1、概述

本文介紹了一種移動(dòng)寬帶57 GHz - 64 GHz FMCW雷達(dá)傳感器系統(tǒng)，旨在通過(guò)探測(cè)飛行中的射彈來(lái)提高執(zhí)行和平或維和任務(wù)的士兵的態(tài)勢(shì)感知能力。為了獲得方位視場(chǎng)的瞬時(shí)覆蓋，使用了頻率掃描蜿蜒天線。因此，傳感器被配置為采用掃描原理，通過(guò)將不同頻率的寬帶波形輻射到不同的空間方向。 2、簡(jiǎn)介

對(duì)于處于火力下的士兵來(lái)說(shuō)，由于馬赫錐的傳播沖擊波，不可能從聲學(xué)上確定發(fā)射的明確來(lái)源。特別是在城市地形中，這個(gè)問(wèn)題通過(guò)多路徑傳播進(jìn)一步加劇。人口趨勢(shì)表明，城市化進(jìn)程日益加快，這使得未來(lái)所有軍事行動(dòng)都可能涉及城市層面。建立和平和維持和平行動(dòng)期間的恐怖主義威脅和不對(duì)稱(chēng)戰(zhàn)爭(zhēng)表明，鑒于特別是狙擊手構(gòu)成的威脅，必須確保部署的部隊(duì)具有自我保護(hù)和生存的能力。目前存在各種使用不同物理效果的狙擊手探測(cè)系統(tǒng)。聲學(xué)和光電解決方案往往是商用的，但它們的操作能力可能會(huì)受到高水平的后輪噪聲、多徑傳播、灰塵、煙霧和霧氣的限制。毫米波 （mmW） 雷達(dá)傳感器提供小巧輕便的選擇，可作為獨(dú)立設(shè)備或多傳感器套件的一部分。雷達(dá)被證明適用于此連接，因?yàn)樗哂腥旌蚰芰?，穿透灰塵和煙霧的能力，以及獨(dú)特的警報(bào)閾值和低錯(cuò)誤率。

3、系統(tǒng)概念

A. RCS研究

該概念研究解決了與雷達(dá)性能以及距離相關(guān)的探測(cè)概率和定位概率有關(guān)的問(wèn)題。首先，確定彈丸的頻率相關(guān)RCS作為彈丸縱橫角的函數(shù)，用于各種頻率范圍。

B. FMCW-雷達(dá)設(shè)計(jì)

使用 FMCW 技術(shù)可提供高平均功率、良好的速度（多普勒頻移）和距離分辨率。所需的雷達(dá)設(shè)計(jì)需要良好的測(cè)量精度、高更新率，以及在惡劣的雷達(dá)環(huán)境中檢測(cè)非常低的雷達(dá)橫截面（RCS）物體，例如來(lái)自近處和遠(yuǎn)處建筑物、移動(dòng)車(chē)輛或人員的高雜波水平的農(nóng)村地區(qū)。

C. 蜿蜒線天線

在掃描雷達(dá)進(jìn)近的情況下，由于相對(duì)于彈丸速度的旋轉(zhuǎn)速度較低，因此不可能使用機(jī)械轉(zhuǎn)向天線。另一種選擇是使用電動(dòng)控制雷達(dá)波束，但在大多數(shù)情況下，由于必要的移相器和配電網(wǎng)絡(luò)，傳統(tǒng)的陣列饋電天線非常復(fù)雜、龐大且昂貴，并且限制了移動(dòng)使用。使用基板集成波導(dǎo)（SIW）“漏波天線”允許通過(guò)簡(jiǎn)單的頻移來(lái)控制主瓣，并導(dǎo)致陣列尺寸的顯著減小。

D. 演示器的實(shí)現(xiàn)和首次測(cè)試

已經(jīng)建立了一個(gè)移動(dòng)（低成本）演示器（用于概念驗(yàn)證，并且出于演示目的，該系統(tǒng)基本上是用一個(gè)小角反射器（-9 dBsm）作為人類(lèi)攜帶的地面移動(dòng)目標(biāo)的示例進(jìn)行測(cè)試的。

