1、概述

本文介紹了一種移動寬帶57 GHz - 64 GHz FMCW雷達傳感器系統，旨在通過探測飛行中的射彈來提高執行和平或維和任務的士兵的態勢感知能力。為了獲得方位視場的瞬時覆蓋，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，通過將不同頻率的寬帶波形輻射到不同的空間方向。 2、簡介

對于處于火力下的士兵來說，由于馬赫錐的傳播沖擊波，不可能從聲學上確定發射的明確來源。特別是在城市地形中，這個問題通過多路徑傳播進一步加劇。人口趨勢表明，城市化進程日益加快，這使得未來所有軍事行動都可能涉及城市層面。建立和平和維持和平行動期間的恐怖主義威脅和不對稱戰爭表明，鑒于特別是狙擊手構成的威脅，必須確保部署的部隊具有自我保護和生存的能力。目前存在各種使用不同物理效果的狙擊手探測系統。聲學和光電解決方案往往是商用的，但它們的操作能力可能會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） 雷達傳感器提供小巧輕便的選擇，可作為獨立設備或多傳感器套件的一部分。雷達被證明適用于此連接，因為它具有全天候能力，穿透灰塵和煙霧的能力，以及獨特的警報閾值和低錯誤率。

3、系統概念

A. RCS研究

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

B. FMCW-雷達設計

使用 FMCW 技術可提供高平均功率、良好的速度（多普勒頻移）和距離分辨率。所需的雷達設計需要良好的測量精度、高更新率，以及在惡劣的雷達環境中檢測非常低的雷達橫截面（RCS）物體，例如來自近處和遠處建筑物、移動車輛或人員的高雜波水平的農村地區。

C. 蜿蜒線天線

在掃描雷達進近的情況下，由于相對于彈丸速度的旋轉速度較低，因此不可能使用機械轉向天線。另一種選擇是使用電動控制雷達波束，但在大多數情況下，由于必要的移相器和配電網絡，傳統的陣列饋電天線非常復雜、龐大且昂貴，并且限制了移動使用。使用基板集成波導（SIW）“漏波天線”允許通過簡單的頻移來控制主瓣，并導致陣列尺寸的顯著減小。

D. 演示器的實現和首次測試

已經建立了一個移動（低成本）演示器（用于概念驗證，并且出于演示目的，該系統基本上是用一個小角反射器（-9 dBsm）作為人類攜帶的地面移動目標的示例進行測試的。

4、結果分析

雷達系統可以可靠地用于檢測某個區域的射彈，但它不是手持式解決方案。MMIC（單片微波集成電路）技術的最新進展可以進一步實現所有基本組件的小型化，用于狙擊手檢測目的的基于便攜式毫米波的雷達傳感器解決方案。這樣的系統可以允許從單個站點或士兵進行精確的軌道重建，誤報率可以忽略不計。因此，我們未來的工作重點是FMCW雷達作為便攜式系統的小型化，涉及天線設計，尺寸和低功耗。

A. RCS研究

首先進行了分析，以確定雷達解決方案對狙擊手探測和定位問題的可行性。使用CADRCS 模擬了各種射彈的頻率取決于RCS和毫米W域中各個方面的多個頻率，這也通過在電波暗室中良好控制的條件下進行測量來驗證。

圖2是給定偏振下所得RCS值與縱橫角的函數關系圖。使用已知的射彈RCS計算取決于檢測概率的范圍。

B. 60 GHz調頻連續波雷達的概念和實現

該應用需要非常短的最大范圍，可達 25 m。因此，工作頻率可達W波段是可能的選擇。但是，如上所述，雷達傳感器系統以60 GHz的中心頻率工作。盡管在工作頻率處有很強的大氣吸收線，但短距離的探測可能性也足夠高，可以記錄良好的結果。可能的用途之一是探測子彈或單兵攜帶防空系統（肩扛導彈）。特別是對于小口徑武器，靈敏度成為此類應用中的主要問題，估計目標速度高達1000 m / s。因此，V波段內的工作頻率是對象RCS（圖1）、系統靈敏度和盡可能低的系統價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處理級的LO由特殊的倍頻器和濾波器級提供。在此之后，通過功率分配器在后續階段對傳輸和接收分支的信號進行劃分。應用的波形是一系列三角形斜坡，掃描時間為 $tau=500mu mathrm{s}$。

發射/接收鏈中的后續鏈路是有源倍頻器，它是頻率轉換的低成本替代方案。該元件的非線性傳遞函數不可避免地以諧波的形式引起信號失真。通過濾波（高通），選擇第四次諧波（對應于57 GHz至63 GHz所需范圍的唯一泛音），并通過發射天線放大和輻射。發射的信號在接收分支中放大，與用作本振的輻射同步。在第一個接收步驟中，由吊具反射回來的信號由低噪聲放大器（LNA）放大，噪聲系數為4 dB。通過I/Q解調器，將前置放大信號與發射信號混合到基帶，以便實現數字采樣。使用同相和正交方法允許在保留相位信息的情況下解調高頻信號。相位信息的評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。這種方法的另一個優點是，采樣信號以復雜的形式直接收集。因此，使用數字信號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，能夠獨立運行，并將跟蹤的對象數據（范圍、速度、方向）傳送到人機界面（HMI）。I/Q 通道以 15 位和 75 MS/s 的速度數字化。直接數字頻率合成（DDS）產生三角波形斜坡（線性調頻）和模擬數字采樣單元的觸發器。

