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提高线性调频连续波雷达测距精度的ZFFT算法(2006)

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线性调频连续波雷达的一种信号处理方法

线性调频连续波雷达的一种信号处理方法

线性调频连续波雷达的一种信号处理方法作者：雒海潮宋思盛来源：《现代电子技术》2010年第05期摘要:线性调频连续波(LFMCW)雷达具有距离和多普勒频率分辨率高,结构简单,体积小,重量轻和良好的低截获概率特性,得到了广泛的应用。

对线性调频连续波雷达的目标回波信号进行分析,使用差拍-频谱分析-MTD的方法进行仿真,从回波信号中提取目标的相位信息,从而获取目标的距离和速度信息,该方法可有效地抑制固定杂波,方便动目标检测。

关键词:LFMCW;差拍频率;FFT;MTD中图分类号:TN95文献标识码:A文章编号:1004-373X(2010)05-042-02Signal Processing Method for LFMCW RadarLUO Haichao,SONG Sisheng(Xi′an Electronic Engineering Research Institute,Xi′an,710100,China)Abstract:Characterized by high resolution for distance and doppler frequency,simple structure,small volume,low weight,and excellent Low Probability of Intercept(LPI),LFMCW radar has found wide applications.Target echo signal of LFMCW radar is fisrt analyzed with beat-spectrum analysis-MTD stimulation,then the phase information is obtained from target echo signal,hence the distance and speed of the target.The method can largely reduce fixed clutters,and it is very effective in moving target detection.Keywords:LFMCW;beat frequency;FFT;MTD线性调频连续波雷达(LFMCW)的距离速度模糊问题一直难以解决,文献[1]采用MTD频域配对方法,通过MTD简化差拍信号的频谱,并利用三角形线性调频连续波上、下扫频段多普勒频移的对称性,实现动目标的距离、速度去耦合,但其在多目标环境下难以准确配对。

调频连续波测距精度公式

调频连续波测距精度公式

调频连续波测距精度公式线性调频连续波(LFMCW)雷达是一种通过对连续波进行频率调制来获得距离和速度信息的雷达体制，由于其具有无距离盲区、高距离分辨率、低发射功率、结构简单等优点，近年来受到人们的广泛关注。

其理论、关键技术得到迅速发展，应用领域也越来越广泛。

连续波雷达主要用于多普勒导航、测速、测高、近炸引信、导弹制导、目标搜索跟踪和识别、目标指示、战场监视，以及隐身飞机的形体研究等方面。

其中三角波线性调频连续波雷达较为普遍。

三角波线性调频连续波雷达是利用差拍频率来对固定目标进行检测，具有独特的优势。

例如在信号调制过程中，如果采用锯齿波进行调制，由于锯齿波有一跳变，在整个系统中产生很强的调制周期信号，影响系统的灵敏度。

而改用三角波进行调制，由于突变小使得系统中调制周期信号大大减弱，提高了系统性能。

另外结合信号处理算法，三角波调制通过对上/下扫频段的差频信号分别进行处理并对目标上/下扫频段的差拍频谱进行配对处理，可消除距离速度耦合，实现多目标环境中运动目标的检测与参数估计。

