基于国产USRP软件无线电搭建小型探测雷达系统解决方案【原创真实案例】

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。系统主要包含两台USRP-LW X310,两块UBX 160,一个时钟源，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X310分别搭载一块UBX-LW 160M射频前端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USRP-LW X310（搭载UBX-LW 160射频前端）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-LW X310，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。

双音体制和线性调频体制

双音体制：通过两个不同频率的连续波（CW）信号进行目标检测，利用频率差来计算目标的多普勒频移，从而确定目标速度。

线性调频体制：发送一个频率随时间线性变化的脉冲信号，通过测量回波信号的时间延迟和频率变化来计算目标的距离和速度。

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/s。

（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 X310：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-LW X310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 X310设置

射频前端：配置USRP X310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 X310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 X310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 X310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 X310进行采集。

FPGA处理：利用USRP X310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。

（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. 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。

7. 国产USRP-LW X310参数指标：

• 射频范围覆盖DC-6GHz
• 支持插入两张射频子板
• 收发全双工,单通道最大带宽160MHz
• Xilinx Kintex-7 FPGA
• 多种高速接口(PCIe,千兆/万兆网口)
• 支持的RFNoC开发框架
• 支持GNU Radio