1. 距离测量

1.1 连续波(CW)雷达

与脉冲雷达对比

  • 脉冲雷达
    • 发射与接收时间上分开
  • 连续波雷达

    • 连续发送

      1.2 线性调频(Chirp)

  • CSS技术,扩展频谱技术

  • Chirp是频率随时间线性增加(减小)的正弦

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  • 起始频率f
  • 带宽B
  • 信号宽度T
  • 斜率定义了chirp扫过的速率

    1.3 调频连续波(FMCW)雷达

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  • 接收也为线性调频信号,存在延迟

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1.4 中频信号

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  • 【无线电定位】调频连续波雷达 - 图5
  • 混频器即求两频率差
  • S为f-t直线斜率
  • 时域为Sa函数
  • 中频信号的频率与距离成正比
  • 【无线电定位】调频连续波雷达 - 图6与T占比很小

    1.5 多个目标情况

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  • 中频信号的频谱会得到多个谱线,每一个频率正比于雷达到目标的距离

    1.6 中频信号分辨

  • 频谱混叠

  • 加大观测窗口T可以使信号在频域上分辨出来
  • 一般,观测窗口T可以分开相差【无线电定位】调频连续波雷达 - 图8的频率分量
  • 即频率分辨力的定义

    1.7 距离分辨力

  • 距离太近导致频率太近

  • 频谱混叠无法观察
  • 增加观测时间
  • 会增加带宽

两个目标距离差为Δd
【无线电定位】调频连续波雷达 - 图9

  • 结论:距离分辨力仅仅依赖于chirp扫过的带宽

    1.8 最大可测距离

    image.png

  • 中频信号的有效带宽【无线电定位】调频连续波雷达 - 图11

  • 低通滤波的截止频率大于中频带宽
  • 被AD采样率限制【无线电定位】调频连续波雷达 - 图12
  • AD采样率限制了雷达的最大距离【无线电定位】调频连续波雷达 - 图13
  • 和雷达方程中的最大距离不同,需要区分

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1.9 处理流程

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1.10 区分两个带宽

  • Chirp带宽(分辨力带宽)
    • 即B=S×T
  • IF带宽(中频带宽)

    • 即中频频率为最小中频带宽

      2. 中频信号的相位

      2.1 中频信号的相位

  • 时域上的正弦波在频域产生一个峰值

  • 频域上的信号是复地
  • 频域上峰值的相位等于正弦波的初值(初相)

  • 时域

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  • 混频器输出的初始相位是两个输入信号初始相位之差
  • 双程延迟变化了一个小量

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【无线电定位】调频连续波雷达 - 图20

2.2 中频信号对目标小的位移敏感

  • 可以从两个参数上计算出目标位移
  • 【无线电定位】调频连续波雷达 - 图21
    • 数值太小无法鉴别
  • 【无线电定位】调频连续波雷达 - 图22

    • 中频信号的相位对目标小的位移十分敏感

      2.3 使用两个chirp测量目标速度

  • 发射两个间隔时间为【无线电定位】调频连续波雷达 - 图23的chirp

  • 【无线电定位】调频连续波雷达 - 图24
  • 【无线电定位】调频连续波雷达 - 图25

    2.4 测量一个摆动的目标

    【无线电定位】调频连续波雷达 - 图26
    【无线电定位】调频连续波雷达 - 图27
    从相位的变化计算摆动的变化

3. 速度测量

3.1 最大可测速度

【无线电定位】调频连续波雷达 - 图28
避免测量模糊,需要满足【无线电定位】调频连续波雷达 - 图29
【无线电定位】调频连续波雷达 - 图30
【无线电定位】调频连续波雷达 - 图31

3.2 速度分辨力

发送N个等间隔chirp(帧)
【无线电定位】调频连续波雷达 - 图32
【无线电定位】调频连续波雷达 - 图33
想要在频域上将【无线电定位】调频连续波雷达 - 图34分开
需要满足
【无线电定位】调频连续波雷达 - 图35
所以【无线电定位】调频连续波雷达 - 图36
得到【无线电定位】调频连续波雷达 - 图37
【无线电定位】调频连续波雷达 - 图38