三角波线性调频连续波信号，即发射频率按周期性三角波的规律变化。

设ft是发射机的高频发射频率，fr为从目标反射回来的回波频率，它和发射频率的变化规律相同，但在时间上滞后tr，tr＝2R/c。

发射频率的最大频偏为Fm＝2Δf，fb为发射和接收信号间的差拍频率，则fb＝ft-fr。

在调频的上升段df/dt为正值，下降段df/dt为负值。

对于一定距离R的目标回波，除去在t轴上很小一部分2R/c以外其他时间差频是不变的。

若测得一个周期内的平均差频值便可求出目标距离R。

当反射回波来自运动目标，其距离为R而径向速度为v时，多普勒频率为fd，得到调制前后半周正负斜率下的差频分别为fb+和fb-，进而可求出目标距离和目标的径向速度。

几种基于FFT的频率估计方法精度分析_齐国清

几种基于FFT的频率估计方法精度分析_齐国清

的是 ΡCRB 与 FFT 的频率分辨率 ∃f 的比值。当N =
2 048, 信噪比为 40 dB 时, 标准差下限约为 10- 4∃f ;
当 N = 256, 信 噪 比 为 10 dB 时 标 准 差 下 限 约 为
10- 2∃f 。
∆δ =
±
1
Α +
Α
(4)
式 (4) 中的符号根据次大值是在最大值的左侧还是
摘要: 介绍了噪声背景中正弦信号频率估计的方差下限, 对利用 FFT 主瓣内两条幅度最大谱线进行插值的频率估 计方法 (R ife2J ane 方法和 Q u inn 方法) 以及利用 FFT 相位进行频率插值的方法 (分段 FFT 相位差法和重叠 FFT 相位差法) 的方差进行了理论分析, 推导了 Q u inn 方法的频率估计方差计算公式, 提出了通过滤波进一步提高分段 FFT 相位差法的频率估计精度的方法。通过计算机M on te Carlo 模拟实验对上述各种方法的频率估计精度以及加 窗函数的影响进行了分析并与理论下限进行了比较, 指出了每种方法所能达到的估计精度。
介绍了噪声背景中正弦信号频率估计的方差下限对利用fft主瓣内两条幅度最大谱线进行插值的频率估计方法rife2jane方法和quinn方法以及利用fft相位进行频率插值的方法分段fft相位差法和重叠fft相位差法的方差进行了理论分析推导了quinn方法的频率估计方差计算公式提出了通过滤波进一步提高分段fft相位差法的频率估计精度的方法
引 起较大的频率估计误差。 图 2 (a) 所示为 N =
图 1 频率估计标准差下限随信噪比和 FFT 长度变化情况
1. 2 R ife-Jane 频率估计方法
s (n) 的 N 点 FFT 记为 S (k ) , 鉴于实序列 F F T 的对称性, 只考虑离散频谱的前 N 2 点, 在不加窗 (即加矩形窗) 情况下有

提高FMCW雷达测距精度的算法研究

提高FMCW雷达测距精度的算法研究

提高FMCW雷达测距精度的算法研究作者：李鑫洋王洪源来源：《中国新技术新产品》2016年第19期摘要：FMCW雷达的测距误差主要受信噪比和扫频宽度影响：当信噪比较低的情况下，雷达的测距误差很大，甚至可能导致结果错误；雷达的扫频带宽决定了雷达的测距固定误差，FFT的频谱估计精度与FFT频率量化相关，当测距精度要求很高时，单纯利用FFT频谱估计目标距离无法达到目的。

采取的方法是利用FFT得到FMCW雷达差频信号谱峰的粗略范围，再对这一范围进行频谱细化，从而实现频率（距离）高精度估计。

关键词：FMCW雷达；测距精度；频谱细化中图分类号：TN98 文献标识码：AAbstract： The ranging error of FMCW radar is mainly influenced by the signal to noise ratio and sweep width： when the SNR is low， radar ranging error is very large， and may even lead to errors in the results； The sweep bandwidth of the radar determines the fixed error of the radar，Spectrum estimation accuracy of FFT is related to the quantization of FFT frequency， when the accuracy requirement is very high， estimate the target distance can not achieve the purpose of using pure FFT spectrum. The. method is getting the approximate range of frequency peak of FMCW radar’s beat frequency signal， using FFT. Then subdivide frequency in this range. Thus we can get the high precision frequency estimation.Keywords： FMCW radar； ranging accuracy； spectrum zooming1. FMCW雷达测距基本原理1.1 FMCW雷达系统结构FMCW（全称Frequency Modulated Continuous Wave，即调频连续波）雷达的基本结构与脉冲雷达有很多相似之处，主要都是由压控震荡器（VCO）、双工器、天线和接收机等几大部分组成。

