一种测速测距雷达系统的设计

超高分辨率雷达探测系统的设计及其应用研究

随着科技的不断发展，雷达探测系统在许多领域得到了广泛应用，比如航空、海洋、地震勘探、气象和交通等。为了更好地应对复杂环境中的目标探测和跟踪任务，研发高精度和高分辨率的雷达系统显得尤为重要。

近年来，随着微波技术和计算机技术的不断发展，超高分辨率雷达探测系统逐渐成为了研究热点。本文将介绍超高分辨率雷达探测系统的设计及其应用研究。

一、超高分辨率雷达探测系统的设计

1. 雷达系统的组成

超高分辨率雷达探测系统通常由发射机、接收机、天线、信号处理和显示器等组成。其中，天线是最重要的组成部分之一，其性能直接决定了雷达系统的分辨率和灵敏度。通常采用微波天线，其工作原理基于电磁波在天线上的交换过程，可以将电能转换为电磁波能量，并将其放射到宇宙空间中。

2. 雷达系统的工作原理

超高分辨率雷达探测系统的工作原理是基于微波信号的散射反射。雷达向目标位置发射微波信号，当这些微波遇到目标时，会被反射回来。接收机会接收到反射回来的微波信号，并将其转换为电信号。信号处理器会对反射回来的信号进行数字信号处理，最终得出目标的位置、速度、大小等参数。

3. 增强雷达系统的分辨率

研发超高分辨率雷达探测系统的关键在于提高其分辨率。首先，可以采用更高频率的微波信号，这意味着雷达系统可以检测到更小的目标，并且可以获得更高的分辨率。其次，可以使用多普勒测速技术，这可以带来更精确的速度测量，从而提高雷达系统的目标跟踪能力。

4. 超高分辨率雷达探测系统的应用

超高分辨率雷达探测系统的应用非常广泛，它们通常用于航空领域、地震勘探和气象预测等领域。在航空领域，超高分辨率雷达探测系统可以用于飞机导航和气象预测;在地震勘探中，超高分辨率雷达探测系统可以用于地壳运动的探测和测量;在气象预测中，超高分辨率雷达探测系统可以用于探测风暴、飓风和龙卷风等极端天气。

二、超高分辨率雷达探测系统的应用研究

1. 航空领域

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基于雷达探测的区域监控系统

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1 / 20 目录

1概述2

2安全防护系统的目前面临的问题3

3区域监控系统总体方案4

3.1方案概述4

3.2系统特点4

基于雷达探测,实现全局可靠监视4

采用虚拟围界,实现警戒区的灵活配置4

利用跟踪探测,实现突发情况后期处置4

无视环境影响,实现全天时全天候工作4

长焦距探测器,确保对远距离目标的识别5

光雷配合联动,实现发现即看到5

目标跟踪处理,实现对目标的持续观测5

智能分析处理,实现无人值守5

架设方便简单,实现最小工程量安装5

质量性能可靠,基本实现免维护使用5

3.3单点监控系统概述6

单点监控系统组成6

单点监控系统工作流程概述6

主要功能7

单点监控系统主要设备介绍7

3.4组网监控系统概述10

组网监控系统组成10

组网监控系统工作流程概述10

组网监控系统主要设备介绍11

监控中心及分中心主要功能12

4附件14

4.1各型号地面监视雷达主要技术指标14

4.2各型号光电探测系统主要技术指标17

注：公司配有多种可见光探测器和红外热像仪,可根据用户需要进行配备。19 .

2 / 20 基于雷达探测的区域监控系统

1 概述

随着社会发展,安防工作已成为国家和社会的重要工作,传统的安防设备一般以视频监控为主,特别是边防监控、要害地域外围监控基本上还是以人工巡逻、望远镜等传统方式。在天气良好的情况下,视频监控可以很好的解读监控问题,但是当出现雨、雪、雾以及黑夜时,视频很难很好的工作,特别是当需要监控的距离较远,例如1Km以上时,视频监控设备需要很多部,并且野外工作组网困难,也存在也易受到破坏,供电、通信线缆铺设施工量大,使用维护成本较高等问题。

