当前位置：文档之家 › 毫米波雷达

毫米波雷达

  • 格式：pdf
  • 大小：1.30 MB
  • 文档页数：10

PhasecodedpulseDopplerandcontinuouswave

77GHzradarmeasurementandanalysisfacility

J.K.ChristensenandM.J.Underhill

Abstract:Anewanduniquemillimetrewaveradarcapabilityisdescribed.Acoherentquasi-monostatic77GHzpolarimetricshortrangephasecodedpulseDoppler(PCPD)radarisintegratedwithacoherentmonostatic77GHzco-polarcontinuouswave(CW)fasteventradardatacapturefacilitytoprovideunparalleledfunctionalityinasingleunit.ThePCPDradar,originallydesignedfortheshortrangeradarmeasurementofvehiclestravellingatvelocitiesupto200m/s,isshowntooffersignificantadditionalbenefitsbeyondoriginalexpectations.ResultsshowingthecomplexDopplerfromarotatingtargetandillustratingthePCPDsystemcapabilitiesarepresented.TheCWradar,configuredtomeasureobjectstravellingatvelocitiesupto2000m/s,isalsoshowntobeausefulasset.SystemverificationtestsandmeasurementresultsforBrowninggunfiringsofspinninghighvelocitymetallicspheresandcubesarediscussed.Evidencehasalsobeenprovidedsuggestingthatthevelocityofasmallflatfacettedprojectile,firedfromaBrowninggun,canbeestimatedfromradarmeasurementsofspinrategivenaprioriknowledgeoftheriflingcharacteristicsoftheBrowninggun.

1Introduction

AnewanduniquemillimetrewaveradardatacollectionandanalysisfacilityisdiscussedthathasbeendevelopedbyThalesMissileElectronics(TME)LimitedasapartofajointfundedcollaborativeresearchprogrammewithUKMOD.Theequipmentconsistsofaquasi-monostatic77GHzcoherentpolarimetricshortrangephasecodedpulseDoppler(PCPD)radar,reconfigurablemonostatic77GHzcoherentco-polarcontinuouswave(CW)fasteventradar,andintegralposteventprocessinganddisplaycapability.Thedesignaimwastoprovidemaximumfunctionalitythroughre-useofradiofrequency(RF)hardwareandsoftwareprocessing,andtointegratethesystemintoacompactuser-friendlytwo-manportableunit.Theequipmenthasthereforebeendesignedtobehousedinthreeindustrialflightcaseswithstandard482.6mmð1900Þracking,andisdrivenusingaLabview=Delphiinterfacedesignedforuseonastandardindustrialpersonalcomputer(Fig.1).Theintegratedmillimetrewave(mmW)=radiofrequency(RF)frontendisshowntotheleftoftheworkstation.Thedesignallowsmeasurementcampaignstobeperformedquickly,atshortnotice,atremotetrialsvenues,andwith‘onthespot’feedback(providinganindicationofthefidelityofmeasurements).Dataloggingratesareselectableandaredependentupontheparticularrequirementsofthetrial.Amaximum30sofmeasurementdatacanbecollectedduringanyonemeasurementrun.ThePCPDradarwasoriginallydesignedforshortrangeradarmeasurementsofvehiclestravellingatvelocitiesupto200m=s;whereastheCWradarwasconfiguredtomeasureobjectstravellingatvelocitiesupto2000m=s:Typicalresultsforeachsystemarepresentedlater.InparticularsystemverificationtestsfortheCWradararediscussedindetail.Theseincludedthefreeflightmeasurementofhighvelocityspinning7.64mmdiametercubesand9mmdiameterspheresfiredfromaBrowninggun.Accesstothein-phase(I)andquadrature(Q)datahasenabledsignificantadditionalcapabilitiestoberealised,especiallyforthestudyofdynamicrotatingobjectsandstaticobjectsthathaverotatingfeatures.

