77GHz线性调频连续波雷达

文章目录

前言

一、背景

二、优缺点

三、工作原理

四、电路模块设计

4.1.LFMCW信号源

4.2.发射电路

4.3.接收电路

4.4.信号处理器

五、应用

         5.1.汽车测距

5.2.军事方面

5.3.气象方面

总结

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前言

        这篇文章是博主本科期间整理的关于77GHz线性调频连续波雷达的相关资料，希望对想了解这块的同行有所帮助。

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一、背景

       雷达，是英文Radar的音译，源于radio detection and ranging的缩写，意思为"无线电探测和测距"，即用无线电的方法发现目标并测定它们的空间位置。

        随着相关技术的发展，雷达的种类也日益增加。按照雷达的用途分类，如预警雷达、搜索警戒雷达、引导指挥雷达、炮瞄雷达、测高雷达、战场监视雷达、机载雷达、无线电测高雷达、雷达引信、气象雷达、航行管制雷达、导航雷达以及防撞和敌我识别雷达等。按照雷达信号形式分类，有脉冲雷达、连续波雷达、脉部压缩雷达和频率捷变雷达等。按照角跟踪方式分类，有单脉冲雷达、圆锥扫描雷达和隐蔽圆锥扫描雷达等。按照目标测量的参数分类，有测高雷达、二坐标雷达、三坐标雷达和敌我识对雷达、多站雷达等。按照雷达采用的技术和信号处理的方式有相参积累和非相参积累、动目标显示、动目标检测、脉冲多普勒雷达、合成孔径雷达、边扫描边跟踪雷达。按照天线扫描方式分类，分为机械扫描雷达、相控阵雷达等。按雷达频段分，可分为超视距雷达、微波雷达、毫米波雷达以及激光雷达等。

       本文将着重介绍雷达界中不可或缺的成员之一：线性调频连续波雷达。并且以77GHz为例，介绍其优缺点，工作原理，基本模块组成以及相关应用。

二、优缺点

        77GHz线性调频连续波雷达结合了毫米波雷达和线性调频连续波雷达的特点。因此，它有以下优缺点：

优点1：无距离盲区

        因为调频连续波(FMCW)雷达发射机和接收机同步工作，发射机工作时不用关闭接收机，故FMCW雷达没有距离上的盲区。

优点2：距离分辨力高

        毫米波雷达的信号带宽B大，由雷达距离分辨力公式 ，77GHz的雷达距离分辨力高。本设计的雷达带宽假定为15GHz，相应的雷达分辨率为10mm。

优点3：灵敏度高

        LFMCW雷达信号的时带积较大，一般不需要很高的峰值功率。

优点4：结构简单

         LFMCW雷达工作电压较低，不使用高功率和高电压器件，从而使LFMCW雷达系统容易实现固态化，体积小，重量轻，成本低，工程实现难度低。

优点5：低仰角探测性能好

       在微波系统中，当雷达探测仰角低于一个波束以下的目标时，天线的方向性对反射波失去抑制作用，产生严重的多径效应（电磁波经不同路径传播后，各分量场到达接收端时间不同，按各自相位相互叠加而造成干扰，使得原来的信号失真，或者产生错误），引起测角和测速的误差。目前，实现低仰角跟踪的简便、有效方法是通过减窄波束宽度来减少对地面投射的电磁能量。所以窄波束天线可以减小多径干扰和地物杂波干扰

优点6：信号能量大，时带积大

       根据雷达统计检测理论，噪声功率一定的情况下，雷达的检测能力由信号能量决定。雷达信号是大时带积信号，每个扫频持续时间在毫秒数量级，调频带宽在也可以做得很宽，以便实现较高的距离分辨率。因此，雷达具有远大于同等信号电平和信号带宽的脉冲信号能量。

优点7：全天候工作

       红外、激光等探测系统，在云雾、战场烟尘及人工施放烟雾的环境下，很难较好地工作。由于77GHz电磁波的波长相对于烟雾颗粒的的大小是远大于的，其绕射能力较强，云雾对其阻碍作用较小，所以雷达系统在这些恶劣的环境下也能较好地工作，因而雷达系统具有全天候工作能力。

优点8：信号能量大，工作电压较低

       由雷达的相关理论可知，在噪声一定的情况下，雷达的检测能力由雷达信号的能量所决定。而线性调频连续波雷达采用的是超大时带宽积信号，它远远大于同等信号电平的其他脉冲信号的能量。

