冲的脉冲发射时间为T_p,脉冲重复周期为T_r;步进频信号的起始频率为f₀,子脉冲个数为N,频率步进量为Δf,则步进频信号表达式为

(1)x(t)=Au(t-nT_r)exp[-j2π(f₀+nΔf)],n=0,1,…,N-1

式(1)中:A为子脉冲的信号幅度;u为复包络。

假设探测目标位于均匀无耗介质中,与天线之间的距离为d,反射系数为1,步进频发射信号经过发射天线向外辐射,经过探测目标的反射,被接收天线接收,则回波信号的表达式为

(2)y(t)=Au(t-nT_r-τ)exp[j2π(f₀+nΔf)×(t-τ)]

式(2)中:τ为回波信号延迟,τ=2d/c,c为光速。

将步进频发射信号作为本振信号与回波信号进行混频、滤波后,得到差拍信号,其表达式为

(3)s(t)=Au(t-nT_r-τ)exp[-j2π(f₀+nΔf)τ] (3)

再对式(3)进行逆傅里叶变换和归一化处理后,表达式为

(4)$\begin{aligned} H_{\mathrm{m}}= & \frac{1}{N} \exp \left(-\mathrm{j} 2 \pi f_{0} \tau\right) \times \\ & \exp \left[\mathrm{j} \frac{N-1}{2} \frac{2 \pi}{N}(1-N \Delta f \tau)\right] \times \\ & \frac{\sin \pi(1-N \Delta f \tau)}{\sin \frac{\pi}{N}(1-N \Delta f \tau)} \end{aligned}$

取H_m模值为

(5) |H_m|=

s i n π (1 - N Δ f τ) N s i n π N (1 - N Δ f τ)

脉冲峰值出现在

(6)m_k=NΔfτ±kN, k∈Z

令m₀=NΔfτ,则探测目标与天线之间的距离表达式为

(7)d=

c m 0 2 N Δ f

c (m 1 ± N) 2 N Δ f

c (m 2 ± 2 N) 2 N Δ f

,…

由此可见,回波信号经过逆傅里叶变换后得到的序列H_m的幅度反映了目标物体上强散射中心的雷达散射截面积在径向距离轴上的投影分布,即为探测目标的高分辨一维距离像^[3,9],距离分辨率δ_R=c/(2NΔf)。

2 步进频信号设计与仿真

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2.1 步进频雷达信号参数设计

步进频信号的主要参数有:扫频范围、脉冲发射时间、脉冲重复周期、频率步进量、频率切换时间等,综合雷达的探测要求和选取的硬件参数,设计步进频信号^[10]。

本文中设计的步进频探地雷达收发系统探测要求来自于《面向公路智慧养护的三维探地雷达关键技术研究与应用示范》项目,雷达的探测要求如表1所示。

根据雷达的最大探测距离R_max=(T_rc)/2,计算步进频信号的脉冲重复周期T_r,即

(8)T_r≥33.3 ns

根据雷达的距离分辨率δ_R=

c 2 N Δ f

c 2 B

,计算步进频信号的等效带宽B,即

(9)B=1.8 GHz

根据步进频信号相邻两个脉冲的相位差Δφ=2πΔf

2 R c

,计算步进频信号的频率步进量Δf,在Δφ<2π的前提下,才不会造成相位模糊,即

(10)Δf<30 MHz

根据脉冲发射时间计算步进频信号的脉冲发射时间T_p,即

(11)T_p≤1/Δf

根据步进频信号的等效带宽B和频率步进量Δf的关系B=NΔf,计算步进频信号的脉冲个数N,即

(12)N=B/Δf

结合雷达的探测要求,兼顾雷达的距离分辨率和对于浅层地表的穿透能力,最终确定步进频信号的参数如表2所示。

2.2 步进频信号仿真

根据表2中的参数仿真步进频信号,仿真结果如图2和图3所示,分别是步进频信号200~2 000 MHz频段的时域、频域仿真图。图2中由于频点数太多,仿真结果不直观,故截取前十个频点的时域仿真结果如图4所示,可以看到每个频点的发射时间非常短,在时域上是脉冲体制信号;如图3所示为步进频信号合成后的带宽,为1.8 GHz。如图5所示为步进频信号前十个频点的放大图,可以看出,步进频信号的每个子脉冲的瞬时带宽是非常窄的,所以对步进频回波信号的处理也是典型的窄带处理,步进频体制的信号降低了对雷达的发射机、接收机的硬件要求。

