发布时间 : 星期一 文章基于Ka波段安防LFMCW雷达信号处理的研究 - 图文更新完毕开始阅读
第一章 绪论
常大，因而在工程上没有太大的价值。正因为这样，在相当长一段的时间里LFMCW雷达理论以及技术水平一直无法超越脉冲雷达，其相关技术的实际应用也被局限在了比较小的范围里面。
1.2.2当前发展动态
因为之前提到的一些原因，在很长一段时间里，LFMCW雷达只运用于雷达高度检测，相关的LFMCW雷达理论上的难题没有得到应有的重视，后来到80年代中，techTechnishe Hogeschool Delft（荷兰）的L.P.Lighthart等人分析了LFMCW雷达的理论问题，比如它可达到的分辨率、接收机可达到的灵敏度、以及模糊函数等；同时期，来自美国的R.B.Chadwick等人研究了速度-距离耦合问题，来自Universitistat der Bundeswehr的W.Knapp、来自荷兰techTechnishe Hogeschool Delft的L.P.Lighthart等学者对近区杂波抑制做了研究性的工作；来自德国Univ.Erlagen的S.Osterrieder、美国Boeing Aerosp.Corp的P.Jones等研究者探索研究了LFMCW雷达动目标显示问题；80年代末期，国外的一些研究人员们在把LFMCW雷达和脉冲雷达一些技术的结合上做了大胆尝试。
在LFMCW雷达信号处理方面，国内外的研究人员们也做了相关研究，研究内容基本集中在高分辨率FFT算法还有声波表面傅里叶变换器等方面。我们国家是在70年代末期开始对CW雷达的研究的，主要领域集中在LFMCW雷达的一些关键性技术，比如收发隔离、对回波信号进行处理MTI，MTD这些方面。
90年代，LFMCW雷达技术受到军事及一些技术迅速发展的推动，使得它在很多领域有了广泛运用。发展较明显的是把LFMCW雷达的特有优势和毫米波相关技术结合起来了，这样就让毫米波LFMCW雷达的体积还有成本都大大降低，并且提高了可靠性能。
近些年来，阵列处理技术还有超大规模集成电路的快速发展都为数字信号处理技术的发展打下了基础，使得LFMCW雷达的设备量大幅度减小。以上条件结合起来使得LFMCW雷达在工程上实现更加容易，从而具备各种优点。实际上，精度和分辨率高、成本又低廉的小型雷达是很有优势。LFMCW雷达的种种优点就正好适应了需求，对LFMCW雷达的研究也越来越受重视，并且发展势头良好。
1.3论文背景及任务需求
本文的主要工作背景是基于“Ka波段安防雷达系统设计”项目，主要研究Ka波段线性调频连续波安防雷达用于检测200米以内物体的运动情况，应用场合有机场安检和校园监控等。Ka波段为24~40G频段，安防雷达项目之所以选
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电子科技大学硕士学位论文
择Ka波段是由于之前实验室已经做了24G的雷达项目，相较于24G，34.5G频率更高，波长更短，有利于提高目标分辨率，且频率越高对于射频部分技术难度越大，为以后实验室做更高频段做技术积累。本论文主要研究的是LFMCW雷达基带数字信号处理技术，以及外场测试结果呈现。
本文根据LFMCW雷达的理论知识和项目实际需求，使用MATLAB软件对LFMCW雷达基带信号处理算法做仿真研究，采用FPGA、DSP等技术设计雷达信号处理机软件及硬件对相关硬件进行调试和设计。以下是具体的工作内容：
首先对LFMCW雷达信号的理论特点进行分析，使用MATLAB软件对LFMCW雷达回波信号进行处理的MTI、MTD、CFAR以及动目标匹配算法的仿真实验。
有了前面的理论研究基础，接下来完成设计系统原理框图，实现信号处理算法，最后对雷达整机进行外场测试，拿到数据，导入MATLAB验证算法。
1.4论文内容安排
第一章主要叙述LFMCW雷达的优缺点、研究状况、以及当前发展等。 第二章讲述的是LFMCW雷达基本原理、其发射和接收还有差拍信号分析，重点研究的是对称三角LFMCW雷达信号在时域和频域的特点、差拍信号的特点。然后介绍了Ka波段LFMCW安防雷达系统设计要求。
第三章主要讲LFMCW雷达信号处理算法的原理，包括动目标显示（MTI）、动目标检测（MTD）、以及恒虚警处理（CFAR）、并分析了LFMCW雷达速度--距离去耦合算法。运用MATLAB软件完成了仿真实验，并对比各种算法的性能。
第四章主要用MATLAB对安防雷达项目做系统仿真。
第五章在前面理论研究及仿真结果的基础上，结合安防雷达项目外场测试，将外场采集到的数据导入MATLAB软件，以验证系统仿真处理的性能。
第六章是全文的总结以及对以后工作的展望。
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第二章 Ka波段LFMCW安防雷达系统设计描述
第二章 Ka波段LFMCW安防雷达系统设计描述
2.1 LFMCW雷达的基本原理
连续波（CW）雷达的波形可被看作是cos2?f0t的纯正弦波。来自静止的探测目标及杂波的回波频谱的中心频率在f0处，而对动目标来说则会有一个多普勒频率fd的偏移。CW雷达就是通过测量fd来得出目标的径向速度的。
由于连续波辐射的连续特征，为了避免连续辐射雷达能量的中断，在连续波雷达中采用两部天线，分别用于发射和接受。图2-1给出了简化了的连续波雷达框图。
TxCW发射机频综Rx混频器中频基带A/D显示器 图2 - 1 连续波雷达框图
如图2-1所示，首先频综模块产生CW信号，在发射机中调制到载波上，再经功率放大将发生信号输送到发射天线Tx。接收天线Rx接收到信号经混频器与发射信号频谱得到中频信号。中频信号经过滤波放大输出给基带，供A/D采样。基带将得到的数字信号经信号处理算法处理后得到目标速度距离等信息，提供给显示器显示。
因为距离是由回波时延计算出来的，所以单频CW雷达无法测出目标的距离参数。但是如果收发波形带有某一特征的时标就可以让CW雷达实现测距离。一种实现时标的常用技术就是线性调频（LFM）[4]，经常使用的是周期调制，比如三角形调制。
LFMCW雷达发射机工作时，会产生持续的高频等幅波，加到接收混频器里的信号是回波和发射机直接耦合的。在信号从目标处被反射回天线的时间里，发
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射的调频波频率已经改变。这样的话，混频器就输出了差拍信号，经过放大，限幅等处理之后加到频率计上。
图2-2给出了三角形线性调频波形示意图，图中虚线指来自距离是R的静目标的回波。
ff0+Δffb f0 0τt0实线：发射信号虚线：接收信号t
ffb0t图2 - 2 三角LFMCW信号与静目标的差拍
差拍频率fb也标志在图中，它指的是接收信号与发射信号的差（由于外差作用）。时延?代表了目标距离，其定义为：
2R ?? （2-1）
c调制频率fm应该满足下式：
fm?频率变化率f为：
f???1 （2-2） 2t0?f?f??2fm?f （2-3） t0(1/f2)m上式中，?f是峰值频率偏移，也就是扫描带宽。差拍频率fb为：
2R?f （2-4） fb??f?c?
可以重新写成：
f??cfb （2-5） 2R 6