缺点1：作用距离短

       由于连续波雷达收发信号同时进行，而连续波雷达的收发隔离仍是个难题，这限制了发射功率，以至于只适合与近距离应用。除此之外，数据存储设备和数字信号处理技术的发展状况也影响了LFMCW雷达的作用距离。因为随着检测距离的增大，差拍信号的频率增加，需要更多的采样点，也就需要更大的存储设备和更高速率的数字信号处理器件。

缺点2：距离-速度耦合问题。

       线性调频连续波雷达采用大时带积调频信号，根据雷达信号模糊函数理论，它必然存在距离与速度耦合的问题，这不仅导致系统的实际分辨力下降，而且引起运动目标测距误差。线性调频连续波雷达在近距离应用中通常都要求它具有较高的分辨率和测距精度，所以距离-速度耦合是一个严重的问题。

缺点3：发射信号泄漏

       在连续波雷达中发射和接收是同时进行的，而且需要在发射功率为几瓦的情况下检测功率在1e-6w数量级甚至更低的有用目标回波信号。这将导致两个严重的问题：

 （1）发射信号的噪声将会淹没有用信号；

 （2）泄漏到接收机中的信号将会降低接收机的灵敏度。

       解决缺点1、3的关键是提高收发隔离度。而目前，FMCW 雷达信号泄漏的解决办法可以采取以下三种措施：

1.不断提高收发天线间的隔离度，减小空间耦合，并进一步减小微波器件的泄漏。

2.在射频、中频频率采用各种对消技术。

3. 选择合适的发射信号调制方式和相应的信号处理方式。

         具体说来，有以下几种：

（1）环形器（使电磁波单向环形传输的器件）作为隔离元件（对于单天线雷达系统）。受环形器隔离度的限制(一般在 25—30d B)，收发机的隔离度很有限，远不能满足要求。

（2）双天线空间隔离技术。通过增加收发天线之间的距离、在两天线之间加吸波材料、在两天线连接的公共金属壁上周期性开槽破坏电流分布来降低传导耦合等其他手段可以明显增加收发机之间的隔离度。这种双天线 FMCW 雷达一般可以至少获得 60d B 的隔离度。据报道，荷兰设计的一款双天线 FMCW 雷达的收发机隔离度可以达到 110d B。双天线空间隔离技术的缺点是增大了整个雷达的体积和重量，对于体积和重量要求较高的场合这种方法不适合，而且不符合电子设备低功耗、小型化的发展趋势。另外，如果发射信号功率增大时隔离度也会降低。

（3）射频对消技术。这种方法是将发射信号耦合出一部分经过调幅调相后，产生一个对消信号，如果对消信号和泄漏信号这两个信号幅度相等相位相差180°，泄漏信号将会被对消掉。本文设计的对消电路是基于单天线 FMCW 雷达使用环形器和射频对消技术方案。

（4） 中频对消技术。

（5） 选择正弦调频，伪码调相连续波体制能有效抑制近区域目标旁瓣对远区目标检测的影响。

（6） FMCW 雷达前端系统集成技术，这种系统采用两个介质集成波导 SIW（Substrate Integrated Waveguide）槽线阵列天线来提高空间隔离度。

（7） 周期方波断续法。这种方法选择合适的发射信号形式和相应的信号处理，用周期方波断续法替代正弦调频法。这种方法与脉冲雷达的工作方式类似，即收发不同时，但在信号处理上不同于脉冲雷达。

       此外还有其他一些提高收发隔离度的方法，例如收发极化隔离技术、收发频率隔离技术、中频滤波等。

三、工作原理

         LFMCW雷达的基本系统框图如图：

        发射机产生连续高频等幅波,其频率在时间上按三角形规律变化,目标回波和发射机直接藕合过来的信号加到接收机混频器内。在无线电波传播到目标并返回天线的这段时间内,发射机频率较之回波频率已有了变化,因此在混频器输出端便出现了差频电压。由于差频电压的频率与目标的距离有确定的比例关系,因此后期的信号处理主要针对差频电压的频率进行处理。

        LFMCW雷达通过将回波信号与本振信号混频后得到差拍信号,对差拍信号经过放大滤波后经刀变换,对所得到的数字信号作进行频谱分析,不同的回波延时对应不同的差拍频率,并且二者成线性关系,在差拍频率恒定的有效时段内进行采样,通过运算便可以得到相应的信号的功率谱,通过计算功率谱所在位置便可以测得目标距雷达的距离。