3 步进频雷达硬件构架

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雷达主控部分基于FPGA平台实现^[11],使用Xilinx公司的ZC706板卡,该板卡采用了Xilinx的Zynq-7000系列芯片,集成了FPGA和ARM Corter-A9处理器,支持硬件加速和协同处理;ZC706还具有丰富的外设和接口,包括第三代双倍速率同步动态随机存储器(double-data-rate 3 synchronous dynamic RAM,DDR3 SDRAM)、FPGA夹层接口(FPGA mezzanine card,FMC),供给用户存储程序或数据、扩展功能等。

射频模块使用国产射频板卡CX8242,该芯片是一款集成了14 bit、12 Gsps DAC和14 bit、3 Gsps ADC的双通道、宽带射频直采收发器芯片,支持10 MHz~6 GHz射频信号的直接采样和输出;发射通道的输出功率和接收通道的信号能量均可调节;支持快速跳频;集成JESD 204B接口,单条链路数据传输速率最高可达25 Gsps^[12-13]。使用CX8242用作步进频雷达信号的收发,可以满足步进频发射信号不同频点之间的快速切换以及雷达回波数据的实时传输,提高了雷达系统的用户集成度,降低了雷达整机功耗^[14]。

通过FMC接口连接ZC706与CX8242,组成步进频雷达硬件。步进频雷达收发系统结构如图6所示。系统的工作流程如下:系统上电后,由雷达收发时序控制模块对射频模块初始化单元、基带信号产生单元、跳频控制单元、雷达成像单元进行控制,以保证步进频收发信号的相参^[15]。

雷达收发时序控制单元首先控制其他单元进行复位操作^[16],复位完成后,射频模块初始化单元通过串行外设接口(serial peripheral interface,SPI)对射频芯片的寄存器进行读写操作,产生数字/模拟转换器(digital to analog converter,DAC)、模拟/数字转换器(analog to digital converter,ADC)采样时钟、配置抽值滤波/差值滤波器的参数、产生同步脉冲等;随后基带信号产生单元基于FPGA平台产生脉冲基带信号;跳频控制单元通过SPI接口对射频芯片发射通道的数控振荡器(numerically controlled oscillator,NCO)NCO0、接收通道的NCO1写入频率控制字,具体操作为:在0时刻写入步进频信号第一个子脉冲的频率控制字,在此后的脉冲发射间隔写入下一个频点的频率控制字,直至一轮扫频结束后,继续写入步进频信号第一个子脉冲的频率控制字,周而复始;雷达成像单元对射频板卡传输过来的回波数据进行成像处理,再送到计算机进行显示^[17]。

如图7所示,是步进频信号产生过程,首先,基带信号产生单元产生发射时间T_p=0.5 μs,重复周期T_r=6.24 μs的脉冲信号作为基带信号;射频模块发射通道的NCO0在同步脉冲上升沿到来时更新,并于基带信号进行混频、滤波后,产生步进频发射信号。

本系统中步进频信号的收发相参通过跳频控制模块实现^[18],基带信号通过JESD 204B接口传输到射频芯片的发射通道,在同步脉冲上升沿到来时,发射通道、接收通道的NCO同时更新,NCO0更新的信号作为载波信号与基带信号进行上变频操作后经过天线向外辐射;NCO1更新的信号作为相参本振,与接收到的回波信号进行下变频操作,再通过JESD 204B接口传输到成像模块^[19-20],进行脉冲压缩和快速傅里叶逆变换(inverse fast Fourier transform,IFFT)处理,从而得到探测目标的高分辨一维距离像^[21]。

如图8所示为步进频雷达收发系统对于回波信号的处理流程。

4 实测结果与分析

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4.1 步进频发射信号实测

基于ZC706和CX8242实现步进频雷达信号的收发,硬件组成如图9所示,其中①为ZC706硬件电路板、②为CX8242射频电路板、③为电磁屏蔽箱。将ZC706和CX8242之间通过FMC接口连接,整体放入屏蔽箱中^[11],屏蔽硬件电路带来的干扰,减少实验误差。屏蔽箱中设有电源接口、USB转接口和SMA转接口,可以外接电源为雷达系统供电、完成计算机和雷达系统之间的数据传输、引出雷达收发信号的接口,连接测量设备和天线。

