（测试计量技术及仪器专业论文）lfmcw雷达料位仪测距原理研究及应用.pdf

摘要 测距是雷达的基本功能，高精度测距，特别是近程高精度测距是雷达的重要民用领域。 线性调频连续波( l f m c w ) 雷达是一种通过对连续波进行频率调制来获得距离与速度信 息的雷达体制系统。线性调频连续波雷达由于具有无距离盲区、高分辨率、低发射功率等 方面的优点，近年来受到广泛关注，其理论、关键技术和应用得到迅速发展。本文基于这 一应用对高精度l f m c w 测距雷达及其信号处理进行了理论分析和工程实践。 本文首先介绍了l f m c w 雷达技术的优缺点和当前在各个领域的应用情况，分析了 线性调频连续波雷达系统构成。引入经典雷达测距方程，从原理上研究采用不同类型的调 制信号去调制雷达发射波的效果和用途。主要研究了线性调频连续波雷达的相关测距算 法，包括影响l f m c w 雷达测距精度的因素，雷达发射波线性度和模糊函数对于测距精 度的影响和意义，以及提高频率分辨率的办法。 文章重点研究了雷达料位仪发射源硬件部分的实现，分析雷达发射源v c o 压控振荡 器、隔离器、环行器、混频器、天线等器件的工作原理，确定硬件性能指标。在电路部分， 主要研究了信号发生电路、温度补偿电路、滤波网络的设计与实现，分析了料位仪信号处 理模块的工作原理和流程。 最后，设计了雷达料位仪系统调试实验，在模拟现场进行微波差频信号稳定性和测量 距离精度的实验，验证了样机的工作稳定性和准确性。 本文的主要工作有： l 、研究线性调频连续波雷达的测距原理和提高精度的算法。 2 、根据测距原理和实际需求，提出系统设计方案，仿真雷达收发系统工作过程。 3 、利用相关仪器调试雷达发射源硬件组成，提出实际需要的性能指标。 4 、设计、调试硬件电路板。 5 、设计仪器形状结构，调试料位仪硬件系统，现场实验样机效果。 蓑箍两。l f m c w 雷达，料位测量，差频信号，微波源 s t u d ya n da p p l i c a t i o no nr a n g i n gp r i n c i p l eo f l f m c wr a d a rm a t e r i a ll e v e lm e 姗e m e mi n s t r u m e n t a b s t r a c t r a n g i n gi st h em o s te s s e n t i a lf u n c t i o no fr a d a r h i g h - p r e c i s i o nr a n g i n g ，e s p e c i a l l yt h e s h o r tr a n g e ，i sa l li m p o r t a n ta p p l i c a t i o nf i e l do fc i v i lr a d a r t h er a d a ru s i n gl f m c w ( l i n e a r f r e q u e n c ym o d u l a t i o n c o n t i n u o u sw a v e ) t e c h n o l o g yi s ac o m p r e h e n s i v es y s t e mw h i c h a c q u i r e si n f o r m a t i o no fd i s t a n c ea n dv e l o e i t yt h r o u g hf r e q u e n c ym o d u l a t i o n b e c a u s eo ft h e a d v a n t a g e so f n or a n g eb l i n da r e a , h i g hr a n g er e s o l u t i o n ，l o ws i g n a lp o w e ra n ds i m p l es t r u c t u r e ， l f m c wr a d a rh a sa t t r a c t e dm o r ea n dm o r ea t t e n t i o nr e c e n t l y n l et h e o r i e s k e yt e c h n o l o g i e s a n da p p l i c a t i o n sd e v e l o pr a p i d l y f i r s t l y , t h i sp a p e ri n t r o d u c e sm e r i t sa n dd e m e r i t so fl f m c wr a d a rt e c h n o l o g i e sa n di t s a p p l i c a t i o n si na 1 1f i e l d s a n a l y z e st h em a k eu po fr a d a rs y s t e m t h r o u g ht h ec l a s s i c a lr a d a r r a n g i n ge q u a t i o