二〇一年十月 课题小论文 题 目：线性调频（LFM ）脉冲压缩雷达仿真学院：专 业： 学生姓名：刘斌学号：年 级： 指导教师：
线性调频（LFM ）脉冲压缩雷达仿真 一．雷达工作原理 雷达是Radar （RAdio Detection And Ranging ）的音译词，意为“无线电检测和测距”，即利用无线电波来检测目标并测定目标的位置，这也是雷达设备在最初阶段的功能。典型的雷达系统如图1.1，它主要由发射机，天线，接收机，数据处理，定时控制，显示等设备组成。利用雷达可以获知目标的有无，目标斜距，目标角位置，目标相对速度等。现代高分辨雷达扩展了原始雷达概念，使它具有对运动目标(飞机，导弹等)和区域目标(地面等)成像和识别的能力。雷达的应用越来越广泛。 图1.1：简单脉冲雷达系统框图 雷达发射机的任务是产生符合要求的雷达波形（Radar Waveform ），然后经馈线和收发开关由发射天线辐射出去，遇到目标后，电磁波一部分反射，经接收天线和收发开关由接收机接收，对雷达回波信号做适当的处理就可以获知目标的相关信息。 假设理想点目标与雷达的相对距离为R ，为了探测这个目标，雷达发射信号()s t ,电磁波以光速C 向四周传播，经过时间R 后电磁波到达目标，照射到目标上的电磁波可写成： ()R s t C - 。电磁波与目标相互作用，一部分电磁波被目标散射，被反射的电磁波为()R s t C σ?-，其中σ为目标的雷达散射截面（Radar Cross Section ,简称RCS ），反映目 标对电磁波的散射能力。再经过时间R 后，被雷达接收天线接收的信号为(2)R s t C σ?-。 如果将雷达天线和目标看作一个系统，便得到如图1.2的等效，而且这是一个LTI （线性时不变）系统。 图1.2：雷达等效于LTI 系统 等效LTI 系统的冲击响应可写成: 1 ()() M i i i h t t σδτ==-∑(1.1)
FMCW毫米波防撞雷达系统 汽车防碰撞系统对提高汽车行驶安全性十分重要，该系统的研究一直倍受重视。从1971年开始，相继出现过超声波、激光、红外、微波等多种方式的主动汽车防碰撞系统，但是以上系统均存在一些不足，未能在汽车上大量推广应用。随着各国高速公路网的快速发展，恶性交通事故不断增加，为减少事故，先后采用行驶安全带、安全气囊等保护措施，但这些技术均为被动防护，不能从根本上解决问题。毫米波是指波长介于1~10mm之间的电磁波，其RF带宽大，分辨率高，天线部件尺寸小，能适应恶劣环境，所以毫米波雷达系统具有重量轻、体积小和全天候等特点，“主动汽车毫米波防碰撞雷达系统”成为近年来国际上研究与开发的热点，并已有产品开始投入市场，前景十分看好。 本文介绍了主动汽车防碰撞毫米波雷达的原理，报导了我们研制出的SAE-100型毫米波防碰撞雷达样机。 汽车防撞毫米波雷达系统原理 主动汽车防碰撞是以雷达测距、测速为基础的。防撞雷达系统实时监测车辆的前方，当有危险目标（如行驶前方停止或慢行的车辆）出现，雷达系统提前向司机发出报警，使司机及时作出反应，同时雷达输出信号到达汽车控制系统，根据情况进行自动刹车或减速。 毫米波防撞雷达系统有调频连续波（FMCW）雷达和脉冲雷达两种。对于脉冲雷达系统，当目标距离很近时，发射脉冲和接收脉冲之间的时间差非常小，这就要求系统采用高速信号处理技术，近距离脉冲雷达系统就变的十分复杂，成本也大幅上升。因而汽车毫米波雷达防撞系统常采用结构简单、成本较低、适合做近距离探测的调频连续波雷达体制。 毫米波FMCW雷达系统结构 FMCW汽车雷达系统如图1所示，包括天线、收发模块、信号处理模块和报警模块或汽车制动装置。 射频收发前端是雷达系统的核心部件。国内外已经对前端进行了大量深入研究，并取得了长足的进展。已经研制出各种结构的前端，主要包括波导结构前端，微带结构前端以及前端的单片集成。国内研制的射频前端主要是波导结构前端。一个典型的射频前端主要包括线性VCO、环行器和平衡混频器三部分，如图2所示。前端混频输出的中频信号经过中频放大送至后级数据处理部分。数据处理部分的基本目标是消除不必要信号（如杂波）和干扰信号，并对经过中频放大的混频信号进行处理，从信号频谱中提取目标距离和速度等信息。
西南科技大学 课程设计报告 课程名称： 设计名称：雷达线性调频信号的脉冲压缩处理 姓名： 学号: 班级： 指导教师： 起止日期： 2010.12.25-----2011.1.5
课程设计任务书 学生班级：学生姓名：学号： 设计名称：雷达线性调频信号的脉冲压缩处理 起止日期：2010、12、25——2011、1、03 指导教师： 课程设计学生日志
课程设计考勤表 课程设计评语表
雷达线性调频信号的脉冲压缩处理 一、 设计目的和意义 掌握雷达测距的工作原理，掌握匹配滤波器的工作原理及其白噪声背景下的匹配滤波的设计，线性调频信号是大时宽频宽积信号；其突出特点是匹配滤波器对回波的多普勒频移不敏感以及更好的低截获概率特性。LFM 信号在脉冲压缩体制雷达中广泛应用；利用线性调频信号具有大带宽、长脉冲的特点，宽脉冲发射已提高发射的平均功率保证足够的作用距离；而接受时采用相应的脉冲压缩算法获得窄脉冲已提高距离分辨率，较好的解决了雷达作用距离和距离分辨率之间的矛盾；。而利用脉冲压缩技术除了可以改善雷达系统的分辨力和检测能力，还增强了抗干扰能力、灵活性，能满足雷达多功能、多模式的需要。 二、 设计原理 1、匹配滤波器原理： 在输入为确知加白噪声的情况下，所得输出信噪比最大的线性滤波器就是匹配滤波器，设一线性滤波器的输入信号为)(t x ： )()()(t n t s t x += 其中：)(t s 为确知信号，)(t n 为均值为零的平稳白噪声，其功率谱密度为2/No 。 设线性滤波器系统的冲击响应为)(t h ，其频率响应为)(ωH ，其输出响应： )()()(t n t s t y o o += 输入信号能量： ∞<=?∞ ∞-dt t s s E )()(2 输入、输出信号频谱函数： dt e t s S t j ?∞ ∞--=ωω)()( )()()(ωωωS H S o = ωωωπωωd e S H t s t j o ?∞ -=)()(21)( 输出噪声的平均功率： ωωωπ ωωπd P H d P t n E n n o o ??∞∞-∞∞-==)()(21)(21)]([22 ) ()()(2)()(21 2 2 ωωωπ ωωπ ωωd P H d e S H SNR n t j o o ? ? ∞ ∞ -∞ ∞-=