時域數據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$：掃描時間），并且窗口與頻率掃描同步，則頻域中的頻譜分辨率由時域窗口函數確定。時域窗口寬度是執行FFT算法的時域信號序列的長度。窗口化函數是應用于時域輸入信號鏈的加權函數。

在此典型的信號處理步驟之后，使用小波變換或短時傅里葉變換（SFT）使用高斯窗口將掃描概念的角度分辨率與目標范圍相結合，進行時間-頻率分析。在計算二維快速傅里葉變換后，該變換用于計算一系列距離多普勒矩陣以分離固定目標。基于FFT的方法適用于平穩隨機過程。頻率分辨率取決于數據的長度、采樣率和所使用的數據窗口。對于飛行的彈丸，其雷達反射波形是非靜止的。因此，當通過FFT分析時，相位相干數據集的長度是有限的。對于快速移動的目標，還必須考慮多普勒頻移并進行校正。這種設置保證了最佳頻率和目標位置分辨率。

C. 蜿蜒線天線設計

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系的函數。如果工作頻率從中心頻率增加或減少，則槽內/減小與聚焦波束位置之間的相位差也會從中心位置（正交，相對于天線平面）變為任意指定角度。如圖5所示，這種類型的天線只需改變饋電頻率（啁啾），就可以實現高度定向的波束位置。輻射的波束寬度在6°（?3dB）處保持恒定，因為通過改變頻率掃描光束。使用6 GHz的絕對帶寬，可以使用~450 MHz的相對帶寬進行距離估計（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。

對于主環路相對于天線平面的正交方向，兩個相鄰槽的相位距離應該是中心頻率$lambda/2$自由波長的一半。掃描范圍可以通過兩個相鄰槽之間的相位差的變化來增強。由于蜿蜒的形狀布局，偏振平面從一個槽到另一個槽傾斜180°。因此，需要對相鄰槽進行反相位饋電，以獲得具有最大輻射能量的建設性干涉圖樣。

與作為諧振結構的漏波天線概念相比，蜿蜒線天線不匹配以避免內部反射。如果每個槽的電阻與槽總數和波導阻抗的乘積完全對應，則整個能量應通過槽發射。理論計算和驗證是使用開槽介電填充波導的有限元模型完成的。

D. 系統驗證

第一次測試是在距離雷達系統不遠的地方使用小型（RCS：?8dBsm）移動角反射器進行的。

在時域數據中，目標位置由已知饋電頻率/時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）。在天線視場的正中間可以觀察到強烈的兩次閃爍反射。將 30 秒數據集的頻域計算為距離門。在距離傳感器約5 m的距離內可以觀察到強烈的反射，如圖7所示。

為了簡化處理后雷達特征的可視化，首先將數據繪制在笛卡爾坐標中，以給出時頻范圍依賴性的印象。時頻分析通過小波變換或短時傅里葉變換（SFT）完成，具體取決于所需結果的質量。

對快速移動的物體進行了第一次真正的現場測試，通過使用從5.56毫米到12.7毫米（cal.50）的不同口徑的多種武器來改變射彈的大小。

時頻分析后的時域和頻域組合圖，帶有估計軌跡的 DRAGUNOW 7.62 毫米彈丸的 V 形彈丸特征（黃條）。其他檢測起源于噪聲或雜散。（笛卡爾坐標系中的繪圖）。特征由兩個部分組成：下降 - 正多普勒頻移，上升 - 負多普勒頻移，來自用于頻率斜坡（線性調頻）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，可以估計軌跡，并將徑向速度分量計算成彈丸的實際速度約為570 m/s±40 m/s。

在移動物體的情況下，彈丸通過期間的徑向速度導致虛擬加速度，因此實際速度的計算在很大程度上取決于時間取決于檢測角度。在幾個多普勒細胞上進行相干積分是必要的，因為目標特征分布在相鄰的多普勒細胞或不同的范圍箱上。這種積分時間受到限制，因為頻率掃描引起的光束方向的快速變化限制了光束內的彈丸觀察時間。

為了完成測量結果的呈現，將彈丸的雷達特征繪制在極坐標圖中，該極圖可以通過使用內部電子羅盤和全球定位系統（GPS）輕松地在地理參考數據中轉換。

6、總結

通過不斷開發用于彈丸探測的雷達系統，已經使用頻率掃描天線和低成本硬件組件等最先進的技術，設置并演示了中心頻率為60 GHz的FMCW寬帶雷達演示器。結果表明，所選擇的方法非常適合實時檢測具有非常低RCS的慢速和非常快速移動的物體。為了實現物體周圍的全向檢測區域，需要多個雷達傳感器，或者必須開發擴展的蜿蜒線天線概念以獲得>60°的掃描角度。因此，將來必須研究和比較不同的實現概念。由于雷達的探測范圍有限，在操作條件下，通過與其他類型的傳感器（例如聲學或光電傳感器）進行傳感器融合，將獲得最佳結果。

審核編輯：劉清