本方案中地面监测雷达,即多普勒雷达,其利用多普勒效应进行定位,测速,测距等工作。其工作原理可表述如下：

当雷达发射一固定频率的脉冲波对空扫描时,如遇到活动目标,回波的频率与发射波的频率出现频率差,称为多普勒频率。根据多普勒频率的大小,可测出目标对雷达的径向相对运动速度；根据发射脉冲和接收的时间差,可以测出目标的距离。同时用频率过滤方法检测目标的多普勒频率谱线,滤除干扰杂波的谱线,可使雷达从强杂波中分辨出目标信号。所以脉冲多普勒雷达比普通雷达的抗杂波干扰能力强,能探测出隐蔽在背景中的活动目标。

・ｌ４・　科技论坛　基于定点ＤＳＰ车载测速雷达系统设计　Ｔｈｅ　Ｆｉｘｅｄ—ｐｏｉｎｔ　ＤＳＰ　Ｃ　ａｒｒｙ　ｔｏ　Ｄｅｔｅｃｔｉｎｇ　Ｓｐｅｅｄ　Ｒａｄａｒ　Ｓｙｓｔｅｍ　Ｄｅｓｉｇｎ　陈跃军Ｃｈｅｎ　Ｙｕｅｊｕｎ　（陕西长岭电子科技有限责任公司，陕西宝鸡７２１００６）　（Ｓｈａａｎｘｉ　Ｃｈａｎｇ　Ｌｉｎｇ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ　Ｓｃｉｅｎｃｅ＆Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｃｏ．ＬＴＤ，Ｓｈａａｎｘｉ　Ｂａｌｉ　７２１００６）　摘要：本文档简要描述了某测速雷达基于定点ＤＳＰ的系统设计，主要侧重于设计思想、系统硬件框架和系统软件模块开发设计。　关键词：多普勒效应；快速傅里叶变换（ＦＦＴ）；ＦＰＧＡ：Ａ／Ｄ　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ　ａｒｔｉｃｌｅ　ｓｉｍｐｌｙ　ｄｅｓｃｒｉｂｅｓ　Ｔｈｅ　ｄｅｔｅｃｔｉｎｇ　ｓｐｅｅｄ　ｒａｄａｒ　ｂａｓｉｎｇ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｆｉｘｅｄ—ｐｏｉｎｔ　ＤＳＰ　ｓｙｓｔｅｍ　ｄｅｓｉｇｎ，ｍａｉｎｌｙ　ｅｍｐｈａｓｉｚｅ　ｐａｒｔｉｃｕｌａｒｌｙ　ｏｎ　ｄｅｓｉｇｎ　ｉｄｅａ，ｓｙｓｔｅｍ　ｈａｒｄｗａｒｅ　ｆｒａｍｅ　ａｎｄ　ｓｙｓｔｅｍ　ｓｏｆｔｗａｒｅ　ｍｏｄｕｌｅ　ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　ｄｅｓｉｇｆ１．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｄｏｐｐｌｅｒ　ｅｆｆｅｃｔ；ｆａｓｔ　ｆｏｕｒｉｅｒ　ｔｒａｎｓｆｏｒｉｌｌ；ＦＰＧＡ：Ａ／Ｄ　１概述　测速雷达是应用多普勒效应原理，即移动物体对所接收的电磁波　有频移的效应，由接收到的反射波频移量计算得出被测物体的运动速　度。当某一目标相对于雷达有一定的径向运动时，运动目标的回波将同　杂波一道进入雷达接收机，且运动目标的回波电平往往比杂波电平低　很多倍，运动目标回波被淹没在杂波中；这时要想在时域范围内将它们　区别开来已不太可能；本文从分析运动目标与杂波的频谱特陛人手，介　绍某车载测速雷达中利用快速傅里叶变换（以下简称ＦＦｒ）进行谱分　析。　数字信号处理单元（ＤＳＰ）是将雷达收发机送来的连续波信号由时　域转换到频域进行谱分析处理，它是整个雷达系统的核心部件，ＤＳＰ采　用Ｔｅｘａｓ　Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ公司高速、高精度定点ＤＳＰ处理器　（ＴＭｓ３２０ｃ６４ｘｘ）作为谱分析平台，可同时输入和处理两路模拟信号，　运行速率达１０００ＭＨｚ，单指令周期为ｌｎｓ，非常适用于信号分析。测速　雷达集计算机软件技术，通信技术，测控检测技术为一体，对微量信号　变化采用ＦＦＴ变换处理，使用ＤＳＰ的内核实时处理反映当前速度值变　化，每０．０８秒输出—个脉冲形式的速度信号，距离分辨率：４ｍｍ／ｐｕｌｓｅ，　误差范围控制在５％。　