（信号与信息处理专业论文）lfmcw毫米波雷达回波信号仿真及agc电路设计.pdf

硕士学位论文l 祠 功 c w毫米波雷达回波信号仿真及a g c电 路设计 abs tract t b et a r g etech osi 助目s l m u 】 a t i on ofal in e arf r equ e n c ymo d u 1 ation c o n t l n u o u 面n i m e t e r m /a v e p 泊 d ar( l f m c 铆 sy st e mwas pres e n t e d in面s di s se rt at l o ilt 、 e 住 d ar s y s t e m is used to d e t ec tthe targ e t晓 m g eandi 刘 ro rmation for t ar g et r e c o gniti 呱 c o ns i d e ring the fe at ur e s and p a n u n e t e rsofthe ac 加 目l f m c wr a d axsy st e m，ta 飞 e t si gna l 的dnoi sesi gna l 、 v e r e anal y 从 钱the targ etra 山 叮e 比。si gnal、 ， a sai so幼 m ul at ed. t b e ， w o r k s are v e rylm po比 坦 t for the ac to ajr a 山 盯s y st eln，s 引 泊 d i es. b 巴 把 d onth e ra d arsi 邵 坦 】 5 五 n u l ationth eoryand th e s i gna l fe 副 泊 ” 招ofl f mc wradi 玩 而s di ss e 到 刁 t i olldi s cus s e d t h e 姗g etm ode l ， c 】 u tt e r m ode l ， noi sem o d e l 即d t h e ec h o si gnal m 冈e l of面s m d 留sy s t e mwasg l v e n 口 ap arti c u 1 arana 1 ysisofthe t ar g e t m o d e 1 was p r e se ni edsu c b astarg ete q 回 功 阅e l ta rg e t r 力 d 盯c r o s s s e c t l o n(rc s)m o del ， 妞g et a n t e n n a m o d u 1 at in g m ode 1 and m o v l n g targ e t model a p p ro p ri ate m o d e 1 an d ai g o ri th mwereu s e d in面s s i m ul 时 l o ilhithe s l m u l 而onof e c h o si gl 坦 1 5 ， t 即i c altalg ets indi 月 七 r e n t conditi ons 爪 址 h asnoi seand c l u tt e r 目d ed. t h e s i m u l a t i o n ec h o si gn缸 s ofdi 月 七 化 n t t y p i cal targ e ts ， .y beone orm any，mov i n g orn o t m o v i n g ， werecom p ar e d 咐thre aib a c k gr o und echosi gnal s . t b e re se ar c h s h o w edth a t the 5 加u l 皿l o n、 v a sc o rr e ctanduse 6 止 ino rd e r toe nhadc e th e d ydamic w o r k 跳 幻 p e of即 to alr a d arsy st e m ， we dssi gnedand 汕p l e m e ni 曰the a g c( a u t o m at l c g ai 五 c o ni ro l) c l rc 山 t witha d 8367. k 叮 ， 。 rds:ra d arsys t e m ， 恤g e t ech o si gnals im u l 硕。 氏cl u tt e r 胡d noi se ， a g cc i r c u lt 硕士学位论文l f m c w毫米波雷达回波信号仿真及a g c电 路设计 图表清单 图清单 图2. l i 发射信号和接受信号频率与时间的关系二 ” :.” :” :. ，. . . . - . . - .“ 一 . . “ “ ” . ” 图2. 