基于Rife法的线性调频连续波雷达测距算法及实现

基于Rife法的线性调频连续波雷达测距算法及实现

基于Rife法的线性调频连续波雷达测距算法及实现詹启东;涂亚庆【摘要】介绍了基于Rife法的线性调频连续波(LFMCW)雷达测距算法的原理,给出该算法的实现步骤,并从理论上分析了算法的测距性能.结合可编程门阵列(FPGA) EP3C55F484C8N芯片,进行该算法的编程实现,并将算法嵌入高精度LFMCW雷达中.利用LFMCW雷达进行现场测距实验,实验结果验证了该算法的有效性.【期刊名称】《兵工学报》【年(卷),期】2014(035)005【总页数】5页(P748-752)【关键词】雷达工程;雷达测距;Rife法;线性调频连续波;可编程门阵列【作者】詹启东;涂亚庆【作者单位】后勤工程学院后勤信息工程系,重庆401311;后勤工程学院后勤信息工程系,重庆401311【正文语种】中文【中图分类】TN959.1高精度线性调频连续波(LFMCW)雷达测距一直是近年的研究热点,已广泛应用于军工领域[1-4]。

根据雷达测距原理,LFMCW雷达的发射信号与反射信号混频输出的差拍信号存在规则区和非规则区,通过采用高精度的频率估计方法估计规则区差拍信号的频率,对提高雷达测距精度起着重要作用[5-6]。

目前主要有4类高精度频率估计方法:比值法[7]、能量重心法[8]、快速傅里叶变换(FFT)+傅里叶变换(FT)谱连续细化分析FT法[9]和相位差法[10]。

实际工程应用中的LFMCW雷达主要采用可编程门阵列(FPGA)进行差拍信号的处理,由于FPGA片内资源有限和雷达实时性的要求,使得差拍信号的处理不能过于复杂。

很多算法因较为复杂,如其他算法具有求相位、求离散时间傅里叶变换(DTFT)、复数乘加法等环节都不易进行FPGA实现,不适用于雷达差拍信号的处理;而Rife法[11]作为比值法的一种,具有原理简单、易于工程实现等优点,非常适合于差拍信号的处理。

基于提高LFMCW雷达测距精度的需要,本文给出一种基于Rife法的LFMCW雷达测距算法,探索将该算法实现于LFMCW雷达中,并通过雷达的现场测距实验验证本文算法的有效性。