２设计思想和系统框图　２．１基本设计概念和处理流程。ＤＳＰ将雷达收发棚送来的两路连续　波信号放大后，Ａ／Ｄ按照１００ＫＨｚ的采样频率采集多普勒频移信号，接　口ＦＰＧＡ把这些采样值缓存在双口ＲＡＭ中，每缓存８Ｋ　Ｘ　１２ｂｉｔ的雷达　采样数据向ＤＳＰ送中断，ＤＳＰ的中断处理程序把这一帧的值作转换、滤　波后进行ＦＦｒ变换，再取频谱的最大值的下标，再把下标转换成频率　值，再由公式转换出当前速度值。　２．２系统框图。系统框图只对雷达的主要处理过程作描述；图１中，　各方框ｉ菱示系统组成的各个＿　功能　；　块。系统框图见图１。　３系统硬件设计和功能　ＤＳ是整个设备的核心部分，包括运算器和控制器，而　ＴＭＳ３２０Ｃ６４ＸＸ还将外围电路部件的定时计数器、中断控制器、Ｄ　Ｍ　Ａ　控制器、多功能串口等集成的ＤＳＰ中。其中雷达收发机斗每ｊ主动目标的速　度变换成微弱的正弦波信号与杂波一同送给ＤＳＰ单元。　ＳＤＲＡＭ、ＳＳＲＡＭ作为同步动态数据存储器，是系统数据存储器之　一。ＦＬＡＳＨ用作程序存储器，存放系统程序；Ａ／Ｄ转换将模拟的信号转　换成数字量的信号输出到ＦＰＧＡ。　数据传输：系统可用　两种方式作数据的输出；　分别是脉冲方式、ＲＳ４２２　或ＲＳ２３２串口方式；输出　的数据是检测到的速度　值。　ＦＰＧＡ：实现三部分的　功能。ａ对Ａ／Ｄ进行控制；　ｂ．对ＭＤ转换的数据进行　采集和转换，并缓存在　图１系统框图　ＦＰＧＡ内存中，由ＤＳＰ响　应中断再发送给ＤＳＰ处理．ｃ．定时接受ＤＳＰ的控制信号。　信号放大：对微弱的电信号进行放大，系统采用可编程增益放大器　对微弱的速度电信号放大到系统所需的电信号，增益放大范围　Ｏ￣３０ｄＢ，步径ｌｄＢ。　电源：系统电源部分由４－５Ｖ直流电输人：　ＤＣ１：＋５Ｖ／１Ａ；ＤＣ２：一５Ｖ／２００ｍＡ；总功耗：小于　５Ｗ。　４系统软件设计和功能　软件系统采用了模块化的设计流程，编译　环境充分利用ＴＩ公司提供Ｓｅｔｕｐ　ＣＣＳ２（Ｃ６０００）　系统软件，其软件框架图如图２。　４．１软件包括５个模块。４．１．１信号采集模　块：Ａ／Ｄ按照１００ＫＨｚ的采样频率采集多普勒频　移信号经软件进行数据转换后送ＦＰＧＡ把这些　采样值缓存在双口ＲＡＭ中，ＤＳＰ接受中断后将　数据读取处理。４．１．２窗函数滤波模块：用窗函数　法设计ＦＩＲ数字滤波器，对Ａ／Ｄ采样的多普勒　频移信号进行滤波。４．１．３ＦＦＴ变换模块：ＤＳＰ接　受中断后将经过滤波的数据读取，按照ＦＦｒｒ变　换进行频谱分析，计算出临时ｆｄ附近的频谱。　４．１．４计算速度模块：按照ＦＦＴ变换分析的频谱，　读入ＦＦＴ长度Ｎ　Ｉ　读入１２８Ｋ转换数据　ｌ　求倒序表　ｌ　周频率抽取ＹＦＴ算法醒　ｌ　求幅度谱　Ｉ　ｒＫ、Ｉ　Ｊ　序后输出频率值　求出频谱的最大值对应的下标，按照下标求出频图２系统软件框架图　率，按照频率求出速度。４．１．５输出模块：　信号通过ＲＳ４２２输出；ｂ．信号　通过ｍ方波发生器输出。　４．２程序处理流程。雷达收发机送出两路ＶＱ双路正交多普勒频移　信号经放大首先由Ａ／Ｄ进行采　样转换送ＦＰＧＡ，采样频率值　１００ＫＨｚ。采集过程当缓冲区数　据满时，ＦＰＧＡ产生中断信号，　ＤＳＰ响应中断，ＤＭＡ开始读取　块数据，同时对接收数据进行分　实部、虚部为数据分配存储空间　（其中虚部为０）。注意在程序实　现时将数据在经过缓冲区时进　行转换、分帧处理。　ＦＦ１’变换模块完成的工作：　对输入信号进行Ｆ丌变换求出　临时ｆｄ附近频谱，根据频谱分　析理论该算法能估计出信号的　主频，此变换是整个系统软件中　的核心。ＦＦｒ子程序中的难点是　有三重循环，一为各级蝶形运　算；二为各级中的旋转因子；三　为各旋转因子的各ＤＦＴ序列　值。ＦＦＴ是有效实现ＤＦＴ的一　系列算法，它的基本原理是分而　图３　ＦＦＴ程序流程图　治之的方法，即将Ｎ点的ＤＦＴ分解为数目逐步增加的较小ＤＦＴ，与原　始的Ｎ点ＤＦＴ相比降低了计算量，还可以利用旋转因（下转１１６页）

