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线性调频连续波雷达的距离估算（完整版）实用资料
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收稿日期:2005-07-12
作者简介:何源(1976—,男,在读硕士研究生,从事网络技术及算法研究.
文章编号:1004-5422(200504-0301-03
线性调频连续波雷达的距离估算
何源1
,袁飞2
,朱彬
3
(成都大学网络管理中心,成都610000
摘要:针对线性调频连续波(LFMCW雷达系统的结构特点,推导了LFMCW,证明了LFMCW雷达作用距离的四次方与其发射信号的时宽带宽积成正比,为LFMCW.
关键词:调频连续波;雷达;距离;估算
中图分类号:TP9580前言
(LFMCW雷达具有发射功率低、无距离盲区、距离分辨力高等特点,广泛应用于无线电高度表、工业测距、汽车防撞和导弹制导等领域
[1]
.随着毫米波技术的发展,LFM2
CW前端已经固态化、集成化、小型化[2]
.毫米
波FMCW雷达很容易获得大的绝对带宽,从而获得高的距离分辨力;使用小孔径天线即可获得窄的波束指向,从而获得高的角分辨力.目前,毫米波LFMCW雷达受器件的限制,其发射功率较小,影响了LFMCW雷达的作用距离和应用范围.为此,研究LFMCW雷达的距离方程,给出LFM2CW雷达发射功率与作用距离的定量关系,对毫
米波LFMCW雷达的研究和应用具有现实的指导意义.
1LFMCW雷达的系统结构
FMCW雷达的调制方式主要有线性调制(包
括锯齿波和三角波和正弦波调制两种.随着信号处理技术和数字技术的发展,采用线性调制的FMCW雷达成为目前研究和应用的主要方向.LFMCW雷达主要由FMCW前端、信号预处理、
信号采集及数字信号处理几部分组成[3]
,其系统
结构如图1所示.
LFMCW雷达的工作原理是:在数字信号处理
器的控制下,由D/A输出一线性扫频电压,

驱动
图1LFMCW雷达的系统结构示意图
压控振荡器产生一线性调频的连续波信号输出.
LFMCW信号由定向耦合器分为两路,一路经
环行器后送到天线辐射电磁波,一路送到差拍混频器作为本振输入.辐射的电磁波被目标反射后由天线接收,经环行器隔离后输入到差拍混频器与发射信号进行差拍后得到零中频信号.该信号经信号预处理器放大、滤波处理后由A/D变换器转换为数字信号,再由数字信号处理器经FFT运算转换为频域分布,从而获取距离、速度等信息.零中频信号的频率fIF与雷达至目标距离R的关系为:
fIFTc
(1
式中,T为扫频时宽,B为扫频带宽,c为电磁波的传播速度.
2LFMCW雷达的傅里叶处理
由式(1可知,信号预处理器的高端截止频率fc对应于雷达的最大作用距离Rmax.对LFM2CW雷达,有
2Rmax
T・c
ν1,故有fcνB.
对于单一点目标,LFMCW雷达的中频输出可表示为:
SIF(t=Msin(2
πfIFt+<0+n(t(2式中,<0为中频信号的初相位,n(t为噪声.假定n(t为白噪声,并忽略A/D采样的量化噪声,则数字信号处理器的输入信噪比(按能量计为:
EsiNsi
2
Nsi
(3
中频输出经数字信号处理器FFT运算后其能量的分布由时域转换为0～fs/2布,即能谱,如图2所示

.
图2LFMCW雷达的能谱
在fs=2fc,即等Nyquist条件下,FFT运算后目标距离R对应频率点fIF处的最大信噪比输出为:
ENso22Nsi/fc=2
NsiTfc=ENsi
Tfc
(4
由式(3、(4可得经FFT运算获得的傅里叶处理增益为:
N
E/NEsi/Nsi
=Tfc(5
3LFMCW雷达的距离方程
收发共用天线的一次雷达距离方程的基本表达式
[4]
为:
R4
maxPG2
λ2
σ(4π3
kT0BnFnD0L
(6
式中,Rmax为雷达的最大作用距离,Pt为雷达的峰值发射功率,G为天线增益,λ为电磁波波长,σ为目标的雷达截面积,k为玻耳兹曼常数,取
1138×10
-23
,T0为接收机的噪声温度,Bn为接
收机的带宽,Fn为接收机噪声系数,D0为可见度系数,L为系统损耗.
在图1所示的LFMCW雷达系统中,Bn=fc.同时考虑到FFT获得的傅里叶处理增益,LFM2CW雷达的距离方程可表示为:
R4
max=
PG2
λ2
σTf(4π3kT0fcFnML
PG2λ2
σT(4π3
kT0FnML
(7
由图1,LFMCW,约为其发射脉冲时宽的倒数;而LFMCW雷达在天线端口为大带宽信号,但经差
拍混频和信号预处理后,其信号变为窄带信号.
为了在峰值功率和距离分辨力相同的条件下对比LFMCW雷达与传统脉冲雷达间距离方程的
不同,式(7可表示为:
R4
maxPtG2λ2
σ(4π3
kT0BFnML
TB=R′4
maxD
(8
式中,R′
max为LFMCW雷达等效的脉冲雷达