雷达液位测量的精度分析及ZoomFFT算法的实现

雷达液位测量的精度分析及ZoomFFT算法的实现

２ ． Ｉ ｎ ｓ ｔ ｉ ｔ ｕ ｔ ｅ ｏ ｆＡ ｃ ｏ ｕ ｓ ｔ ｃ ｉ ｓ ， Ｃ ｈ ｉ ｅｓ ｎ ｅ Ａ ｃ ａ ｄ ｅ ｍ ｙ ｆＳ ｏ ｃ ｉ ｅ ｎ ｃ ｅ ， Ｂ ｅ ｉ ｊ ｉ ｎ ｇ １ ０ ０ ０ ８ ０ ， Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ ；
３ ． Ｂ ｅ ｉ ｊ ｉ ｎ ｇ Ｈ ｎｇ ａ Ｒｕ ｉ Ｂ ｏ Ｔ ａ ｉ Ｓ ｃ ｉ ｅ ｎ ｃ ｅ ＆Ｔ ｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ ｇ ｙ Ｃ ｏ ． Ｌ ｔ ｄ ， Ｂ ｅ ｉ ｊ ｉ ｎ ｇ １ ０ ０ １ ０ ２ ， Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ ）
第２ １ 卷 第 ２ ２期
Ｖｏ １ ． ２ １
Ｎｏ ． ２ ２
电 子 设 计 工 程
Ｅｌ ｅ ｃ ｔ ｒ ｏ ｎ ｉ ｃ Ｄｅ ｓ ｉ ｇ ｎ Ｅｎ ｇ ｉ ｎｅ ｅ ｒ ｉ ｎｇ
２ ０ １ ３年 １ １月
ＮＯ Ｖ ．２ ０１ ３
雷达 液位测量的精 度分析 及 Ｚ ｏ ｏ ｍＦ Ｆ Ｔ算 法的实现
中图 分 类 号 ： Ｔ Ｎ ９ ８ 文献标识码 ： Ａ 文章 编 号 ：１ ６ ７ ４ — ６ ２ ３ ６ （ ２ ０ １ ３ ） ２ ２ — ０ １ ８ ２ — ０ ３
Ｒａ ｄａ ｒ ｌ ｅ ｖ ｅ ｌ ｍｅ ａ ｓ ｕｒ ｅ ｍｅ ｎ ｔ ａ ｃ ｃ ｕ ｒ ａ ｃ ｙ ａ ｎａ ｌ ｙ ｓ ｉ ｓ ａ ｎｄ Ｚｏ ｏ ｍＦＦＴ ｌｇ ａ ｏ ｒ ｉ ｔ ｈｍ ｉ ｍｐ ｌ ｅ ｍｅ ｎ ｔ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ
摘 要 ：文 中首 先 介 绍 了线 性 调 频 连 续 波 雷 达 （ Ｌ Ｆ ＭＣ Ｗ） 液 位 测 量 系统 的 基 本 原 理 。 然后 阐述 了液 位 测 量 的 精 度 及 影
响 因素 ， 接 着给 出 了频 率 估 计 的 方 差 Ｃ ｒ ａ ｍ ｅ ｒ — Ｒ ａ ｏ下 限 。 为 了提 高测 量 精 度 及 分 辨 率 ， 需对 Ｆ Ｆ Ｔ运 算 完 的频 谱 进 行 细 化分析。 常 见 的 方 法有 Ｃ ｈ ｉ ｒ ｐ — Ｚ变换 、 复调制 Ｚ ｏ ｏ ｍＦ Ｆ Ｔ法 等 ． 本 文给 出 了基 于复 解 析 带 通 滤 波 器 的 Ｚ ｏ ｏ ｍＦ Ｆ Ｔ算 法 的 分 析过程 ， 同 时通 过 计 算 机 用 ｍ ａ ｔ ｌ ａ ｂ仿 真 该 算 法 ． 并 在 数 字信 号 处 理 芯 片 上 实现 其 在 液 位 测 量 实际 情 况 中的应 用 ， 本 方 法计算效率优越、 分辨率 高。 关 键 词 ：雷达 液 位 测 量 ； 频 率 方差 下 限 ； Ｚ ｏ ｏ ｍ Ｆ Ｆ ｌ ＂ ；分辨 率 ；频谱 细化 ； 带 通 滤 波