连续波调频雷达 雷达主要分为脉冲雷达和连续波雷达两大类。当前常用的雷达大多数是脉冲雷达，常规脉冲雷达是周期性地发射高频脉冲。而连续波雷达即是发射连续波信号的雷达，它的信号可以是单频、多频或者调频（多种调制规律如三角形、锯齿波、正弦波、噪声和双重调频或者是编码调制）的。单频连续波雷达可用于测速，多频（至少三个频点）和调频连续波雷达可用于测速和测距。它的优点是不存在距离盲点、精度高、带宽大、功率低、简单小巧，缺点是测距量程受限、存在多普勒距离耦合和收发很难完全隔离。 f 锯齿波调频 频率-时间特性曲线 调频连续波雷达参数与性能分析： 1、频率： 13.6GHz (±15MHz) （Ku 波段） 2、扫频带宽F ?： 30MHz 距离分辨率：m F C R 51030210326 8 =???==?? 3、调制周期T ： ms 06.1=T 理论最大量程：Km C T R 1591031053.02 max 83=???=?=- 0 调制周期T 带宽 F t
4、实际回波最大迟延： s d m 16.0t max = 实际最大量程： Km C R d 241031008.02 t max 83max =???=?= -‘ 实际最大差拍频率： M T t F d b 53.4f max max =?=? 5、相干处理时间间隔：ms s d 9.0m 16.0ms 06.1t -T T max Coherent =-== f 锯齿波调频 频率-时间特性曲线 可采点数： 36000m 9.040T Fs N Coherent =?=?=s MHz 实际频率分辨率： Hz MHz N Fs 111136000 400f === 对应的实际距离分辨率：m F C T R 89.5103021111 1031006.120f 6 83=??????=??= ??‘ （量程越小，差拍频率越小，可获得的越大的相干处理时间，能该晒距离分辨率） 6、速度多普勒耦合： 速度较小不考虑，采用锯齿波调频信号时，一般直接将其影响加到系统误差中去。若采用三角波调频倒可以再信号处理时对其进行补偿。 0 调制周期T 带宽 F t
存档编号________ 基于MATLAB的线性调频信号的仿真 教学学院 届别 专业 学号 指导教师 完成日期
内容摘要：线性调频信号是一种大时宽带宽积信号。线性调频信号的相位谱具有平方律特性，在脉冲压缩过程中可以获得较大的压缩比，其最大优点是所用的匹配滤波器对回波信号的多普勒频移不敏感，即可以用一个匹配滤波器处理具有不同多普勒频移的回波信号，这些都将大大简化雷达信号处理系统，而且线性调频信号有着良好的距离分辨率和径向速度分辨率。因此线性调频信号是现代高性能雷达体制中经常采用的信号波形之一，并且与其它脉压信号相比，很容易用数字技术产生，且技术上比较成熟，因而可在工程中得到广泛的应用。 关键词：MATLAB；线性调频；脉冲压缩；系统仿真
Abstract：Linear frequency modulation signal is a big wide bandwidth signal which is studied and widely used. The phase of the linear frequency modulation signal spectra with square law characteristics, in pulse compression process can acquire larger compression, its biggest advantage is the use of the matched filter of the echo signal doppler frequency is not sensitive, namely can use a matched filter processing with different doppler frequency shift of the echo signal, these will greatly simplified radar signal processing system, and linear frequency modulation signal has a good range resolution and radial velocity resolution. So linear frequency modulation signal is the modern high performance radar system often used in one of the signal waveform, and compared with other pulse pressure signal, it is easy to use digital technologies to produce, and the technology of the more mature, so in engineering can be widely applied. Keywords：MATLAB, LFM, Pulse compression, System simulation
