超低功耗FMCW相參雷達系統設計

劉齊悅盧家豪張鵬劉濤

（海軍工程大學武漢430033）

超低功耗FMCW相參雷達系統設計

劉齊悅盧家豪張鵬劉濤

（海軍工程大學武漢430033）

調頻連續波（FMCW）雷達是一種傳統體制雷達，具有重量輕、體積小、功率小、隱蔽性好、成本低廉等優點。在國防建設、民用領域以及原理教學等領域均具有很高的應用價值。論文設計了一種基于個人電腦的便攜式FMCW的雷達模型，概述了其中的原理。為驗證原理，設計了一臺原理驗證機，并對其信號進行了采集、分析與調整。

FMCW；雷達；硬件設計

Class NumberTN974

1 引言

FMCW雷達［1］有著與脈沖體制雷達不同的應用前景，它的主要優點為

1）集成度高，重量輕，成本低，結構簡單［2］。由于FMCW雷達發射功率低，這樣可以不使用高壓、高功率器件，使得雷達的前端設計更簡單，從而使得系統集成更容易實現。另外FMCW雷達一般用去調頻的方法將回波信號轉換到中頻，所以并不需要用到射頻信號，因此簡化了射頻部分結構，然后在中頻進行后續變換，因此大為簡化了整個雷達系統的結構，對射頻器件的要求也就降低，使得工程的困難程度大大降低，因此可以廣泛應用于小型機和無人機［3］。

2）采樣頻率的降低。因為FMCW雷達是對差頻后的中頻信號進行采樣，所以信號處理實際的帶寬大大的降低。由于距離向分辨率的精度隨著信號帶寬的增加而提高［4］，但是根據Nyquist采樣定理［5］可知，需要更高的采樣率。但是FMCW雷達的實際處理帶寬是由差頻后形成的，因此發射大的時寬帶寬信號并不會增加采樣率，反而會大大降低采樣率，對信號高速采集與處理的要求也隨之大為降低。

傳統上FMCW雷達在大多用于航海導航、軍事單兵偵查［6］，在其他領域缺乏應用，這其中除了微型化程度不夠的原因之外，還有其他亟待解決的問題，也有體制上的不足，主要表現為

1）與脈沖合成孔徑雷達不同，合成孔徑雷達用收發開關來控制發射與接收過程，而FMCW雷達將發射天線與接收天線分開，使得發射與接收同時進行，這樣就產生了泄露信號，對接收造成了很大影響，兩者之間的安全隔離還需進一步研究。

2）FMCW雷達系統的距離向分辨率會收到調頻非線性度問題的影響，尤其是在FMCW雷達中，信號的持續時間很長，非線性度將會成為一個很嚴重的問題，因此目前也急需解決調頻非線性度帶來的問題。

3）FMCW雷達的算法還僅僅處于理論階段，在用于實際后，還需要對實際數據進行采樣與分析，所以還需要進一步的計算來改善實際問題。

本文基于Mini-Circults系列射頻器件，設計了一型S波段FMCW相參雷達系統。

采用圖1所示的系統結構。

設計的FMCW系統采用了模塊化設計，工作頻率為2.4GHz，系統采用一節5V紐扣電池進行供電，經實測，該系統有效作用距離為300m，可同時實現對多批運動目標的測速功能，連續工作時長可達75小時。

2 基本原理

將FMCW技術和雷達技術結合起來，得到了一種新型的雷達系統即為FMCW雷達系統。這種新的雷達體制能在對短距離成像時具有極高的分辨率，并且有體型小巧、造價便宜和結構簡單等優點，使其在小型無人機上得到更加廣泛的應用。

與傳統的脈沖雷達相比，發射脈沖寬度窄，在脈沖作用期間天線的相位中心與目標之間的距離幾乎沒有發生變化，因而采用的是“停-走-停”模式，可以認為目標的瞬時斜距與距離快時間無關。而在FMCW雷達的系統中，由于發射信號在整個掃頻周期中一直持續，信號的占空比為1，雷達載機平臺在發射信號過程中連續運動所引起的目標瞬時斜距變化一般是不能忽略的，所以“停-走-停”模式在這里不再適用。

LFM信號是FMCW雷達通過發射頻率隨著時間線性變化的信號，然后由接收機接收目標反射的信號，通過測定這個回波信號的頻率來確定目標的距離。在任何時候，收發頻率之間都存在著一種關系，除了測定目標的距離外，還可以用它來測定目標的一些其他參量，比如目標的徑向速度和加速度等。FMCW雷達系統中廣泛應用著兩種信號形式——三角波調頻信號和鋸齒波調頻信號［8］，波形如圖2所示。

