1、 浙江省硕士学位论文论文题目：基于梯形波 FMCW雷达的多目标探测技术的研究授予学位学科专业：电子与通信工程学科专业代码：085208研究方向：微波射频技术省编号：杭州电子科技大学学位论文原创性声明和使用授权说明原创性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品或成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。论文作者签名： 日期： 年 月 日学位论文使用授权说明本人完全了解杭州电子科技大学及中国电
2、子科技集团第五十研究所关于保留和使用学位论文的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属杭州电子科技大学以及中国电子科技集团第五十研究所。本人保证毕业离校后，发表论文或使用论文工作成果时署名单位仍然为杭州电子科技大学及中国电子科技集团第五十研究所。学校及中电五十所有权保留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校及中电五十所可以公布论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。（保密论文在解密后遵守此规定）论文作者签名：指导教师签名：日期：日期：年年月月日日杭州电子科技大学硕士学位论文摘要由于调频连续波（FMCW）雷达具备较强的抗干扰能力，无距离盲区，较高的
3、灵敏度等优势，因此在众多领域有广泛的应用，并且前景良好。本文研究的调频连续波雷达是利用发射信号与回波信号之间的频差确定目标的距离与径向速度，但是一种比较新颖的调频连续波雷达调制方式，即梯形波调制。该调制方式与传统的三角波、锯齿波调制相比较，具有明显的优势，尤其在多目标的情况下对目标进行测距与测速，能更好的抑制假目标的出现、更方便地解决距离 -速度耦合的问题。此外，在信号处理上，相比于传统的调制方式，梯形波调制显得更加简单方便。本文综述了调频连续波雷达的发展现状及其优缺点；介绍了梯形波调频连续波雷达的基本工作原理；分析了较之传统调制方式的特点和优势；推导获得了梯形波调频连续波雷达发射信号、回波信
4、号和差拍信号的解析表达以及单目标和多目标的测距与测速的计算公式；对几种多目标测距与测速方法的研究分析，提出了一种变周期梯形波调频、不同周期目标配对的方法，有效解决了多目标探测中消除假目标的难题。基于以上的研究与分析，结合项目的需求，设计了基于梯形波调频连续波雷达的收发前端模块。主要是由直接数字频率合成器（DDS）产生一个频率较低的梯形波调制的调频连续波，与锁相环（PLL）产生的 单频点经过两次混频，上变频达到所需要的频段，其中通过滤波和放大，最终得到所需要的调制波形。在此过程中通过对器材的选型、比较、研究，讨论了整个系统的设计。然后主要对DDS、PLL等频率源电路进行设计，编程以及调试，最终研
5、制出雷达收发机的部分实物以供后续研究。关键词：调频连续波雷达，梯形波调制，多目标检测，频率源I杭州电子科技大学硕士学位论文abstract Since FMCW radar has strong anti-interference ability, non-distance blind areaand high sensitivity, so it is widely applied in various areas and has great prospect.FMCW makes the use of the frequency difference between the transmi
6、tted signaland the echo signal to determine distance and speed. This research is about arelatively new FMCW modulation method, namely trapezoidal wave modulation.The modulation has obvious advantages comparing with traditional triangle wavemodulation and sawtooth wave modulation, especially in the m