4、結(jié)果分析

雷達(dá)系統(tǒng)可以可靠地用于檢測(cè)某個(gè)區(qū)域的射彈，但它不是手持式解決方案。MMIC（單片微波集成電路）技術(shù)的最新進(jìn)展可以進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)所有基本組件的小型化，用于狙擊手檢測(cè)目的的基于便攜式毫米波的雷達(dá)傳感器解決方案。這樣的系統(tǒng)可以允許從單個(gè)站點(diǎn)或士兵進(jìn)行精確的軌道重建，誤報(bào)率可以忽略不計(jì)。因此，我們未來(lái)的工作重點(diǎn)是FMCW雷達(dá)作為便攜式系統(tǒng)的小型化，涉及天線設(shè)計(jì)，尺寸和低功耗。

A. RCS研究

首先進(jìn)行了分析，以確定雷達(dá)解決方案對(duì)狙擊手探測(cè)和定位問(wèn)題的可行性。使用CADRCS 模擬了各種射彈的頻率取決于RCS和毫米W域中各個(gè)方面的多個(gè)頻率，這也通過(guò)在電波暗室中良好控制的條件下進(jìn)行測(cè)量來(lái)驗(yàn)證。

圖2是給定偏振下所得RCS值與縱橫角的函數(shù)關(guān)系圖。使用已知的射彈RCS計(jì)算取決于檢測(cè)概率的范圍。

B. 60 GHz調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)的概念和實(shí)現(xiàn)

該應(yīng)用需要非常短的最大范圍，可達(dá) 25 m。因此，工作頻率可達(dá)W波段是可能的選擇。但是，如上所述，雷達(dá)傳感器系統(tǒng)以60 GHz的中心頻率工作。盡管在工作頻率處有很強(qiáng)的大氣吸收線，但短距離的探測(cè)可能性也足夠高，可以記錄良好的結(jié)果?？赡艿挠猛局皇翘綔y(cè)子彈或單兵攜帶防空系統(tǒng)（肩扛導(dǎo)彈）。特別是對(duì)于小口徑武器，靈敏度成為此類(lèi)應(yīng)用中的主要問(wèn)題，估計(jì)目標(biāo)速度高達(dá)1000 m / s。因此，V波段內(nèi)的工作頻率是對(duì)象RCS（圖1）、系統(tǒng)靈敏度和盡可能低的系統(tǒng)價(jià)格之間的最佳折衷方案。

硬件概念基于寬帶57 GHz-63 GHz FMCW前端，如圖2框圖所示。頻率范圍為14 GHz至16 GHz的RF處理級(jí)的LO由特殊的倍頻器和濾波器級(jí)提供。在此之后，通過(guò)功率分配器在后續(xù)階段對(duì)傳輸和接收分支的信號(hào)進(jìn)行劃分。應(yīng)用的波形是一系列三角形斜坡，掃描時(shí)間為 $tau=500mu mathrm{s}$。

發(fā)射/接收鏈中的后續(xù)鏈路是有源倍頻器，它是頻率轉(zhuǎn)換的低成本替代方案。該元件的非線性傳遞函數(shù)不可避免地以諧波的形式引起信號(hào)失真。通過(guò)濾波（高通），選擇第四次諧波（對(duì)應(yīng)于57 GHz至63 GHz所需范圍的唯一泛音），并通過(guò)發(fā)射天線放大和輻射。發(fā)射的信號(hào)在接收分支中放大，與用作本振的輻射同步。在第一個(gè)接收步驟中，由吊具反射回來(lái)的信號(hào)由低噪聲放大器（LNA）放大，噪聲系數(shù)為4 dB。通過(guò)I/Q解調(diào)器，將前置放大信號(hào)與發(fā)射信號(hào)混合到基帶，以便實(shí)現(xiàn)數(shù)字采樣。使用同相和正交方法允許在保留相位信息的情況下解調(diào)高頻信號(hào)。相位信息的評(píng)估是確定彈丸的速度（多普勒）或飛行方向（“單脈沖”）的先決條件。這種方法的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，采樣信號(hào)以復(fù)雜的形式直接收集。因此，使用數(shù)字信號(hào)處理更加靈活和高效。