在進行信號處理之前，FMCW雷達會將接收到的回波信號和發射信號進行混頻處理，也就是Dechirp處理［9］，如圖3所示。

其中，發射信號的瞬時頻率是用圖（a）的實線表示的，目標接收回波的瞬時頻率用圖（a）中的虛線表示，圖（b）是兩者之間的差值，即差拍信號，由上圖可知，目標的回撥是發射信號波形的延時復制波，兩者都是隨著時間的變化而變化的，呈線性鋸齒規律，雙程回撥延時τ=2R/C，R是目標與雷達之間的距離，C是光速。

由圖（b）可以看出，在調制周期內，差拍頻率fb有正有負，并且在調制周期內正差頻的部分非常小，這是因為在一般情況下，相對于調制周期來講，最大回撥延遲很小，所以在現實情況下，只利用負差頻部分來獲得距離信息。

對于靜止的目標，差拍信號是一個單頻信號，并且只和目標的距離有關，與其他因素無關，呈線性正比關系。因而可以通過提取差拍信號的頻率的方式，接著通過頻譜分析來獲取目標的距離信息，具體表達式如下：

其中B為發射信號頻率調制的最大頻偏，即發射信號帶寬，Tp是調制周期，調頻斜率。通過距離維去調頻后，可以得到去調頻信號的信號帶寬：

由上式可以推出只要滿足Rw＜CTp/2，就可以得到Br＜B，而這項條件在FMCW雷達中一般都得到滿足。根據奈奎斯特采樣定律可知，采樣頻率fs≥Br會比較小，從而降低了系統對信號處理的要求，也降低了對A/D器件的要求，這是FMCW雷達相對于脈沖合成孔徑雷達的一個重要的特征。

3 系統設計

3.1 系統概述

本雷達系統分為發射模塊、天饋線模塊、接收模塊、中頻處理模塊與計算機模塊。系統原理框圖如圖5所示。

發射模塊采用美國Mini-circuits公司推出的S波段VCO ZX95-2536C-S+作為信號源。雷達工作時，由16引腳芯片XR 2206構成的調制器調制VCO，使之發射有規律的線性掃頻信號，經衰減器VAT-3+衰減后，經場效應管高放ZX60-272LN-S+放大，送入天饋線模塊。

天饋線模塊由功分器、饋線、天線組成。首先，發射機產生的高頻信號經功分器ZX10-2-42+分為兩路，一路信號送往發射天線向自由空間發射，另一路信號輸入混頻器ZX05-43MH-S+作為參考信號。

當發射電磁波遇到目標后，產生回波反射進入接受模塊，雷達接收天線將接收到的回波信號經ZX60-272LN-S+高頻放大器放大后，輸入混頻器，由混頻器輸出差頻信號，送入中頻處理模塊。

中頻處理模塊由低噪聲運放MAX414CPD+組成，MAX414CPD+由四組運放組成，一組運放模塊組成放大器對天饋線模塊輸入的差頻信號進行放大，另兩組運放模塊組成二階LPF對信號進行去低通濾波處理。處理后的信號送給計算機模塊進行數據后處理。

計算機模塊使用計算機集成的聲音采集卡進行A/D轉換，并基于Matlab程序對數據進行后處理。

3.2 系統主要技術指標

3.2.1 綜合參數

1）工作頻率范圍：2.3GHz～2.5GHz；2）發射功率：＞10mW（10dBm）；3）最大探測距離：對行人等小目標具有120m，對客車等大RCS目標具有220m的探測距離。

3.2.2 天線參數

1）尺寸：250mm*300mm；2）陣元數量：6；3）駐波比：＜1.1；4）水平方向角：30°；5）垂直方向角：20°；6）特性阻抗：48Ω～52Ω；7）增益：14dBi。

3.3 系統關鍵部分

3.3.1 混頻器［10］

混頻器采用ZX05-43MH-S+，其參考信號來自于發射信號，混頻信號來自于經場效應管放大器放大的回波信號，差頻信號以電壓信號的形式輸入至中頻處理模塊。

3.3.2 中頻處理模塊

中頻處理模塊對差頻信號進行放大，并對混頻器產生的上變頻信號進行濾波，濾波器在15KHz的衰減為3dB。

3.4 硬件選型

3.4.1 天線部分

備選方案有三個，圓波導天線，六面陣引相天線，雙菱天線。

表1 天線部分選型依據

天線的選擇影響著雷達的整個參數，在選擇天線時，應當從成本、體積、方向性、駐波比、增益等多方面弄進行考慮，為了避免雷達過于笨重，應當選擇體積小、重量輕的天線，而為了可以觀察更為廣闊的區域，應當選擇天線方向性好的天線，天線的駐波比太大會引起發射出去的功率下降，嚴重時會導致天線燒壞，導致天線報廢。而增益會影響雷達的作用距離，增益高的天線在同等功率下能看得更遠。綜上，在選擇天線時，應當選取體積小，方向性好，駐波比低，增益高的天線。經過綜合考慮后，最終選擇了六面陣引相天線。

