线性 FMCW雷达在 VTS及商船导航中的应用研究

马绪华

摘要：线性FMCW雷达具有低发射功率、无距离盲区以及高分辨率等应用优势，近年来备受人们关注。本文介绍了FMCW雷达的结构、原理，分别以VTS导航与商船导航为视角探究了FMCW雷达的有效应用，主要分析了其应用策略，希望更多的人认识线性FMCW雷达，看到FMCW雷达的应用价值，同时促进FMCW雷达的普及应用，为民用雷达发展提供研究路径。

关键词：线性FMCW雷达；VTS导航；商船导航；应用研究

引言：导航雷达最初应用在军事活动中，随着经济、科技等的发展，其渐渐步入了民用领域。但是，其用于民用领域的性能长期走低，测距和测速长期难以兼容，不过FMCW导航的应用为解决测距、测速兼容的问题带来了方向，研究表示FMCW导航确有效果，因此，深入研究FMCW雷达的应用具有现实意义。

1线性FMCW雷达

线性FMCW雷达由上位机显示屏、主板控制界面、信号处理机、收发支路与天线5个部分组成。其中，上位机显示屏和主板控制界面负责显示FMCW雷达采集到的目标信息（包括距离、角度等），如若有伺服系统可发挥控制FMCW雷达工作模式的作用^[1]。信号处理机由FPGA与DSP构成，可全权控制FMCW雷达工作模式、工作状态，发挥信息处理、存储、对外高速接口等作用。收发支路由滤波器、放大器、晶振等构成，负责形成信号、采集信号、放大等。天线由接收天线与发放天线构成，负责接收与发射信号。具体如图1所示。

图 1 线性FMCW雷达结构图

2线性FMCW雷达原理

FMCW雷达包含锯齿波调制与三角波调制两种。以三角波调制为例，阐述FMCW雷达侧距离与测速度的原理。如图2所示，黄色表示接受信号的频率，蓝色表示发射信号的频率，T表示扫频周期，B表示扫频带宽，发射信号穿越目标发射，接收信号会出现延迟，根据三角波波动，可在上升沿以及下降沿中测距。

图 2 三角波调制示意图

若FMCW雷达和目标之间缺少相对运动（缺少多普勒频率）耦合于差拍信号上的情况下 ，但若目标运动，此时差拍信号上会出现 ，因此 ，此时可得 与 。那么，根据图2差拍频率可作此表示，即 ，速度可作该表示，即 。再结合距离公式和速度公式 和 得到距离与速度。其中 已知， 、 经测量可得。

3线性FMCW雷达在VTS雷达中的应用

上世纪90年代中期VTS雷达中开始应用FMCW雷达，于VTS而言，FMCW雷达有下述两大应用优势。

第一，VTS雷达想要具备导航功能，必须拥有高水平距离分辨能力、方位分辨能力，同时可以精准测量距离、方位。传统脉冲雷达因为发射脉冲宽度的制约其距离分辨能力有限，如果使用隙缝型天线则容易出现瞬变效应，这会影响其方位分辨能力，因此，兼顾距离、方位分辨十分困难。

FMCW雷达与上述雷达、天线进行比较可以轻易拥有高水平距离分辨能力。根据 ，当B=50MHz时，距离分辨能力 =3m十分容易。虽如此，这也是雷达史的一大进步。

第二，VTS雷达控制范围内，有可能存在多台距离约10～20km的港口雷达，而它们相互间容易发生干扰，且容易遭受VTS雷达水域中船舶导航雷达的影响。若把VTS雷达换成FMCW雷达，干扰会大大降低。

综上，相较于脉冲雷达，FMCW雷达具有高应用优势，其在VTS雷达中的应用前景极为广泛。

例如，VTS雷达需要 ，T=1ms， ，B=50MHz，根据公式 以及 可以计算出 =10MHz。简单地说，为了实现测量最远处目标距离，最低频率应为 ，N= T= =10000。为了实现该目标，选择并行处理方法，如图3所示。现阶段，高速DSP芯片在1ms内能够实现1024点FFT，因此，设计时每个DSP单元均依据1024点FFT设计，如果距离分辨能力等于3m，则设计1片DSP最大距离分辨能力等于1.5km.想要获知30km范围内的目标则通过DSP并行处理实现^[2]。即通过把全程分为若干部分，计算出每个部分中的目标数量，以此实现高精度全程计算。

图 3 FMCW雷达并行处理示意图

4线性FMCW雷达在商船导航中的应用

港口建设、VTS建设需要消耗大量资金，但是港口雷达数量较少，故而也能够承担得起大投资。但是商船中船舶类型众多，包含大型、中型、小型，投资者因为运营、运输等考量希望雷达兼有性能佳、成本低的特点。故而绝不可能如VTS雷达一般为了实现全程远距离高分辨能力而应用20片高速DSP。

因此，为了满足商船导航的应用需求，FMCW雷达应用于商船导航的设计只存在1片高速DSP。具体而言，随着航程的提高，扫频频宽会成倍降低，与其相应的是距离分辨能力、方位分辨能力也会降低，但扫频时间会提高，促使采样点数维持不变，仍为1024，如图4所示。

图 4 FMCW雷达商船导航应用设计方案示意图

通过上述方案基本上能够满足商船应用需要。详细来看，将FMCW雷达应用在商船导航中具有下述五点优势。第一，能够拥有特别高的集成度，也包含微波集成组件，同时满足全固态低压兼低功耗，进而可以大大提升可靠度。第二，具有抗被侦察性，可以防御外部环境的低频电磁波干扰。第三，具有极高的距离分辨能力，且能够与高水平方位分辨能力共同存在。第四，长时间状态下具有带宽积高敏感性。第五，高抵抗能力可以抵御源干扰。这些优势恰好是商船导航雷达所需要的功能，故而，在导航技术日益完善以及相关元器件成本渐渐降低的当代，可以推断的是，既重视性能又重视效益的商船导航雷达在不远的未来将会广泛使用FMCW雷达。

结论：总而言之，雷达应用至今已有70年之久，现如今雷达不仅在军、民领域均得到了广泛应用。FMCW雷达也得到了发展与完善，其在测距、测速等方面应用价值极高，许多国家对线性FMCW雷达进行了深入研究，FMCW雷达也已经具备了一套技术体系，将其用于VTS导航与商船导航中可以解决两者的固有问题，促进两者发展。因此，建议相关人士应用线性FMCW雷达，发挥其优势，服务于自身。

参考文献：

[1]吴金君.FMCW雷达对手势目标的检测和分类算法研究[D].重庆邮电大学,2019.

[2]曾维棋.基于FMCW雷达的高精度测距定位算法研究与实现[D].电子科技大学,2019.