線性調頻連續波雷達的一種信號處理方法

摘 要:線性調頻連續波(LFMCW)雷達具有距離和多普勒頻率分辨率高，結構簡單，體積小，重量輕和良好的低截獲概率特性，得到了廣泛的應用。對線性調頻連續波雷達的目標回波信號進行分析，使用差拍-頻譜分析-MTD的方法進行仿真，從回波信號中提取目標的相位信息，從而獲取目標的距離和速度信息，該方法可有效地抑制固定雜波，方便動目標檢測。

關鍵詞:LFMCW;差拍頻率;FFT;MTD

中圖分類號:TN95文獻標識碼:A

文章編號:1004-373X(2010)05-042-02

Signal Processing Method for LFMCW Radar

LUO Haichao，SONG Sisheng

(Xi′an Electronic Engineering Research Institute，Xi′an，710100，China)

Abstract:Characterized by high resolution for distance and doppler frequency，simple structure，small volume，low weight，and excellent Low Probability of Intercept(LPI)，LFMCW radar has found wide applications.Target echo signal of LFMCW radar is fisrt analyzed with beat-spectrum analysis-MTD stimulation，then the phase information is obtained from target echo signal，hence the distance and speed of the target.The method can largely reduce fixed clutters，and it is very effective in moving target detection.

Keywords:LFMCW;beat frequency;FFT;MTD

線性調頻連續波雷達(LFMCW)的距離速度模糊問題一直難以解決，文獻[1]采用MTD頻域配對方法，通過MTD簡化差拍信號的頻譜，并利用三角形線性調頻連續波上、下掃頻段多普勒頻移的對稱性，實現動目標的距離、速度去耦合，但其在多目標環境下難以準確配對。文獻[2]介紹了利用二維FFT技術提取目標回波信息，取得較好的性能。本文通過對LFMCW信號進行分析，給出了采用差拍-頻譜分析-MTD方法的信號處理流程，并進行了仿真。

1 LFMCW信號分析

LFMCW雷達發射信號可以表示為:

ST(t)=Acos12TBt2)+φ0〗

式中:A為信號的幅度;fc為信號起始頻率;B為調頻帶寬;T為調頻周期。發射信號的初始相位可表示為:

PT(t)=2πfct+12TBt2+φ0

設在雷達波束覆蓋的空域內有一徑向速度為V(以遠離天線方向為正方向)，在t=0時刻距離雷達天線距離為R0的目標，則接收到的目標回波信號可以表示為:

SR(t)=KAcos{2π12TB(t-τ)2〗+φ0}

式中:K為信號增益，與天線的尺寸、距離及目標的RCS等有關;τ=2R(t)c=2(R0+vt)c 為目標延遲;c為光速。接收信號的瞬時相位為:

PR(t)=2πfc(t-τ)+12TB(t-τ)2+φ0

通過相干解調后，差拍信號的瞬時相位為:

Pm(t)=PT(t)-PR(t) =

2π2fcvc+2BR0Tc-4BR0vTc2t+

2BvTc-2Bv2Tc2t2+2fcR0c-2BR20Tc2〗

由上式可知，運動目標回波的差拍信號是一個線性調頻信號，信號的參數如下:

調頻帶寬:Bm=4Bvc-4Bv2c2;

載頻起始頻率:fm=2fcvc+2BR0Tc-4BR0vTc2;

初始相位:φm = 2π2fcR0c-2BR20Tc2〗。

因而差拍信號可以表示為:

Sm(t)=Amcos2πfmt+12TBmt2+φm〗

目標回波信號經正交雙通道處理后差拍信號的復數形式表示為:

Sm(t)=exp(jφm)Amexp2πfmt+12TBmt2

在做數據處理時，常常把一個重復周期的數據作為處理的單元，用t-nT代替t可得:

Sm(t-nT)=exp(jφm)Amexp12TBm(t-nT)2)〗

在某一個重復周期差拍信號所對應的瞬時頻率為:

f(t-nT)=dPm(t-nT)2πdt=

2fcvc+2BR0Tc-4BR0vTc2+

4BvTc-4Bv2Tc2(t-nT)