3.4.2 高頻部分［10］

備選方案有兩個：一個是Mini-Circuits公司推出的VCO、高放，一個是市場上銷售的PCB高頻元件［11］。

表2 高頻部分選型依據

高頻部分的駐波比大小同樣重要，為了保證雷達的性能穩定、良好，在選擇高頻器件時，應當選擇壽命長、性能好、駐波比低的器件。而且Mini-Cir?cuits公司的器件還具備一定的抗天氣影響的能力，所以綜上考慮，應當選擇Mini-Circuits公司推出的VCO、高放。

4 系統實驗結果及分析

4.1 雷達原始回波信號［10］

由混頻器輸出的雷達系統共輸出兩路信號，其中一路信號是由發射模塊的XR2206芯片調制的同步脈沖信號，其在調制VCO的三角波的斜率由正值變為負值時，輸出一個脈沖信號。

另一路信號為放大濾波后的差頻信號，信號中包含了運動目標的速度信息以及距離信息，兩路信號通過同軸信號線送至計算機模塊的模擬信號采集卡內，轉換成采樣率44100Hz，位深16Bit的波形文件［12］。4.2雷達多普勒測距測速實驗

4.2.1 行人步速測量實驗

實驗在一條100m直線跑道中進行，首先，打開雷達，調整參數使調制信號的頻率穩定于50Hz。

首先在開機后3s，一名測試者遠離雷達做近似勻速運動，在第33s運動至距雷達70m處，再以勻速折返，在第64s回到雷達處。

在開機后15s，另一名測試者原理雷達做變速運動，在第55s運動至與第一名測試者相同的位置，做近似勻速運動返回，在80s時回到雷達處，雷達關機，進行數據采樣處理，關機。

將采樣數據進行處理，得出兩名測試者的運動軌跡成像［2］，處理后的距離-多普勒關系如下圖所示。

從圖中可以清晰地分辨出，該場景中有兩個目標，兩個目標均做折返運動，其中，第一個目標做近似勻速運動后折返，第二個目標先慢后快，到達目標點后迅速折返。

系統最終計算出場景狀態如下表所示：

表4 目標一的實際與測試結果

表5 目標二的實際與測試結果

4.2.2 道路車速測量實驗

實驗在一條雙行道上進行，雷達開機測試場景如下。

對采樣數據進行處理后，可以計算出波束覆蓋范圍內目標位置和運動參數如下。

在約140s的時間內，共計捕捉了行人、小轎車、中型卡車、大巴車等共計10批目標，從回波數據分析中可以看到，針對不同速度、距離的目標，雷達均做到了對速度及距離的精確定位以及軌跡測量。

5 結語

本文基于Mini-Circults系列全固態小功率射頻器件，設計了一型S波段FMCW相參雷達系統，該系統采用了模塊化設計，工作頻率為2.4GHz，系統采用一節5V紐扣電池進行供電，經實測，該系統有效作用距離為300m，可同時實現對多批運動目標的測速功能，連續工作時長可達75小時。該系統在近程測距測速，交通測速，學歷教育教學，建筑行業的樓層測量，儲油罐液面高度測量等距離探測方面具有廣闊的應用前景。

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Design of Low Power FMCW Radar System

LIU QiyueLU JiahaoZHANG PengLIU Tao
（Naval University of Engineering，Wuhan430033）

Frequency modulated continuous wave（FMCW）radar is a kind of traditional radar system which has the advantag?es of light weight，small volume，low power，good concealment and low cost.It has very high application value in the field of nation?al defense construction，civil field and the principle of teaching.In this paper，a portable FMCW radar model is designed based on personal computer.In order to verify the principle，a principle demonstrator has been designed，and the signal is collected，ana?lyzed and adjusted.

FMCW，radar，hardware design

TN974

10.3969/j.issn.1672-9730.2017.08.019

2017年2月13日，

2017年3月20日

劉齊悅，男，研究方向：連續波雷達。