7、ulti-target distanceand speed test, it can better inhibit the emergence of false targets and solvedistance-velocity coupling more easily. Besides, it also operates more simply in thesignal processing than the traditional modulation. This paper firstly states theresearch status of FMCW radar and anal
8、yzes its advantages and disadvantages. Thenit introduces the basic working principles of trapezoidal wave FMCW radar andmakes a comparison with traditional modulation. After that, there is a derivation ofthe radar transmit signal, the echo signal and the beat signal, and then a research oftheir time
9、-domain and frequency domain to get a calculation of individual targetdistance and speed. At last, in the case of multi-target, this paper studies the beatsignal and proposes several multi-target distance and velocity approaches,concluding that trapezoidal modulation has advantages in the multi-targ
10、et detection.Based on the above research and analysis, in order to meet the projects request,this paper develops a transceiver front-end module of trapezoidal wave FMCW radar.The following is its operation principle: DDS generates a trapezoidal modulatedcontinuous wave, and then the wave mixes twice
11、 with a single-frequency point ofPLL to achieve the required up-conversion frequency band, after filtering andamplification, ultimately get the desired modulation waveform. In this research, Imakes a comparison of equipment and designs the whole system. Furthermore, theauthor continuously designs, p
12、rograms and debugs the DDs, PLL frequency sourcecircuit, finally develops radar transceiver for future research.Key words: FMCW radar, trapezoidal wave modulation, multi-target detection,frequency sourceII杭州电子科技大学硕士学位论文目录1 绪论.11.1调频连续波雷达概述及研究的意义 .11.2调频连续波雷达的主要特点 .11.3调频连续波雷达的几种调制方式 .31.4国内外发展动态 .41
