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LFMCW 雷达系统的设计与仿真
作者:杨宜禥 李小兵
来源:《信息技术时代·中旬刊》2019 年第 01 期
摘要:阐述了 LFMCW 雷达的基本理论;从波形选择、调频带宽选择、调频周期选择和恒
虚警检测参数选择等方面详细介绍了 LFMCW 雷达系统的设计,并对设计的系统进行了仿真,
仿真结果验证了设计要求。关键词:LFMCW 雷达系统;恒虚警检测;仿真 1.概述 本文主要介
绍 LFMCW 雷达系统设计与仿真。首先,介绍 LFMCW 雷达信号处理算法的基本理论,主要
从理论的角度解释常用的测距、测速、测角算法以及恒虚警检测算法。然后,详细地阐述了
LFMCW 雷达系统的设计过程,研究了波形选择、波形参数以及恒虚警检测参数对LFMCW 雷
达系统性能的影响。最后,通过 MATLAB 对 LFMCW 雷达系统进行仿真,以验证雷达系统设
计的正确性。2.LFMCW 雷达的基本理论 2.1 测距测速算法 锯齿波 LFMCW 发射信号的包络不
随时间变化,在每个时间周期内线性变化,故其信号特征为锯齿波,如图 2-1 所示,设
LFMCW 发射信号的载频为 f0,调频带宽为 B,调频周期为 TF。 其中,TR=2R/c,表示雷达
发射信号经过距离 R 的回波延时,其中 R 表示点目标与雷达之间的距离,c 则在式中表示电磁
波传播的速度,其值为光速,通常来说,TF 远大于 tR。当目标处于静止状态时,由于不存在
多普勒效应,故 LFMCW 雷达的发射信号与接收信号之间的频率之差是一个常数 fΔ,且与雷
达和目标之间的距离呈现正向关系,其相关关系如式(2-1)所示。 式(2-1)中各个参数的物
理含义同前所述。以上对于频差 fΔ 虽然是在静止目标的基础上进行分析的,但是经过分析可
知,发射信号与接收信号之间的频率之差 fΔ 同时包含着目标的距离信息与频率信息,只要通
过测量频差 fΔ,就可以得到距离等目标参量。现实情况下,被探测目标与雷达之间往往存在
着相对运动,此时雷达和目标之间存在着相对径向速度,故存在多普勒效应,差拍信号的频率
值 fΔ 一直处于变化之中。当目标与雷达之间的距离不断改变时,其变化的快慢会在多普勒频
率中得以体现。当背景噪声、杂波干扰与目标同时存在于雷达的同一空间分辨单元内时,雷达
可利用它们彼此不甚相同的多普勒频率作为分辨因素,摒除干扰,从而专注于对目标的追踪。
因此在变化的频差中存在着目标的距离和速度等有用信息。在工程实现中常用的锯齿波调制
LFMCW 信号处理方法是对差拍信号按重复周期采样,设每个周期采样N 点,并且连续采集
M 个重复周期,将每个重复周期内的 N 点采样数据进行一次 N 点 FFT(距离维 FFT),即可
将距离维上不同的距离单元区分开;再对距离维 FFT 结果中的属于同一距离单元的 M 点采样
数据进行一次 M 点 FFT(速度维 FFT),即可区分同一距离单元内不同多普勒单元,其过程
如图 2-3 所示。 2.2 测角算法 LFMCW 雷达的相位法测角是利用多个天线接收的回波差拍信号
之间的相位差进行测角。 根据图 2-4,我们可以展开分析,设在 θ 方向有远区目标,电磁波到
达接收点的目标后被反射,其之后的传播可被视为平面波。由于两天线并不重合,导致它们接
收到的信号存在波程差 ΔR,进而产生相应的相位差 φ,由图 2-4 可知: 式(2-2)中,λ 为雷
达波长。通过测量相位差 φ 即可反向推导出目标方向 θ。3.LFMCW 雷达系统的设计本文设计
的 LFMCW 雷达系统相关指标如下:载波频率在 24GHz 频段,测距精度 ΔR≤0.6m,测速精度
Δv≤0.4m/s,测角精度 Δθ≤0.3o,最大可测距离 Rmax≥50m,最大可检测目标数≥16。3.1 波形选
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竖子敢尔
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