n ，t h ee f f e c ta n da p p l i c a t i o no fr a d a rt r a n s m i t t i n gw a v em o d u l a t e db yd i f f e r e n t t y p e so fm o d u l a t i o ns i g n a l sa r ea n a l y z e d t h er e l a t i v er a n g i n gr e s o l u t i o na r i t h m e t i co fl f m c w r a d a ra r es t u d i e d ，i n c l u d i n gt h ep r e c i s i o ni n f l u e n c ef a c t o r s ，s i g n i f i c a n c ea n dp u r p o s eo f s t u d y i n g t r a n s m i t t i n gw a v el i n e a r i t ya n da m b i g u i t yf u n c t i o n t o r a n g i n gr e s o l u t i o n ，a n dw a y s o f i m p r o v i n gf r e q u e n c yr e s o l v i n gp o w e r t h i sp a p e rm a i n l ys t u d i e st h eh a r d w a r e c o m p o n e n t sw o r k i n gp r i n c i p l e s o fr a d a r t r a n s m i t t i n gs o u r c ei nt h ei n s t r u m e n t ，i n c l u d i n gv o l t a g ec o n t r o l l e do s c i l l a t o r , i s o l a t o r , c i r c u l a t o r , m i x e r , a e r i a l s t h eh a r d w a r ep a r a m e t e r sa l ed e t e r m i n e d t ne l e c t r i c a lc i r c u i tu n i t , t h o s ea r e s t u d i e di n c l u d i n gs i g n a lg e n e r a t o rc i r c u i t ，t e m p e r a t u r ec o m p e n s a t i o nc i r c u i ta n df i l t e rn e t w o r k t h ew o r k i n gp r i n c i p l e sa n df l o w c h a r to f s i g n a lp r o c e s s i n gm o d u l ea r ei l l u s t r a t e da sw e l l f i n a l l y , t h ea d j u s t m e n te x p e r i m e n to f r a d a rm a t e r i a ll e v e lm e a s u r e m e n ti n s t r u m e n ts y s t e m i s d e v i s e d t h r o u g ht h ee x p e r i m e n t o fm i c r o w a v eb e a ts i g n a l s s t a b i l i t y a n dd i s t a n c e m e a s u r e m e n tr e s o l u t i o ni ns i m u l a t i o nw o r k i n gf i e l d ，t h es t a b i l i t ya n dr e s o l u t i o no f t h es p e c i m e n i n s t r u m e n ta r et e s t e d t h em a i nr e s e a r c hw o r ka n dr e s u l t sc a nb es u m m a r i z e da sf o l l o w s ： 1 r a n g i n gp r i n c i p l ea n da r i t h m e t i co fi m p r o v i n gm e a s u r e m e n tr e s o l u t i o no fl f m c w r a d a r 勰s t u d i e d 2 a c c o m p l i s h i n gs y s t e md e s i g no ft h em a t e r i a ll e v e lm e a s u r e m e n ti n s t r u m e n t , a n dt h e s e l e c t i o na n dc o m p u t a t i o no f k e yp a r a m e t e r 3 。