实时三维频率步进式探地雷达技术介绍及应用案例分析 ◆最快的步进频率雷达：利用数字频率信号源, 可以产生0.5-10 毫秒的扫描周期，一个同相接收机，使得整个扫描周期(一般为几个毫秒)100%可被有效利用。 ◆天线阵技术，可容纳21个天线阵子：覆盖范围从100MHz 到3GHz。实际工作时，用户无需更换天线就可采集从100MHz 到3GHz频率的数据。 ◆CMP（共中点）采集模式：这套系统可以设置为CMP（共中点）采集模式，可实时显示各层的厚度和对应的介电常数，并基于路基材料的介电常数与其密实度，含水量的相关曲线，评定路基质量。 ◆空前的区域勘察速度(工作效率)：极其高的勘察效率和有效的采样方法使得 GeoScope TM采用2.4m天线阵可以以80km/h车速提供7.5×7.5cm网格完全三维图像。生产效率高达20亩/小时。 ◆数据采集过程中的三维实时显示技术：浏览器即可调用采集数据，实现实时三维显示（包括横向剖面、纵向剖面，水平切面）。 ◆软件处理能力超强：完整而快速的进行数据后处理，可加入注解及地理图像，且可以进行二次开发。 挪威3D-Radar公司成立于2001年，为国防、航空和安全高技术产品全球制造商——美国Chemring Sensors and Electronic Systems （Chemring SES）集团的子公司。3D-Radar公司拥有高质量三维雷达技术，从传统的脉冲信号雷达转为新的频率步进雷达，且具有丰富的GPR数据处理经验。 与市场上广泛使用的单通道脉冲式探地雷达系统相比，挪威3D-Radar公司的GeoScopeTM三维探地雷达系统具有如下特点： 频率步进雷达技术、实时三维显示、多通道天线阵技术、软件超强的处理能力 应用领域： ◆公路检测：面层厚度和质量、垫层和基层、桥梁检测 (脱空/剥离) ◆桥梁面板检测 ◆铁路路基检测：垫层厚度和质量、基层、电缆和管道 ◆机场跑道检测：沥青层厚度和质量、基层、脱空、电缆和管道 ◆地下公用设施 (管线/电缆)：地下公用设施 ◆考古 ◆地雷和未爆炸物探测
实验一 雷达信号波形分析实验报告 一、 实验目的要求 1. 了解雷达常用信号的形式。 2. 学会用仿真软件分析信号的特性。 3了解雷达常用信号的频谱特点和模糊函数。 二、实验参数设置 信号参数范围如下： （1）简单脉冲调制信号： （2）载频：85MHz （3）脉冲重复周期：250us （4）脉冲宽度：8us （5）幅度：1V （2）线性调频信号 载频:85MHz 脉冲重复周期：250us 脉冲宽度：20us 信号带宽：15MHz 幅度：1V 三、 实验仿真波形 1.简单的脉冲调制信号 程序： Fs=10e6; t=0:1/Fs:300e-6; fr=4e3; f0=8.5e7; x1=square(2*pi*fr*t,3.2)./2+0.5; x2=exp(i*2*pi*f0*t); x3=x1.*x2; subplot(3,1,1);
plot(t,x1,'-'); axis([0,310e-6,-1.5,1.5]); xlabel('时间/s') ylabel('幅度/v') title('脉冲信号重复周期T=250US 脉冲宽度为8us') grid; subplot(3,1,2); plot(t,x2,'-'); axis([0,310e-6,-1.5,1.5]); xlabel('时间/s') ylabel('幅度/v') title('连续正弦波信号载波频率f0=85MHz') grid; subplot(3,1,3); plot(t,x3,'-'); axis([0,310e-6,-1.5,1.5]); xlabel('时间/s') ylabel('·幅度/v') title('脉冲调制信号') grid; 仿真波形： 0123x 10-4-101 时 间 /s 幅 度 / v 脉冲信号 重复周期T=250us 脉冲宽度为8us 1 2 3 x 10 -4 -1 1 时间/s幅度/v连续正弦波信号
-126- 度高的酒精误差小，这也是设计的该酒精浓度探测仪适合与检测酒后驾车的原因，因为人在饮酒后，从呼吸道呼出的酒精气体浓度一般都不是很高。因此，经过适当的改进，可以用于 检测酒后驾车。 参考文献 [1]彭军.传感器与检测技术[M].西安:西安电子科技大学 大学出版社,2003. [2]高伟.51单片机原理及应用[M].北京:国防工业出版社,2008. 汽车防撞雷达系统的设计 德州学院汽车工程学院 寻 莹 【摘要】随着我国汽车行业不断发展，公路交通随着出车流密集化和驾驶员非职业化，交通事故越来越多。本文设计的汽车防撞雷达系统，就是当汽车与障碍物的距离较近时即可向司机预先发出报警信号，可及时有效的防止交通事故的发生。【关键词】单片机；报警系统；防撞雷达 1.引言 随着人民经济水平的提高，汽车已经走进我们的家庭中。但汽车相撞的交通事故发生增加了人民财产的损失。为了减少这种损失，设计一种能够提前预知前方行驶车辆的速度和距离的安全避撞装置是非常必要的。该汽车防撞雷达系统是以MCS-51系列单片机为核心器件，结合比较常规的超声波测距器件和霍尔车速传感器以及价格低廉的电子元件组成，包括硬件设计和软件设计两部分。本系统具有低误差、高精度和低成本的特点。 2.系统总体设计原理 设计的基本思路：通过对速度和距离的感知与计算，判断驾驶状态是否安全，并报警提醒驾驶员。系统总体方框图如图1所示。利用AT89S51单片机为核心器件并结合常规的超声波测距探头和霍尔车速传感器以及价格低廉的电子元件完成的。硬件电路由超声波信号发生电路、超声波信号接收电路、、单片机控制电路以及显示电路组成。