调频法测距

调频法测距原理
对载频进行频率调制是用得很广的展宽连续 波雷达频谱的一种技术，定时标志就是变化着的 频率。 线性调频：目标回波延迟时间正比于回波信号和 发射信号的频率差。在给定的时间范围内发射的 频率偏移越大，测量延迟时间的精度就越高，发 射频谱也越宽。
频率调制波形
调频连续波(FMCW: Frequency Modulation 调频连续波 Continuous Wave)雷达的发射频率按已知的时间函数变化， 雷达的发射频率按已知的时间函数变化， 雷达的发射频率按已知的时间函数变化 它利用在时间上改变发射信号的频率并测量接收信号频率的 方法来测定目标距离。在任何给定瞬间， 方法来测定目标距离。在任何给定瞬间，发射频率与接收频 率的相关不仅是测量目标距离的尺度， 率的相关不仅是测量目标距离的尺度，而且还是测量目标径 向速度的尺度。 向速度的尺度。由于任何实际的连续波雷达频率不可能向一 个方向连续变化，所以必须采用周期性的调制。 个方向连续变化，所以必须采用周期性的调制。 调制波形通常有： 调制波形通常有： 锯齿波、三角波、正弦波、 锯齿波、三角波、正弦波、步进频率
S IF 0 (t ) = cos[2π (− f d nT + ( f R − f d )(t − nT ) )]
信号处理的首要任务是将回波信号进行距离、速度及方位分选 网格化 网格化)， 信号处理的首要任务是将回波信号进行距离、速度及方位分选(网格化 ，然后再进 行其它处理。由于接收机中进行正交双通道处理， 行其它处理。由于接收机中进行正交双通道处理，所以可以得到上式的复信号形 式为： 式为：
2010-11-14
哈尔滨工业大学电子工程系
14
式中2f 为常数， 式中 0R0/c为常数，目标多普勒频率 d=2vrf0/c，fR=2KR/c=Kτ是目标距离所对应 为常数 目标多普勒频率f ， 是目标距离所对应 的频率， 对应的频率f<<0，则零中频信号形式可简写成： 的频率，R=R0-vrt，Kτ2/2对应的频率 ， 对应的频率 ，则零中频信号形式可简写成：

调频连续波雷达测距原理

调频连续波雷达测距原理一、引言调频连续波雷达是一种常用的测距技术，它通过发射一段频率不断变化的信号，并接收回波信号进行处理，实现对目标物体的距离测量。

本文将详细介绍调频连续波雷达的原理及其实现过程。

二、调频连续波雷达原理1. 原理概述调频连续波雷达是利用高频电磁波与目标物体相互作用的原理进行测距。

它通过发射一段连续变化的高频信号，并接收回波信号，通过计算发射信号与回波信号之间的时间差和相位差，从而得到目标物体与雷达之间的距离信息。

2. 发射信号调频连续波雷达采用一段带宽较大、中心频率不断变化的信号作为发射信号。

这种信号被称为“调频连续波”（Frequency Modulated Continuous Wave，简称FMCW）。

3. 回波信号当FMCW信号遇到目标物体时，会被反射回来形成回波。

这个回波包含了目标物体与雷达之间的距离信息。

4. 时域处理接收到回波信号后，调频连续波雷达会对其进行时域处理。

具体来说，它会将发射信号与回波信号进行匹配，并计算它们之间的时间差和相位差。

5. 频域处理在进行时域处理之后，调频连续波雷达还需要进行频域处理。

具体来说，它会将时域信号转换成频域信号，并通过傅里叶变换等算法进行分析和处理。

6. 距离测量通过对发射信号与回波信号的时间差和相位差进行计算，调频连续波雷达可以得到目标物体与雷达之间的距离信息。

具体来说，距离可以通过以下公式计算得出：d = c * (Δt / 2)其中，d表示目标物体与雷达之间的距离；c表示光速；Δt表示发射信号与回波信号之间的时间差。

三、调频连续波雷达实现过程1. 发射器部分调频连续波雷达的发射器部分主要由一个带有可变中心频率的VCO （Voltage Controlled Oscillator）和一个功率放大器组成。

其中，VCO负责产生一段带宽较大、中心频率不断变化的信号，功率放大器则负责将这个信号放大到一定的功率水平。

2. 接收器部分调频连续波雷达的接收器部分主要由一个低噪声放大器、一个混频器、一个带通滤波器和一个ADC（Analog-to-Digital Converter）组成。

雷达原理笔记之线性调频连续波雷达测距测速原理

1 雷达原理笔记之LFMCW雷达测距测速
1 雷达原理笔记之LFMCW雷达测距测速
1.1 单边扫频锯齿波
1.1.1 静止目标回波分析
1.1.2 运动目标回波分析
1.1.3 优缺点分析
1.2 双边扫频三角波
1.2.1 运动目标回波分析
调频连续波雷达在当今的雷达行业仍占有较高的地位。