a d j u s t m gt h eh a r d w a r ec o m p o n e n t so ft h e 船d a rt r a n s m i t t i n ga n dr e c e i v i n gu n i t sw i 血 t h er e l a t i v ei n s l a t n n e n t s ，p r o v i d i n gt h ew o r k i n gp a r a m e t e r si np r a c t i c e 4 a c c o m p l i s h i n ga n dd e b u g g i n gt h eh a r d w a r ee l e c t r i c a lc i r c u i tb o a r d 5 d e s i g n i n gt h es h a p ea n ds t r u c t u r eo ft h ei n s m m a e n t , d e b u g g i n gt h eh a r d w a r es y s t e m , 瑚酗砒i n gt h em e a s u r e m e n te f f e c to f t h es p e c i m e ni n s t r u m e n ti nt h ew o r k i n gf i e l d 脚毗：l f m c w ( l i n e a rf r e q u e n c ym o d u l a t i o nc o n t i n u o u sw a v e ) r a d a r , m a t e r i a ll e v e l m c a s a r c m e n t ，b e a ts i g n a l ，m i c r o w a v es o u r c e 本学位论文知识产权声明 本学位论文是在导师( 指导小组) 的指导下，由本人独立完成。 文中所引用他人的研究成果均已注明出处。对本论文研究有所帮助的 人士在致谢中均已说明。 基于本学位论文研究所获得的研究成果的知识产权属于南京林 业大学。对本学位论文，南京林业大学有权进行交流、公开和使用。 研究生签名：易立$ 导师签名：砑牟泡 日期：2 占，孑 致谢 时光荏苒，白驹过隙，我的硕士研究生学习生涯即将画上句号盘点过去 的日日夜夜，深深感受到，在学习，科研。生活等各个方面，自己的每一次进 步，每一份收获，无不包含着老师们、同学们和朋友们的热心帮助和无私支持 在这里，我要向所有帮助过、关心过我的人们致以诚挚的谢意! 感谢我的导师封维忠副教授从论文选题、总体设计到研究工作的每个阶 段，封老师都给予我悉心指导，无私帮助论文的顺利完成，凝聚着封老师的 辛勤汗水更为重要的是，封老师教会我求学的态度：要脚踏实地，敢于求索； 更为重要的是，封老师教会我做人的道理：要胸襟广阔，宽厚淳朴；更为重要 的是，封老师教会我干事的方法：要公道正派，事必躬行在此，向我的导师 表示最崇高的谢意! 感谢学校科技处余光辉处长对我学习上的谆谆教诲，对我工作上的殷切希 望、对我生活上的关怀备至感谢信息学院刘云飞院长对我学业上的指导帮助 感谢电子十四所专家委员会董士嘉研究员的技术指导帮助感谢南京康迪欣电 子电器有限责任公司总经理应万银，经理应杰提供项目来源和实验支持 感谢实验室与我朝夕相处的同学滕辉，宋换荣、王伟军、殷冬萌、周昀、王玉红、 缪为国、马丈杰、蔡芳芳，袁哲，大家起学习、起实践，起娱乐、营造了和谐 。的氛围，结下了良好的友谊，留下了美好的回忆 最后，将这篇论文献给我亲爱的家人和女友杨晓华正是他们的默默支持 与鼓励，我才有不断攀登的勇气，才有克服困难的底气、才有执着求索的意气， 在知识经济、竞争激烈的时代浪潮中，迎接挑战、顺利前行! 作者：至壅耋 - 0 0 七年六月 第一章绪论 测距是雷达的基本功能，高精度测距，特别是近程高精度测距是雷达的重要民用领域 线性调频连续波( l f m c w ，l i n e a rf r e q u e n c ym o d u l a t e dc o n t i n u o u sw a v e ) 雷达是一种通过 对连续波进行频率调制来获得距离与速度信息的雷达体制系统雷达料位仪，采用 l f m c w 技术，是在无接触情况下，实现对被测原料库料位、液面等参数计量的仪器，该 设备广泛应用于电力、钢铁、化工、水泥、煤炭、冶金、建材、矿山、港口码头、粮食仓 库等各类需要物料测量的行业【5 2 】该仪器主要使用于被测料面相对静止或缓慢变化的大、 中型仓库中，既能实现固体料面测量，亦可实现液体料面测量；既可单台使用，也可组网 使用，适应恶劣多变的工作环境，具有重要的理论研究意义和广阔的市场经济前景。 