2HardwaredescriptionandoperationAsimplifiedtoplevelblockdiagramoftheradarhardwareisshowninFig.2.InthePCPDmodethetransmit(Tx)antennaradiatesasequenceofpulsesintheformofapseudorandomcode(PRC).ThePRCcodelengthis2NÀ1;whereNisaninteger.Ahighpulserepetitionfrequency(PRF)ofcodelength31bitsisavailableviathepulseandbiphasevectormodulatorcircuitry.ThelocalmmWoscillator(NATOM-band)isamechanicallytunedGunntype,nominallysetto75GHz.InadditiontofeedingthepulsegeneratornetworktheoutputofthemmWoscillatorisalsopassedviaadirectionalcouplertothereceiver(Rx)mixerfordownconversiontovideobaseband.Theresultantwaveform,atthemixeroutput,andcontainedwithinthebasebandsignal,willthereforeretainthepulsewidthandPRFcharacteristicsofthetransmittedwaveformbutwillalsocontainacomponentduetomodulationattheobjectDopplerfrequency.Additionallyeachsuccessivepulsewillexhibiteitherazeroorpiradianphasechangeduetothephasecoding.Thevideobasebandsignalsaredigitisedat150MHzandcorrelatedwithadelayedversionofthetransmittedPRC.Anautocorrelationwillhenceonlyoccurwhenthebasebandwaveformpossessestheappropriateechodelay.Toachieveanenhanced

rangeqIEE,2004IEEProceedingsonlineno.20040974doi:10.1049/ip-rsn:20040974

J.K.ChristenseniswiththeDefenceScienceandTechnologyLaboratory,FortHalstead,Sevenoaks,KentTN147BP,UKM.J.UnderhilliswiththeAdvancedTechnologyInstitute,SchoolofElectronicsandPhysicalSciences,UniversityofSurrey,Guildford,SurreyGU27XH,UKPaperfirstreceived24thFebruaryandinrevisedform28thJune2004.Originallypublishedonline15thNovember2004

IEEProc.-RadarSonarNavig.,Vol.151,No.6,December2004365discriminationcapability,anumberofrangebinsatdifferentrangeoffsetscanbesynthesised.HerethebasebandsignalfromtherangegateiscorrelatedwithsuccessivelydelayedversionsofthePRCproviding20contiguousrangebinsofnominalwidth1m,spanningtherange1to20m.Itisnotedthatthebasebandsignals(ofbothPCPDandCWmodes)aredigitisedat150MHzusing8-bitanalogue-to-digitalconverters(ADC).Aneffectivesamplerateof3.125MHz(perchannel)isobtainedinCWmodebydecimatingbyafactorof48(i.e.150MHz=48).SamplingofthesignalsatahigherrateisrequiredbecausetheADCsare‘pipelineddevices’thatloseaccuracyatlowersamplerates.The31-bitPRCisamaximallengthphasenoise(PN)codeprovidingahighpulsecompressionratio.ThetheoreticalpeaksidelobeperformanceisÀ17:8dB[2].Thetransmittedbitrateis160nsdefiningthe31bitcoderepetitionintervaltobe4:96ms(e.g.Dopplerbandwidth201.6kHz).Rangebindataisthereforeaccumulatedover31successiveprofilesduringthisperiod.Thesystemdesignuses13-bitaccumulatorstoensurenolossofprecision.Thesystem(range–Doppler)mapintervalis158:72mscorre-spondingto32accumulatedprofiles.Wherehorizontalandverticalpolarisationisrequired,adecimationfactoroffourisappliedtopreventdatacorruptionduetotimingandsystemdelayissuesassociatedwiththespeedofthetransmitantennapolarisationswitching.Thespecifiedpolarisationswitchingspeedisbetterthan4:5ms:FifteensoftwareconfigurableDopplerbinsareavailableinthePCPDoperatingmode.TheDopplerbinwidthcanbesetbetween0.05kHzand6.3kHzprovidingrespectiveminimumandmaximummeasurableDopplerfrequenciesof0.79kHzand100.81kHz.Thisfunctionalityallowsoptimaldataloggingofvehiclevelocitiesbetween2m=sand196m=s:TheCWmodeaugmentsthePCPDmodeandismoreelementaryinoperationalconcept.ThemonostaticTx=Rxantennasimplyradiatesanunmodulatedcarrierwaveformat77GHz.Shouldamovingtarget,exhibitingrelativevelocitywithrespecttotheradar,bewithinintheTxantennafootprintthenthebackscatteredenergywillcontainaDopplershiftedfrequencycomponent.TheRxsignalwithDopplercomponentisthendownconverted,mixedwithaportionofthe2GHzlocaloscillatorsignal,andthebeatfrequency(I–Qcomponents)extractedatvideobaseband.ProvisionofseparateI–QchannelswithinthemixerelementallowsthesignoftheDopplertoberesolvedunambiguously.TheoperatingprincipleisnodifferentinconcepttothatoftheWorldWarIIvariabletime(VT)artilleryfuze[1].TheCWmodereceiveddataismappedinto48frequencybinsnominallyspreadbetweenÆ1:2MHz:Itisnotedthatthesoftwareperformsa64-pointcomplexfastFouriertransform(FFT)ontheCWdataresultingin64frequencybinsofwidth48.8kHz.Theouterbinsarebeyondtheoriginalrequirementspecificationandarediscarded.VelocitiesuptoÆ2000m=scanthereforeberecordedwithadefaultresolutionof83m=sperbin.InCWmode,thedigitisedvideobandI–Qdata,arerespectivelysampledataneffectiverateof3.125MHzcorrespondingtoasampleintervalof320nsperchannel.TheintegrationofthePCPDandCWmodesofoperationusingcommonRFarchitecturesisanovelfeatureoftheradardesign.Itisnotedthattheradarmustbe‘poweredup’andconfiguredinonemodeortheother,andthenpowereddownbeforere-initialisingintheothermode.However,the