由于其无盲区测距的巨大优势，现在人们更多地将其应用在车载雷达行业。

调频连续波雷达现在主要有单边扫频（锯齿波）和双边扫频（三角波）两种调制形式。

1.1 单边扫频锯齿波
上图就是典型的单边扫频连续波雷达的图像，调频斜率。

1.1.1 静止目标回波分析
静止目标（或者径向速度为0）的目标没有多普勒频移，因此回波信号在频率轴没有频移而只是在时间上延后时间。

雷达接收机前端将发射信号和回波信号进行混频得到差拍频率。

有如下关系式：
由此可以解得：
由此便可求出距离目标的距离。

而静止目标（或者径向速度为0）。

与脉冲体制雷达一样，单边扫频锯齿波雷达同样存在蹴鞠模糊问题：
当回波信号的时间延迟大于单边扫频锯齿波雷达的周期时会出现距离测量的模糊现象。

真实目标距离与测量值相差整数个最大不模糊距离（）。

1.1.2 运动目标回波分析
由上图可以清楚地看出，目标的多普勒频移、差拍频率以及回波延时,满足如下关系：
进一步整理，得到：
1.2 双边扫频三角波
上图就是典型的单边扫频连续波雷达的图像，调频斜率。

1.2.1 运动目标回波分析
根据上图可以清楚的看出、、、有如下关系：。

提高线性调频连续波雷达测距精度的ZFFT算法

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
距 和 成 像 的 重 要 手 段 。但 是 ， 于 Ｆ Ｔ 的 “ 栏 效 由 Ｆ 栅 应”２ 一 使得 通 过 Ｆ Ｔ变 换 得 到 的距 离 谱 具 有 固 定 ＿ ， Ｆ
的采 样 间隔 （ 为 雷 达 的 距 离 分 辨 力 ） 从 而 产 生 ， ／ ２的测 距误 差 。当 测 量 的 距 离 较 远 时 ， 《Ｒ， 测
ｓ ｔ ｆ ｈ ｒ ｃ ｉａ ｎ ｅ ｓ ｏ ｉ ｈ ｐ ｅ ｉ ｉｎ ｒ ｄ ｒｒ ｎ ａ ｕ ｉ ｇ ａ ｉ ｙ ｔ ｅｐ ａ ｔ ｌ ｅ ｄ ｆｈ ｇ ｒ ｃｓｏ ａ ａ ａ ｇ ｍｅ ｓ ｒｎ ． ｓ ｃ Ｋｅ ｒ ｓ ｒ ｄ ｒ ｒ ｎ ｅｍ ｅ ｓ ｒｎ ＬＦＭＣＷ ； Ｆ ｙ ｗｏ ｄ ： ａ ａ ；ａ ｇ ａ ｕ ｉｇ； ＺＦ Ｔ ’
中， 由于 Ｆ Ｔ 变换 的栅 栏 效应 ， Ｆ 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 Ｆ Ｔ 处理 的 基 础 上 ， 用 Ｚ Ｆ 算 法 ， 运 算量 增 加 不 多 Ｆ 采 ＦＴ 在 的情 况下 ， 完成对 中频 回波 主瓣 的局部 细化 ， 大大提 高 了 Ｌ ＭＣ 雷达 的测 距精 度 ， 满足 高 Ｆ Ｗ 以
Ｚ ａ ｇ Ｈｏ ｇ Ｗ ａ ｇ Ｘ ａ ｈ ｎ ， ｏ Ｘ ｎ ｈ ｎ ｎ ， ｎ ｉｏ ｏ ｇ Ｇｕ ｉ
（ ｅａｔ ｎ ｆ ｌ ｔ ｎ ｎ ｎ ｎ ｉ ｇ Ｂ ｉ ｇＩｓ ｔｔ ｏ ｅｈ ｏ ｇ Ｂ ｉ ｇ１０８ ， ｈｎ） Ｄｐｒ ｍｅｔ ｅ ｒ ｉ ａｄＥ ｓ ａｒ ， ｅｉ ｔｕｅ ｆ ｃｎ ｌ ｙ，ｅｉ ００ １Ｃ ｉ ｏＥ ｃｏ ｃ ｎ ｊ ｎ ｎｉ Ｔ ｏ ｊ ｎ ａ
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式中 0 为发射信号的随机初相 ;A0 为信号幅度 ;f 0 是 t
=0 时发射信号的瞬时频率 , 即发射信号的中心频率 ;K
=B / T 为调频斜率 ;T 为有效时宽 ;B 为调频带宽 。
径向速度为 0 、初始距离(t =0 时)为 R0 、初始回
波延迟为 τ0 =2R 0 /c 的点目标产生的回波信号 S RF (t)
图 3 LF M CW 雷达的数字距离谱 (N s =NF FT , R ≠RIF +mδR)
因此 , 造成 LF MCW 雷达测距误差的根本原因在 于其距离谱上的采样间隔 , 其实质是 FF T 在单位圆上 进行 N 点等间隔采样造成的 。 所以为提高 L FM CW 雷达的测距精度 , 最直接的办法就是提高距离谱上的 采样密度 , 即增加 FF T 点数 。可见 , FF T 点数由 N 增 加到 MN , 则测距误差由 δR /2 降低到 δR /(2M)。 但 是 , 同时 FF T 的 运 算量 由 N log2 N 增 加 到 M N log2 (M N), 可见运算量增加的幅度很大 , 在处理器速度一 定时 , 会增加信号处理的运算时间 , 从而影响 LF MCM 雷达系统的实时性 。