1 1 课题背景及国内外研究现状 雷达( r a d a r ) 是英文r a d i od e t e c t i o na n dr a n g i n g ( 无线电探测和定位) 的缩写音 译，是第二次世界大战期间同盟国( 主要是英国) 开发的新技术，它在粉碎纳粹德国对英 国的空袭中起着极其重要的作用【l j 。二十世纪五十年代后，雷达研究技术不断发展，许多 国家都在从事l f m c w 雷达测距这方面的研究，并且己经突破了大部分关键技术，研制出 一些l f m c w 体制的雷达整机。如美国在己有的a n s p g - - 5 1 舰载火控雷达上，加装了一 部连续波截获及跟踪( c w a t - - - c o n t i n u o u sw a v e a c q u i s i t i o na n dt r a c k i n g ) 雷达，可精确控制 火炮或导弹对空中目标实施打击。南非研制的t r a q 弹道分析雷达，又称。寂静雷达”， 是一部工作于1 0 3 1 0 6 g h z 的线性调频连续波雷达，可测量5 5 6 m m 以上口径弹丸的弹道。 荷兰信号公司更是开发出了一系列l f m c w 雷达，包括g bs c o u t 雷达，发射源工作范围 是8 1 0 g h z ，该雷达对行进中人员的检测距离为1 0 k i n ，对吉普车的检测距离为1 7 k m ，对 大型车辆的检测距离为2 5 k m t 5 u j l f m c w 体制的雷达发展至今，取得了大量的研究成果，并己经基本形成了一套理论 及技术体系。自从苏联学者曼捷列施塔姆和巴巴列克西首先在无线电高度表上应用了调频 法之后，调频测距得到了广泛的应用。l f m c w 雷达高度表最早只是用于测量飞机的高度， 后来随着测高精度的提高其应用范围不断扩大捧】。八十年代中期，荷兰的l p l i g h t h a r t 等 人在用l f m c w 雷达进行气象观测的实验中，对l f m c w 信号的模糊函数、分辨率、接 收机灵敏度等进行了初步分析；与此同时，美国的r b c h a d w i c k 等人在美国空军的资助 下，对l f m c w 雷达中的旁瓣效应和距离速度耦合引起的距离串扰问题进行了研究1 5 】 对于测距雷达，从不同方面的资料分析，各种l f m c w 体制测距雷达的基本原理可 以基本归结为：采用某种方式对连续波载频信号进行调制，并将其同时作为发射和本振信 号，雷达接收到居标回波后，首先进行混频、滤波及放大，之后对其作频域分析，利用回 波的频移与时延的对应关系得出目标的距离，各雷达间的不同之处主要在于发射信号的调 制方式，以及相应信号处理方法的不同。在雷达应用理论研究方面，上世纪八、九十年代 至本世纪初，电子科技大学杨建宇教授、汪学刚教授等对l f m c w 雷达的模糊函数、接 收机性能、等效正交双通道等理论问题以及高线性度、大时带积l f m c w 信号产生，距 离分段处理技术，线性度测试等关键技术做了深入研究 雷达测距技术作为无线测量的重要手段之一，在工业生产领域中广泛应用。在国际上， 2 0 0 0 年俄罗斯、乌克兰两国联合开发的冶金过程雷达料位仪控制系统，在国际上处于领 先水平，并广泛应用于冶金、化学、矿山开采、食品工业、动力及其他一些国民经济部门， 在生产过程控制、能源统计平衡、环境生态检测等应用过程中取得成功【2 。丌。其中用于高 粉尘条件下的料位测量仪器，适用测距l r 3 0 m ，雷达波长约为8 m m ，频率为3 7 g h z ，可以有效 排除颗粒粉尘影响，还能降低雷达波在潮湿空气中的衰减。1 9 9 8 年，德国采用雷达监视仪 监测并控制钢水液面，有效地预测和防止了喷溅事故的发生，防止了钢水外溢，实现了真空 吹氧过程的动态控制。西门子公司的s i t r a n sl r4 0 0 型高功率、微波( 2 4 g h z ) 、高性能微 波雷达仪表，用于测量长量程( 4 5 m ) 固体料位，具有较强穿透粉尘的能力，成为测量水泥、 面粉、飞灰和其他粉末介质的理想选择【3 7 1 。 在国内测距仪器市场上，有北京北方大河仪器仪表有限公司，上海虹仪仪器仪表有限 公司等测控公司都设计生产了雷达料位仪，测量距离普遍在5 米o 米之间，精度l 厘米 左右，能够工作于复杂多变的工作环境。美国安捷伦( a g i l e n t ) 生产的雷达料位仪，结 构简单小巧，适合于测量不同介质的料面，占有一定的市场份额。 1 2 雷达技术及l f m c w 技术的发展情况 1 2 1常见无线测距方式选择 在当代科技研究应用领域中，测距方法主要集中在超声波测距、雷达测距、图像测 距和激光测距四类i ”j 。 l 、超声波测距超声波是指振动频率在2 0 k h z 以上的机械波超声波测距就是利用 其反射特性来工作的。超声波测距仪原理简单，制作方便，成本比较低其缺陷也同样明 显，主要有两个方面的原因：一是超声波的速度受外界环境影响变化而有较大衰减。在不 同的温度下，声速是不同的，难以满足复杂多变的现场条件二是由于超声波能量与距离 的平方成正比进行衰减，从而使得超声波测距方式只适用于较短距离。目前国内外一般的 超声波测距仪理想测量距离仅为4 米5 米左右。 2 、雷达测距。雷达是通过接收目标的反射电磁波来发现目标并测定其位置的。