一種毫米波調頻連續波雷達的目標速度測量方法

完 誠

(中國船舶重工集團公司第723研究所，揚州 225001)

?

一種毫米波調頻連續波雷達的目標速度測量方法

完 誠

(中國船舶重工集團公司第723研究所，揚州 225001)

提出了一種應用于地面監視的連續波雷達，使用線性調頻連續波(LFMCW)波形產生和快速傅里葉變換信號處理技術進行地面運動目標檢測。由于較短線性調頻時間和高重復頻率，目標的徑向速度對測量的差頻信號影響很小，因此采用多個線性調頻連續波信號在各個距離門上測量徑向速度。為了解決不模糊最大徑向速度，提出了一種改變線性調頻持續時間的方法。最后根據發射和接收信號的頻差以及接收天線，也可以計算出目標距離和方位角。

調頻連續波；差頻；多普勒頻率

0 引 言

相對于脈沖雷達，調頻連續波雷達體積小,重量輕,結構簡單,具有大時帶積，因此應用在很多高測距精度和高距離分辨率的場景，比如安全防護、邊海防護、海洋洋流特性研究等領域。本文研究的是一款應用于地面監視的調頻連續波(FMCW)雷達系統，由于發射信號具有極短的線性調頻時間TChirp，測量到的頻差始終為正，因此雷達接收機中采用單接收通道即能滿足應用需求，考慮到線性調頻時間TChirp短并且有較寬的調制帶寬，雷達回波信號中的多普勒頻率fD對距離的影響在系統可以接受的范圍內，因此利用發射信號和目標回波信號之間的頻率差來確定目標距離，即使在多目標的情形下，也都可以計算出目標的實際距離。

然而在某些特殊場景下，對于運動目標多普勒頻率的測量是模糊的[1]。因此，本文提出一種低復雜算法的解模糊方法，這種方法在多目標情形下也能夠測量運動目標的距離R、徑向速度vr和方位角φ。

1 系統構建與設計

地面監視雷達的波形產生輸出一定帶寬的鋸齒波調頻信號功分放大后，通過發射天線對外發射連續波探測信號。探測目標信號經接收天線送到接收機后最終得到差頻信號，該差頻信號包括目標的距離和速度信息，再進行快速傅里葉變換以實現目標距離、徑向速度的測量。同時通過接收天線的方位信息，可以計算出目標方位角。

1.1 波形產生與差頻分析

連續波雷達最常見的線性調頻(Chirp)波形為鋸齒波，本文中雷達波形產生器產生的是一段標準FMCW鋸齒波信號，該波形中的線性調頻持續時間很短，在線性調頻持續時間(TChirp)內，FMCW雷達通過發射天線對外發射頻率從f0至f0+fsweep之間連續變化的線性調頻信號，目標反射的回波信號在延時τ后到達接收天線，如圖1所示。

圖1 單調頻周期的發射信號和接收信號

雷達的發射波形u(t)可用解析形式表示為：

(1)

式中:ATx為信號幅度；ΦTx(t)為瞬時發射信號相位,可通過下式計算得出：

(2)

接收目標回波可由下式表示：

(3)

式中：信號相位ΦRx(t)可表示為：

(4)

為了便于分析，將發射信號振幅ATx和接收信號振幅ARx歸一化為ATx=ARx=1。通過瞬時發射信號對接收信號進行下變頻，再經過低通濾波后可獲得差頻信號e(t)，表示如下：

(5)

發射信號和目標回波信號間的差頻fe受目標距離R0和徑向速度vr的影響，其解析形式可表示如下：

(6)

式中：fD為多普勒頻率。

考慮L個連續調頻周期信號，各信號持續時間均為TChirp[2]，如圖2所示。

圖2 L個調頻周期的接收和發射信號

時間離散的差頻信號可由下式描述：

(7)

