一種24GHz雷達中頻信號頻率的測量方法研究

鐘仁海 劉沖 鐘催林 陳琳琳

摘要：雷達在實現測速、測距等功能時，需要得到中頻信號的頻率。本文針對24GHz雷達I/Q兩路信號的特點，提出一種測量中頻信號頻率的方法。給出了理論分析及其數據實現方法，并進行了MATLAB仿真研究，實驗結果表明所測頻率精度達到了期望要求。

關鍵詞：雷達；中頻信號；頻率

隨著雷達引入民用，其應用越來越廣泛，比如汽車、安防、無人機等領域。其原理是根據回波信號計算出中頻信號的頻率，再進行后端信號處理，從而實現非接觸測距、測速、測角度以及成像等功能。傳統的方法是對采集數據進行FFT（快速傅里葉變換）求取頻率，但其時頻性較差，而且精度與采樣時間和運算采樣點數有關，采樣時間越長和運算點數越多，精度越高[13]。文獻[4]采用chirpz變換處理雷達信號，雖然提高運算量，但運用和FFT相同的數據，可以提高頻率的測量精度。本文介紹了一種基于24GHz雷達I/Q信號測量中頻信號頻率，其具有很好的時頻性，因為I/Q信號彼此之間存在pi/2相位差，相當于將一路信號進行了一次Hilbert（希爾伯特）變換。根據Hilbert變換的結果可以求出瞬時相位以及瞬時頻率。

1 中頻信號頻率測量原理

24G雷達有多種調制方式，包括FMCW、FSK、CW等。本文以CW方式為例介紹該原理。

雷達發射波信號為：

其中ft為發射頻率。

I通道雷達接收波信號為：

其中fd是中頻信號頻率。

混頻后I通道波形為：

經過低通濾波器后為：

同理可得Q通道波形為：

然后兩路信號做比值，即

由上式可解得

這樣即可求出中頻信號頻率。

2 算法仿真

設采樣點數N=1024，采樣頻率fs=75000Hz，中頻信號頻率f=300Hz，在MATLAB中生成仿真信號

此仿真信號為單一頻率，由圖1可以看出能夠實時地算出仿真信號的頻率。由于此信號FFT頻率分辨率為75000/1024=73Hz，最終得出頻率為366，使用chirpz變換能夠精準的算出該頻率。

再設中頻信號頻率f=75000*t，也就是頻率隨時間線性變化。

根據圖2可以看出變化的頻率，該方法也能實時地算出仿真信號的頻率。FFT與chirpz變換無法計算連續變化頻率。

以上說明在理想的環境下，此方法是能夠正確求出雷達中頻信號的頻率。

實際應用中，雷達中頻信號是很微弱的信號，在沒進行放大之前，電壓幅值只有幾微伏到幾毫伏。所以需要放大濾波后再通過ADC采樣。本文采用STM32F429兩路ADC同時采樣I/Q中頻信號，采樣頻率75000Hz，采樣點數1024。再通過串口將數據傳到電腦進行數據處理（包含去直流，數字濾波等），具體中頻信號采集流程如圖3所示。

圖4所示是原始采樣數據以及I通道數據Hilbert變換曲線，由圖可知，Q通道數據與Hilbert變換曲線并未重合，表明I/Q實際上并不是精準的相差pi/2相位，這與雷達中的移相器有關。圖5顯示的是經過去除差異較大數據后的瞬時頻率圖，最大值為501，最小值為210，平均值為297。FFT算出頻率為366，chirpz變換算出頻率為307。由于并不知道信號本身實時的頻率，故用平均值與計算比較精確的chirpz變換值進行比較，誤差為10Hz，如果換算成24GHz測速速度誤差為0.227km/h。

3 討論

在整個計算當中，只有求反正切需要浮點計算，而反正切可以用I*Q/（I2+0.28125*Q2）近似計算另0.28125*X也可以用X/4+X/32實現，只需將數據兩次右移再相加即可，這樣整個計算過程不會出現浮點運算，可以適用于一般的MCU，降低硬件成本。由于最終計算結果跟原始信號有直接關系，所以在進行電路設計和數字處理過程中，應盡可能的保證信號的真實性，不讓其失真，即使出現失真，在數字處理當中應當識別，并進行相應處理，保證最終頻率的準確性。

4 結論

本文設計一種測量中頻信號頻率的方法，這種方法核心思想是雷達I/Q信號之間的相位差相當于進行了Hilbert變換，從而快速的計算出頻率。仿真和實際數據表明，該方法具有很好的實時性和較高的精度，以及較小的計算量。

參考文獻：

[1] Shunxin Li， Yufan Mo. Design and Simulation on High Speed FFT Processor in Radar Signal Processing[J].Advanced Materials Research，2012，Vol.461：333337.

[2]凌歡.基于DSP的雷達測速監控系統的設計與實現[D].南昌：南昌航空大學，2011.

[3]Sang Jin Park.A Novel Signal Processing Technique for Vehicle Detection Radar [J].IEEE MTTS Digest，2003， IFTU43：607610.

[4]徐飛，王延暴.Chirpz變換在雷達信號處理中的應用[J]. 現代電子技術，2011，34（9）：2829，34.

作者簡介：鐘仁海（1990），男，漢族，湖南邵陽人，碩士，研究方向：智能控制及其應用；劉沖（1966），男，漢族，湖南祁陽人，博士，副教授，研究方向：智能控制與應用、核反應堆測控；鐘催林（1975），男，漢族，湖南衡陽人，博士后，高級工程師，主要從事雷達射頻微波電路開發；陳琳琳（1990），男，漢族，湖南邵陽人，碩士，研究方向：智能控制及其應用。