雷达 的工作频率范围从3 m h z 到3 0 0 g h z ，其对应波长为1 0 0 m 到l m m 。作为工程测距雷达， 一般选用8 g h z 、1 0 g h 、2 0 g h z 波段，其对应波长为厘米级，故称厘米波雷达。使用厘 米波作为长距离传感器，具有探测性能稳定，测量精度高和适应性能好的特点。 3 、图像测距。使用电荷耦合器件c c d ( c h a r g ec o u p l e dd e v i c e ) 进行摄像。c c d 传感 器是一种用来模拟人眼的光电探测器，它具有尺寸小、质量轻、功耗小、噪声低、动态范 围大、计量准确、线性扫描输出的光电信号有利于后续信号处理等优良特性，但目前价格 较高，同时由于受软件和硬件的制约，成像速度较慢。随着计算机软硬件性能的提高，最 终将得到广泛应用。 4 、激光测距。激光测距采用光子雷达系统，它具有测量时间短、量程大、精度高等 优点，在许多领域尤其军事领域得到了广泛应用。由于激光雷达测距仪的体积受到一定限 制，同时还要考虑省电、低价、对人眼安全等因素，这些决定了其光源只能采用半导体激 光器，目前，已处于实用阶段的成像式激光雷达还在进一步研究之中。 综上所述，雷达测距技术成熟、测量准确，具有最优的性价比。 本文研究的雷达中心频率约为9 8 g h z ，根据电气和电子工程师协会( m e e ) 给出的雷 达界唯一频段标识【4 2 】，研究范围属于s h f ( 超高频) 频率段( 3 - 3 0 g h z ) ，或称x 波段 ( 8 1 2 5 g h z ) ，亦称为厘米波( 3 3 0 g h z ) 该波段是军用武器控制( 跟踪) 雷达和民用 雷达的常用频段，工作于该波段的雷达尺寸适宜，适合于重量轻、注重机动性，而非远距 离的场合 1 2 2l f m c w 雷达的主要特性 连续波( c w ) 雷达是一种历史悠久、简单实用、性能优良的雷达工作体制。连续波 雷达发射信号的时宽通常远远大于最大作用距离所对应的目标回波时延，所以连续波雷达 的发射信号与最大回波时延相比，是一个“连续波”信号。连续波大致分为两种，简单未 调制连续波和调制连续波。线性调频连续波( l f m c w ) 雷达属于调制连续波，是一种通 过对连续波进行频率调制来获得距离与速度信息的雷达体制，其发射信号在一个调频周期 内线性变化，调频周期或时宽远远大于最大作用距离对应的回波延时。 线性调频连续波( l f m c w ) 雷达的主要优点有【i 6 】： 1 、发射机功率较低，接收机灵敏度较高 l f m c w 雷达采用的是超大时带积信号，在同等距离分辨力的条件下，l f m c w 信 号的发射机功率比脉冲雷达低得多，接收机灵敏度比具有相同带宽的脉冲雷达高得多。这 个特点使l f m c w 雷达在工程实现中容易获得给定作用距离所需要的信号能量，并容易 实现低截获概率，所以l f m c w + 雷达具有比脉冲雷达更好的反隐身、抗背景杂波和抗干 扰能力。 2 、不存在距离盲区 线性调频连续波雷达比许多脉冲雷达更能检测近距离目标。线性调频连续波雷达发射 信号时宽远远大于目标回波延时，而且发射机与接收机是同时工作的，所以从理论上讲， 线性调频连续波雷达不存在距离盲区对于极近距离( 数十米内) 目标( 例如地雷、埋地 管道、地下建筑) 的探测来说，具有重要的工程应用价值 3 、频率测量可以使用快速傅立叶变换( f a s tf o u r i e rt r a n s f o r m ，f f t ) 完成【删 用于从差频信号中恢复距离信息的f f t 处理器，比使用脉冲压缩等其他形式所要求 的类似相关处理器要简单的多目标距离正比于差拍频率的规律表明，采用h 叮处理距 离单元的数量，可以通过简单滤波得到限制，将带宽减少到仅覆盖那些感兴趣的距离频率， 因此可以大大的降低数字处理器的复杂性 4 、保密性高，不易截获 l f m c w 信号1 0 0 的占空比因子意味着发射能量是在整个持续时间z 和频扫的整 个带宽v 上扩散出去的，但是拍频能量集中l r , 的等效带宽内，所以雷达得益于等于 霉y 乘积的处理增益，z 可是线性调频波形“时间与带宽”的乘积。这种处理增益的 巨大潜力及发射能量在整个带宽上扩散的事实，意味着这种体制的雷达系统很难用一般的 截获接收机来探测。 5 、优良的距离分辨率 线性调频信号的f - v 调制曲线决定该系统距离分辨率，因此l f m c w 雷达具有很高 的距离分辨率，并且使l f m c w 雷达可以很方便地改变距离分辨率。 6 、结构简单 l f m c w 雷达工作电压较低，避免了大功率、高电压器件的使用。另外信号处理相 对简单，可以使射频部分结构简化，从而使整个雷达系统比较简单。 由于l f m c w 雷达的上述优点，线性调频波技术得到了广泛的应用。l f m c w 雷达 早期主要用于一些特殊应用系统，如雷达高度表悯。l f m c w 雷达高度表只是用来测量 飞机的高度，后来随着测高精度的提高其应用范围扩大到投弹控制、低空导航、地形回避、 自动着陆及自动滑翔等方面l f m c w 雷达的一个主要应用领域是汽车防撞系统f 1 3 1 1 2 9 1 。 