一種毫米波調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)的目標(biāo)速度測量方法

完 誠

(中國船舶重工集團(tuán)公司第723研究所，揚(yáng)州 225001)

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一種毫米波調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)的目標(biāo)速度測量方法

完 誠

(中國船舶重工集團(tuán)公司第723研究所，揚(yáng)州 225001)

提出了一種應(yīng)用于地面監(jiān)視的連續(xù)波雷達(dá)，使用線性調(diào)頻連續(xù)波(LFMCW)波形產(chǎn)生和快速傅里葉變換信號處理技術(shù)進(jìn)行地面運(yùn)動目標(biāo)檢測。由于較短線性調(diào)頻時間和高重復(fù)頻率，目標(biāo)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(diào)頻連續(xù)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(diào)頻持續(xù)時間的方法。最后根據(jù)發(fā)射和接收信號的頻差以及接收天線，也可以計(jì)算出目標(biāo)距離和方位角。

調(diào)頻連續(xù)波；差頻；多普勒頻率

0 引 言

相對于脈沖雷達(dá)，調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)體積小,重量輕,結(jié)構(gòu)簡單,具有大時帶積，因此應(yīng)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(hù)、邊海防護(hù)、海洋洋流特性研究等領(lǐng)域。本文研究的是一款應(yīng)用于地面監(jiān)視的調(diào)頻連續(xù)波(FMCW)雷達(dá)系統(tǒng)，由于發(fā)射信號具有極短的線性調(diào)頻時間TChirp，測量到的頻差始終為正，因此雷達(dá)接收機(jī)中采用單接收通道即能滿足應(yīng)用需求，考慮到線性調(diào)頻時間TChirp短并且有較寬的調(diào)制帶寬，雷達(dá)回波信號中的多普勒頻率fD對距離的影響在系統(tǒng)可以接受的范圍內(nèi)，因此利用發(fā)射信號和目標(biāo)回波信號之間的頻率差來確定目標(biāo)距離，即使在多目標(biāo)的情形下，也都可以計(jì)算出目標(biāo)的實(shí)際距離。

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

1 系統(tǒng)構(gòu)建與設(shè)計(jì)

地面監(jiān)視雷達(dá)的波形產(chǎn)生輸出一定帶寬的鋸齒波調(diào)頻信號功分放大后，通過發(fā)射天線對外發(fā)射連續(xù)波探測信號。探測目標(biāo)信號經(jīng)接收天線送到接收機(jī)后最終得到差頻信號，該差頻信號包括目標(biāo)的距離和速度信息，再進(jìn)行快速傅里葉變換以實(shí)現(xiàn)目標(biāo)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(jì)算出目標(biāo)方位角。

1.1 波形產(chǎn)生與差頻分析

連續(xù)波雷達(dá)最常見的線性調(diào)頻(Chirp)波形為鋸齒波，本文中雷達(dá)波形產(chǎn)生器產(chǎn)生的是一段標(biāo)準(zhǔn)FMCW鋸齒波信號，該波形中的線性調(diào)頻持續(xù)時間很短，在線性調(diào)頻持續(xù)時間(TChirp)內(nèi)，F(xiàn)MCW雷達(dá)通過發(fā)射天線對外發(fā)射頻率從f0至f0+fsweep之間連續(xù)變化的線性調(diào)頻信號，目標(biāo)反射的回波信號在延時τ后到達(dá)接收天線，如圖1所示。

圖1 單調(diào)頻周期的發(fā)射信號和接收信號

雷達(dá)的發(fā)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(fā)射信號相位,可通過下式計(jì)算得出：

(2)

接收目標(biāo)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(fā)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(fā)射信號對接收信號進(jìn)行下變頻，再經(jīng)過低通濾波后可獲得差頻信號e(t)，表示如下：

(5)

發(fā)射信號和目標(biāo)回波信號間的差頻fe受目標(biāo)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(xù)調(diào)頻周期信號，各信號持續(xù)時間均為TChirp[2]，如圖2所示。

圖2 L個調(diào)頻周期的接收和發(fā)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(xù)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(xù)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(jìn)行，如圖4所示。

(1) 初步目標(biāo)探測：在第一信號塊中進(jìn)行單探測，形成單列探測點(diǎn)跡。

(3) 最終目標(biāo)探測：將候選點(diǎn)跡估計(jì)的信噪比與門限T作比較。據(jù)此選定最終點(diǎn)跡j。

SNR≥T

(8)

如果信噪比大于門限T，則認(rèn)為檢測到了目標(biāo)[6]。

圖4 解模糊目標(biāo)算法

3 仿真與分析

下面對二維FFT和解多普勒模糊進(jìn)行仿真分析，假設(shè)兩目標(biāo)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(dá)系統(tǒng)最大不模糊速度范圍。2個目標(biāo)唯一的不同之處在于它們的方向角位置：第1個目標(biāo)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(diào)頻周期內(nèi)的目標(biāo)回波信號分別進(jìn)行2次FFT轉(zhuǎn)換。根據(jù)檢測各距離、速度分辨單元的幅度值大小來確定目標(biāo)的距離、速度信息。

圖5表明了雷達(dá)檢測到單個目標(biāo)幅值最大的點(diǎn)所在的位置求得車輛的距離和速度。其中，由于目標(biāo)徑向速度大于最大可探測徑向速度vmax，因而無法計(jì)算其真實(shí)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(biāo)速度與方位進(jìn)行仿真得出的測量結(jié)果，明確表明了方位角不同的2個目標(biāo)。

圖6 2個目標(biāo)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(shí)的徑向速度。

4 結(jié)束語

本文提出了一種線性調(diào)頻FMCW波形的設(shè)計(jì)方法，介紹了接收天線和擴(kuò)展不模糊多普勒測量范圍的方法，進(jìn)而對帶通信號進(jìn)行二維快速傅里葉變換后實(shí)現(xiàn)目標(biāo)距離、速度和方位的計(jì)算。基于不同的Chirp持續(xù)時間TChrip的連續(xù)調(diào)制信號，提出了一種可以消除模糊多普勒頻率的估計(jì)算法。

圖7 3組TChirp估計(jì)的目標(biāo)速度分辨單元

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

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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(zhuǎn)化項(xiàng)目，項(xiàng)目編號：YZ2015123

TN957.51

A

CN32-1413(2016)04-0047-05

10.16426/j.cnki.jcdzdk.2016.04.011