测量获得的距离、速度信息都传递给单片机，单片机根据设计的计算模型，分析计算所获得的各种信息来判断与前方障碍物距离是否安全，并决定是否需要 图1?系统总体方框图 当40kHz的超声波发送脉冲信号由单片机送出，（其脉冲宽度及发送间隔均由软件控制），经多路选择开关按序分别送到前左、前右、后左、后右4路发送换能器上，由接收电路接收反射波，通过多级放大，整形后，待将交流信号整形输出一个方波信号时，由单片机检测此信号，从而检测出前进和倒车方向障碍物距离，通过显示单元显示距离和方位，起到提示和警戒的作用。 3.硬件电路设计 控制系统采用单片机为主控部件。单片机本身是一个最小的应用系统，但由于应用系统中有一些功能器件无法集成到芯片内部，需在片外加接相应的外围电路。汽车防撞系统的硬件电路是由超声波信号发生电路、超声波信号 接收电路、感应信号放大及处理电路、中央处理单元电路、测速电路等其他电路组成。 3.1 主控芯片 本设计选用AT89S51为主控芯片，充分利用了AT89S51的片内资源，即可在很少外围电路的情况下构成功能完善的超声波测距系统，而且AT89S51的性价比较高。AT89S51的主要技术参数如表1所示。 3.2 超声波信号发射电路 超声波信号发射电路如图2所示，包括超声波信号的产生、多路选择及换能器等。超声波探头选用压电超声波换能器。压电超声波换能器是利用压电材料的压电效应来工作的。当它的两极外加脉冲信号，其频率等于压电晶片的固有振荡频率时，压电晶片将会发生共振，并带动共振板振动产生超声波，这时它就是一超声波发生探头；如没加电压，当共振板接受到超声波时，将压迫压电振荡器作振动，将机械能转换为电信号，这时它就成为超声波接受探头。超声波发射换能器与接受换能器其结构 稍有不同。 图2?超声波信号发射电路 3.3 超声波信号接收电路 超声波信号接收电路如图3所示，由接收换能器、多路选择开关、放大及控制等电路组 成。 4.软件设计 主程序包括初始化和各个子程序的调用，最后把结果用LCD显示出来，并作出判断。系统主程序流程图如图4所示。 显示子程序流程图如图5所示。超声波发射极和接收极距离较近，当发射极发射超声波以后，有部分超声波没经过障碍物反射就直接绕射到接收极上，这部分信号是无用的，会引起系统误测。设计中采用延时技术来解决这个问题，并设定延时时间为1ms，即在发射极发射超声波1ms内，通过软件关闭所有中断，接收电路对此期间接收到的任何信号不予理睬，1ms后立即启动中断程序，这时接收到的信号才有效，并在接受到回波信号的同时，中断程序停。此时中断程序所记录的CPU发送脉冲信号的前沿到回波脉冲信号之间的时间才是需要的。因此，系统存在测量盲区。最后把测量结果存储并通过LCD液晶显示电路显示出来，完 图4?系统主程序流程图 图5?显示子程序流程图 表1?AT89S51的主要技术参数 (1)与MCS-51产品指令系统完全兼容；(2)4K字节可编程FLASH存储； (3)1000次擦/写循环；(4)4.0～5.5V的工作电压范围；(5)全静态工作：0Hz-24KHz；(6)三级程序存储器保密锁定； (7)128*8位内部RAM；(8)32条可编程I/O线；(9)两个16位可编程定时/计数器；(10)6个中断源；(11)2个全双工串行通信口；(12)可直接驱动LCD；(13)5个中断优先级；(14)2层中断嵌套中断；(15)片内时钟振荡器；(16)看门狗(WDT)电路； (17)低功耗空闲和掉电保护。
调频连续波（FMCW）雷达/微波物位计的工作原理 FMCW是取英文Frequency Modulated Continuous Wave的词头的缩写。FMCW 技术是在雷达物位测量设备中最早使用的技术。 FMCW微波物位计采用线性的调制的高频信号，一般都是采用10GHz或24GHz微波信号。它是一种基于复杂数学公式的间接测量方法，由频谱计算出物位距离。天线发射出被线性调制的连续高频微波信号并进行扫描，同时接收返回信号。发射微波信号和返回的微波信号之间的频率差与到介质表面的距离成一定比例关系。 如果我们认为被线性调制的发射微波信号的斜率为K,发射信号和反射信号的频率为rf,滞后时间差为rt,发射天线到介质表面的距离为R，C为光速。 那么我们可以得到：rt = 2R/C 由于采用的是调频的微波信号，因此我们可得：rf = K×rt； 两式合并后，我们得到公式： R = C× rf/2K （公式2） 根据公式2，我们可以看到，天线到介质表面的距离R与发射 频率和反射频率差rf成正比关系。 信号处理部分将发射信号和回波信号进行混合处理，得到混合信号频谱，并通过独立的快速傅立叶（FFT）变化来区分不同的频率信号，最后得到准确地数字回波信号，计算出天线到介质表面的距离。 实际上，FMCW信号是在两个不同的频率之间循环。目前市场上的FMCW微波物位计主要以两种频率为主：9到10GHz和24.5到25.5GHz。 采用FMCW原理的微波物位计都具有连续自校准的处理功能。被处理的信号与一个表示已知固定距离的内部参照信号进行比较。任何差值会自动得到补偿，这样消除了由温度波动或变送器内部电子部件老化引起的可能的测量漂移。 2.2、脉冲 脉冲雷达物位计，与超声波技术相似，使用时差原理计算到介质表面的距离。设备传输固定频率的脉冲，然后接收并建立回波图形。信号的传播时间直接与到介质的距离成一定比例。但是与超声波使用声波不同，雷达使用的是电磁波。它利用好几万个脉冲来“扫描”容器并得到完整的回波图。 通常，采用脉冲方式的微波物位计的精度和可靠性都不如FMCW微波位计，但是脉冲物位计因为价格较FMCW低很多，因此是目前市场应用得最多的微波物位计。当然，很多生产厂商通过增强回波处理功能等方式大大提高了脉冲雷达的可靠性。
脉冲压缩雷达的仿真脉冲压缩雷达与匹配滤波的MATLAB仿真 姓名：-------- 学号：---------- 2014-10-28 - 0 - 西安电子科技大学