2. i l f m c w毫米波雷达测距与目 标识别系统原理框图. . . . - . . . . ” . . . ，. ” .7 图2. 2 2 线性调频毫米波探测系统的实物图. “. . .- . 一 “ . “ . .“ “ . . . . .“ :.” . ” . . 图3. l i 在c 波段(5 g 比) 时雷达散射截 面积测 试结果“ . ” . ” . ” : ，. . . . . . . ” 二 ” .“ .“ . ” 二 10 图3 . 1 2 在35g hz 时雷达散射截面积测试结果. 一，. ” ” . ” . 一 ” ” 二 “ ” . ，. . . . . . . “ . “ 二 fl 图3. 1 .3 s w e r ling l 及s w 口 i in g n 型的 概率密 度曲 线. ” . ” . 二 ” :.“ . “ . . .” ” : ” 二 12 图3. 1 .4 s w e r l 吨 11 1 及s w e r ling iv型的 概率 密度曲 线二 ” ，. ”.，. . .“ :. ，. “ . . . . 一 . . . . . 一12 图3. 1 .5 三维天线方向函数图二 ” ” “ . 一” . . . . . . “ . “ . ” . “ :.“ .， . “ . . 一 . . . . .13 图3. 1 .6 二维天线方向图 模型. . 。 . . - . ， . ” . ” . . . . . . . ，. .“ 二 ” . . . . . . . . . ” 二 14 图3. 1 .7 目 标与天线波束中心角度关系一 . . .- . - .，. . ” . . .，. .” . . ” ” 一 ，. 一 15 图3 . 1 . 8 目 标位置示意图“ . . . 一 ，. . ，. 二 ” .” . ，. ” :. ” . . ，. . ，. . . . . . . . . . . . 一“ . . . . . 一 17 图3 :21 瑞利分布的概率密度曲 线” . ” 二 ” 二 ” “ . .” . ” . . . . - . .“ . ” ” . . . . . . . . . . . 一 ， . 19 图3. 2. 2 对数正态分布的 概率密度曲 线. . . . . . . 一” . 一.” . . . . ” . ” . . .” ” . ” . 一 19 图3. 2. 3 韦伯尔分布的 概率密度曲 线. ” “ . . . . - . . .“ . . “ . . ” . . . . .“ . . . . . . . . - . . ” 二 “ ，. . 20 图3. 2 .4 天线波束与地面交会投影示意图. . .” “ . . .” ” . . . . . . . . ” “ . . .， 一 . 一 . “ 21 图4. l ls w e r lin g l 目 标幅度起伏模型. :. “ . . . . . .“ . “ . “ “ . . . . . . . ” . -. .” 26 图4. 1 2 10 ， 0. 1 刀区间的 发射信号波形. . “ . . . . . .- . . . . . . . ，. . 一 . . . . . . . . 一 25 图4 1 .3 0 夕 t， 刀区间 的发射 信号 波形二 ，. .” . . . . . . . 一 一” . ” . . .“ . . “ . . . “ ，. .9 图4. 1 .4 线性调频发射信号频谱图. “ . 一” “ 一 ” - . . . . . . . . . 一 . . . . 二 “ . . . .，- 一 ， . 29 图4 . 1 . 5 一个1 5 0m 处的 静止目 标在0 ， 0. 1 叨区间的回 波. . .“ 一 . .” . . . . . . . . ” 一 ” 一 30 图4 1 6 一个1 5 0m 处1 以 沁 n 公 5 运 动目 标在 【 。 ， 0. 1 刀区间的 回波.-.” . -. .，. .” . ” . 31 图4. 1 .7 1 5 0m、15 5 m处的两静止目 标在0 ， 。 . 1 刀区 间的 回波二 ” . . . ， . “ .” .” “ “ .1 图4. 2. 1 一个 150 n l 处的静止目 标在局部拉宽后的中 频回波” .，. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 一33 图4. 2. 2 一个150m 处的 静止目 标中 频回波功率谱. “ 二 ” ，. ，. ” . “ 二 ，. ，. “ . . . . . 一 “ ” . ” . “ “ 33 图4. 2. 3 一个1 5 0 m处1 0( 犯 inj 运动目 标在局部拉宽后的中频回波. ，. “ . . . . .” . ”“ . . 34 图4. 2 4 一个1 5 0m 处1 (x 刃 m 方运动目 标中 频回波功率谱. ” . ” . . . . 