作为公路智能交通系统的一个重要组成部分，自主式智能行驶控制( a i c c ) 系统将在保 障公路交通安全中起重要作用。l f m c w 也在汽车防抱死系统( a b s ) 中用来测量对地 绝对速度【3 6 1 。l f m c w 雷达也被用于海面波浪参数及风向风速的测量【1 6 f i t s ，l f m c w 制 式雷达适合用于海面状态遥感，可以同时获得满意的距离和速度分辨率。总之，线性调频 连续波雷达以其独特的优点，在导弹精密制导、雷达截面积测量和目标特性研究、工业控 制、环境遥感、机载导航设备、交通管治和气象观测等众多方面发挥着越来越重要的作用。 l f m c w 雷达具有上述优点的同时，也存在一些缺点，主要表现在两个方面【7 】： l 、发射机功率泄漏问题 l f m c w 雷达发射机和接收机是同时工作的，当要求的作用距离增大时，所需的信 号功率也随之增大，发射机泄漏到接收机的功率也增加，影响到接收机的正常工作，所以 l f m c w 雷达的作用距离通常比较小限制l f m c w 雷达作用距离的另一个主要原因， 是接收机信号处理设备的规模和实时性问题。因为，当作用距离增大时，在分辨率一定的 条件下，采样点数将呈线性增长，在数字处理结构中，d f t 处理运算量按快于线性的规 律增长，所需的存储量也大大增加因此，数字信号处理技术的发展水平也限制了 l f m c w 雷达的作用距离 2 、距离一速度耦合问题 l f m c w 雷达采用的是超大时带积的线性调频信号，根据雷达信号模糊函数理论， 它必然存在距离与速度的耦合问题，这不仅导致系统的实际分辨能力下降，而且引起运动 目标测距误差。 1 3 课题研究设计目标 综上所述，本文研究的料位仪产品采用l f m c w 雷达技术，注重借鉴国内外同类产 品的优点，适应当前测距仪产品多功能、高精度、强抗干扰、易操作、小型化的基本发展 趋势，设计中主要突出了以下四个特点： 1 、非接触式连续自动测量。 2 、可测量固体、液体、糊状物等不同介质，适用高温、高粉尘浓度等恶劣环境。 3 、信号处理软件稳定、高效，测距远、精度高，测量结果即时刷新显示。 4 、备有r s 2 3 2 接1 ：3 ，能够多台群测、联网使用，便于设置参数，使用简易。 4 与国内同等产品相比，具有工作性能稳定，维护工作量小、测量精度高、便于操作控 制等特点：与国外同类产品相比，具有价格合理、使用方便、性价比较高的特点，从而满 足了厂家对该产品求质量、求性能、比价格的需求，具有广阔的市场前景，按照计划设计 生产后，能够有效满足实际生产的需要在此基础上，利用雷达测距的核心技术，可以广 泛应用于汽车防撞雷达、高速公路测速设计、资源勘探开发等众多领域，具有广泛的应用 价值。 1 4 本文主要工作和内容 l 、研究雷达料位仪系统的工作原理和技术难点 ( 1 ) 研究线性调频连续波雷达的测距原理和算法。 ( 2 ) 根据测距原理和实际需求，提出系统设计方案，仿真雷达收发系统工作过程。 ( 3 ) 采用不同调制频率信号进行混频仿真，研究频率与距离之间的对应关系。 2 、设计料位仪样机 ( 1 ) 利用相关仪器调试雷达发射源的组成硬件，提出实际需要的性能指标。 ( 2 ) 设计、调试硬件电路板。 ( 3 ) 设计仪器形状结构，调试料位仪硬件系统，现场实验样机效果。 第二章线性调频连续波雷达系统分析设计 2 1 雷达系统 典型雷达系统的组成框图如下图2 1 所示【4 】 发射机 图2 1 典型雷达系统的组成框图 该系统主要由天线、发射机、接收机、信号处理机和终端设备等组成。发射机产生的 雷达信号由天线辐射到空间，天线是收发共用的。接收机部分主要是放大微弱的回波信号。 信号处理的目的是消除不需要的信号及干扰，并加强回波信号。同步设备是雷达机的频率 和时间标准。显示器显示接收机的输出，或者采用其它电子设备处理接收机的输出。 2 2 雷达方程 2 2 1 经典雷达方程 雷达方程是描述影响雷达性能诸因素的唯一的也是最有用的方式。雷达方程根据雷达 特性，给出雷达的作用距离如下式【l l 【3 1 。 o 2 器蠢4 ( 22 - 1 ) 上式中右侧为三个因子的乘积。第一个因子是在距离辐射功率为丑天线增益为g f 的 雷达r 处的功率密度。第二个因子的分子是以平方米表示的目标截面积仃，分母表示电磁 辐射在返回途径上随距离的发散程度，如同第一个因子的分母表示电磁波在向外辐射途径 上的发散程度一样，前两项的乘积表示返回到雷达的每平方米的功率。有效孔径为4 的 天线截获功率的一部分，其数量由上述三个因子的乘积给出。 如果接收机最小可检测信号为s 晌时的雷达作用距离，当一天线兼作发射和接收时， 发射增益与有效接收孔径的关系式为g f = 4 石心，五2 ，式中五表示雷达电磁能量的波长。将 该式代入式( 2 2 - 1 ) ，得到雷达方程的另外一种形式为 r 4 ：羔垡! 竺c 2 2 - 2 ) m a x ， 一口c 、，o 上式给出的雷达方程可粗略计算雷达测距性能，但至少存在两方面的原因使得该方程 不能精确估算实际雷达的作用距离。首先，该方程不包括雷达的各种损失；其次，目标截 面积和最小可检测信号在本质上是统计量。雷达方程说明雷达的探测距离与发射功率4 次方根成正比。