相鄰重復周期間目標回波的中心頻率變化不大，但其初始相位隨重復周期的變化很大，初始相位對nT求導可得到:

d2πdnT=2fcvc-4BRnvTc2

通過上述分析，只要從不同重復周期差拍信號中檢測出

2fcvc-4BRnvTc2

，然后從差頻信號的頻率

2fcvc+2BR0Tc-4BR0vTc2

中減去這兩項，即可求得距離差拍頻率2BR0Tc，從而可以得到目標距離R。由于2fcvc4BRnvTc2，則從初始相位檢測出來的頻率即可認為是速度多普勒頻率，從而求出目標的運動速度。

2 LFMCW信號處理與仿真

LFMCW雷達差拍-頻譜分析-MTD方法的處理流程如圖1所示，目標回波信號首先與發射信號樣本進行正交混頻經低通濾波后，然后通過加窗的方式對有效時間段內的差拍信號進行離散化處理，對每個重復周期內的數據作N點FFT進行頻譜分析，然后再對M個重復周期的FFT結果做M點的MTD，求得速度多普

勒頻率，進而求得距離差拍頻率。圖2中列出的是發射、接收信號的調頻函數，運動、固定目標的差拍頻率信號，以及多重復周期有效采樣窗函數。

圖1 LFMCW差拍-頻譜分析-MTD處理

圖2 發射、接收、差拍信號調頻函數

設定調頻帶寬B=50 MHz，調頻周期為1 ms，調頻起始頻率為100 MHz，A/D采樣頻率為20 MHz，在每個T內采樣4 096個點做4 096點FFT，再對相鄰64個重復周期的數據做MTD，然后進行求模。

距離分辨率:δR=Tcfs2BN=1.5 m;

不模糊測距范圍:Rmax=Tcfs2B=60 km;

速度分辨率:δV=c2TMfc=23.43 m/s;

不模糊測速范圍:Vmax=c2Tfc=1 500 m/s。

對六個模擬目標基于上述信號處理方法進行仿真，仿真結果和目標真值的比較結果如表1所示，圖3列出了6個目標再距離、多普勒和幅度三維平面上的分布圖。

表1 目標距離、速度真值與測量值

距離速度

真值 /m濾波器通道計算值 /m誤差 /m真值 /m/s濾波器通道計算值 /m/s誤差 /m/s

目標122 0001 50222 002.962.960000

目標222 3001 52222 294.9-5.10000

目標315 0001 02414 999.5-0.520054187.5-2.5

目標415 0001 02414 999.5-0.5-20010-187.5+12.5

目標525 0001 70725 004.1+4.130049281.25-18.75

目標625 0001 70725 003.9+3.940044375-25

圖3 六個目標檢測的等高線圖和三維立體圖

3 結 語

對LFMCW差拍信號進行了分析，采用差拍-頻譜分析-MTD方法對LFMCW雷達信號處理的流程進行了仿真。結果表明，該方法正確有效，解決了MTD頻域配對方法在多目標環境下難以配對的問題，可以應用于多目標環境下的LFMCW信號處理。

參考文獻

[1]楊建宇，凌太兵，賀峻.LFMCW雷達運動目標檢測與距離速度去耦合[J].電子與信息學報，2004，26(2):169-173.

[2]冀振元，孟憲德.高頻雷達中LFMCW信號的分析[J].系統工程與電子技術，1999，21(12):37-40.

[3]張容權，楊建宇，熊金濤，等.對稱三角線性調頻連續波信號模糊函數分析[J].電子學報，2004，32(3):353-356.

[4]吳禮.對稱三角線性調頻連續波信號多周期模糊函數分析[J].南京理工大學學報，2009，33(1):74-78.

[5]楊建宇.線性調頻連續波雷達接收機性能分析[J].系統工程與電子技術，2001，23(10):16-18.

[6]王月鵬，趙國慶.二維FFT算法在LFMCW信號處理中應用及性能分析[J].電子科技，2005(5):25-28.

[7]林茂庸，柯有安.雷達信號理論[M].北京:國防工業出版社，1984.

[8]郭磊，楊中海.LFMCW雷達信號多周期模糊函數分析[J].信號處理，2004，33(5):543-546.