13、.5本文的主要工作 .5梯形波调频连续波雷达信号分析.62.1梯形波调频连续波雷达基本工作原理 .62.2梯形波调频连续波雷达的信号分析 .72.3基于差拍信号的目标距离与速度的分析 .112.4雷达最大探测距离 .12多目标情况下目标速度与距离的测量.143.1假目标的形成 .143.2典型梯形波波配对法 .153.3变周期配对法 .17调频连续波雷达系统设计.204.1调频连续波雷达系统主要参数的选择 .204.1.1发射频率的选取 .204.1.2调频带宽的选取 .204.1.3扫频段有效时宽的选取 .204.2调频连续波雷达系统框图 .214.2.1发射机原理框图 .214.2.2接收
14、机原理框图 .224.3调频连续波雷达系统电路主要参数指标 .234.3.1发射机性能指标 .234.3.2接收机性能指标 .24调频连续波雷达核心电路的设计.265.1直接数字频率合成器电路设计 .265.1.1 DDS的基本原理 .265.1.2 DDS的特点 .282345III杭州电子科技大学硕士学位论文5.1.3 DDS具体功能介绍 .295.1.4采用 AD9910的梯形波调频连续波信号设计305.1.5基于 AD9910的软件配置315.1.6基于 AD9910的电路版图设计325.1.7 PCB版图设计355.1.8梯形波调频连续波低频段调试结果分析 .365.2锁相环电路设计
15、 .375.2.1锁相环的基本原理 .375.2.2电荷泵锁相环介绍 .385.2.3 PLL芯片选型及介绍 405.2.4 1GHz与 4.5GHz点频 源设计 .435.2.5锁相环电路的软件配置 .445.2.6基于 HMC833的锁相环电路设计 465.2.7 PLL电路调试结果分析 485.3雷达系统其他主要电路设计 .505.3.1滤波器的原理及选型 .505.3.2混频器的原理及选型 .525.3.3放大器的原理及选型 .55结束语.586致谢59参考文献60附录63IV杭州电子科技大学硕士学位论文1绪论1.1调频连续波雷达概述及研究的意义FWCM雷达具有悠久的 历 史，这类雷达
16、以经过调制的连续波作为发射信号，通过对回波信号的处理，得到目标的速度与距离的信息。但是 FWCM雷达的理论及技术发展水平在过去不能像脉冲雷达那样得到广泛的重视和研究，究其原因，主要是连续波雷达是需要连续地发射信号，因此在信号接收过程中不可能关闭发射机，要做到收发的隔离只能依靠其他技术，但当时技术并不完善，缺陷很多，为了保证接收到的回波信号的准确，人们不得不对发射信号的功率进行限制，所以雷达的作用距离也受到了限制，不能像脉冲雷达那样广泛地应用在军事领域。如今，随着微波、集成电路、计算机等技术的迅速发展，信号隔离、信号处理等难点一一解决，FWCM 雷达又重新 焕发出了生机，得到了快速发展。具体来说
17、，如今 FWCM雷达受人关注的原因主要有四：首先，信号处理技术的快速发展，使得人们对 FWCM的信号分析变得容易，以数字形式的快速傅里叶变换（ FFT）技术的出现，使得获得差拍信号（由发射信号与回波信号混频得到）的频谱变得容易，在对信号的处理上会变得快捷，精确。其次，FWCM雷达使用信号被截获的概率低，一般的截获接收机检测起来比较困难，这在讲究隐蔽性的现代战争中是非常有优势的，能大大提高作战效率。第三，FWCM雷达的调制信号易于和各类固态发射机相兼容，可以大大提高器件利用率。最后，FWCM雷达精度高，成本低，在民用技术中得到了广泛地应用与发展。常见的 FWCM 雷达的调制方式一般可以分 为四种
18、：锯齿波、三角波、正弦波以及本文所介绍的梯形波。采用锯齿波的调制方式会产生距离速度耦合现象，并且不能被消除，所以测出目标的距离有误差。三角波调制则可以利用差拍傅里叶方式在一个周期内得到目标准确的径向距离与径向速度，但是信号处理过程比较复杂。对于正弦波而言其信号处理过程更为复杂。梯形波调制也能像三角波调制一样得到目标的径向速度与径向距离，但是其信号处理过程简单，并且在测量多目标的时候，其优势更加明显。1.2调频连续波雷达的主要特点根据 FWCM雷达的工作原理，我们可以得到以下几个方面的优势：(1)容易达到非常高的距离分辨率雷达距离分辨率理论中介绍，雷达系统的距离分辨率由雷达信号的带宽决定，即距离
19、分辨率为 c/2B，其中 c 为光速 1。我们利用 YIG调谐振荡器、变容管压控振荡器或振荡管以及本文中所介绍的直接数字式频率合成器（DDS），都能比 较容易地产生大带宽信号，但是由于应用的是差拍结构的接收机，其信号带宽远大于视频带宽。此外，在现实应用中，为了提升雷达探测目标的能力和实现直观的显示终端输出，我们一般要对雷达的差拍信号进行数字化1杭州电子科技大学硕士学位论文处理。为此，我们要把雷达视频信号转变为数字信号，然后交给数字信号处理器（例如 DSP，ARM等）进行处理。为了追求高的系统距离分辨率，时域采样频率就要提高。在脉冲雷达中，如果分辨率要达到 15厘米，就要求数据采集具备 2GHz
