小型探测雷达系统解决方案

          雷达的基本任务是无线电探测和测距，即使用无线电的方式发现目标并测定它们的空间位置。雷达发射电磁波对目标进行发射并接受目标回波，通过比较和探测发射波和反射波的差异，获得目标至电磁波发射点的距离。传统的雷达多用于军事，气象，车载等各领域，整套雷达设备造价高昂，使用复杂，接触门槛较高，研究人员或学生很难实际操作使用，对于需要雷达原型机的预研人员造成困难和困扰。利用USRP与软件平台，可以实现雷达信号产生发射回回波接收，用于教学科研，雷达原型机开发和算法验证等。

1. 功能描述

          雷达系统主要实现对目标距离与速度的探测，本系统搭建的是双音雷达与FMCW线性连续调频雷达，能够检测目标的距离和速度。在USRP-LW及SDR-LW系列的所有机型上都可以完美运行。

          系统主要包含两台USRP-LW/SDR-LW系列软件无线电设备,一个时钟源，一个功率放大器，两个喇叭天线，一台高性能上位机。其中，两台USRP设备用于雷达信号的发射与回波信号的接收，时钟源用于两台设备间的时钟同步与时间同步。由于USRP本身的输出能力有限，为了探测更远的距离，本系统搭建了一个功放。喇叭天线为定向天线，有利于增强收到的回波，减少收发间影响。基带数据的产生与回波信号的处理在高性能上位机中完成，本系统依托于GNU Radio平台开发，便于二次开发与信号分析。

图1 系统搭建框图

集成小型雷达探测系统搭建框图如上图。 

（1）搭建好软件系统环境的PC通过万兆光纤与两台软件无线电设备进行连接；

（2）时钟源的两路10MHz输出和2路1PPS输出分别与2台设备进行连接，对系统进行同步；

（3）其中1台USRP，与功放模块，双脊宽带喇叭天线连接作为发射端，向被测物发射无线电信号；另一台作为接收端，接收被测物反射的无线电信号。

2. 规格参数

（1）支持双音雷达和FMCW线性连续扫频雷达两种体制。

（2）具备收发通道校准功能。

（3）具备目标速度测量，最小分辨率1m/s。

（4）具备目标距离测试功能，最小分辨率1.5m。

（5）具备雷达目标模拟功能等。

3. 实物搭建图

小型探测雷达系统主要包括以下部分，实物搭建图如图2所示。

雷达前端：发射和接收天线
射频放大器和滤波器
信号源：信号发生器，用于生成双音或线性调频信号
USRP：数据采集和处理平台
信号处理单元：基于FPGA的实时处理
后端计算机：用于进一步处理和显示

 图2 小型探测雷达系统实物搭建图

4. 基于USRP/SDR的实现

（1）硬件配置

天线：选择适当的发射和接收天线，根据应用需求确定频率范围。

放大器和滤波器：配置适当的射频放大器和滤波器，确保信号质量和系统灵敏度。

（2）USRP设置

射频前端：配置USRP的射频前端，包括中心频率、带宽和增益等参数。

同步与时钟：确保USRP的内部时钟和外部时钟源的同步，提升系统稳定性。

（3）信号生成与传输

双音信号：通过USRP的DAC生成双音信号，并通过发射天线发射。

线性调频信号：通过编程生成线性调频信号，利用USRP进行调制和发射。

（4）数据接收与处理

回波信号接收：通过接收天线接收回波信号，并传输到USRP进行采集。

FPGA处理：利用USRP的FPGA进行初步的信号处理，如下变频、滤波和采样。

后端处理：将处理后的数据传输到后端计算机，进行进一步的信号处理和目标检测算法，如FFT处理、距离-多普勒处理等。

（5）目标检测与显示

距离检测：通过计算回波信号的时间延迟确定目标距离。

速度检测：通过计算回波信号的频率偏移确定目标速度。

显示界面：设计图形用户界面（GUI），实时显示目标的距离和速度信息。

5. 软件界面图

目标检测实验：选择不同类型的目标物体（如金属板）进行实验，测试系统在不同距离和速度下的检测性能，记录结果并进行分析。

将发射端通过射频线与功放连接，功放通过射频线与天线连接，将接收端与天线进行连接，点击三角形运行流图，观察左下角距离与速度输出，目标运动时同时观察距离与速度曲线变化，若信号太小时，可适当调整发射增益与接收增益。

测试距离曲线，速度曲线与实际目标的变化趋势一致即可认为双音雷达/FMCW雷达达到效果。

（1）双音雷达

图3 双音雷达流图界面

图4 测试结果：前方有一个铁板目标的距离和速度的曲线图

图5 测试结果：界面显示当前测试目标的距离和速度值

（2）FMCW线性连续调频雷达

图6 FMCW线性连续调频雷达流图界面

图7 测试结果：前方有一个铁板目标的距离和速度的曲线图

图8 测试结果：当目标越来越远时的距离曲线图

6. 推荐硬件型号

SDR-LW系列是珞光电子推出的高性能SDR（软件无线电）独立设备，由板载处理器、FPGA和射频前端组成。通过Intel X86处理器与FPGA协同工作，增加了软件无线电设备的灵活性。一体机的设计框架使其可以在室内或室外快速地搭建小型探测雷达系统。

7. 典型应用场景

军用：目标跟踪雷达、目标成像雷达系统等方向；

民用：车辆测速雷达、飞机测距雷达等系统；

科研：电离层测高仪、风廓线雷达等。