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微波雷达原理简述

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发表于 2019-4-18 13:52:29 | 显示全部楼层 |阅读模式
一、探测动态目标速度原理

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由微波振荡器振荡发出一个发射信号,其中一路经发射天线发射出去,一路又分流成两路分别进入 I、Q所在的通道的混频器中,其中Q通道的信号在混频之前还需先经 90°的移相;接收天线接收到的回波信号,先经低噪声放大处理后,再分别经混频器与实时分流的两路信号进行混频;混频后得到的信号再经中频滤波放大处理,最终得到 I、Q两路中频信号。I、Q两路中频输出信号中均携带有探测目标的速度信息。



二、探测静态目标的距离

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探测静止物体的距离,即静态物体到传感器之间的距离,调制信号采用锯齿波即可。这是因为,此时的干扰大多为多普勒信号,而在抗干扰性能方面,锯齿波调制要优于三角波调制。选用线性升坡曲线或者降坡曲线作为发射频率的时间相关函数,并定期重复这些波,以期得到可能的平均值。

由VCO(压控振荡器)输出一个频率为ƒtra的发射信号,其中一路经发射天线发射出去,一路又分流成两路分别进入I、Q所在的通道的混频器中,其中 Q通道的信号在混频之前还需先经 90°的移相;接收天线接收到的回波信号,先经低噪声放大处理后,再分别经混频器与实时分流的两路信号进行混频;混频后得到的信号再经中频滤波放大处理,最终得到I、Q两路中频信号。

I、Q两路中频输出信号中均携带有探测目标的距离信息。差频信号中的距离信息,是通过由时间延迟引起的差频信号来反映的。

实际上,测距精度主要与信号后端处理有关,后端采样时采用脉冲压缩等技术也可能提高远距离测量时的测距精度。

在雷达图像中,当两个目标位于同一方位角,但与雷达的距离不同时,二者被雷达区分出来的最小距离即为距离分辨率。通常定义为:当较近目标回波脉冲的后沿(下降沿)与较远目标回波的前沿(上升沿)刚好重合时,作为可分辨的极限。此时两目标间的距离就是距离分辨率。
三、同时探测动态目标的距离和速度
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同时探测运动目标的速度和距离信息时,调制信号采用三角波。由于同时存在时间延迟效应和多普勒频移效应,因此选用一个三角函数(具有升坡曲线和降坡曲线)来满足此时问题的复杂性。

由VCO输出一个频率为ƒtra的发射信号,其中一路经发射天线发射出去,一路又分流成两路分别进入I、Q所在的通道的混频器中,其中Q通道的信号在混频之前还需先经 90°的移相;接收天线接收到的回波信号,先经低噪声放大处理后,再分别经混频器与实时分流的两路信号进行混频;混频后得到的信号再经中频滤波放大处理,最终得到I、Q两路中频信号。

I、Q两路信号中分别都包括在调制信号升坡阶段产生的信号差频ƒdiff_up和降坡阶段产生的信号差频ƒdiff_down。ƒdiff_up和ƒ diff_down同时与目标的距离信息和瞬时速度信息相关。

差频信号中的距离信息,是由多普勒效应和时间延迟效应叠加来反映的。下图显示了在被目标物体反射后,用三角波调制微波信号的发射和接收情况。

经三角波调制的 FMCW雷达发射和接收信号的时间相关曲线如上图所示,实线为发射信号,虚线为接收信号。延时效应将导致两个信号在 X 轴(时间轴)上,产生一个Δt的差值,Δt即为回波信号相较于发射信号的时间延迟。由Δt进而会产生一个差频信号ƒdelay,ƒdelay即为某一时刻回波信号频率与发射信号频率的差值,原因是传感器在同一时刻的发射频率已经发生变化。

频率测量的复杂性很大程度上取决于其应用。基本上,可以通过取消未定义区域和计算零文叉来测量这些差频,或者当这些频率处于几 kHz范围内时,可使用PLL进行测量。接收信号可进行A/D转换,并可作为零交叉的示例。但这仅在只包含一个反射物体时可行,一旦天线方向图中存在多个物体,则接收到的各目标差频将相互叠加,如若采用计算零交叉的方法,就会形成大量复杂且失真的波形,最终误导频率的读取。

在多个目标的情况下,必然要求用 FFT(快速傅立叶变换)对数宇信号进行分析。它将“超载”时域信号转化为频域信号,其中单个物体可立即显示为单独清晰可识别的频率峰值。

四、探测运动目标的方向
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辨别运动目标的方向,即探测运动目标相对于雷达传感器作何种方向的运动:靠近或远离。双通道雷达传感器均可实现此功能。

由振荡器振荡发出一个频率为ƒtra的发射信号,其中一路经发射天线发射出去,一路又分流成两路分别进入I、Q所在的通道的混频器中,其中Q通道的信号在混频之前还需先经 90°的移相;接收天线接收到的回波信号,先经低噪声放大处理后,再分别经混频器与实时分流的两路信号进行混频;混频后得到的信号再经中频滤波放大处理,最终得到 I、Q两路中频信号。

理论上I、Q应为两路幅值相同,相位相差 90°的信号,但由于实际测量导致的误差,其幅值可有6dB的误差,而相位差也允许在 60°~120°的范围内变化。分析I和Q两路信号,如果目标相对雷达传感器做靠近或远离的运动,则可在示波器上时域图上观察到其中一路信号相对于另一路超前或滞后 90°。

五、探测目标的角度
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角度测量是探测“目标——天线中心线的连线”与法线的夹角,多用于目标定位。

由VCO输出一个频率为ƒtra的信号,一路经发射天线发射出去,一路往下又分成4路分别进入 I1、Q1、I2、Q2所在的通道,其中Q1和Q2两路信号在混频之前还需先经 90°的移向;两根接收天线接收到的回波信号,先经低噪声放大处理后,再经混频器与之前的 4路信号进行混频。混频后得到的信号再经中频滤波处理,最终得到I1 、Q1、I2、Q2四路信号。同时分析 I1和I2两路信号或者同时分析Q1和Q2两路信号,即可以得到角度信息。


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发表于 2019-5-21 11:21:05 | 显示全部楼层
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