一 - . . .，. 一” 二 ” . . . . . 一 35 图4. 2. 5 1 5 0m 、1 5 5 m处的两静止目 标在局部拉宽后的中 频回波 ” . . . “ . ” ” . “ “ 二” . ” 二6 图4 2.6 1 5 0 m 、1 5 5 m处的两静止目 标中频回波功率谱. “ . . . . . . - . . . . . .， “ . ，. . “ . ” . 3 6 图4. 3. 1 瑞利分布的杂波仿真. 一 “ . “ . . ” 二 ” “ 二 ， :.“ . . . . . . . 一” . . .:. 一“ ” “ 二 35 图4. 3. 2 对数正态分布的杂波仿真:. “ 一 ” :. ” ” “ . ” . ，. . .” 二 ” 一” . . . . . ” . “ - . . . - . 一 8 图4. 3. 3 韦伯尔分布的杂波仿真. . ， 一 _ 二 “ . _ . _ . . _ ，. . . . . . . . . . . . . . . .” “ :. “ ，. ， . . j ， 图4. 3 4 高斯白 噪声仿真 . ” . ，. . “ . “ ” . ” “ “ .” 一 ” ” . ” . .“ ， ，. . ， . . . . .- . 一 ，. . ” . 一 40 图4. 3. 5 0 ， 0. 1 刀区间 加入 瑞利杂波 和噪 声的 静止目 标的 射频回波 信号“ . ” “ :.“ . 一 ” . 40 图4. 3. 6 加入瑞利杂波和噪声的 静止目 标局部拉宽的中频回波. ” . . . . . - - 一 :. ” . 一“ . . . 引 图4. 3. 7 0 ， 0. 1 刀区间 加入韦 伯尔杂 波 和噪声的 静 止目 标的 射频回 波信号. “ -. 一 ” . .一 ，. .4 1 图4. 3 名 加入韦伯尔杂波和噪声的静止目 标局部拉宽的中频回波一 ” ” . ，. ” 二 ” . 一 介 . ” “ 一42 图4. 3 ， 0 ， 。 1 月区间 加入瑞利杂波 和噪声的 静止目 标的 射频回 波 信号. . . ，- ” . ，. :. 42 图4 3.10 加入瑞利杂波和噪声的静止目 标局部拉宽的中 频回波二 ” “ “ .” . . .，. :. ” . . 43 图4. 4. 1 四静止目 标加入瑞利杂波和噪声的静止目 标拉宽后的中 频回波. ” . . - . 一一 ” 二 “ :43 iv 硕士学位论文l f m c w毫米波雷达回 披信号仿真及a g c电 路设计 图 4 4.2 图4. 4. 3 图4 4 .4 图4. 4. 5 图4 .4. 6 图4. 5.1 图4. 5. 2 图5.l i 图5 . 1 .2 图5. 2. 1 图5. 2. 2 图5. 2. 3 图5. 2. 4 图5. 2. 5 图5. 2 .6 图5 . 2. 7 实 测 1 5 0m四 目 标 中 频 回 波 信 号 .” ，. ，. . . . 一 “ ” “ 一 . . .，. 一 ” . ，. ” “ :. “ 44 实测1 5 0m 四目 标拉宽中频回波信号” “ ” . ” 一“ . “ 二 ” . ” . “ . . ，. ” . . ” . .“ 二 44 实测15 0m 处四个目 标回波检波输出 信号波形一” .一 ” ，. “ . “ :.” . . . “ . 44 四静止目 标加入瑞利杂波和噪声的静止目 标的中 频回 波. “ . . . . “ . “ :.“ . . 45 四个静止目 标加入瑞利杂波和噪声的 静止目 标的中频回波功率谱 :. ， . . ” . .45 仿真程序流程图“ . “ 二 ，. 二 ” . . . . . ，. :. ” ” “ . ” . “ . . . - . . .” “ . “ “ ” . “ . . . . 46 l p m c w毫米波雷达回波信号仿真软件的界面一” ” . ” “ . . . . ” . -” .“ 7 接收机中 频电路基本原理框图” . . ” :.“ . ” “ :.” . “ . “ . . . . 一. . . - . ， . 48 自 动增益控制放大器原理图. - .” . . 一 ” . ” “ ” “ . ” . “ :. ” . ” . “ . . 一” ” . ” “ ，. ” . . . 一 “ 49 人 d 836 7 的基本功能框图. . “ . “ ” “ “ . . . . . . . . . . . - - . . ” ，. . . .” . ” . ” . 5 0 a d 8367的管脚图 “ . ” ” . ” . . . . . . - . - . . . . . . . . .” . .” . . . . . . . ，. :. ”. ” . ” 二 “ .5 0 在140 m e 匕 频率下的l 型阻抗匹配二 “ ” . ” “ “ “ 一 “ . ” . . ， . ” 二 ” . . . . . . 