應(yīng)用于FMCW雷達(dá)系統(tǒng)的頻率源設(shè)計(jì)

趙文峰+肖磊

摘 要：FMCW雷達(dá)系統(tǒng)是一種調(diào)頻連續(xù)波系統(tǒng)，由于FMCW雷達(dá)系統(tǒng)技術(shù)和脈沖雷達(dá)技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中均屬于具有較高精密度的雷達(dá)測距技術(shù)，使用原理是通過高頻的發(fā)射連續(xù)波，頻率發(fā)射的時(shí)間按照三角波規(guī)律進(jìn)行變化。FMCW雷達(dá)系統(tǒng)中發(fā)射的頻率與回波接收的頻率具有相同的變化規(guī)律，但是中間也具有一定時(shí)間差，因而就需要對這些較小的時(shí)間差進(jìn)行計(jì)算，從而計(jì)算出測定的目標(biāo)距離。本篇文章在此基礎(chǔ)上，主要對應(yīng)用于FMCW雷達(dá)系統(tǒng)的頻率源相關(guān)設(shè)計(jì)內(nèi)容進(jìn)行研究與分析。

關(guān)鍵詞：FMCW雷達(dá)系統(tǒng) 回波 頻率源

微波毫米波具有較寬頻帶和較短波長等特點(diǎn)，且在不同的領(lǐng)域中應(yīng)用作用突出，在微波通信、電子對抗以及制導(dǎo)中均有應(yīng)用，由于連續(xù)波的雷達(dá)在頻率調(diào)制的過程中主要需要使用到高頻性質(zhì)的電磁載波，這能夠保證發(fā)射波的波形較為簡單，且測量精度也較高，在對數(shù)字信號進(jìn)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(dá)系統(tǒng)發(fā)射高頻電磁波能夠逐漸取代紅外防撞系統(tǒng)和超聲波系統(tǒng)，使其成為防撞雷達(dá)短距離應(yīng)用的首選技術(shù)[1]。對于FMCW雷達(dá)系統(tǒng)的頻率源設(shè)計(jì)的技術(shù)內(nèi)容以及主要原則要求等需要從實(shí)踐分析的角度進(jìn)行研究與分析。

一、FMCW雷達(dá)系統(tǒng)頻率源設(shè)計(jì)要點(diǎn)分析

FMCW雷達(dá)系統(tǒng)在信號發(fā)射過程中能夠進(jìn)行三種不同方式的調(diào)制，矩形波調(diào)制、三角波調(diào)制和正弦調(diào)制，由于FMCW雷達(dá)系統(tǒng)對于信號的調(diào)制不同，能夠進(jìn)一步豐富雷達(dá)系統(tǒng)應(yīng)用的多樣性，但是由于系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)模型上具有一致性，因而在信號的處理過程中，三者區(qū)別性明顯。FMCW雷達(dá)系統(tǒng)模型中能夠在天線接收中，對發(fā)射信號進(jìn)行處理，在濾波器中對接收信號進(jìn)行處理，然后實(shí)現(xiàn)混合信號的處理，通過發(fā)射天線將接收信號和發(fā)射信號實(shí)施混頻導(dǎo)出后，處理濾波信號，然后通過調(diào)制解調(diào)器進(jìn)行信號調(diào)制，以加窗和補(bǔ)零的形式使頻譜的不連續(xù)性降低，最后執(zhí)行額外的信號后處理[2]。

在FMCW雷達(dá)系統(tǒng)頻率源設(shè)計(jì)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(shí)具有體積小、線性度高和功耗小等優(yōu)勢，在設(shè)計(jì)過程中，方案的重點(diǎn)是對超低相位噪聲進(jìn)行波段混頻處理，這主要是因?yàn)楹蠹壔祛l器的本振信號，能夠同時(shí)作為DDS的參考時(shí)鐘，系統(tǒng)參數(shù)在經(jīng)過精確計(jì)算后，對于系統(tǒng)中的主要器件進(jìn)行合理選擇，設(shè)計(jì)X波段的頻率源。

二、FMCW雷達(dá)系統(tǒng)頻率源主要設(shè)計(jì)方面

（一）仿真設(shè)計(jì)

FMCW雷達(dá)系統(tǒng)頻率源在設(shè)計(jì)過程中，需要設(shè)置仿真基礎(chǔ)，在此過程中，主要是使用三角波調(diào)制為基礎(chǔ)，運(yùn)用FMCW系統(tǒng)和Matlab系統(tǒng)進(jìn)行仿真，分析三角波調(diào)制類似于對鋸齒波調(diào)制的分析，這主要是因?yàn)檎{(diào)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(nèi)的反向信號[3]。設(shè)計(jì)FMCW雷達(dá)系統(tǒng)頻率源時(shí)進(jìn)行信號混頻，在回波信號的頻譜中會(huì)出現(xiàn)高頻信號和低頻信號，對于這些信號內(nèi)容進(jìn)行目標(biāo)求解，包括距離和速度的測量計(jì)算等。設(shè)置FMCW雷達(dá)系統(tǒng)頻率源設(shè)計(jì)的仿真基礎(chǔ)，需要對系統(tǒng)的基礎(chǔ)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，然后對法神信號頻率進(jìn)行處理，在回波信號頻率以及混合信號頻率混頻處理中，調(diào)制解調(diào)器，使信號輸出更加合理。