一、雷达工作原理 雷达，是英文Radar的音译，源于radio detection and ranging的缩写，原意为"无线电探测和测距"，即用无线电的方法发现目标并测定它们的空间位置。因此，雷达也被称为“无线电定位”。利用电磁波探测目标的电子设备。发射电磁波对目标进行照射并接收其回波，由此获得目标至电磁波发射点的距离、距离变化率（径向速度）、方位、高度等信息。 雷达发射机的任务是产生符合要求的雷达波形（Radar Waveform），然后经馈线和收发开关由发射天线辐射出去，遇到目标后，电磁波一部分反射，经接收天线和收发开关由接收机接收，对雷达回波信号做适当的处理就可以获知目标的相关信息。 但是因为普通脉冲在雷达作用距离与距离分辨率上存在自我矛盾，为了解决这个矛盾，我们采用脉冲压缩技术，即使用线性调频信号。 二、线性调频（LFM）信号 脉冲压缩雷达能同时提高雷达的作用距离和距离分辨率。这种体制采用宽脉冲发射以提高发射的平均功率，保证足够大的作用距离；而接受时采用相应的脉冲压缩算法获得窄脉冲，以提高距离分辨率，较好的解决雷达作用距离与距离分辨率之间的矛盾。 脉冲压缩雷达最常见的调制信号是线性调频（Linear Frequency Modulation）信号,接收时采用匹配滤波器（Matched Filter）压缩脉冲。 LFM信号的数学表达式： - 1 -
- 2 - （2.1） 其中c f 为载波频率，()t rect T 为矩形信号： （ 2.2） 其中B K T =是调频斜率，信号的瞬时频率为()22c T T f Kt t + -≤≤，如图 （图2.1.典型的LFM 信号（a ）up-LFM(K>0)（b ）down-LFM(K<0)） 将式1改写为： （2.3） 其中
航天电子对抗第22卷第1期 收稿日期:2005-07-06;2005-10-18修回。 作者简介:张红(1982-),女,硕士研究生,主要研究方向是雷达信号处理。 提高线性调频连续波雷达测距精度的ZFFT 算法 张 红,王晓红,郭 昕 (北京理工大学电子工程系,北京 100081) 摘要: 线性调频连续波(LFM CW )雷达在理论上有很高的测距精度,然而在实际系统中,由于FFT 变换的栅栏效应,使得其距离分辨力和测距精度处于同一数量级,满足不了近距离测距时高精度的要求。在传统的FFT 处理的基础上,采用ZFFT 算法,在运算量增加不多的情况下,完成对中频回波主瓣的局部细化,大大提高了LFM CW 雷达的测距精度,以满足高精度测距的要求。 关键词: 雷达;测距;LFM CW;ZFFT 中图分类号: TN958.94 文献标识码: A Improving ra nge measuring precision o f LFMC W radar usin g ZFFT method Zhang Hong,Wang Xiaohong,Guo Xin (Department of Electronic and Engineering,Beijing Institute of Technology ,Beijing 100081,China) Abstract:T he L inea r Fr equency M o dulated Continuous W ave (L FM CW )Radar has high theor etical r ang e measuring precision.But its practical range precision is of the same mag nitude as the rang e resolut ion because of the inher ent frequency space of FFT ,w hich can not satisfy the high precisio n requirement fo r the near r ang e measuring.ZF FT met ho d is adopted to r educe fr equency space of the main lo be of echo r ang e spectr um o n the FFT with incr easing less operat ion.T his method can gr eatly improv e the range precisio n of L FM CW r adar and satisf y the pr actical needs o f high precisio n r adar rang measuring. Key words:rada r;range measur ing;L FM CW;ZFF T 1 引言 线性调频连续波(LFM CW)能实现较高的距离和多普勒频率的分辨力,在各种近距离雷达,防撞雷达,末制导雷达,远距离天波、地波雷达以及飞机高度表中已得到广泛应用。LFM CW 雷达回波中频的处理普遍采用数字信号处理方式来获取回波中频的距离谱,然后根据一定的判决准则来判定目标的有无,并通过计算过门限的目标频谱值来测量目标的距离[1] ,其系统 框图如图1所示。 该方法是通过目标的回波和目标发射波形混频后得到差拍信号,对差拍信号进行FFT 运算,计算出回波中频在距离轴上的功率谱曲线(即距离谱),可以充分利用LFM CW 雷达的高距离分辨和高测距精度的特点,适用于更为复杂的目标环境,是微波、毫米波测 图1 L FM CW 雷达系统示意图 距和成像的重要手段。但是,由于FFT 的 栅栏效应 [2-3],使得通过FFT 变换得到的距离谱具有固定的采样间隔 R ( R 为雷达的距离分辨力),从而产生 R /2的测距误差。当测量的距离较远时, R R ,测量误差远远小于目标的距离,相对误差较小;但当测量距离较近时, R !R ,相对测量误差较大。为此,如何克服FFT 的栅栏效应、提高近距离的测距精度的问题,就成为LFMCW 测距雷达重要的研究课题。本文采用ZFFT 对距离谱进行局部细化,可在增加较少运算量的情况下,大幅提高LFM CW 测距雷达的测距精度。 48