一 ” :. 51 电阻有损耗匹配. . . . . - - . . . . . . . . “ “ . “ . . ，. . .” . ，. ” “ . 一 “ . ” . . ，. . . “ ” ” . ” 51 a d 836 7 的 主要外围电 路. - . . . . 一” . “ ” . - . . ” .“ . ” . . . . ” 二 ” “ . ，. . 52 a g c电路板一 ” ” . .一 “ :.“ 二 ” . “ . ” 一 ” ” ” :.“ . ” ” “ . ” “ ” “ ” ” 一 ， ，. ” 53 a g c电路的封装“ 二 ” . ” “ . 一 ” . . -” . .“ 一” ，. ” . ，. . ” 二 “ .- .“ :.” 二 ” .5 3 表清单 表2 2.1 - 表3. 2. 1 表5. 2.1 雷达系统的部分指标二 “ . . 一“ . “ 二 “ 二 一，. “ . “ ，. . .” . . . . . “二 ，- - . . . 一 ” “ . 2250 几种典型海 ( 地) 面背景的oe (3 sg比 时 侧 得) a d 8 3 67 的管脚说明 . . . . .” . . . . . . . . .，. . v 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的 研究成果， 尽我所知，在本 学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人己 经发表或 公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学历而使 用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均已 在论文 中作了明 确的说明。 研究生签名:年月日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以 借阅或 上网公布本学位论文的全部或部分内 容， 可以向有关部门 或机构送交并 授权其保存、 借阅或上网公布本学位论文的全部或部分内 容。对于保密 论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名:年月日 硕士学位论文 l f mc w 毫米波雷达回波信号仿真及人c (电路设计 1 绪论 l l 论文的工作背景 本文围绕一个有关毫米波雷达 测距与目 标识别系统课题进行研 究， 课题组已 完成 了原 理样机的装调， 一 为本文 lfmc w 毫米波雷达系统回波信号仿 真提供了良 好的实 验基础和条件。 随着雷达的迅速发展， 各种雷达系统越来越复杂， 雷达系 统的 设计、 开发和测试 成为 耗费大量财力 和时间的 工作。 在这 种情况下， 雷达系统仿 真技术逐步发展成为一 个重要的研究方向甚 至成为 雷达研究中 不可或缺少的 一部分。 雷达回波信号仿真是雷 达系统仿真 至关重要的 二项技术， 根据需 要仿 真出 符合实际情况的雷 达回波信号， 也 可以 理解为是利用计 算机生 成雷 达回波数据。 本文 通过具 体毫米波雷达目 标回波信号 仿真，可以获得符合实验要求的目标信号，为系统设计和测试检验提供条件。 l z 回波 信号 仿真技 术的发 展状况 二十世纪四十 年代以 来， 欧美军 事强国 率先建立了 先进的雷达实 验系统， 形成完 备的 雷达实 验体系。 信号仿真实验是 雷达实验系统的重要组成部 分， 仿 真技术水平的 高 低直接关 系到它 们的 先进性、 研制周期、 经费开 销， 甚至关系到系统 研制的成败。 在现代雷 达系统的 设计中 ， 外场试验要求服务系统 庞大、 设 备齐全、 成本高， 而且 受 到天气、 气 候和社 会环境等诸多 因素的制约， 试 验、 训练过 程中， 不可能 总是 采用实 际 系统进 行实验， 同时 现代雷达体 系的 某些功能调试也 很难通过外场试验来实现， 这 就使得仿 真技术具有重要意义。 从八十年代开始， 数字计算机仿 真技术 在我国也 迅速 发展起来。 随着计 算机技术和数字处理技术在 现代雷达中的 广泛应用，雷达的自 动化检 测、 处 理、 控制和操作能力越来越强， 从 而导 致雷达各分系统之间的时 序控制关系、 数据 传输、 信号处 理、 数 据处 理和显示越来越复杂。 因 此雷 达系统的 设计、 开发和测试越 来越成为一 项耗费 大量财力和时间的 工作， 雷达系统仿真技术被广泛应 用， 为 系统的 研究、 设计 和验证节省了 大量的费用。 雷 达系统 仿真技术所具有的经济、 灵活、 逼真 和实用的 特点， 使其逐渐成为雷 达系 统和电 子对抗系统 研究的 一项关键技术。目 前， 通用雷达 模拟器、 雷达目 标模拟 器与电 子对抗模拟器构 成了雷 达对抗闭环仿真系统， 攻防双方 相互验证和评估， 极大的推进了电 子战技术的发展。 