20、以上的采样频率，这样并不容易实现，需要付出的代价非常高。所以从数字处理的角度来讲，脉冲雷达在工程应用中难以实现极高的距离分辨率。而 FWCM则不同，为了达到 15厘米的距离分辨率，其时域采样频率仅需数十 MHz 。实际上，FWCM雷达对距离维上的采样是在差拍信号的频域内进行的，信号的有效时宽决定频域的采样率，并且其采样率与理论分辨率总是对应的。所以，在 FWCM雷达中，对有效时宽内的差拍信号进行采样的采样率需要满足乃奎斯特采样定理，采样后经过快速傅里叶变换之后，便可获得极高的距离分辨率。因为 FWCM雷达的这个特点，它非常适合用于对距离分辨率有极高要求的场合。(2)发射功率低，抗截 获能力强由
21、雷达统计检测理论可知，在噪声功率一定的情况下，决定雷达检测能力的是信号的能量 2。FWCM雷达采用的是非常大的时宽带宽积，远大于具有同等信号电平和信号带宽的脉冲信号能量。对比与脉冲雷达，FWCM雷达不需要非常大的峰值功率，所以也就不需要非常高的工作电压，这大大节省了成本。此外，FWCM 雷达的占空比 为 1，脉冲雷达需要数千瓦的峰值功率才能达到的检测能力，它只需数瓦即可达到，并且雷达处于相对稳定的工作状态。正因为如此，雷达难以被对方的侦查设备截获，是雷达具有了低截获概率性能（LPI）。(3)灵敏度较高，抗干 扰性较强由于 FWCM雷达一般都具有很大的时宽带宽积，灵敏度又与噪声带宽呈线性关系，所
22、以FWCM雷达接收机在 杂波背景下 拥有较高的灵敏度。FWCM雷达接收机的 带宽 比脉冲雷达的来的窄，这样更能抗杂波的干扰，在电磁干扰复杂的情况下有更好的抗干扰能力。在测速时，这个优点会体现得非常明显。FWCM雷达相比于其他雷达具有优势，但是局限性也随之存在。主要体现为：(1)探测距离有限FWCM雷达是属于 连续波体制，接收机和 发射机需要同时工作。当中频带宽一定时，需要增加雷达的探测距离时，就需要增加发射机的发射功率3,4 ，由于收发机不能做到完全隔离，发射机泄露到接收机上的发射功率必然也会增加，这样会严重影响接收机的正常工作，导致探测失准，严重的还会损坏接收机。还有一个重要的原因是信号的处
23、理速度取决于接收机的信号处理器的优劣。我们知道，雷达作用距离和距离分辨率之比相当于差拍信号的采样点数量的一半，当距离分辨率确定时，为了增加作用距离，信号处理器的采样点数必需要随之呈线性增加。在数字结构中，数字傅里叶变换处理的运算量的增长必然比线性的规律增长快，处理数据所需的存储空间就会显得不足。同时，调频测距所得的距离值是离散的，这种测距离散性会导致与距离无关的固定误2杭州电子科技大学硕士学位论文差，对于 FWCM 雷达而言，其作用距离小，相 对值就比较大。当该离散性与作用距离可比拟时，就会造成系统工作的“盲区” ，即存在最小探测 距离。(2)距离速度耦合的 问题根据雷达信号模糊函数理论可知，
24、使用大时宽带宽积调频信号的 FWCM雷达必然存在距离速度耦合的现象。这会导致对运动目标实际测距的误差加大，系统的距离分辨率下降，而脉冲雷达的时宽非常小，影响不是很大。同时，我们采用 FWCM雷达一般都是由于其分辨率以及测距精度高，这样一来，速度距离耦合的问题就更加不容忽视。幸运的是，这个问题可以通过信号处理来消除影响，具体方法在第二章中有介绍。1.3调频连续波雷达的几种调制方式常用的 FWCM 的调制方式主要有四种，分 别是锯齿波调制、三角波调制、正弦波调制5-7和梯形波调制。这四种调制方式所产生的连续波信号在时频坐标轴上如图 1.1图 1.4所示。设它们的调制周期都是 T，最低频率都为 f0
25、，调频带宽均为 B。fff0+Bf0+Bf0 f0t tT 2T 3T T 2T图 1.1锯齿波调频连续波时频变化曲线 图 1.2三角波调频连续波时频变化曲线f ff0+Bf0+B.f0f0T 2T tT 2T 3T t图 1.3正弦波调频连续波时频变化曲线 图 1.4梯形波调频连续波时频变化曲线锯齿波调频是最原始的一种调频方式，其主要优点是容易理解，信号处理比较方便，但是缺点很明显，它会产生距离速度耦合现象，难以测量出速度，测量出的距离也会因为多普勒频移而产生误差。三角波调频是现在研究比较多，应用得也比较多的一种调制方式，其优点是通过两个扫频段，它可以消除距离速度耦合的现象，但是缺点是距离速