信号采集与处理单元关键技术研究 1.1 太赫兹频段线形调频连续波雷达系统及工作原理 1.1.1 LFMCW雷达的基本特点 调频连续波(FMCW)雷达一种通过对连续波进行频率调制来获得距离与速度信息的雷达体制。雷达调频可以采用多种方式，线性和正弦调制在过去都已经得到广泛的运用。其中线性调频是最多样化的，在采用FFT处理时它也是最适合于在大的范围内得到距离信息的。鉴于此原因，有关调频连续波的焦点问题基本上都集中在LFMCW雷达上。 线性调频连续波（LFMCW）雷达是具有高距离分辨率、低发射功率、高接收灵敏度、结构简单等优点，不存在距离盲区，具有比脉冲雷达更好的反隐身、抗背景杂波及抗干扰能力的特点，且特别适用于近距离应用，近年来在军事和民用方面都得到了较快的发展。主要优点可归结为以下三方面： LFMCW最大的优点是其调制很容易通过固态发射机实现； 要从LFMCW系统中提取出距离信息，必须对频率信息进行处理,而现在这一步可以通过基于FFT的处理器来完成； LFMCW的信号很难用传统的截获雷达检测到。 除了上述优点外，LFMCW雷达也存在一些缺点。主要表现在两个方面： 作用距离有限：LFMCW雷达发射机和接收机是同时工作的，作用距离增大时，
发射机泄漏到接收机的功率也增加； 距离-速度耦合问题：LFMCW雷达采用的是超大时带积的线性调频信号，根据雷达信号模糊函数理论，它必然存在距离与速度的耦合问题，这不仅导致系统的实际分辨能力下降，而且会引起运动目标测距误差。 1.1.2 太赫兹频段LFMCW雷达系统 根据目前国内的元器件水平和技术条件，在能够满足太赫兹波探测系统技术指标的前提下，本系统工作频率为220GHz，采用宽带线性调频探测体制方案，依靠天线测量目标的散射特性获取目标信息和距离信息。线性调频连续波雷达具有低截获特性，在距离速度模糊方面与普通的脉冲雷达相比具有较大优势。对于调频体制，利用在时间上改变发射信号的频率并与接收信号频率进行混频处理不仅能测定目标距离，而且能够精确测量目标径向速度，所以线性调频探测系统实现了太赫兹频段雷达的主动探测功能。 现代的连续波雷达普遍采用零拍接收机，也可称为零中频超外差接收机，本地振荡器就用发射机泄漏过来的信号代替，与回波信号直接混频，产生窄带差拍信号，经特性滤波和放大后，由A/D采样进行数字化处理。因此，LFMCW雷达结构较 为简单，易于实现。 频率合成器在基准信号源作用下产生线性调频信号，并通过正交解调和倍频，生成所需频段的线性调频信号，一路经过多级放大后由发射天线发射出去，另一路耦合到混频器作为本振信号，高频电磁波遇目标后反射回接收天线，经放大后
邮局订阅号：８２－９４６３６０元／年技 术创新 ＤＳＰ开发与应用 《ＰＬＣ技术应用２００例》 您的论文得到两院院士关注 基于ＤＳＰ的毫米波汽车防撞雷达系统 ＡＭｉｌｌｉｍｅｔｅｒＷａｖｅＡｕｔｏｍｏｔｉｖｅＡｎｔｉ－ｃｏｌｌｕｓｉｏｎＲａｄａｒＳｙｓｔｅｍＢａｓｅｄｏｎＤＳＰ （江西理工大学） 黄艳国肖定华许伦辉 ＨＵＡＮＧＹａｎ－ｇｕｏＸＩＡＯＤｉｎｇ－ｈｕａＸＵＬｕｎ－ｈｕｉ 摘要：汽车雷达是减少交通事故的方法之一，在分析比较汽车防撞技术的基础之上，论述了毫米ＦＭＣＷ调频连续波雷达的原理，提出了基于ＤＳＰ的主从处理器的设计方案，详细介绍信号处理流程。该雷达能及时检测前方障碍物的距离和相对速度，当超过门限值时能自动显示和报警，可有效降低交通事故发生率。关键词：毫米波；ＦＭＣＷ；防撞雷达；ＤＳＰ中图文分类号：ＴＮ９５３文献标识码：Ｂ Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅａｕｔｏｍｏｔｉｖｅｒａｄａｒｉｓｏｎｅｏｆｔｈｅｍｅｔｈｏｄｓｏｆｒｅｄｕｃｉｎｇｔｒａｆｆｉｃａｃｃｉｄｅｎｔ．Ｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒｔｈｅｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙａｂｏｕｔａｕｔｏｍｏｔｉｖｅｃｏｌｌｉ－ｓｉｏｎａｖｏｉｄａｎｃｅｉｓｄｉｓｃｕｓｓｅｄ，ａｎｄｔｈｅｐｒｉｎｃｉｐｌｅｏｆｍｉｌｌｉｍｅｔｅｒｗａｖｅｒａｄａｒｂａｓｅｄｏｎＦＭＣＷｉｓｄｅｓｃｒｉｂｅｄ．Ａｎｅｗｄｅｓｉｇｎｗｉｔｈｍａｓｔｅｒ–ｓｌａｖｅｐｒｏｃｅｓｓｏｒｂａｓｅｄｏｎＤＳＰｉｓｐｒｅｓｅｎｔｅｄａｎｄｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇｆｌｏｗｏｆｓｏｆｔｗａｒｅｓｙｓｔｅｍａｒｅｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ，Ｔｈｅｒａｄａｒｃａｎｄｅｔｅｃｔｓｔｈｅｒｏａｄｂｌｏｃｋｉｎｆｒｏｎｔｏｆｉｔｉｍｍｅｄｉａｔｅｌｙａｎｄｇｉｖｅｓａｎａｌａｒｍｓｉｇｎａｌｗｈｅｎｔｈｅｐａｒａｍｅｔｅｒｓｅｘｃｅｅｄｔｈｅｓｅｔｖａｌｕｅ，ａｎｄｔｈｅｔｒａｆｆｉｃｃｒａｓｈｒａｔｅｉｓｒｅｄｕｃｅｄ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｍｉｌｌｉｍｅｔｅｒｗａｖｅ；ｆｒｅｑｕｅｎｃｙｍｏｄｕｌａｔｅｄｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓｗａｖｅ；ｃｏｌｌｉｓｉｏｎａｖｏｉｄａｎｃｅｒａｄａｒ；ＤＳＰ 文章编号：１００８－０５７０（２００８）０９－２－０１１１－０２ １引言 随着汽车工业的发展，汽车保有量不断增加，汽车所引发的交通事故不断上升，交通安全问题已成为车辆所有者所普遍关注的问题。