在 Te 内可表示为 :
S RF(t)=K r A0 co s{2π[ f 0(t - τ0 )+1 / 2K (t - τ0 )2]
+ 0 +θ0}
(2)
式中 , K 为 B / T 为调频斜率 , θ0 为目标反射引起的附
加相移 , τ0 =2R0 /c 为初始回波延迟 , R0 为目标初始距
3 采用 ZFFT 变换提高 LFMCW 雷达的测距 精度
增加 F F T 点数的实质是在整个距离谱上增加频
50
航天电子对抗
200 6(1)
域采样点数 , 从而 使运算 量成 倍增 长 。 而 为了 提高 LF MCW 雷达的测距精度 , 只需先用 F F T 变换判断出 回波主瓣的位置 , 然后对主瓣增加采样点数 , 从而达到 既提高了测距精度 、运算量又不会有很大的增长的目的 。 3. 1 ZFFT 算法的原理
图 2 LF M CW 雷达的数字距离谱 (N s =NF FT , R =RIF +mδR)
②当 N s =N FFT , 且 R ≠RIF +mδR 时 , 距离谱的所 有采样点均不在零点上 , 最大采样值点偏离距离谱的 最大值 。 此时 , 测出的距离的最大距离误差为 δR /2 , 测距精度与距离分辨力处于同一量级上 , 远远没有体 现出 LFM CW 雷达高距离精度的优势 。 如图 3 所示 。
其工作原理如图 4 所示 。
复加次数为 :N M(log2 N +lo g2 M)
(7)
采用 ZF F T , 其 F F T 的运算量如下 :
复乘次数为 M /2log2 M
(8)
复加次数为 : Mlo g2 M
(9)
可见 , 采用 ZFF T 之后 , 运算量大大减少 。即对于
采用 ZF F T 算法和普通 F F T 算法两种情况 , 在两者运
Abstract:T he Linea r F requency M o dulated Continuous W ave (LFM CW) Radar has high theor etical r ang e mea suring precisio n. But its practical range precision is of the same mag nitude as the range resolution because of the inhe rent frequency space of FF T , w hich can no t satisfy the high precisio n requirement fo r the near r ang e mea suring . ZF F T metho d is adopted to reduce f requency space of the main lo be of echo rang e spectr um o n the FF T with increasing le ss opera tion. T his method can g reatly improv e the range precisio n of L FM CW rada r and sa tisfy the practical needs o f high precisio n rada r rang measuring .
R
IF
)
(5)
式(5)是 LF MCW 雷达的连续距 离谱 , 其零点为
RIF ±mδR(m 为正整数)。
在实际的回波信号处理中 , A /D 用 f s 对混频后
的回波信号进行采样 , 得到离散的 N s 点的时域信号 ,
通过 N FFT 点的 FF T 变换得到离散的距离谱 , 其频域
采样间隔为 Δw =2πf s / N FFT , 相应的距离间隔为 ΔR
(4)
令 k =(M T /2)2 , 并将 w IF =2πBτ0 / T =(2π/ T )
(R0 / δR)(δR =c / 2B 为距离分辨力)代入(4)即可得到