其中雷达目 标模拟器川 是 不可或 缺的 角色， 雷达目 标回波信号仿 真是它的关键技术。 通过雷达目 标回波信号 仿 真可以获 得各种符合实 验要求的目 标信号，给调 试、 检测带来了 极大的方便。 仿真 技术应用的典型 例子 有美国m all bur e se 肚 c h 公司开发的用于a n 汀p q 36和 硕士学位论文l f mc w 毫米波雷达回波信号仿真及人c c电路设计 a n 汀 p q 一 37 阴 迫 击 炮 火 控 相 控阵 雷 达 环 境 模 拟 器 (r e s) 由 一 台 计 算 机 和 雷 达 信 号 模 拟 器硬件系统构成.该r e s可以 为雷达的调 试和测试提供数字、视频、中频、 射频形 式的信号，其天线模型包括目 标、噪声、杂波 ( 地、 海、 气象) 、电子战、 欺骗千扰 等， 支持l fi 喃 刊 l f m、 p s k等多波形编码方式， 支持f mc w、 脉冲宽 度范围0 . l us 30 05 、 p rf 范围l oo hz z oo k h z ， 多 普勒 分 辨 力 i hz. 法国s yn o p sis 公 司 研 制 的 rts 一80 0n沙雷 达目 标 模 拟 器， 采 用 数 字 射 频 存 储 和c o m p a c tp cl总 线 标 准， 它 提 供 射频 信号 模拟， 可以产生雷达的运动目 标回 波以 及欺骗干扰信号， 可用于电 子战训练 和雷 达的 测试、 校准和评估， 使用s bitl0 00州 旧 2 的 数字 射频存储技术， s oom e 匕 瞬时 带宽， 全相 参距离分辨率 i ns，多普勒分 辨力 i hz，信号长 度 1 28us ，上 厅 变频 ( 频 率范围0. 056 o g e 比 ，捷变频时间 1 0 0 ns) 。 国内 雷达仿真技术也得到很好的发展，在 19 95 年南京理工大学就已经采用 t ms320c 52 信号处理 器实现雷达视 频信号 实时 模拟。单 重频为 i k h z 时，经过测 试 一片t m s 3 20c 52可完成1 20个 距离 单元的 零中 频雷达杂波滤波， 能满足一 般的m t i 、 mt d体制雷达要求。 中科大电 子工程系于2 0 00 年 研制的 毫米波目 标模拟器可 用于宽 带 下 视 雷 达 中 频 回 波 模 拟 l ， 为 线 性 调 频 连 续 波体 制 雷 达 提 供 相 干 的 毫 米 波 模 拟回 波 信号 ( 35g hz， 带宽 s oo mf 匕 ) ， 回波具有l oodb 动态范围 和0 . l db 步 进量。 尤其在过去的十多年里我国 在雷达系统仿 真理论研究、 模拟器设计实 现等方 面做 了大 量工作， 并 取得丰硕成果。 虽然国内雷 达信号 仿真技术与国际先进 水平相比 差距 不大， 但大多 数是针 对特定 类型雷 达、 特定雷达 环境而言， 在雷达信号 仿真的 全面性、 系统的 通用性及可扩充性和产品化等方 面还有一定差距。 i j线性调频连续毫米波雷达发展状况 在二战结束前后，出于提高雷 达精度的 需要， 毫米 波雷达 技术的 研究已 经开始。 90 年 代以 来毫米波雷达发生了 更新换代的 变革， 特别是在军事上的应用发展更为迅 速。 脉冲雷 达特别适应于军事应用的要求， 在过去几十年的雷 达技术的 发展中 取得很 大成果， 并在实际应用中占有统治 地位。 相比 之下， 连续波雷达由 于体制上的 特点使 得收 发隔 离难， 发射功率受限制， 测距范围难于做的很 大， 从而有关技术水平落后于 脉冲 雷达。 近年， 超大规模集成电 路、 固态微波和 毫米波器件的迅速发展， 使得调频 连续 波雷达的工程实 现变得容易。 同 时线性调频连续 波雷达成本低、 结构简单、 体 积 小、 重量 轻、 分辨力高、 不存在距离盲区和 适于短距离应用的特点， 也使得调频 连续 波体制雷达在军用和民用方面都受到了重视。 调频 连续波雷 达是通过调制一个连续波信号 而从雷达中获取距离信息的一 种技 术. 雷达中 使 用的频 率调制 有很多 种， 其中线性 调频体制是最为广泛应 用的， 当 使用 f f t 处理信 号时 它也是最为简单的， 线性调 频连续 波雷达成为调频连续 波体制雷 达的 硕士学位论文l 】 洲c w 毫米波雷达回波信号仿真及ag c电路设计 研究重点. lfmc w毫米 波雷 达结合了 毫米波全天候 工作、 不易受天气影响和线性 调 频体制的 优点， 在精确制导系统、汽车防撞系 统等领域都得到了 广泛应用。 l 4 论文的主要内容 本文主要是对 l f m c w 毫米波雷 达系统的回波信号 进行仿真， 章节内 容安 排如 下: 第一章绪论介绍了论文的工作背 景、 研究现状和 研究内 容。 第二章针对具体线性调频毫米 波探测系统， 简要介绍了 系统组成， 叙述了 调频体 制的原 理，分析了 接收机的 差频信号 频率 信息与目 标距离等信息的 关系，并给出 了 l f m c w毫米波雷达回 波信号仿真的 参数 指标。 