  • 其中经历了二维FFT运算

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4. 角度估计

4.1 测量达到角(AoA)

image.png image.png

  • 角估计至少需要两个接收天线
  • 利用相位差放大目标与两个天线的距离差
  • 距离差

【无线电定位】调频连续波雷达 - 图42

  • 相位差

【无线电定位】调频连续波雷达 - 图43
注:与计算速度那里的【无线电定位】调频连续波雷达 - 图44区分开

  • 到达角(AoA)【无线电定位】调频连续波雷达 - 图45

【无线电定位】调频连续波雷达 - 图46

  • 【无线电定位】调频连续波雷达 - 图47【无线电定位】调频连续波雷达 - 图48为非线性关系
  • θ=0时,ω最敏感,敏感度随角度增大而下降
  • 因此角估计在θ接近零处最精确,随着向90°变化精度变差

4.3 最大可测角

视场角

  • 不模糊角度测量要求

【无线电定位】调频连续波雷达 - 图49

  • 视场角为

【无线电定位】调频连续波雷达 - 图50

  • 【无线电定位】调频连续波雷达 - 图51时,存在最大视场角 【无线电定位】调频连续波雷达 - 图52

    4.4 角度分辨力

  • 当两个物体与雷达距离相等,且速度相同时,只有通过角度才可将两者分离

  • 角分辨力即分开这两个目标的能力

通过角度-FFT
【无线电定位】调频连续波雷达 - 图53

  • 角度分辨力

【无线电定位】调频连续波雷达 - 图54

角分辨力经常使用假设d=λ/2,θ=0,则【无线电定位】调频连续波雷达 - 图55

5. 角度和速度的估计比较

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  • 例题

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6. FFT矩阵(二维FFT网格)

  • chrip信号发射
  • 接收反射信号,第一次FFT
  • 相差得到中频信号

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  • 利用频率和距离的关系
  • 此时从矩阵中只能读出距离

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  • 对距离做,第二次FFT
  • 得到速度信号
  • 可以根据速度不同区分物体

  • 如果物体的距离相同,速度相同

  • 将会出现

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  • 此时必须通过角度才可区分这两个物体
  • 角度估计需要多个接收天线

  • 目标仅仅需要在距离、速度、和角度中的一个维度上相互分辨

  • 因此雷达具有好的距离和速度分辨则可以减轻角度分辨的需求
  • 雷达的运动也能帮助分开静止的目标。速度分辨力越好,则要满足的速度越小

7. 系统设计

7.1 设计Chirp参数

给定距离分辨力d,最大距离d,速度分辨力v,最大速度v,设计帧的参数

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【无线电定位】调频连续波雷达 - 图62

  • 使用V确定T
  • 使用d确定B
  • 已知B和T,斜率S=B/T
  • 使用v确定帧时间T

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  • 对于给定的T
  • 短距雷达有更高的斜率和更大的带宽(分辨率更好)
  • 长距雷达斜率低,带宽小

8. 距离方程

  • 目标处的功率密度:【无线电定位】调频连续波雷达 - 图64
  • 目标截获面积(反射功率):【无线电定位】调频连续波雷达 - 图65
  • 目标反射的回波在接收处的功率密度:【无线电定位】调频连续波雷达 - 图66
  • 雷达截获面积(接收功率):【无线电定位】调频连续波雷达 - 图67
  • 【无线电定位】调频连续波雷达 - 图68
  • 【无线电定位】调频连续波雷达 - 图69
  • 【无线电定位】调频连续波雷达 - 图70
  • 检测目标所需最小信噪比为SNR
  • 给定最小信噪比为SNR,则雷达可以探测的最远距离为

  • 【无线电定位】调频连续波雷达 - 图71