合集下载

毫米波雷达在安防上的应用

毫米波雷达在安防上的应用

毫米波雷达在安防上的应用

一、 安防系统划分

安防系统按照其作用范围划分可以分为周界安防和区域安防。周界安防主要作用于围界，为‘线’式安防。而区域安防主要作用于一个平面，为‘面’式安防。随着社会的发展，人们对安全防护的等级的要求也越来越高。迫切希望通过一种技术实现围界安防和区域安防，做到前期能提前预警，后期又能形成持续有效的追踪。这时毫米波雷达安防技术手段完美解决了上述问题。

目前，国内外应用较多的周界安防系统可以分为以下几种类型：视频监控；红外对射、激光对射；振动电缆、振动光纤、泄漏电缆；毫米波雷达。

视频监控系统是一种重要的安全防范系统，主要由摄像机、监视器、控制平台、录像/回放设备等组成。视频监控系统通常不是作为实时监控手段，而是事后调取录像，追查线索时使用。不能及时有效的处理警报。并且受天气（雨、雪、雾）、光线（夜间）影响较大。监控的范围会大大降低，并且很容易产生漏警。造成严重的安防防护隐患。

红外对射的工作原理是：利用红外发光二极管发射的红外射线，再经过光学透镜做聚焦处理，使光线传至很远距离，最后光线由接收端的光敏晶体管接收。当有物体挡住发射端发射的红外射线时，由于接收端无法接收到红外线，所以会发出警报。红外对射安防系统缺陷较大，飞鸟、动物、温度、光线、空气流动、雾气、雨雪等等环境因素以及安装方式、角度、位置等因素都很容易引发误报。

线缆型防护系统主要有震动电缆、泄漏电缆、振动光缆。震动电缆和振动光缆都安装在金属护栏上。而泄漏电缆通常需要埋入地下1米。

震动电缆主要缺点是在大风天气条件时，无法正常工作，会产生非常多的误警。

振动电缆对振动敏感，并随温度变化而变化，因此误报率高，维护成本高。

泄漏电缆则存在施工复杂，地面受潮积水后影响系统工作的问题。

二、毫米波雷达原理

毫米波雷达作用于安防是最近新兴的技术，原理是电磁波由发射机通过雷达天线发射，遇到障碍物反射，再由接收机接收。根据收发之间的时间差测得目标的位置数据。

毫米波雷达在安防上的应用 2

毫米波雷达在安防上的应用 2

毫米波雷达在安防上的应用

一、 安防系统划分

安防系统按照其作用范围划分可以分为周界安防和区域安防。周界安防主要作用于围界，为‘线’式安防。而区域安防主要作用于一个平面，为‘面’式安防。随着社会的发展，人们对安全防护的等级的要求也越来越高。迫切希望通过一种技术实现围界安防和区域安防，做到前期能提前预警，后期又能形成持续有效的追踪。这时毫米波雷达安防技术手段完美解决了上述问题。