雷达测速测距原理分析

一、FMCW模式下测速测距

1、FMCW模式下传输波特征

调频连续波雷达系统通过天线向外发射一列线性调频连续波，并接收目标的反射信号。发射波的频率随时间按调制电压的规律变化。

2、FMCW模式下基本工作原理

一般调制信号为三角波信号，发射信号与接收信号的频率变化如图所示。

反射波与发射波的形状相同。只是在时间上有一个延迟，t与目标距离R的关系为：

cR/2=tΔ

公式1

其中

tΔ：发射波与反射波的时间延迟

R：目标距离

c：光速8103×=cm/s

发射信号与反射信号的频率差为混频输出中频信号频率f如图所示：

根据三角关系，得：

BT2=ftΔΔ

公式2

其中：

fΔ：发射信号与反射信号的频率差为|f1-f0|

T：调制信号周期——

B：调制带宽——700MHz

由以上公式1和公式2得出目标距离R为：

fcΔBTR4=

公式3

3、FMCW模式下测距原理

由公式3可以得出，目标距离R与雷达前端输出的中频频率f成正比

4、FMCW模式下测速原理

当目标与雷达并不是相对静止时，也就是有相对运动时，反射信号中包含一个由目标的相对运动所引起的多普勒频移df，如图所示：

此时发射信号与接收信号的频率差如图所示：

在三角波的上升沿和下降沿分别可得到一个差频，用公式表示为：

d+f-ff=

公式4

d-fff+=

公式5

其中

f为目标相对静止时的中频频率

+f代表前半周期正向调频的差频

-f代表后半周期负向调频所得的差频

df为针对有相对运动的目标的多普勒频移

根据多普勒效应得：

cffd02=

公式6

其中：

为目标和雷达的径向速度

0f为发射波的中心频率

由公式4、5、6可得：

2fff-+=+

公式7

20|f-f|2fcv-+×=

公式8

速度v的符号与相对运动方向有关系，当目标物相对雷达靠近时v为正值。当目标相对雷达离开时v为负值。

由公式3和公式7进一步得出：