26、度耦合现象的消除使得信号处理量大大增加，并且对于多目标探测的情况也是无能为力。正弦波调制这种方式产生比较困难，而且信号处理起来更复杂，多目标下也难以分辨真假目标。梯形波调制是本文重点研究的一种调制方式，就目前而言属于比较新颖的调制方式，其优势3杭州电子科技大学硕士学位论文在于可以消除距离速度耦合现象，并且信号的处理量要小于三角波调制，在多目标探测方面，由于其加入了独特的恒定频率段，使得它可以比较精确地分辨出多个目标，不足之处就是其调制方式比三角波调制略为复杂。1.4国内外发展动态连续波雷达的历史久远，早在二战时期就曾出现在战场上，对空中目标进行监测。但是由于前面提及的很难对收发系统进行隔离，信
27、号处理繁杂等原因，在很长一段时间内，连续波雷达仅仅被用于雷达高度表上，而在别的应用领域则是停滞不前。随着科学技术的发展，特别是超大规模集成电路、计算机、微波技术的发展，为 FWCM雷达的发展提供了必要条件。如今，FWCM 雷达被广泛 应用于测距、测速、多普勒雷达导航、导弹制导、目标搜寻与跟踪、目标监视、近炸引信等军事领域。在民用领域中，它在道路交通安全，停车场防撞等方面也发挥了很大的作用。早在上世纪六十年代，就有国家装备了连续波雷达，当然功能都是比较单一的。七十年代开始，国内外的专家才开始对 FWCM雷达做了一些研究，其中，Barric将动目标显示技术（MTI ）应用于 FWCM雷达，Full
28、er在防撞雷达中使用了 FWCM雷达的原理。到了八十年代中期，荷兰 techTechnishe Hogeschool Delft的 L.P.Lighthart等人在进行气象观测的研究中应用了 FWCM雷达 8，他们开始对 FWCM雷达的理论进行了深入严谨的分析，其中主要分析了FWCM信号的分辨率、接收机灵敏度、模糊函数和 FWCM 雷达的特点。同时期，美国的学者 R.B.Chadwick等人在 U.S.Air Force的资助下，对 FWCM雷达中由旁瓣和距离速度耦合所引起的距离串扰等问题进行了研究9；德国 Universitistat der Bundeswehr的 W. Knapp、荷兰的
29、 L.P.Lighthart等人则 深入研究了雷达近区杂 波抑制的问题 10,11；德国 Univ. Erlagen的S. Osterrieder、美国 Boeing Aerosp. Corp的 P. Jones等人对 FWCM 雷达的动目标显示技术做了进一步的探索与研究12,13。到了八十年代末，国外的学者们对 FWCM雷达与脉冲体制和有关技术（例如极化，逆合成孔径、自适应波束形成等）相结合进行了尝试 14,15 。这些尝试都使 FWCM雷达在 应用中有了 较大的进展。1984年，美国的 AN/APN-231型连续波多普勒导航雷达研制完成并交付军方使用，配备在 EA-6A电 子战飞机上，与大
30、气数据计算机、飞行姿态控制系统、电子战系统、搜索雷达以及其他仪器相结合，构成了一个完整的综合航空电子系统。同年，英国也成功研制了连续波多普勒导航雷达，同时它把微处理器技术融入其中，大大提高了系统功能，同时也提高了抗干扰能力和抗侦查能力。美国对连续波雷达技术的研究远远领先于其他国家，八十年代最先进的雷达：386型地面监视雷达、隐身飞机形体研究的 HIREE雷达、 RTVS炮兵跟踪雷达等都是美国研制出来的。九十年代以后，随着固态微波器件和数字信号处理技术的发展，FWCM雷达的成本和体积大大下降、可靠性大幅上升。比较典型的是丹麦 eibel公司所生产的 Weibel测速雷达，该雷达主要应用的新型技术
31、就是全固态发射机、平面微带天线阵，低噪声零中频接收机，终端采用的是基于快速傅里叶变换的频域测速体制16。如今，FWCM雷达工程实现变得简单，并且设备简单，体积小重量轻成本低。4杭州电子科技大学硕士学位论文另外，由于导弹精密制导的需求，需要精度和分辨率都非常高的小型雷达，使得 FWCM雷达有了无可代替的地位。在民用领域也需要 FWCM雷达作为经济便捷的探地雷达，同时，交通管制17、机场跑道异物检测等领域也都需要 FWCM雷达。所以直至今日，它都受到了很大的重视和发展。在我国，我们对 FWCM 雷达技 术的研究起步比较晚，七十年代才针对 FWCM 雷达关键技术做了研究，主要涉及连续波信号源的产生与