目前，国内外应用较多的周界安防系统可以分为以下几种类型：视频监控；红外对射、激光对射；振动电缆、振动光纤、泄漏电缆；毫米波雷达。

视频监控系统是一种重要的安全防范系统，主要由摄像机、监视器、控制平台、录像/回放设备等组成。视频监控系统通常不是作为实时监控手段，而是事后调取录像，追查线索时使用。不能及时有效的处理警报。并且受天气（雨、雪、雾）、光线（夜间）影响较大。监控的范围会大大降低，并且很容易产生漏警。造成严重的安防防护隐患。

红外对射的工作原理是：利用红外发光二极管发射的红外射线，再经过光学透镜做聚焦处理，使光线传至很远距离，最后光线由接收端的光敏晶体管接收。当有物体挡住发射端发射的红外射线时，由于接收端无法接收到红外线，所以会发出警报。红外对射安防系统缺陷较大，飞鸟、动物、温度、光线、空气流动、雾气、雨雪等等环境因素以及安装方式、角度、位置等因素都很容易引发误报。

线缆型防护系统主要有震动电缆、泄漏电缆、振动光缆。震动电缆和振动光缆都安装在金属护栏上。而泄漏电缆通常需要埋入地下1米。

震动电缆主要缺点是在大风天气条件时，无法正常工作，会产生非常多的误警。

振动电缆对振动敏感，并随温度变化而变化，因此误报率高，维护成本高。

泄漏电缆则存在施工复杂，地面受潮积水后影响系统工作的问题。

二、毫米波雷达原理

毫米波雷达作用于安防是最近新兴的技术，原理是电磁波由发射机通过雷达天线发射，遇到障碍物反射，再由接收机接收。根据收发之间的时间差测得目标的位置数据。

毫米波雷达的应用及发展趋势

毫米波雷达的应用及发展趋势

87科协论坛·2009年第1期

（下）科研探索与知识创新

1 引言最初，对发展毫米波雷达的推动力主要来自于用小口径天线即可获得比微波雷达更窄的天线波束，更高的天线增益。窄波束具有高分辨率和由于空间选择性好而带来的高抗干扰能力。近年来海湾战争、科索沃战争的实践已经表明，“远程打击，精确打击”技术在军事应用中非常重要，高精度、高分辨率测量、精确制导和精确目标指示、实现自动目标识别(ATR)等需求对毫米波(MMW)雷达的发展提供了巨大的新的推动力。毫米波雷达的应用主要限制在近程雷达上，其主要原因有两个：一是难以获得要求的高发射功率和相应的低损耗传输馈线；二是毫米波在大气中传输时损耗大，例如，在8mm和3mm窗口，单程传播损耗分别为0.08dB/km和0.3dB/km左右。2 毫米波雷达的系统概念如图1所示，发射信号按雷达计算机控制的速率，通过双工器输出。回波信号的返回时间也由该计算机控制，该信号被输入到接收机，在此，它经下变频处理并采样。得到的信号由数字脉冲压缩系统压缩处理。该数字信号被记录在一个“廉价硬盘冗余阵列”(redundant array of inexpensive disks)(RAID)记录系统上,并且也输入到一个阵列处理机上,该阵列处理机对这些数字实施综合处理。