在接通电源后,关闭屏蔽箱,通过SMA连接线将步进频雷达发射信号分别接入示波器和频谱仪,运行步进频雷达系统,得到如图10~图12所示的实测图。如图10、图11所示为示波器显示界面,移动示波器的两个光标a、b,示波器右上角即出现a、b处的时间信息及差值Δ,Δ即为光标a、b之间的时间间隔,以此来测量发射信号的脉冲发射时间、脉冲重复周期。如图10所示,光标a、b分别处于同一个子脉冲的发射起始处、发射结束处,Δ=500 ns,为脉冲发射时间,;如图11所示,光标a、b分别处于相邻子脉冲的发射起始处,Δ=6.240 μs,为脉冲重复周期。

如图12所示为频谱仪显示界面,选择频谱仪的光标Marker1、Marker2,移动Marker1至频谱图的起始频率、移动Marker2至频谱图的终止频率,Marker1、Marker2处的频率值在图12下半部分的表格中显示,分别为200 MHz、2 GHz,两个数据之差即为发射信号带宽为1.8 GHz。

根据图10~图12的测试结果得到结论:以ZC706和CX8242作为雷达硬件平台发射的步进频信号,其脉冲发射时间、脉冲重复周期、初始频率、终止频率、完成一轮扫频的等效带宽都符合表2中列出的步进频信号参数。

4.2 步进频雷达测距验证

使用SMA连接线将射频板卡的发射端和接收端接入200~2 000 MHz频段的天线上,在空旷地和微波暗室对处于不同距离的目标物进行实测,验证雷达的测距能力。图13为微波暗室的实测环境,将天线架在屏蔽箱和锡箔纸板中间,运行雷达系统,将锡箔纸板分别放置在距离天线0.5、1、1.5 m处的位置进行多次测量,并保存回波数据,再转移到空旷地进行实测。

雷达回波信号经过校准及去耦合波后^[22],得到的目标物一维距离像如图14、图15所示。如图14所示,在空旷地对距离天线0.5、1、1.5 m处锡箔纸板的探测结果分别为0.670 9、1.165、1.661 m;如图15所示,在微波暗室的探测结果分别为0.671 8、1.152、1.661 m。从这两个一维距离像可以看到,此系统对目标物的探测存在0.15~0.17 m左右的误差,误差成因可能为:①未消除干净的环境噪声;②对锡箔纸板和天线之间距离的测量误差;③锡箔纸板的面积较大,雷达信号的反射点不唯一等。

5 结论

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利用步进频信号大时宽带宽积的特点,在降低了对雷达硬件要求的条件下,选用射频直采芯片和FPGA平台作为雷达硬件,整个系统的可编程性强、灵活性高,可以通过编程更改步进频信号参数。基于射频直采技术对高频电磁波信号进行收发,信号处理过程快,系统集成度高且功耗小。测试结果表明本文设计的步进频雷达收发系统对目标有一定的识别能力,但是由于一些外部原因,仍然存在误差。

基金

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南宁市科学研究与技术开发计划(中央引导地方科技发展资金项目)(20231011)

参考文献

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文献

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2025年第25卷第3期

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427

179

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文章信息

doi: 10.12404/j.issn.1671-1815.2401052

接收时间：2024-02-11
首发时间：2025-07-29
出版时间：2025-01-28

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出版历史

收稿日期：2024-02-11
修回日期：2024-06-05

基金

南宁市科学研究与技术开发计划(中央引导地方科技发展资金项目)(20231011)

作者信息

1.桂林电子科技大学信息与通信学院, 桂林 541004

2.南宁桂电电子科技研究院有限公司, 桂林 541004

通讯作者:

^* 谢跃雷(1975—),男,汉族,河北邯郸人,硕士,教授。研究方向:通信信号处理、阵列信号处理及信号处理的VISL设计实现。E-mail:ylx@guet.edu.cn。

参考文献

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https://castjournals.cast.org.cn/joweb/kxjsygc/CN/10.12404/j.issn.1671-1815.2401052

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2种不同金属材料的力学参数

科 Family	属数 Number of genus	种数 Number of species	占总种数比例 Percentage of total species (%)	属 Genus	种数 Number of species	占总种数比例 Percentage of total species (%)
鹅膏菌科Amanitaceae	2	11	5.26	鹅膏菌属 Amanita	10	4.78
小菇科 Mycenaceae	2	12	5.74	丝盖伞属 Inocybe	5	2.39
多孔菌科 Polyporaceae	8	14	6.70	蜡蘑属 Laccaria	5	2.39
红菇科 Russulaceae	3	23	11.00	小皮伞属 Marasmius	6	2.87
				小菇属 Mycena	11	5.26
				光柄菇属 Pluteus	5	2.39
				红菇属 Russula	17	8.13
				栓菌属 Trametes	5	2.39

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