第三章根据回波信号模拟的 相关理论， 研究了 回波信号的 几个重要模型， 主要包 括反映目 标回波信号强 度信息的目 标回波信号相关 模型及杂波、 噪 声的 相关 模型， 并 介绍了 这些模型如何进 行雷达信号 模拟的关 键仿真 技术。 第四章给出了 lfmc w 毫 米波雷达系统回 波信号 模型， 并且给出了 仿真结果。 本章还对杂波和噪声信号进行仿真，给出加入杂波和噪声的回波信号仿真。给出了 l f m c w毫米波雷达真实场景的回 波实测波形， 并与理论上的仿真结果进行比 较并验 证了 仿真的正确性和有 效性。 第五章主要完成了a g c电 路设计。根据仿 真的回 波信号特性，设计了 适合本系 统的a g c电 路。 通过增益控制电路达到固定 信号幅度输出，即 完成不同幅度的输 入 信号在经 过自 动 增益 控制放大器后， 幅度统一在同 一数值的 功能， 本 章设计并实现了 中 频信号的a g c 控制。 硕士学位论文l f mc w毫米波雷达回波信号仿真及ag c电路设计 z l f mc w 毫米波雷达系统原理及参数 2. 1 线性调频测距原理 若高频载波的频率随频率调制信号的 变换而变化我们称之为频率 调制。 线性调频 系统利用测定频率按频率调制信号的规律变化的发射信号和回 波信号之间的频率差 来确定目 标的 距离 速度信息。 由于 在电 磁波从雷达系统到目 标间往 返传播的 时间内， 发射信号的频率己发生变化， 于是 根据两者的 差频可以 测距。 对于运动目 标， 根据多 普勒效应， 还可以 求得目 标速度 信息。 本线性 调频连续波雷达采用 三角 波调制， 发 射信号为线性调频连续波信号， 其时 宽远远大于作 用距离所对应的回 波延时。 三角波线性调 频连续波利用差频傅里叶方式 在一个周期内就可 无模糊确定目 标 距离和速度， 处理简 单， 易 于实 现。 下面通过对三 角波调频信号时间 / 频率域分析来说明 线性调频测距的工作原理151 。 假 设“ 点目 标” 零 时 刻 离 雷 达 接 收 机 的 距离 为 凡， 以 恒 定 的 径 向 速 度v 靠 近 雷 达 接收机，则目 标距离可用下式表示 r (t)= 凡一 ，(2.1.1) 反 射 波 与 发 射 波 的 形 状 相同 ， 只 是 在 时 间 上 有 一 个 延 迟: (t ) ， : (t)与目 标距 离r 的关系可表示为 : ( t ) = 竺 1 旦 _ 丛 2口 c (2. 1 . 2 ) 式中 c 为光速。 硕士学位论文 l f mc w毫米波雷达回波信号仿真及a g c电路设计 无 黔一工又 一 气 尸 一t 吸 1 ) 图2. l i 发射 信号 和接受信号频率与 时间的 关系 本文调频雷达系统采用三角波信号作为其调制信号， 发射信号与接收信号的频率 变化如图2 . 1 1 所示。发射信号与反射信号的频率差值即为混频输出的差频信号频率 丫( 不 考 率多 普 勒 频 率 ， 则丫= 厂= 厂) ， 如 图2. 1 . 1 助. 根 据 三角 关系 ， 由 图2 .1 .1 (a) 可以 得出 其差频信号幅值丫为: f=产 1 ( ) =zb _， ， 、了 ， ，= t、 产 二 里 一 r t c (2. 1 . 3) 其 中t 为 调 制 三 角 波周 期， b 为 调 频 带 宽， 产 = 脚r 为 调 频 斜 率 。 所以 ， 测 得 差 频丫即 可以计算出距离r。 若 考 虑 多 普 勒 频 率 16 儿， 则 . 厂= 产 : (t)一 几 广二 产 : (t)十 儿 ( 2 . 1 .4) (2. 1 . 5 ) 其 中 ， 厂 为 正 扫 频 差 频， 厂为 负 扫 频 差 频 ， 儿为目 标 多 普 勒 频 率 。 儿可由 式 (2.1 .6) 求得。 ; = 2 ， /， 一 、 警 (2. 1 6 ) 硕 士学 位 论 文l f mc w毫米波雷达回波信号仿真及ag c电路设计 由 式(2 . 1 .4) 和式 (21 5) 可以 解出回 波延时 及多普勒 频率， 从而求出目 标的距离和 速度。 : (t) = (x+ 万 脚 (2. 1 . 乃 儿 一 ( 厂 一 君 )/z (2. 1 . 8 ) 所以求得: r ( ) = ( 厂 + 广 ) tc /8 b (2 1 . 9) ， = 玉= 2 f0 。 (厂一 厂 ) 锐 (2 . 1 . 1 0) 从 式 (2.1 .9) 和 式 (2 .1 .1 0) 可 看 出 ， 距 离r (t ) 和 速 度， 都 与 差 频 信号 频 率厂及厂有 关，为得到差频信号的频率特性，必须通过频谱分析，通常利用 f f t进行频谱分析 得到上下扫频。 2 2 线性调频探测系统组成及参数 2 :2线性调频探测系统组成 根据 目 前国内的元器件水平和技术条件， 在能够满足毫米波探测系统技术指标的 前提 下， 本系统采用宽带线性调频探测体 制方案。 