所以为了将探测距离提高1 倍，发射功率要提高1 6 倍。 2 2 2 适用于雷达料位仪的测高原理和测高方程 在均匀媒质中，无线电波在传播过程中以恒定的速度直线进行，在待测距离r 上无线 电波传播时间为t ，这时反射信号相对发射信号的延迟时间为f 。 f ：竺 c 2 2 - 3 d c 其中，c 为电磁波传播速度，r 为料位仪与待测表面之间的距离。 在实际应用中媒质不是严格均匀的，因此电波传播速度不是严格不变的，传播轨迹也 不是直线，采用平均速度c 来计算，等效媒质不均匀性对电波传播路径长度造成的平均影 响。在大多数情况下，上述公式仍然是有效的雷达料位仪探测的是单个目标，即被测料 位的平面。实际上，料位表面是一种分布型且在多数情况下是粗糙不平、明显起伏的面目 标一般可以将料位面分为反射型料位面和散射型料位面，当平面入射波投射到一个分界 平面上时，反射后得到一个平面反射波，这样的地面就称为反射型地面，如图2 2 所示【4 3 】。 图2 - 2 反射型地面示意图 因此在理想镜面反射条件下，接收天线可以等效为发射天线的镜像，如图2 3 所示。 ( 发射天l 、 h i 7 歹 k乡镜像接q 图2 - 3 镜面反射几何图 此时在接收天线处产生的回波功率密度弓= 暑g f 盯，4 石( 五+ 矗) 2 ，由此可以推导出雷达 测距方程为【4 】： p ：墨垡垒! ：垄垡：生：!( 2 ，一4 、 7 1 6 ：r r 26 4 z - 2 r 2 ” 上式表明，在镜面反射条件下，接收功率反比于r 2 。在微波频率上，当垂直入射时， 液位表面呈现出准镜面反射，即回波功率中镜面反射分量占优势。在大多数粗糙固体料位 表面上，在微波频率上主要呈现一种漫反射，如图2 - 4 所示。由于总的合成回波不能由各 散射体回波矢量相加，而是由散射功率的叠加来求得回波功率的统计平均值。适用于近距 离料位测量的雷达方程就是基于此种线性散射理论推导的。 图2 4 粗糙表面电磁波散射 对雷达高度表来说，被照射表面面积是由天线波束截取的面积。设在波束宽度内的散 射截面积为一个常数即盯o ，对于连续波雷达料位仪，其测距方程可以经过各种简化和推 导得出下式： 2 3 发射信号和差拍信号分析 。* 器 ( 2 2 _ 5 ) 调频连续波雷达分为线性调频和非线性调频两种，非线性调频的优点是容易实现，缺 点是每个目标产生的差拍频率不是单一的，因此不能区分不同距离的目标，一般只适用于 单目标的场合，如雷达高度计等。在线性调频方式下，每个目标产生的差拍信号是单一频 率的，因此容易区分不同距离的目标，但是其缺点是对线性调频的线性度要求很高。图 2 5 为线性调频信号的示意图【4 9 】。 连续波雷达的发射信号形式大致分为两种：单频连续波和调制连续波。单频连续波是 没有加以调制的连续波，只能利用多普勒频率检测目标，不能测量目标距离；对连续波信 号进行参数调制可以克服这种局限性。调制方式有多种形式，如调频等幅调制( 如三角波 调制、正弦波调制、锯齿波调制) ，伪随机二相码连续波调制和随机二相码连续波调制等 几种体制。当调制波形是三角波、锯齿波、正弦信号等波形时，这几种周期波以周期t 围绕发射频率z 获得最大频移。下面对三角波调制、正弦波调制时的发射信号和差拍信号 分别加以介绍。 8 图2 - 5 线性调频信号的示意图 2 3 1 三角波调制的测量理论 发射频率按周期性三角形波的规律变化，如图2 - 6 所示。图中f 是发射机的高频发射 频率，它的平均频率是厶，厶变化的周期为。通常厶为数百到数千兆赫，而乙为数 百分之一秒。工为从目标反射回来的回波频率，它和发射频率的变化规律相同，但在时 间上滞后t r ，t r = 2 r i c 发射频率调制的最大频偏为士y ，五为发射和接收信号间的差 拍频率，差频的平均值用矗。表示。 发射频率石和回波的频率工可写成如下表达式【3 】f 1 1 】： 差频五为 = + 警r = 二+ 羔， 二= 矗+ 4 f ：t2 。r ) 五= z 一= 筹 ( 2 3 - 1 ) ( 2 3 - 2 ) ( 2 3 - 3 ) 在调频的下降段，e ：a t 为负值，z 高于z ，但二者的差频仍如式( 2 3 - 3 ) 所示 对于一定距离r 的目标回波，除去在，轴上很小一部分2 r ，c 以外( 这里的差拍频率急 剧地下降至零) ，其它时间差频是不变的。若用频率计测量一个周期内的平均差频值厶， k ；警l 彳7 = - 2 r 汜s q ， 实际工作中，应保持单值测距满足 9 r 。堡 由此可得出目标距离r 为 月= 击等 式中，埘= 1 t 。为调制频率。 。 ( 2 3 - 5 ) ( 2 3 - 6 ) 图2 - 6 调频雷达发射波按三角波规律调制 可见，目标距离r 与频偏量v 成反比，而与距离民及工作频率矗无关。为减小这项 误差，往往使，加大到数十兆赫以上，而通常的工作频率则选为数百到数千兆赫 三角波调制要求严格的线性调频，才能保证计算测量的精度。 2 3 2 正弦波调制的测量理论 用正弦波对连续载频进行调频时，发射信号可表示为h 匕2u ts i n ( ：哪+ 筹s m ：嗍 由目标反射回来的回波电压咋滞后一段时间r p = 2 r c ) ，可表示为 “，= us i n ：z o ( h 嵯咖z 咧叫 以上公式中，厶为调制频率，鲈为频率偏移量，如图2 - 7 所示。 