       此外，描述LFMCW雷达性能的三个重要参数：

距离分辨力

        雷达在距离上区分邻近目标的能力，通常以最小可分辨的距离间隔来度量。雷达距离分辨力约为c/(2B)。c为光速；B为雷达信号带宽。雷达脉冲宽度若为1微秒,在无脉内调制时信号带宽为1兆赫,则距离分辨力约150米；有100兆赫的脉内调频时，信号带宽相应增大为100兆赫，则距离分辨力约为1.5米。

角度分辨力

       雷达在角度上区分邻近目标的能力，通常以最小可分辨的角度来度量。雷达的角度分辨力取决于雷达的工作波长λ和天线口径尺寸L，约为λ/(2L)。例如，一部工作在5厘米波长、天线口径为1.5米的雷达，其角度分辨力约为1°。对于口径相位呈线性分布的天线（通常如此），雷达的角度分辨力取决于天线的波束宽度。普通雷达的角度分辨力为度的量级，毫米波雷达或激光雷达可达到毫弧度量级或更高。

速度分辨力

        雷达在径向速度上区分目标的能力。雷达的速度分辨力取决于雷达工作波长λ 和相干信号处理器的积累时间T，约为λ/(2T)。例如, 一部工作在5厘米波长的雷达，相干积累时间为 250毫秒，则速度分辨力约为0.1米/秒。

四、电路模块设计

       本设计的77GHz线性调频连续波雷达系统的模块主要包括：LFMCW信号源、发射电路、接收电路以及信号处理器。

4.1.LFMCW信号源

       LFMCW信号产生有两种基本方法，即模拟法与数字法。

       模拟法是传统的方式，可分为有源和无源两种方法：有源法采用线性锯齿形电压控制压控振荡器（VCO）产生线性调频信号；无源法则要构建一个与所要求相频特性一致的线性群时延全通（或带通）网络，该网络与脉冲压缩网络的相频特性正好相反。无论是采用有源还是无源模拟法产生LFMCW信号都面临着诸如系统体积庞大，灵活性差，调试与维修困难，产生复杂信号困难等问题。

        数字法是新发展的方式，分为波形存储直读法和直接数字合成频率（DDS）法。波形存储直读法是指通过对存储的波形进行数模变换直接生成模拟信号的方法；直接数字频率合成法，是指通过相位累加、幅度查表以及数模变换来生成模拟信号的方法。波形存储直读法是一种经典的基带信号数字产生方法，具有原理简单、成本低等特点，并可采用微机程控方式，因而可以充分利用软件的支持方便的实现对信号参数的控制及对波形数据的随意修改，但其结构相对复杂；直接数字频率合成法则是一种较新颖的数字产生方法，具有集成度高、灵活性好、电路简单等优点。

       随着数字技术的进一步发展，DDS技术的不断改进，采用DDS产生线性调频信号及其复杂信号的技术日益受到重视。通过数控电路，DDS能够精确控制输出信号的频率、相位和幅度，产生LFM、NLFM、相位编码、频率编码、频率步进等复杂信号，而且无需修改硬件，只需改变某些参数的设置就能实现快速频率和波形捷变等功能。目前，基于数字技术产生LFM、NLFM等信号的途径一般可分为DDS直接产生方法、DDS+倍频器扩展频带方法、DDS上变频扩展频带方法和DDS+PLL扩展频带四类方法。

        由目前的微电子技术水平，采用CMOS工艺的逻辑电路速度可达60~80MHz，采用TTL工艺的逻辑电路速度可达到150MHz，采用ECL工艺的电路可达到300~400MHz，采用GaAS工艺可达到2~4GHz。当前DDS的最高输出频率为1GHz左右，实际工作频带仍较窄。为扩展频带，提高DDS输出频率，通常采用直接倍频、乘法器倍频、数字上变频、DDS+PLL合成、双路正交相乘输出等合成法。

        这里，我们考虑采用DDS+PLL技术，利用GaAS工艺产生中心频率1.6GHz带宽312.5MHz的线性调频连续波。此外，锯齿波调频 LFMCW 雷达只能获取目标的距离信息，并且对于运动目标会有距离与速度耦合，导致距离模糊。三角波调频采用对称三角形的正负斜率调频，虽然分别在正、负调频段与锯齿波调频一样会有距离与速度耦合效应，但是通过对正负斜率调频段的信号联合处理，可以对距离和速度模糊进行补偿，实现对目标的测距和测速。因此信号选择为三角波线性调频连续波。