32、测量，收发间隔，雷达回波信号的数字处理及动目标检测（MTD）、动目标显示（MTI）技术等方面。到了九十年代以后，各高等院校实验室、专业研究所先后对 FWCM雷达进行了实际应用领域的研究，主要研究方向是利用FWCM雷达测 距和测速的原理以及在各种 领域内的应用前景。至于梯形波 FWCM 雷达， 这种调制方式比较新颖，但是近年来国内外都对它进行了研究18,19。例如 Advanced Industrial Science & Technology的两位韩国学者 Eugin Hyun和 Jong-HunLee于 2009年在 IEEE上发表A Meothod for Multi-target Ran
33、ge and Velocity Detection inAutomotive FMCW Radar，主要阐述了梯形波 FWCM雷达在多目标探测时与典型的三角波FWCM探测相比的 优势。 College of Marine Northwestern Polytechnical University的 ChangshengYang等四位中国学者 2011年也在 IEEE上发表Beat-frequency matching for multi-target basedon improved trapezoid wave with FMCW Radar主要提出了两种差拍信号配对的方法。1.5本文的主要
34、工作在充分理解原有的 FWCM雷达技术的前提下，本文主要进行一下几点工作：(1)分析梯形波 FMCW雷达的基本原理。在给定发 射信号后，得到回波信号，利用发射信号与回波信号推导出两者的差拍信号，从差拍信号中提取目标的距离与速度信息。对于目标的距离、速度分辨率和雷达的探测距离做讨论。(2)在多目标探 测的情况下假目标的产生做分析。为了消除假目标的干扰，提出了两种消除假目标的差拍信号配对方法，一种测量简便一种测量精确，两种方法互补，体现出梯形波 FWCM 在多目标 探测时的优势。(3)进行梯形波 FWCM雷达的系统设计，制定系统 的几个重要参数如调频带宽、发射频率、扫频时宽等。设计发射机与接收机原
35、理框图。(4)对 FWCM雷达系统中的核心电路进行研制工作，主要是由 DDS构成的扫频源与由PLL构成的点频源的设计。其中，需要对器件进行 选型，对 PCB 版图进行设计，还需要进行程序的编写与调试工作。其他电路模块或器件由于在实验室已经有成品或者在市面上已经能买到成熟的产品，故对这些模块或器件做原理性描述。5杭州电子科技大学硕士学位论文2梯形波调频连续波雷达信号分析如今，FWCM 雷达在越来越多的 场合得到了应用，发挥了越来越大的功效。但是，FWCM雷达也由于其自身缺陷在某些方面受到了限制，最重要的一点就是在单一的调频斜率中，不可避免地会有距离-速度耦合的影响，这种影响很难消除，而且会大大干
36、扰目标的真实信息。本文采用的梯形波 FWCM可以很好地实现距离-速度的解耦合，会大大增加 测得目标的准确度。本章对梯形波 FWCM雷达的工作原理进行了具体的分析，并对目标的速度与距离的计算做出了解释。2.1梯形波调频连续波雷达基本工作原理梯形波 FWCM 雷达的原理框 图如图 2.1所示。雷达由一个发射机与一个接收机组成，发射机发射已经经过调制的梯形波 FMCW信号，经过目标反射后由接收机接收到信号，经过信号处理，即可求出目标距雷达的距离与目标相对于雷达的速度。发射前端DDS低通滤波器 混频器一本振放大器 带通滤波器 混频器 功放 带通混频器二本振定向耦合器信号处理定向耦合器低噪放A/D低通滤
37、波器 混频器 放大器 带通滤波器 混频器 带通滤波器接收前端图 2.1梯形波调频连续波雷达收发机原理框图梯形波 FWCM 雷达发射信号与回波信号如 图 2.2所示，实线表示发射信号，虚线表示回波信号。每个周期由上扫频段，下扫频段和恒定频率段组成。各段的时宽远远大于目标距离所产生的回波延迟。我们通过耦合器把一部分发射信号馈入混频器与回波信号进行混频，就产生图 2.2中所示的差拍信号。在时间-频率坐标轴上，发射信号与回拨信号有相同的斜率，只是在时间上有(t) 2(Rvt) /c的延迟 ，其中 c为光速，v为动目标相对雷达的速度，R为目标与雷达的距离。恒定频率段上的发射信号与回拨信号的频率差就是动目