接收信号与发射信号在混频后，取其差频电压为 2 七q q s t n 饶s 血矾。z 砥( ， 卜z 石厶s m 石缈 l o ( 2 8 - ) ( 2 8 - 8 ) ( 2 3 - 9 ) f o 图2 7 调频雷达发射波按正弦波规律调制 一般情况下均满足r 1 厶，则 s i n 石厶7 * 石厶r ( 2 3 - 1 0 ) 于是差频五值和目标距离足成比例，且随时间作余弦变化。在周期内差频的平均 值厶，与距离r 之何的关系和三角波调频时相同，用厶。铡距的原理和方法也一样 对接收的差频信号进行傅里叶分析后，得到丰富的频率分量。差频信号包括振幅为 厶( d ) 的多普勒频率成分，还有一串调制频率厶的谐波分量，每一分量的振幅为( d ) ( 疗 为谐波次数1 ，同时又被多普勒的正余弦信号作幅度调制，这就等效于抑制载频的双边带 调制。 当只探测一个目标时，可以调节偏频琴值，使在该目标距离上够d 值正对应所选 贝塞尔函数最大值是： d ；：等s m 牮 ( 2 3 - 1 1 ) 此时依据测定的4 厂值，即可得到目标距离r 。 锯齿波调铡韵理论与三角波调制理论相似，本文不做具体分析。 由以上分析可知：差频信号的频谱随目标与发射机的距离而变化，距离大时，对应的 差频信号频谱主要分量的频率高；距离小时，差频信号频谱主要分量的频率低。 2 4 本章小结 本章分析了线性调频连续波雷达系统构成，引入经典雷达测距方程，从原理上研究采 用三角波、正弦波二种不同的调制信号去调制雷达发射波的效果和用途，为系统发射源设 计提供理论指导。 第三章线。陛调频连续波雷达的测距算法研究 3 1 提高测量精度的算法研究 l f m c w 雷达的回波差频信号处理通常采用两种方法：平均频率计数法和数字信号处理 法眦】。平均频率计数法结构简单，精度较高，广泛适用于单目标测量的场合。随着计算机技 术的飞速发展，数字信号处理的方法全面应用于l f m c w 雷达回波中频信号处理。数字信号 处理主要是采用f f t 运算，计算出回波在距离轴上的功率谱曲线( 简称为距离谱) ，充分利 用l f m c w 雷达的高距离分辨力和高测距精度的特点，适用于复杂的目标环境，是近距离微 波测距与成像的重要手段。但是，采用f f t 方式获取的距离谱为数字谱，其距离轴上有固 定的采样间隔。当所测距离震与距离分辨力以不成整倍关系时，其距离谱上代表目标距 离的最大值点落在距离采样间隔之间，按传统的方法取其最大采样点来测定目标距离， 就会产生一定的测距误差( 靠2 ) 。当所测距离较远时，靠r 。测量误差的影响很小； 而当所测距离较近时，晶一胄相对测量误差较大，不能充分体现出l f m c w 雷达高测距精度 的性能嘲。本章主要研究提高l f m c w 雷达测距精度的算法和可能影响测量精度的相关因素。 料位测量的目标基本上是单一的料位面，这意味着差拍信号为相对单一的频率，因此 提高料位测量精度可以归结为提高单一正弦信号频率的测量精度，而频率的测量可以从时 域和频域两个角度来考虑。 3 1 1 时域范围内的改善方法 从时域来讲，只要能够精确测量出差拍信号的频率，就可以充分利用距离与差拍信号 频率的线性比例关系精确地算出距离来但是通过频率计测量差拍信号频率的办法有1 计数误差，这也是信号处理误差的主要来源为了减少误差，可以采用双频计测频法【翊。 双频计有两个计数嚣，分别对时间和信号同步计数。其基本思想是：测量多个完整周 期的时间，算平均周期，求其倒数即可得到被测信号的平均频率。下图为双频计原理框图。 图3 1 双频计原理框图 如图3 1 ，两个计数器的闸门时间是相同的，在同步电路中对被测信号经过整形，用 来控制闸门的实际开启时间t ，使它成为被测信号周期的整数倍。 在相同的闸门开启时间t 内，分别对被测信号厶( 频率为矗) 进行计数，计得结果 分别为心和o ，则可以由运算器直接算出 厶= 繁矗 ( 3 卜1 ) 由于闸门开启时间与被测信号是同步的，即t 为被测信号周期的整数倍，所以，测 量中不存在1 计数误差，t 与时钟信号没有同步关系，b 通道计得的0 虽然有1 误差， 但影响极小，可以忽略。假设时钟频率为1 m h z ，是中频频率厶( 一般由千赫兹到几十 千赫兹) 的k 倍，则双频计是频率计误差的1 k ，通过这种方式提高频率计的计数精度， 从而提高了测距精度。 3 1 2 频域范围内的改善方法 频域角度来分析，是通过应用频谱分析的方法获得目标的距离信息。即对差拍信号进 行f f t 变换获得其频谱信息，幅度最大值对应的频率就是差拍信号频率。利用f f t 技术 对信号进行频谱分析时，分析精度主要受制于混叠效应、量化误差、泄漏效应与栅栏效应 混叠效应和量化误差是模拟信号数字化过程中引起的，泄漏效应与栅栏效应是离散傅立叶 变化所固有的。分析表明，增加f f t 的谱线数量、提高频谱分辨率可以削弱泄漏效应和 栅栏效应但是由于增加了采样长度，将增加时间开销阁。 3 1 2 1 影响l f m c w 雷达测距精度的因素 对于大时带积的l f m c w 信号，其信号包络u