该系统工作于s mm 波段， 依靠天 线测量目标的散射特性获取目标信息和距离信息。 线性调频连续波雷达具有低截获特 性， 在距离速度模糊方面与普通的 脉冲雷 达相比 具有较大优势。 对于调 频体制， 利用 在时间 上改变发射信号的频率并与接收 信号频率进行处理不仅能 测定目 标距离， 而且 能够精确测量目标径向速度， 所以线性调频探测系统实现了毫米波雷达的主动探测功 能。 调频体制为满足作用距离的要求需要较大的平均功率，增加了 v c o ( 物抽g e 一 c 。 “ 汀 。 1 1ed o sciu at o r ) 的工程制作 难度; 但也可通过 增加调 频频偏来实现高分 辨率，即 通过增加v c o的线性控制范围来 增加距离分辨因子，并 采用窄带滤波技术 提高 输出 信噪比， 抑制地杂波的 影响， 提高了 测距测速精度。 硕士学位论文 l f mcw毫米波雷达回波信号仿真及 a g 电路设计 3 雷达回 波信号模拟理论 1 1 雷达目 标模型 雷 达 方 程 是 描 述 影响 雷 达 性 能 诸 多 因 素 的 重 要 方 式。 若 设 雷 达发 射 功 率为 月 ， 雷 达 发 射天 线 的 增益 为q， 接收 天 线 增 益为g.，目 标雷 达 散 射 截 面 积 ( rcs) 为占 ， 一 种 给出 雷 达 接 收 到 的回 波 功 率君 的 雷 达 方 程 7司 形 式为 : p. =尸 心 心 r 又 ，对月 ， 占 ( 4 二 丫 及 乙 (3. 1 . 1) 其中l 为自 由 空间中 存在的 各种传播增益和损耗因子， 常见的 如吸收、 绕射、阻挡、 折 射 和多 径 等;月 为从 发 射 天 线 到目 标 的 方 向 图 传 播 因 子 ;凡为 从目 标 到 接收 天线 的 方 向 图 传 播 因 子. 由 式 (3 .1 .1) 可以 看出 ， 接 收 的 回 波功 率 君 与目 标 距 离r 的 四 次 方 成反比。 已知 式3. 1 . 1 ，将其改写成时间的函数，则 接收回 波的 瞬时功率为: pr(t ) 一 帅一 r (t)1 旦 李 浑 葬 一孕 一t 4 汀 ) 一 r l (3. 1 . 2) 当 发射 和接 收天线 相同 时 ， 可以 认为g 心 r = 口， 刃尸= 尸 . 将g 和f 代入式 (3 . 1 . 2) ，得到 令 ; () = : t 一 : (t )1李 澳 华 尽 一 t 4 ” ) 一 r 石 ( 3 . 1 . 3 ) 又 2 1 百 不 币 呀 下 二 r=vct七 x p 气 j 尹少 g. fz(3. 1 . 4) 其中k 称为 散射体的距离电 压系数19 :称为目标的复反射系数，用以 描述目 标反射特性的 振幅 和相位。 为了 表示方便， 我们在目 标雷达回 波信号仿真中忽 略 天 线 受 方 向 图 调 制 而令 g = g 尸， 则 距 离电 压 系 数 可 化 简 为 护 了 人 = 1不不石 厂 。 ( 3 . 1 . 5 ) 目 标的距离电 压系数 受目 标雷达散射截面积、 天线增 益、 距离及传播衰减因子的 影响， 目 标的多 普勒频率同目 标与 雷达的 位置和相对速度 有关， 目 标的延 迟时间与距 离有关. 因 此， 要全面准确的模拟目 标回 波， 需要分别建立目 标 截面积起伏模型、目 硕士学位论文 l 门 m c w毫米波雷达回波信号仿真及a g c电 路设计 (2 )曲 线运动 圆周运动是曲线运动的特例， 由 它可以 得到一般曲 线运动的模型。 设圆周运动目 标某时刻的 速度为v ， 运动方向为圆周的切线方向， 则目 标沿圆周半径指向圆心的法 向 加速度云 。 大小为 气= v z /r(3. 1 . 24) r 为圆周半径。对v 求时间倒数得到其切向加速度的大小为 a，= d y/ 公 切向加速度的方向是目 标所在位置的圆周切线方向。 加速 度云 可以由 切向 速度 和法相 速度 矢量合 成得到为 (3. 1 .2 5 ) 因此，目标的作圆周运动的 口=口.+口t (3. 1 .2 6 ) 要描述目 标在空间作圆周运动，还需要建立平面方程以 确定圆周轨迹所在平面。 因此， 根据目 标运动速率、 运动半径以 及圆周运动所在的平面方程就可以 建立目 标圆 周 运 动 的 数 学 模 型 113 . 由高等数学理论可知区线上任一无限小线元可以用无限小圆弧代替， 无限小圆弧 所在的圆称为曲率圆， 其圆心称为曲 率中心， 其半径称为曲率半径。 因此理论上可以 用圆周运动合成任何复杂的曲线运动. 简单的方案是用匀加速直线运动模拟目 标直线飞行， 用水平向心加速度运动模拟 目 标水平机动。 更为逼真地目 标运动模型需要目 标在空间飞行的运动参数。 采用以 雷 达为中 心的地平直角坐标，正北方为x轴，正东方为y轴， 2轴指向 天顶。