1.2 信號的FFT處理

差頻信號在信號處理單元的處理過程如圖3所示。

圖3 連續Chirp的距離和多普勒處理過程

2 解多普勒頻率模糊

2.1 Chirp持續時間的改變

2.2 解模糊算法

解模糊算法可以按照下面的步驟進行，如圖4所示。

(1) 初步目標探測：在第一信號塊中進行單探測，形成單列探測點跡。

(3) 最終目標探測：將候選點跡估計的信噪比與門限T作比較。據此選定最終點跡j。

SNR≥T

(8)

如果信噪比大于門限T，則認為檢測到了目標[6]。

圖4 解模糊目標算法

3 仿真與分析

下面對二維FFT和解多普勒模糊進行仿真分析，假設兩目標車輛都位于距離R0=1 km處，徑向速度為vr=17 m/s，該值大于雷達系統最大不模糊速度范圍。2個目標唯一的不同之處在于它們的方向角位置：第1個目標的方向角假定為φ1=10°，第2個假定為φ2=-10°。

信號處理對于每個調頻周期內的目標回波信號分別進行2次FFT轉換。根據檢測各距離、速度分辨單元的幅度值大小來確定目標的距離、速度信息。

圖5表明了雷達檢測到單個目標幅值最大的點所在的位置求得車輛的距離和速度。其中，由于目標徑向速度大于最大可探測徑向速度vmax，因而無法計算其真實速度值。

圖5 基于單信號塊的距離速度測量

圖6描述了利用M個接收天線信號對2個目標速度與方位進行仿真得出的測量結果，明確表明了方位角不同的2個目標。

圖6 2個目標的速度角度測量

可以觀察到峰值相同的分辨單元為61.2 km/h=17 m/s，均大于信噪比門限，為真實的徑向速度。

4 結束語

本文提出了一種線性調頻FMCW波形的設計方法，介紹了接收天線和擴展不模糊多普勒測量范圍的方法，進而對帶通信號進行二維快速傅里葉變換后實現目標距離、速度和方位的計算。基于不同的Chirp持續時間TChrip的連續調制信號，提出了一種可以消除模糊多普勒頻率的估計算法。

圖7 3組TChirp估計的目標速度分辨單元

[1] SKOLNIK MERRILL I.Radar Handbook[M].2 edition.New York:McGraw-Hill Professional,1990.

[2] STOVE A.Linear FMCW Radar Techniques[J].Radar and Signal Processing,IEEE Proceeding,1992,139(5):343-350.

[3] BOASHASH B.Estimating and interpreting the instantaneous frequency of a signal - Part2[J].Proc.IEEE,1992,80(4):540-568.

[4] ROHLING H,MOLLER C.Radar waveform for automotive radar systems and applications[C]//2008 IEEE Radar Conference Committee.Danvers,US,2008:1-4.

[5] 王月鵬,趙國慶.二維FFT 算法在LFMCW 雷達信號處理中的應用及其性能分析[J].電子科技,2005,188(5):25-28.

A Method for Measuring Target Velocity of Millimeter-wave FMCW Radar

WAN Cheng

(The 723 Institute of CSIC,Yangzhou 225001,China)

This paper presents a continuous wave radar applied to ground monitoring that uses waveform generation of linear frequency modulation continuous wave (LFMCW) and signal processing techniques of fast fourier transform for ground moving target detection.Due to the short linear frequency modulation time and high repetition frequency,the radial velocity of the target has little influence on the intermediate frequency signal,therefore,the radial velocity is measured at each distance gate by using a number of linear frequency modulation continuous wave signals.In order to solve the maximum unambiguous radial velocity,a method changing the duration of linear frequency modulation is proposed.Finally,the target distance and azimuth angle can be calculated according to the intermediate frequency between the transmitted signals and received signals & the receiving antenna.

frequency modulation continuous wave;intermediate frequency;Doppler frequency

2016-06-22

科技成果轉化項目，項目編號：YZ2015123

TN957.51

A

CN32-1413(2016)04-0047-05

10.16426/j.cnki.jcdzdk.2016.04.011