在驾驶员、交通环境和汽车性能三者当中，驾驶员的综合素质是最不确定也是最不可控的因素。从公路交通事故的分析表明，８０％以上交通事故是由于反应不及时引起，若驾驶员能够提前１Ｓ进行预防，则可避免９０％的事故发生。在高速公路上，车辆行驶速度快，交通追尾所造成的交通事故居多，若在能见度低的雨、雪、雾等天气条件，或驾驶疲劳的情况下，将影响驾驶员对前方目标的识别，驾驶员难及时发现前方障碍物并及时采取措施，极易引发交通事故。在这种背景下，采用智能化的检测手段，用汽车雷达及时检测前方存在的障碍物，并提前预警，可有效防止交通事故的发生。 ２汽车雷达方案比较 目前汽车防撞技术按目标探测方式和工作原理的不同，主要有超声波、红外线、激光、以及毫米波。其中前三种雷达都是通过对回波的检测，与发射信号相比较，得到脉冲或相位的差值，从而计算出发射波与回波的时间差，再分别根据超声波、红外线、激光在空气中的传播速度，计算出与目标物的相对距离。这三种技术的汽车雷达结构简单，成本低，但使用过程存在不同程度的局限性。红外线测距在技术上难度不大，但受天气的影响较大，且红外线穿透力不强，在长距离探测方面不能满足汽车防护的要求。超声波同样受大气紊流和气涡的影响，且探测距离短，主要用于倒车雷达等近距离测距。激光具有高单色性、方向性和相干性强等特点，且光束很少扩散，波速能量集中，适用于远距离测量，在汽车防撞领域，受汽车的震动以及反射镜面磨损、污染、灰尘等因素影响较大，测距精度难以保证。 与超声波、红外线、激光相比，毫米波雷达分辨率高，不受大气絮流的影响，而且穿透能力很强，受雨、雪、雾等天气的影响较小。同时毫米波多谱勒频移大，不仅可以测量目标的距离，还可以测量目标的相对速度，因较好的稳定性和适应性特点，毫米波雷达成为最有发展潜力的汽车防撞雷达。 ３基于ＤＳＰ的毫米波雷达系统 ３．１毫米ＦＭＣＷ波雷达原理 毫米波是指波长在１－１０ｍｍ的电磁波，其带宽大，能适应恶劣环境。毫米波雷达按波的形式可分为脉冲波和连续波。以脉冲波为基础的脉冲雷达一般发射宽度非常短的脉冲，接收电路的时间分辨率要求高，采样电路复杂。而基于步进调频编码的调频连续波ＦＭＣＷ结构简单，成本低，适合近距离探测。 毫米波雷达其基本原理可描述为：天线向外发射频率随时间线性变化的电磁波，若前方有目标时反射回波，将发射波信号和回波信号进行混频，从混频器输出得到的频谱信号中提取包含目标相对距离和相对速度的信息。 图１发射波与回波波形图 黄艳国：讲师 基金项目：江西省自然科学基金项目（基于多智能体的城市交通协调控制理论及应用研究ＮＯ．０５１１０３０）颁发部门：江西省自然科学基金委员会１１１－ －
调频连续波FMCW雷达理 FMCW是取英文Frequency Modulated Continuous Wave的词头的缩写。FMCW 技术是在雷达物位测量设备 中最早使用的技术。 FMCW微波物位计采用线性的调制的高频信号，一般都是采用10GHz或24GHz微波信号。它是一种基于复杂数学公式的间接测量方法，由频谱计算出物位距离。天线发射出被线性调制的连续高频微波信号并进行扫描，同时接收返回信号。发射微波信号和返回的微波信号之间的频率差与到介质表面的距离成一定比例 关系。 如果我们认为被线性调制的发射微波信号的斜率为K,发射信号和反射信号的频率为rf,滞后时间差为rt, 发射天线到介质表面的距离为R，C为光速。 那么我们可以得到：rt = 2R/C 由于采用的是调频的微波信号，因此我们可得： rf = K×rt； 两式合并后，我们得到公式： R = C× rf/2K （公式2） 根据公式2，我们可以看到，天线到介质表面的 距离R与发射频率和反射频率差rf成正比关系。 信号处理部分将发射信号和回波信号进行混合处理，得到混合信号频谱，并通过独立的快速傅立叶（FFT）变化来区分不同的频率信号，最后得到准确地数字回波信号，计算出天线到介质表面的距离。 实际上，FMCW信号是在两个不同的频率之间循环。目前市场上的FMCW微波物位计主要以两种频率为主： 9到10GHz和24.5到25.5GHz。 采用FMCW原理的微波物位计都具有连续自校准的处理功能。被处理的信号与一个表示已知固定距离的内部参照信号进行比较。任何差值会自动得到补偿，这样消除了由温度波动或变送器内部电子部件老化引 起的可能的测量漂移。 2.2、脉冲 脉冲雷达物位计，与超声波技术相似，使用时差原理计算到介质表面的距离。设备传输固定频率的脉冲，然后接收并建立回波图形。信号的传播时间直接与到介质的距离成一定比例。但是与超声波使用声波不同，雷达使用的是电磁波。它利用好几万个脉冲来“扫描”容器并得到完整的回波图。 通常，采用脉冲方式的微波物位计的精度和可靠性都不如FMCW微波位计，但是脉冲物位计因为价格较FMCW 低很多，因此是目前市场应用得最多的微波物位计。当然，很多生产厂商通过增强回波处理功能等方式大