此外，該傳感器包含完整的傳感器處理鏈，能夠獨(dú)立運(yùn)行，并將跟蹤的對(duì)象數(shù)據(jù)（范圍、速度、方向）傳送到人機(jī)界面（HMI）。I/Q 通道以 15 位和 75 MS/s 的速度數(shù)字化。直接數(shù)字頻率合成（DDS）產(chǎn)生三角波形斜坡（線性調(diào)頻）和模擬數(shù)字采樣單元的觸發(fā)器。

時(shí)域數(shù)據(jù)使用快速傅里葉變換（FFT）算法映射到頻域。如果窗口寬度$ au_{mathrm{o}}$ 小于 $tau/2$ （$ au$：掃描時(shí)間），并且窗口與頻率掃描同步，則頻域中的頻譜分辨率由時(shí)域窗口函數(shù)確定。時(shí)域窗口寬度是執(zhí)行FFT算法的時(shí)域信號(hào)序列的長(zhǎng)度。窗口化函數(shù)是應(yīng)用于時(shí)域輸入信號(hào)鏈的加權(quán)函數(shù)。

在此典型的信號(hào)處理步驟之后，使用小波變換或短時(shí)傅里葉變換（SFT）使用高斯窗口將掃描概念的角度分辨率與目標(biāo)范圍相結(jié)合，進(jìn)行時(shí)間-頻率分析。在計(jì)算二維快速傅里葉變換后，該變換用于計(jì)算一系列距離多普勒矩陣以分離固定目標(biāo)?；贔FT的方法適用于平穩(wěn)隨機(jī)過(guò)程。頻率分辨率取決于數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度、采樣率和所使用的數(shù)據(jù)窗口。對(duì)于飛行的彈丸，其雷達(dá)反射波形是非靜止的。因此，當(dāng)通過(guò)FFT分析時(shí)，相位相干數(shù)據(jù)集的長(zhǎng)度是有限的。對(duì)于快速移動(dòng)的目標(biāo)，還必須考慮多普勒頻移并進(jìn)行校正。這種設(shè)置保證了最佳頻率和目標(biāo)位置分辨率。

C. 蜿蜒線天線設(shè)計(jì)

蜿蜒的天線沿水平天線軸線配備了許多等距但空間分離的槽（圖 4）。由于輻射電磁波的建設(shè)性和破壞性干擾，形成了整體輻射方向圖，如果所有插槽在60 GHz的中心頻率“同相”退出，則將獲得最大輻射，而輻射角度是相鄰插槽之間相位關(guān)系的函數(shù)。如果工作頻率從中心頻率增加或減少，則槽內(nèi)/減小與聚焦波束位置之間的相位差也會(huì)從中心位置（正交，相對(duì)于天線平面）變?yōu)槿我庵付ń嵌?。如圖5所示，這種類(lèi)型的天線只需改變饋電頻率（啁啾），就可以實(shí)現(xiàn)高度定向的波束位置。輻射的波束寬度在6°（?3dB）處保持恒定，因?yàn)橥ㄟ^(guò)改變頻率掃描光束。使用6 GHz的絕對(duì)帶寬，可以使用~450 MHz的相對(duì)帶寬進(jìn)行距離估計(jì)（距離分辨率~33cm）。此外，孔徑分布很容易受到錐形的影響，以控制（低）旁瓣電平或光束形狀。

對(duì)于主環(huán)路相對(duì)于天線平面的正交方向，兩個(gè)相鄰槽的相位距離應(yīng)該是中心頻率$lambda/2$自由波長(zhǎng)的一半。掃描范圍可以通過(guò)兩個(gè)相鄰槽之間的相位差的變化來(lái)增強(qiáng)。由于蜿蜒的形狀布局，偏振平面從一個(gè)槽到另一個(gè)槽傾斜180°。因此，需要對(duì)相鄰槽進(jìn)行反相位饋電，以獲得具有最大輻射能量的建設(shè)性干涉圖樣。

與作為諧振結(jié)構(gòu)的漏波天線概念相比，蜿蜒線天線不匹配以避免內(nèi)部反射。如果每個(gè)槽的電阻與槽總數(shù)和波導(dǎo)阻抗的乘積完全對(duì)應(yīng)，則整個(gè)能量應(yīng)通過(guò)槽發(fā)射。理論計(jì)算和驗(yàn)證是使用開(kāi)槽介電填充波導(dǎo)的有限元模型完成的。

