應用于FMCW雷達系統的頻率源設計

趙文峰+肖磊

摘 要：FMCW雷達系統是一種調頻連續波系統，由于FMCW雷達系統技術和脈沖雷達技術在實際應用中均屬于具有較高精密度的雷達測距技術，使用原理是通過高頻的發射連續波，頻率發射的時間按照三角波規律進行變化。FMCW雷達系統中發射的頻率與回波接收的頻率具有相同的變化規律，但是中間也具有一定時間差，因而就需要對這些較小的時間差進行計算，從而計算出測定的目標距離。本篇文章在此基礎上，主要對應用于FMCW雷達系統的頻率源相關設計內容進行研究與分析。

關鍵詞：FMCW雷達系統 回波 頻率源

微波毫米波具有較寬頻帶和較短波長等特點，且在不同的領域中應用作用突出，在微波通信、電子對抗以及制導中均有應用，由于連續波的雷達在頻率調制的過程中主要需要使用到高頻性質的電磁載波，這能夠保證發射波的波形較為簡單，且測量精度也較高，在對數字信號進行處理的過程中，由于輸出功率較低，對于信號的處理也更加高效。FMCW雷達系統發射高頻電磁波能夠逐漸取代紅外防撞系統和超聲波系統，使其成為防撞雷達短距離應用的首選技術[1]。對于FMCW雷達系統的頻率源設計的技術內容以及主要原則要求等需要從實踐分析的角度進行研究與分析。

一、FMCW雷達系統頻率源設計要點分析

FMCW雷達系統在信號發射過程中能夠進行三種不同方式的調制，矩形波調制、三角波調制和正弦調制，由于FMCW雷達系統對于信號的調制不同，能夠進一步豐富雷達系統應用的多樣性，但是由于系統在結構模型上具有一致性，因而在信號的處理過程中，三者區別性明顯。FMCW雷達系統模型中能夠在天線接收中，對發射信號進行處理，在濾波器中對接收信號進行處理，然后實現混合信號的處理，通過發射天線將接收信號和發射信號實施混頻導出后，處理濾波信號，然后通過調制解調器進行信號調制，以加窗和補零的形式使頻譜的不連續性降低，最后執行額外的信號后處理[2]。

在FMCW雷達系統頻率源設計中，需要注意DDS信號輸出變頻速度較快、信號分辨率較高，同時具有體積小、線性度高和功耗小等優勢，在設計過程中，方案的重點是對超低相位噪聲進行波段混頻處理，這主要是因為后級混頻器的本振信號，能夠同時作為DDS的參考時鐘，系統參數在經過精確計算后，對于系統中的主要器件進行合理選擇，設計X波段的頻率源。

二、FMCW雷達系統頻率源主要設計方面

（一）仿真設計

FMCW雷達系統頻率源在設計過程中，需要設置仿真基礎，在此過程中，主要是使用三角波調制為基礎，運用FMCW系統和Matlab系統進行仿真，分析三角波調制類似于對鋸齒波調制的分析，這主要是因為調制三角波信號的前半周期t值在0～T/2之間，因而只能將其看作是僅有1/2周期的鋸齒波信號，由于后半周期t值在2/T～T之間，因而信號屬于2/T～T范圍內的反向信號[3]。設計FMCW雷達系統頻率源時進行信號混頻，在回波信號的頻譜中會出現高頻信號和低頻信號，對于這些信號內容進行目標求解，包括距離和速度的測量計算等。設置FMCW雷達系統頻率源設計的仿真基礎，需要對系統的基礎參數進行設置，然后對法神信號頻率進行處理，在回波信號頻率以及混合信號頻率混頻處理中，調制解調器，使信號輸出更加合理。