题目 ： 雷达线性调频信号的脉冲压缩处理 线性调频脉冲信号，时宽 10us ，带宽 40MHz ，对该信号进行匹配滤波后，即脉压处理，脉压后 的脉冲宽度为多少？用图说明脉压后的脉冲宽度， 内差点看 4dB 带宽，以该带宽说明距离分辨 率与带宽的对应关系。 分析过程： 1、线性调频信号( LFM ) LFM 信号(也称 Chirp 对于一个理想的脉冲压缩系统， 要求发射信号具有非线性的相位谱， 并使其包络接近矩形； 其中 S(t) 就是信号 s(t) 的复包络。由傅立叶变换性质， S(t) 与 s(t) 具有相同的幅频特性，只 是中心频率不同而已。因此， Matlab 仿真时，只需考虑 S(t) 。以下 Matlab 程序产生 S(t) ， 并作出其时域波形和幅频特性，程序如下： T=10e-6; % 脉冲时宽 10us B=40e6; % 带宽 40MHz K=B/T; Fs=2*B;Ts=1/Fs; N=T/Ts; t=linspace(-T/2,T/2,N); St=exp(j*pi*K*t.^2); subplot(211) plot(t*1e6,St); xlabel('t/s'); title(' 线性调频信号 '); grid on;axis tight; subplot(212) freq=linspace(-Fs/2,Fs/2,N); plot(freq*1e-6,fftshift(abs(fft(St)))); xlabel('f/ MHz'); 信号)的数学表达式为： 式中 f c 为载波频率， rect s(t) rect( t )e 为矩形信号 ， j2 (f c t 2t ) rect(T t ) 0, t T el se 上式中的 up-chirp 信号可写为 ： s(t) 当 TB>1时， LFM 信号特征表达式如下： S(t)e j2 fct S LFM ( f ) k 2rect ( f B f c ) LFM ( f ) (f f c ) 4 S(t) rect (T t )e j Kt
第6卷 第3期 信 息 与 电 子 工 程 Vo1．6，No．3 2008年6月 INFORMATION AND ELECTRONIC ENGINEERING Jun．，2008 文章编号：1672-2892(2008)03-0167-05 线性调频连续波合成孔径雷达成像算法 杨 蒿，蔡竟业 (电子科技大学 通信与信息工程学院140教研室，四川 成都 610054) 摘 要：线性调频连续波(LFMCW)合成孔径雷达(SAR)因体积小，重量轻，成本相对低，成为 近来研究的热点。连续波SAR 的回波信号通常经过相干解调处理。针对其独特的应用背景和信号模 型，对现有的各种成像处理算法进行了讨论和比较，总结出其优缺点及应用范围。并对LFMCW- SAR 今后的发展提出了展望。 关键词：线性调频连续波；合成孔径雷达；成像算法 中图分类号：TN958 文献标识码：A Linear Frequency Modulated Continuous Wave-Synthetic Aperture Radar Imaging Algorithm YANG Hao，CAI Jing-ye (School of Communication and Information Engineering，UESTC，Chengdu Sichuan 610054，China ) Abstract：Linear Frequency Modulated Continuous Wave(LFMCW)-Synthetic Aperture Radar(SAR) has become a focus in recent researches，due to its compactness and low cost. This paper analyses and compares various imaging algorithms，based on the special application background and signal model derived from its dechirped raw data. Then the advantages，disadvtanges and application fields of the algorithms are presented. Future development of LFMCW SAR is prospected. Key words：Linear Frequency Modulated Continuous Wave；Synthetic Aperture Radar；imaging algorithm 目前机载对地观测受到越来越广泛的关注，其应用领域不仅涵盖搜索救援、区域监测、灾害监视与控制等民用方面，还包括小型无人机对地侦察等军事领域。合成孔径雷达与光电成像设备相比可以全天候、全天时工作，如在云雨雾等恶劣气候及夜晚条件下工作，而且具有实时大面积连续成像能率[1]。但是，传统的脉冲SAR 由于其设备复杂，体积大，重量重，成本相对较高等缺陷限制了其应用层面，特别是不能安装到小型飞机如直升机和无人机上完成一些紧急任务，也不适于低成本的民用项目[2]。因此，LFMCW ?SAR [3]以其紧凑、低耗、相对便宜且高分辨力的优点逐渐发展起来[4?10]。连续波SAR 概念自1988年被提出，并应用于飞机高度计之后，特别是连续波SAR 在发射能量一定的前提下，与脉冲SAR 相比拥有更低的发射功率，并且具有更好的隐蔽性，发射机也可以使用全固态设计，使得系统具备了高可靠性和较少维护的优点[11?14]。同时，连续波SAR 接收机前端通过相干混频处理得到差频信号，在成像带较窄的情况下，可以大大降低信号带宽，从而降低对信号高速采集与处理的需求。 本文描述了LFMCW ?SAR 的去调频信号模型，在该信号模型的基础上，讨论针对去调频信号的各种成像处理算法，对各种算法进行了比较总结，最后对未来LFMCW ?SAR 的发展进行了展望。 1 LFMCW ?SAR 的信号模型 LFMCW ?SAR 接收到的回波信号经去斜、下变频后可表示为： 2 022444(,;)exp (j )exp [j ()()]exp [j ()]c r r a r t r t c t c r k k S t t r C r t r r r r c c c λπππ=????? (1) 收稿日期：2007-11-22；修回日期：2008-01-08