对于直 线 运 动 ， 若 己 知 目 标 起 始 位 置 (x0 ，yo ，20) ， 目 标 到 达 位 置 (x， y， 力 ， 初 始 速 度 司 ， 加 速 度 司 ， 可 以 建 立 目 标 运 动 轨 迹 如 下 式 二 = 、 + 。 + 合 、 tz ， = 、 + 。 + 合 、 : = 、 + 。 十 告 、 (31 . 2 乃 其 中 ( k ，称 ，叼， (ax ，ay ，叼定 义 如 下 : 硕士学位论文l f m c w毫米波雷达回波信号仿真及人 6 c电路设计 cos 夕 cos a cos 夕 sina sin 刀 (3. 1 . 2 8 ) = k称k f皿se.esl 闻闻冈巨阵阶 气 = 丐= 久 = 夕 。 。 5 “ cos 刀 s ina(3. 1 . 2 9 ) sin 夕 在雷达应用中， 测定目 标坐标常用极坐标系统，目 标的位置可用斜距r， 俯仰角 声 ， 方位角“ 来表示。 若假设 在以 雷达为原点 的 坐 标系里，目 标现在的 位置 矢量 丽(x， y ， 2) 和 速 度 矢 量 歹 = ( k ， 称 ， k ) 图3. 1 .s 目 标位置示意图 进行坐标转换可得: 寸 x ， + (3. 1 . 3 0 ) 一一一- r刀口 r.rl.21.1 = ar cs】 n 可以 推出 速度矢量歹 和空间 矢量瓦 丽的夹角余弦为 c o s o= k x + 气 y + k z vx ， + 称 ， + k ， 了 x ， + y ， + 2 ， (3. 1 .3 1 ) 速度 矢 量歹 在空间 矢 量石 五 歹 方向 上的 投影 就 是引 起目 标多 普勒 频 移的目 标 相对 l 7 硕士学位论文l f mc w毫米波雷达回波信号仿真及人 g c电 路设计 于雷达的径向速度v ，即 ， = ivl co ， “ ” k 城 + 称 从 + k 城 (3. 1 .3 2 ) 3. 2 雷达杂波和噪声模型 3. 2. 1雷达的杂波模型 在雷达回波环境中， 主要的散射体有目 标和杂波 ( 杂波可统称为被动散射体) 两 类. 杂波是指当雷达探测位于陆地或海面时， 雷达接收的除感兴趣的目 标以外的其它 物体的雷达散射回波， 它会干扰雷达的正常工作， 对雷达的检测性能有重要影响， 所 以杂波成为雷达回波中不可忽视的一部分。雷达回波信号仿真的研究是基于实际应 用， 真实模拟回 波信号是研究中首当 其冲的问 题， 杂波仿真是雷达回 波的 组成部分也 成为雷达仿真中不可缺少的重要一环。 不管用什么模型来描述地面状态， 事实上信号是从不在同一平面上的各部分反射 回来的。 当 雷达照射某一块地面时， 这块地面的总回波等于从各散射中 心所接收到各 回波矢量的叠加。 不同的散射体由于速度矢量和散射体方向 之间的夹角不同， 使得每 一个散射体具有不同的多普勒频率。 我们假定位置是随机的， 每个杂波单元的幅度和 相位都是随机的，则地杂波信号的产生是一个随机过程。 杂波的产生机理复杂， 受诸多因素影响，包括雷达本身的工作状态 ( 如入射角、 发射频率、极化、 分辨率等)以 及背景情况 ( 如地面植被情况、 地面粗糙度、风速、 风向等) 。完整的描述一个随机过程是很困难的，在实际情况中，一般突出一部分重 点 特征， 如杂波的 后向 散 射系数、 幅 度分布 11 4-1 习 和相 关特性 或功率谱 特性。 (l ) 杂波幅度分布模型 对于低分辨率雷达， 散射单元由 大量统计独立的小散射体组成， 而且没有一个散 射 体 占 主 导 地 位 时 ， 其 合 成 杂 波的 统 计 特 性 与 热 噪 声 一 致， 包 络 可 用釉y le igh分 布 【旧 来描述: ， (x)= 伽一 封 。 (3. 2 . 1 ) 其中b 是 瑞利参 数也即 杂波的 标准差 ( 或均方差) ，夕表示 杂 波功率。 瑞利分布与 每 个散 射体的振幅分布无关， 适用于散射体的数目 足够多， 并且所有散射体中没有一个 起主导作用的环境。 图3 一2 . 1 给出了 不同的瑞利参数b 条件下， 瑞利分布的概率密度 曲线。 硕士学位论文l 日 阴 c w毫米波雷达回波信号仿真及人 c (电 路设计 1412， 日642 000u p 犷一一一催一一全一一一炭黔 图3 . 2. 1 瑞利分布的概率密度曲线 上述模型适用于低分辨率雷达以 较大的入射角对成片的沙漠、 戈壁等均匀地表和 低海海面进行观测时的情形。 当散射单元存在偶然的强散射体时， 则地面杂波的总体统计特性必定是非瑞利型 的 。 这 种 情 况 下， 对 数正 态 分 布 和 韦 伯 尔 ( wei b u l l ) 分 布 117 一15 获 得广 泛 应 用。 幅度概率密度函数为对数正态分布的杂波称为对数正态分布， 它的概率密度函数 可表示如下: lr ( 、 x 一 ， ) ， 1 jt x ) = 万 =- e x p l 一 一 -二- 丁 - -! v z 军 叮l盯一 x0 (3.2 .2 ) 其中 ， 口 为 对 数 正 态分 布的 标 准 差( 尹正 态 分 布的 方 差) ， 产 对数 正 态 分 布 均