（二）信號處理系統設計

設計FMCW雷達系統頻率源，需要在相對理想的狀態下進行信號處理系統的仿真，系統理想狀態下，將信號當作FFT之后產生的高頻率和低頻率兩個頻率，應用這兩個頻率對多普勒數據和信號距離等進行測算。基帶信號中的兩個高低頻率在實際應用中是用作FFT的一維傅里葉變換，三角波調制后的FMCW雷達系統在雷達探測中的應用，兩個頻率峰值一般出現在24.51KHZ和64.66KHZ中，對這兩個頻率進行數據分析也能夠計算出速度和距離。由于在FMCW雷達系統頻率源的信號處理系統設計中，受到相位誤差和噪聲的影響，因而需要根據時域中的混頻信號，加入相位噪聲和白噪聲，進一步塑造隨機性的相位誤差[4]。在一維FFT中，相位誤差和白噪聲能夠提高旁瓣電平，因而多普勒信息和距離不會有明顯的扭曲產生，這對于FMCW雷達系統頻率源設計中保持較為平坦的功率譜密度具有重要的影響作用。

（三）系統調制分析

FMCW雷達系統頻率源在設計過程中，通過仿真分析能夠對FMCW在三角波調制下的系統性能以及基本的應用效用進行研究與分析，仿真設計中通過Matlab作為FFT獲得信號差頻的頻譜圖像，在連續性頻譜的分析中，增加補零、加窗和抽樣等處理，能夠直接影響到FFT后頻譜中所顯示的信號分辨率，這與雷達系統中實際信號分辨率不同。在FMCW雷達系統頻率源設計中通過三角波調制的辦法，能夠實現多普勒信息調制以及距離提取等，從而進一步實現對較為理想的仿真狀態下的FMCW雷達系統頻率源設計[5]。需要注意的是，FMCW雷達系統頻率源設計對于系統中輸入的數據需要核對準確，保證速度信號和信號距離恢復，減小頻率峰值與實際計算之間的誤差。

結語：

雷達系統的重要組成部分之一是頻率源部分，這主要是因為頻率源的性能指標對于FMCW雷達系統的整體性能等具有重要的影響作用，因而要保證FMCW雷達系統的應用效率提高，需要對頻率源進行科學設計，提高頻率源的基本性能。由于頻率合成器在使用過程中受到電子系統的指標影響，頻率合成方面的技術不斷發展，逐步實現了DAFS直接模擬頻率合成到IS間接頻率合成，直到DDS直接數字頻率合成的轉變[6]。傳統的FMCW雷達系統在信號處理中，大都是通過DAC和DSP等數字器件產生的線性電壓繼而實現對VCO的控制，由于這種方式下產生的信號在分辨率和精度等方面各項指標均比較低，因而總體的線性度也較差，所以這種設計方法需要被摒棄，并在原有的FMCW雷達系統頻率源設計技術上不斷完善和改進。設計FMCW雷達系統頻率源，需要根據系統的實際應用情況，應用FMCW雷達系統模型，調制三角波進行系統仿真，實現對多普勒信息的調制以及對信號距離的提取，在相位誤差和白噪聲影響控制下，保持較低的旁瓣，識別頻率峰值，使FMCW雷達系統頻率源設計技術應用不斷走向完善和成熟。

參考文獻：

[1]戚昊琛，解光軍，張鑒.FMCW雷達系統及其前端數據采集模塊設計[J].電子科技，2012，25（05）：44-46+50.

[2]岳文豹，楊錄，張艷花.FMCW雷達近程測距系統設計[J].電子技術應用，2012，38（04）：73-75+79.

[3]鐘鵬，郝國法.MAX11043在FMCW雷達測距系統中的應用[J].儀表技術與傳感器，2014，03：68-70+73.

[4]戚昊琛，胡智文，張鑒.FMCW雷達系統的雙模方向判斷模塊研究[J].電子測量與儀器學報，2014，28（05）：486-492.

[5]宋星秀，張箭，張太福.FMCW雷達系統的仿真分析[J].電子科技，2014，27（11）：5-7.

[6]戚昊琛，張鑒，張杰，高偉清.一種用于FMCW雷達系統的中頻信號濾波器[J].合肥工業大學學報（自然科學版），2015，38（05）：635-638.

作者簡介：

趙文峰，男（1983.5——），四川達州市人，工程師，本科，研究方向：火控雷達頻綜。

肖磊，男（1984.4——），四川成都市人，工程師，本科，研究方向：火控雷達頻綜。