38、标加在回波信号上面的多普勒频移 fd 2v / （为发射信号的波 长）20。假设雷达的 发射与接收系统在同一地点，而且探测目标为静目标，则可以得出目标与雷达的距离为 R c / 2 21。但是对于动目标而言，由图 2.2可以直观地知道，上扫频信号的差拍信号与下扫频信号的差拍信号不同，这是由于影响动目标回波信号的因素不仅包括目标与雷达的距离，而且还包括目标的多普勒频移。正是因为这6杭州电子科技大学硕士学位论文个原因，才会出现速度-距离耦合现象。梯形波 FWCM雷达能很好的解决这一现象，实现目标的精确测算，具体方法在下一节中介绍。f发射信号接收信号f2f0.f1Ts 2Ts 3Ts 4Ts 5Ts
39、 t一个周期调制体制ffb,downf b,up fb,c f b,up fb,c .Ts 2Ts 3Ts 4Ts 5Ts t一个周期差拍信号图 2.2发射信号、回波信号以及差拍信号2.2梯形波调频连续波雷达的信号分析由上节可知，梯形波 FWCM信号主要分析的是差拍信号，在差拍信号中，包含了目标的距离和速度等信息。在接下来的分析中，我们主要是对上、下扫频段和恒定频率段的差拍信号进行定量分析。在上扫频周期内，即T 0,Ts内，上扫频信号可以表示为：St,up(t) Acos2( f1t 1 t) (2.1）22其中，A为发射信号的振幅，f1为 t=0的时候的发射信号的频率，即发射信号的初始频率。
40、代表发射信号的随机初相， 为调频斜率，其计算公式为 B /Ts，B为发射信号的有效带宽即 f2 f1，T s为发射信号上扫频段的有效时宽。在上扫频段， 1；时宽带宽积 D=BTs。在通常情况下，要获得高的距离分辨率，线性调频信号时宽带宽积 D1。信号波形的仿真图如图 2.3所示35 。7杭州电子科技大学硕士学位论文图 2.3上扫频信号仿真图发射机发射上扫频信号后，信号紧接着目标反射，在接收机上可以得到回波信号，回波延迟为 (t)，故在有效区间T 0,Ts内，可表示为 ：Sr,up(t) KAcos2 f1(t (t) 1 (t (t ) (2.2)22在上式中，K表示与目标反射强度和传播衰减有
41、关的系数， 是目标反射所引起的附加相移， (t) 2(Rvt) /c，其中 R 为目标与雷达的距离，v是目标相对于雷达的径向速度（我们假设正方向为远离雷达的方向），c为光速。将上扫频段的发射信号与回波信号进行混频，我们就可以得到一个上扫频段的差拍信号：Sb,up(t) 12 KAcos2 1 (t) (t)t f1 (t)(2.3)2 22将 (t) 2(Rvt) /c代入上式：Sb,up(t) 12 KAcos22 R2 v 2Rvt 2 R vt t 2 f1 R vtt2 2c22c c 12 KA v v 2cos22( 2 )t (2R 2 f1v 4Rv)t (2 f1R 2R2
42、)2 2c c c c c2 c c2由于光速c 3108m/ s，相 对于 v和 R 而言很大，所以可以忽略c2项，得到：Sb,up(t) 12 KAcos22v t (2R 2 f1v)t 2 f1R (2.4)2 2c c c c由上式可得，在上扫频段，运动目标的差拍信号依旧为线性 FM信号，其中： 2R 2 f1v初始频率： fb,up c 4vcc调频斜率： b,up调频带宽： Bb,up b,upTs 4vTs 4cv Bc8杭州电子科技大学硕士学位论文 2 2 f1R 初始相位： b,upc由于一般情况下 v1，只有当接收机没有噪声产生时，F=1。一般的接收机内部由放大器，混频器
43、，滤波器等器件构成，级联电路的噪声系数可用以下公式来表示：Fcas F1 F2 1 F3 1 Fn 1G1G2 Gn(4.2)G1 G G21G表示放大模块的增益或者其他各类模块的损耗的倒数。式 (4.2)表明，级联系统的噪声特性以第一级特性为主，后面几级的影响相对较小。因此，我们应该努力提高第一级低噪放的噪声系数。(2)灵敏度接收机接收到微弱信号的能力用灵敏度表示，在不同位置发射同样强度的信号，灵敏度越高的接收机能接收到越远的信号。上文提到，影响接收机灵敏度最重要的因素就是噪声，所以只有尽可能减小噪声，并且接收机有足够高的增益和信噪比才能有效增加灵敏度。(3)动态范围动态范围表示能让接收机正常工作的最大输入信号功率和最小输入信号功率之间的范围。所允许的最小信号功率一般是最小可检测信号，所允许的最大输入信号功率一般是取使接收机不发生饱和或过载的最大功率。表示动态范围的方式很多，经常使用的有 1dB压缩点和无失真信号动态范围。1dB增益 压缩点动态范围定义为：当接收机的输出功率大到产生 1dB增益压缩时，输入信号的功率和可检测的最小信号或等效噪声功率之比，即：24