        此外，FMCW雷达实现高距离分辨率是以信号为理想线性调频信号为前提的，其调频线性度差，对单一目标而言，其差拍信号将不是单频信号，而是有一定带宽，相邻目标的频谱将重叠，影响了雷达的高分辨能力。线性度校正的方案有以下三类：

• 电抗补偿线性度校正

       电抗补偿线性校正通过电抗补偿回路调整VCO谐振回路的拓扑结构，改变其谐振频率与电调元件之间的函数关系，从而实现对VCO电调特性的线性校正。电抗补偿线性校正的优点是不会因为线性校正本身而增加VCO的输出噪声及限制其电调速度。电抗补偿线性校正的缺点是调试工作较为繁琐，经过线性校正后的VCO电调特性的波纹起伏较大，线性校正精度不易得到可靠的保证。

• 开环线性度校正

        开环线性校正通过在VCO电调电压与VCO电调端口之间插入转移特性函数为VCO电调特性函数反函数的线性校正器，实现对VCO电调特性的线性校正。

        实现VCO电调特性的开环线性校正的关键是：由VCO电调特性寻找线性校正函数；设计合适的线性校正器电路实现线性校正函数。较为典型的VCO线性校正器电路有模拟断点式线性校正器，模拟乘法器式线性校正器，数字EPROM式线性校正器。

        开环线性校正的优点是实现方案简单、成本低。开环线性校正一般只能达到千分之几的线性度，特别适用于在对VCO电调线性度有一定要求但又不是很高的场合下使用。开环线性校正常常用来对闭环线性校正电路中的VCO电调特性进行预校正。开环线性校正的缺点是线性校正器电路本身存在的底噪会增加VCO的输出噪声，同时对VCO电调信号带宽（即电调速度）有一定限制，而且电调特性随温度等环境因素的变化而变化，固定的控制电压波形不能适应变化的电调特性。

• 闭环线性度校正

       闭环线性度校正正是获得高线性度调频信号的最有效方法，因为它能根据VCO实际输出信号频率偏离理想线性频率的多少而实时、动态的修正控制电压。实时闭环线性度校正的原理是根据需要随时调节控制电压波形，使得趋于零。

       闭环线性度校正系统通过负反馈锁相技术实现对VCO电调特性的线性校正。依据实现方案的不同又分为鉴频比较法和延迟鉴相法。鉴频比较法的基本思想是：将VCO输出的扫频信号经鉴频器的鉴频特性（频率-电压变换特性）变换后，与线性锯齿波扫描电压信号作比较，从而产生一定误差电压反馈控制VCO，只要鉴频器的鉴频特性是理想线性的，就能获得满意的高线性扫频信号（即实现对VCO电调特性的线性校正），它的实质是将VCO电调特性锁定在鉴频器的鉴频特性上，其线性校正精确度主要取决于鉴频器的鉴频线性度。延迟鉴相法的基本思想是：将经延迟的VCO输出的扫频信号与未经延迟的VCO输出的扫频信号混频，如果扫频信号是理想线性的，则混频器输出的差频信号频率必然不随时间变化；反之，差频频率将发生变化，然后将这一反映扫频信号线性程度的差频信号送至鉴相器与一稳定的基准参考中频信号做比较，在利用鉴相器检测出的误差信号反馈控制VCO，就能获得满意的高线性扫频信号。从原理上将，经延迟鉴相法线性校正后所得到的扫频信号线性度主要取决于延迟线的色散特性及环路参数，一般可达万分之几。

        这里，采用延迟鉴相器来进行线性度的校正。因此整个LFMCW信号源的电路如下：

4.2.发射电路

        发射电路的主要功能是将LFMCW信号发射出去。为了发射77GHz带宽15GHz三角波线性调频连续波，还需将DDS+PLL产生的1.6GHz带宽312.5MHz的基带信号进行倍频，经过的倍频链。因此产生目标信号的电路模块如下：

        其中的关键元件是天线。本雷达中,天线为收发独立天线,采用频率扫描方式,天线的扫描方向由发射信号的中心频率决定,工作频段为V波段,扫描角度范围为40°。天线在设计时采用漏波频扫天线,为了增大扫描角度,使用两组天线交错放置工作,如图所示,扫描角范围达到80°。