（二）信號處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)FMCW雷達(dá)系統(tǒng)頻率源，需要在相對理想的狀態(tài)下進(jìn)行信號處理系統(tǒng)的仿真，系統(tǒng)理想狀態(tài)下，將信號當(dāng)作FFT之后產(chǎn)生的高頻率和低頻率兩個(gè)頻率，應(yīng)用這兩個(gè)頻率對多普勒數(shù)據(jù)和信號距離等進(jìn)行測算?；鶐盘栔械膬蓚€(gè)高低頻率在實(shí)際應(yīng)用中是用作FFT的一維傅里葉變換，三角波調(diào)制后的FMCW雷達(dá)系統(tǒng)在雷達(dá)探測中的應(yīng)用，兩個(gè)頻率峰值一般出現(xiàn)在24.51KHZ和64.66KHZ中，對這兩個(gè)頻率進(jìn)行數(shù)據(jù)分析也能夠計(jì)算出速度和距離。由于在FMCW雷達(dá)系統(tǒng)頻率源的信號處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，受到相位誤差和噪聲的影響，因而需要根據(jù)時(shí)域中的混頻信號，加入相位噪聲和白噪聲，進(jìn)一步塑造隨機(jī)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(huì)有明顯的扭曲產(chǎn)生，這對于FMCW雷達(dá)系統(tǒng)頻率源設(shè)計(jì)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(tǒng)調(diào)制分析

FMCW雷達(dá)系統(tǒng)頻率源在設(shè)計(jì)過程中，通過仿真分析能夠?qū)MCW在三角波調(diào)制下的系統(tǒng)性能以及基本的應(yīng)用效用進(jìn)行研究與分析，仿真設(shè)計(jì)中通過Matlab作為FFT獲得信號差頻的頻譜圖像，在連續(xù)性頻譜的分析中，增加補(bǔ)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(dá)系統(tǒng)中實(shí)際信號分辨率不同。在FMCW雷達(dá)系統(tǒng)頻率源設(shè)計(jì)中通過三角波調(diào)制的辦法，能夠?qū)崿F(xiàn)多普勒信息調(diào)制以及距離提取等，從而進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)對較為理想的仿真狀態(tài)下的FMCW雷達(dá)系統(tǒng)頻率源設(shè)計(jì)[5]。需要注意的是，F(xiàn)MCW雷達(dá)系統(tǒng)頻率源設(shè)計(jì)對于系統(tǒng)中輸入的數(shù)據(jù)需要核對準(zhǔn)確，保證速度信號和信號距離恢復(fù)，減小頻率峰值與實(shí)際計(jì)算之間的誤差。

結(jié)語：

雷達(dá)系統(tǒng)的重要組成部分之一是頻率源部分，這主要是因?yàn)轭l率源的性能指標(biāo)對于FMCW雷達(dá)系統(tǒng)的整體性能等具有重要的影響作用，因而要保證FMCW雷達(dá)系統(tǒng)的應(yīng)用效率提高，需要對頻率源進(jìn)行科學(xué)設(shè)計(jì)，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(tǒng)的指標(biāo)影響，頻率合成方面的技術(shù)不斷發(fā)展，逐步實(shí)現(xiàn)了DAFS直接模擬頻率合成到IS間接頻率合成，直到DDS直接數(shù)字頻率合成的轉(zhuǎn)變[6]。傳統(tǒng)的FMCW雷達(dá)系統(tǒng)在信號處理中，大都是通過DAC和DSP等數(shù)字器件產(chǎn)生的線性電壓繼而實(shí)現(xiàn)對VCO的控制，由于這種方式下產(chǎn)生的信號在分辨率和精度等方面各項(xiàng)指標(biāo)均比較低，因而總體的線性度也較差，所以這種設(shè)計(jì)方法需要被摒棄，并在原有的FMCW雷達(dá)系統(tǒng)頻率源設(shè)計(jì)技術(shù)上不斷完善和改進(jìn)。設(shè)計(jì)FMCW雷達(dá)系統(tǒng)頻率源，需要根據(jù)系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用情況，應(yīng)用FMCW雷達(dá)系統(tǒng)模型，調(diào)制三角波進(jìn)行系統(tǒng)仿真，實(shí)現(xiàn)對多普勒信息的調(diào)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(dá)系統(tǒng)頻率源設(shè)計(jì)技術(shù)應(yīng)用不斷走向完善和成熟。

參考文獻(xiàn)：

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[3]鐘鵬，郝國法.MAX11043在FMCW雷達(dá)測距系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].儀表技術(shù)與傳感器，2014，03：68-70+73.

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

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[6]戚昊琛，張鑒，張杰，高偉清.一種用于FMCW雷達(dá)系統(tǒng)的中頻信號濾波器[J].合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2015，38（05）：635-638.

作者簡介：

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