D. 系統(tǒng)驗(yàn)證

第一次測(cè)試是在距離雷達(dá)系統(tǒng)不遠(yuǎn)的地方使用小型（RCS：?8dBsm）移動(dòng)角反射器進(jìn)行的。

在時(shí)域數(shù)據(jù)中，目標(biāo)位置由已知饋電頻率/時(shí)間的蜿蜒線天線的方向性給出（在圖 6 中以左、中、右視鏡觀察提及）。在天線視場(chǎng)的正中間可以觀察到強(qiáng)烈的兩次閃爍反射。將 30 秒數(shù)據(jù)集的頻域計(jì)算為距離門(mén)。在距離傳感器約5 m的距離內(nèi)可以觀察到強(qiáng)烈的反射，如圖7所示。

為了簡(jiǎn)化處理后雷達(dá)特征的可視化，首先將數(shù)據(jù)繪制在笛卡爾坐標(biāo)中，以給出時(shí)頻范圍依賴(lài)性的印象。時(shí)頻分析通過(guò)小波變換或短時(shí)傅里葉變換（SFT）完成，具體取決于所需結(jié)果的質(zhì)量。

對(duì)快速移動(dòng)的物體進(jìn)行了第一次真正的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，通過(guò)使用從5.56毫米到12.7毫米（cal.50）的不同口徑的多種武器來(lái)改變射彈的大小。

時(shí)頻分析后的時(shí)域和頻域組合圖，帶有估計(jì)軌跡的 DRAGUNOW 7.62 毫米彈丸的 V 形彈丸特征（黃條）。其他檢測(cè)起源于噪聲或雜散。（笛卡爾坐標(biāo)系中的繪圖）。特征由兩個(gè)部分組成：下降 - 正多普勒頻移，上升 - 負(fù)多普勒頻移，來(lái)自用于頻率斜坡（線性調(diào)頻）的三角波形的上下啁啾。利用間斷頻率（IF）±多普勒頻移和特征角偏差（上升和下降）的差異，可以估計(jì)軌跡，并將徑向速度分量計(jì)算成彈丸的實(shí)際速度約為570 m/s±40 m/s。

在移動(dòng)物體的情況下，彈丸通過(guò)期間的徑向速度導(dǎo)致虛擬加速度，因此實(shí)際速度的計(jì)算在很大程度上取決于時(shí)間取決于檢測(cè)角度。在幾個(gè)多普勒細(xì)胞上進(jìn)行相干積分是必要的，因?yàn)槟繕?biāo)特征分布在相鄰的多普勒細(xì)胞或不同的范圍箱上。這種積分時(shí)間受到限制，因?yàn)轭l率掃描引起的光束方向的快速變化限制了光束內(nèi)的彈丸觀察時(shí)間。

為了完成測(cè)量結(jié)果的呈現(xiàn)，將彈丸的雷達(dá)特征繪制在極坐標(biāo)圖中，該極圖可以通過(guò)使用內(nèi)部電子羅盤(pán)和全球定位系統(tǒng)（GPS）輕松地在地理參考數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)換。

6、總結(jié)

通過(guò)不斷開(kāi)發(fā)用于彈丸探測(cè)的雷達(dá)系統(tǒng)，已經(jīng)使用頻率掃描天線和低成本硬件組件等最先進(jìn)的技術(shù)，設(shè)置并演示了中心頻率為60 GHz的FMCW寬帶雷達(dá)演示器。結(jié)果表明，所選擇的方法非常適合實(shí)時(shí)檢測(cè)具有非常低RCS的慢速和非常快速移動(dòng)的物體。為了實(shí)現(xiàn)物體周?chē)娜驒z測(cè)區(qū)域，需要多個(gè)雷達(dá)傳感器，或者必須開(kāi)發(fā)擴(kuò)展的蜿蜒線天線概念以獲得>60°的掃描角度。因此，將來(lái)必須研究和比較不同的實(shí)現(xiàn)概念。由于雷達(dá)的探測(cè)范圍有限，在操作條件下，通過(guò)與其他類(lèi)型的傳感器（例如聲學(xué)或光電傳感器）進(jìn)行傳感器融合，將獲得最佳結(jié)果。

審核編輯：劉清