归一化的连续距离谱 。由于回波中频距离谱的正负部
分是严格对称的 , 故可只取其正频部分得 :
Ps+(w)=kS a2
π δR
(R
-
Key words:rada r ;range measuring ;L FM CW ;Z FF 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 。LF MCW 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 。
关键词 : 雷达 ;测距 ;LFM CW ;ZF F T 中图分类号 : T N958. 94 文献标识码 : A
Improving range measuring precision of LFMCW radar using ZFFT method
Zhang Hong , Wang Xiaohong ,Guo Xin (Department of Electronic and Engineering , Beijing Institute of Technology , Beijing 100081 ,China)
CW 雷达高距离精度的程序流程图如图 5 所示 。 图 5
中 Z FF T 算法的流程图又如图 6 所示 。
图 4 ZF F T 工作原理
第 1 步 :频谱搬移 。 针对感兴趣的频谱做一个频
移(即在时域乘以一个复指数序列), 将其搬至零频附
近 , 如图 4 中的 X′(k)所示 。 第 2 步 :低通滤波 。 若感兴趣的频谱宽度为 B , 对
离 , K r 为传输损耗因子 。
将回波信号与发射信号进行混频 , 并滤去高频分
量 , 得到的混频信号如下 :
S
IF
(t)
=
1 2
Kr
A
2 0
co
s[
2π(K
τ0 t
+f
0 τ0 -
1 2
K
τ20)+θ0 ]
(3)
式中 , K r 为传输损耗因子 , θ0 为目标反射引起的附加
相移 , A0 为发射波形的幅度 , K =B / T 为调频斜率 , τ0
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 F F T 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 LF MCW 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
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 。
=δR
fsT N FFT
=δR
Ns N FFT
, 由该式可见 , 提高 F F T
的点数 ,
可以大幅度地细化频谱的包络 。由式(5)可以看出 : ① 当 N s =N FFT , 且 R =RIF +mδR 时 , 除 R =RIF
外 , 其余各采样点均位于距离谱的零点上 , 这时距离谱 上只有一个谱线 , 其对应的距离值 RIF 即为目标的真 实距离 , 测量误差为 0 。如图 2 所示 。
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 F F T 的 “栅 栏效 应”[ 2 - 3] , 使得通过 F F T 变换得到的距离谱具有固定 的采样间隔 δR(δR 为雷达的距离分辨力), 从而产生 δR / 2 的测距误差 。当测量的 距离较远时 , δR 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 , δR →R , 相对测量误差较大 。 为此 , 如何 克服 F F T 的栅栏 效应 、提 高近距离的测 距精度的问 题 , 就成为 LF MCW 测距雷达重要的研究课题 。本文 采用 ZF F T 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 LF MCW 测距 雷达的 测距 精度 。
算量相同的情况下 , Z FF T 更加细化了频谱包络 , 提高
了 LF MCW 雷达的测距精度 。