3 毫米波雷达的优缺点（1）毫米波雷达的优点与其他传感器系统比较，毫米波雷达有如下优点：1)高分辨率，小尺寸；由于天线和其他的微波元器件尺寸与频率有关，因此毫米波雷达的天线和微波元器件可以较小，小的天线尺寸可获得窄波束；2)干扰，大气衰减虽然限制了毫米波雷达的性能，但有助于减小许多雷达一起工作时的相互影响；3)与常常用来与毫米波雷达相比的红外系统相比，毫米波雷达的一个优点是可以直接测量距离和速度信息。（2）毫米波雷达的缺点1)与微波雷达相比，毫米波雷达的性能有所下降，原因如下：①发射机的功率低；②波导器件中的损耗大；2)与天气的关系很大，降雨时更为严重；3)在防空环境中，不可避免的会出现距离模糊和速度模糊；4)毫米波器件昂贵，不能大批量生产装备。4 毫米波雷达的应用需求与特征4.1 对毫米波雷达的应用需求(1)进行高精度、高分辨测量，精确制导和目标指示；(2)获得宽带信号与增大回波信号多普勒带宽；(3)获得高天线增益，获得高雷达能量(发射机平均功率，发射天线增益和接收天线口径的乘积，即PavGtAr)；(4)获得精细的距离———多普勒图像和目标识别；(5)测量复杂目标的结构；(6)改善雷达的抗干扰能力；(7)观测小尺寸目标；(8)空间雷达，空间飞行器交汇雷达；(9)受体积、重量严格限制的平台上的雷达，例如安装在坦克、导弹、飞机,特别是直升机和无人机等上的雷达，例如导弹上的寻的头，机载地形跟随，地形回避等；(10)低角跟踪、测高、抑制多径干扰；(11)毫米波无源探测。4.2 毫米波对目标高精度探测目标的高分辨测量，在纵向距离维，主要依靠大的雷达信号瞬时带宽(Δｆ=1GHz)，其理论距离分辨Δθ。ΔRcr=λ/(2Δθ)由于毫米波雷达波长比微波雷达短许多，故为获得同样的ΔRcr，Δθ可相应降低，因而实现转角Δθ所需的目标飞行时间(亦称雷达观察时间)也相应降低，这对在远距离高机动飞行目标(例如在空间变轨的卫星和导弹目标)进行成像特别有意义。为了说明这一点，若设目标相对于雷达的切向飞行速度为υtang，目标至雷达的距离为Rt，为实现要求的横向分辨率ΔRcr所需时间为Ｔobs，则有：Tobs=λRt/(2υtangΔRcr)。图2中ａ为对λ=8.57mm，图中ｂ为对λ=3cm时要求的观察时间Ｔobs与目标相对于雷达的切向飞行速度Vtang的关系图。将来Ｒｔ设为1000km，要求的△Rcr为0.3ｍ。由此不难看出，如果目标远离雷达，即使是对高速飞行导弹目标，为了获得很高的横向分辨率，对雷达观察时间的要求仍是很高，因此，即使采用Ｘ波段，仍嫌不够，必须毫米波波段雷达。毫米波雷达的应用及发展趋势□ 刘荣丰 李 博（91550部队第210所 辽宁·大连 116023）摘 要 毫米波雷达具有导引精度高、抗干扰能力强、多普勒分辨率高、等离子体穿透能力强等特点；因此其广泛的用于末制导、引信、工业、医疗等方面。本文评述了毫米波雷达的优缺点，以及它的应用，详细阐述了军用毫米波雷达发展的新技术和新方法。关键词 毫米波 毫米波雷达 毫米波集成电路 毫米波雷达应用中图分类号：TN95 文献标识码：A 文章编号：1007-3973（2009）01-087-02

毫米波雷达测速原理

毫米波雷达测速原理

毫米波雷达测速原理（77GHz FMCW）

本章摘要：介绍调频连续波（FMCW），如何进行测速，测速范围，测速分辨率如何计算。

一、傅里叶变换

对时域信号进行傅里叶变换，不仅可以得到信号的频率特征，例如下面峰值处对应的值，还可以得到对应频率处复平面内，相应的相位角，此相位角对应于起始位置处角度。

那么根据上面的性质，两个信号频率相同，只是起始位置不同，傅里叶变换依然可以区分出来相位角。

二、IF signal信号的相位角 关于IF signal 信号的理解，可以参见上一章。比如某一状态，得到如下IF signal 信号：

在上面状态的基础上，如果物体在Δt 的时间段内，移动了一小段距离Δd，则 IF signal 信号相位发生了如下变化：

三、相位角对距离的敏感性

当物体的距离d发生微小的变化时，IF signal 信号的相位变化非常明显。而频率的变化并不显著，远远达不到在Tc时间内，区分信号的频率。例子分析如下： 距离d发生微小的变化，傅里叶变换后，频率无法区分开来，但是相位变化明显。

四、根据相位角的变化测速 根据上面的相位改变公式，可以求得两个chirp之间的相位改变率公式如下。然后求出相位角变化率，就可以得到物体的速度了。

五、傅里叶变换求得相位变化率

六、角速度分辨率的计算

七、测速范围的计算

八、在相同距离的多物体测速

九、测速分辨率的计算

十、2D FFT

通过这两章测距、测速的讲解，可以看出在单chirp上的FFT变换，可以求得距离range；在不同chirps间的FFT变换，可以求得速度，展示如下：

后续 上面解决了测速的问题，多物体在同一距离，根据速度的不同，依然可以分辨处不同物体。但是当距离相同，速度也相同的不同物体，却难以分辨了。下一章将会讲解如何测量物体的角度，通过角度的不同来分辨不同的物体。