4.3.接收电路

       接收电路的主要作用是将天线接收到的回波信号与发射信号混频得到一个差拍信号，这个差拍信号就蕴含这目标的距离与速度信息。因此接收电路只需滤波器、放大器以及混频器。放大器是为了放大回波信号，滤波器是为了选择所需的回波信号，混频器是为了将回波信号与发射信号混频得到差拍信号。电路模块如图：

4.4.信号处理器

       信号处理器主要实现对差拍信号的处理。具体的说，对差拍信号AD采样数字化，然后，对所得到的数字信号作进行频谱分析,不同的回波延时对应不同的差拍频率,并且二者成线性关系,在差拍频率恒定的有效时段内进行采样,通过运算便可以得到相应的信号的功率谱,通过计算功率谱所在位置便可以测得目标距雷达的距离， 整个电路模块如图：

五、应用

       由于毫米波线性调频连续波雷达突出的性能，该雷达可应用的范围也是非常广的

5.1.汽车测距

       毫米波线性调频连续波雷达运用于汽车测距主要有以下两点原因：

• 现实的需要

        随着车辆数目的增多，公路交通安全问题日益突出。根据公路交通汽车事故分析，80%以上的车祸是由于司机反应不及时或判断失误造成的；特别是在汽车高速行驶是情况下，前方目标的正确识别至关重要，如果司机能提早0.5秒钟意识到危险并采取措施，可避免迎面碰撞事故30%，追尾事故50%，若提早1秒钟采取措施则绝大部分事故可避免。这就需要一款防撞系统来改善困境。

• 毫米波线性调频连续波雷达的优良特性

        这是因为汽车行驶的环境可能很恶劣，比如能见度很低的雨雾天气，在这样的恶劣天气下，激光和超声波等方式不能正常工作，相比之下，毫米波雷达发射的毫米波有较强的绕射能力，所以有较强的抗环境干扰能力。

        汽车防撞雷达按照安装位的不同和需要防护避让的目标不同可分为前向雷达、倒车雷达、侧向雷达。而汽车主动防撞雷达主要是指前向雷达，它具有测速、测距以及测角的功能，同时具有判断目标车辆对己车的威胁程度，并发出不同的警报信息提醒司机注意。

5.2.军事方面

        随着现代战争的高科技化，今后战争的概念和方式在很大程度上取决于精密电子制导武器的发展。毫米波LFMCW雷达凭借自身特点使其在精确制导方面具有得天独厚的优势，毫米波精确制导导弹、炸弹具有很高的命中精度和杀伤力。是现代电子战和导弹战中的重要攻击手段。由于武器装备的火力和机动性不断提高，战争环境复杂多变，需要能有效对多个目标进行收搜、截获、监视的设备。采用毫米波LFMCW雷达用于收搜和目标截获，理论上在距离和方位都能获得高分辨力以及抗地物干扰和多径效应的能力，明显显示出它的优越性。

5.3.气象方面

        工作在30～3000兆赫频段的气象多普勒雷达。一般具有很高的探测灵敏度。因探测高度范围可达1～100公里，所以又称为中层-平流层-对流层雷达 (MST radar)。它主要用于探测晴空大气的风、大气湍流和大气稳定度（见大气静力稳定度）等大气动力学参数的铅直分布。

气象雷达使用的无线电波长范围很宽，从1厘米到1000厘米。它们常被划分成不同的波段,以表示雷达的主要功能。气象雷达常用的1、3、5、10和 20厘米波长各对应于 K波段（波长0.75～2.4厘米）、X波段（波长 2.4～3.75厘米）、C波段（波长3.75～7.5厘米）、S波段（波长7.5～15厘米）和 L波段（波长15～30厘米），超高频和甚高频雷达的波长范围分别为10～100厘米和100～1000厘米。雷达探测大气目标的性能和其工作波长密切有关。把云雨粒子对无线电波的散射和吸收结合起来考虑，各种波段只有一定的适用范围。常用K波段雷达探测各种不产生降水的云，用X、C和S波段雷达探测降水,其中S波段最适用于探测暴雨和冰雹，用高灵敏度的超高频和甚高频雷达可以探测对流层－平流层-中层的晴空流场。

       调频连续波雷达。它是一种探测边界层大气的雷达。有极高的距离分辨率和灵敏度，主要用来测定边界层晴空大气的波动、风和湍流。

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总结

       本文简单介绍毫米波雷达，文章内容主要在本科期间整理，如有问题，欢迎评论区留言。转载请附链接【杨（_> <_)】的博客_CSDN博客-信号处理,SAR,代码实现领域博主