（通信与信息系统专业论文）毫米波线性调频连续波雷达关键技术研究.pdf

硕士论文毫米波线性调频连续波雷达关键技术研究 abs tract e i ght 而1 1 恤e t e r w a ， e l i n ear freq uen c y m o d u 1 at e d c o lltinuo uswav e ( l f m c w)r a 山 盯 汕e gr ates th e a d v a n t a ge s of而n 加e t e r r a d 汀阳 d line ar丘 e q u e n c y m odul ated radar，th usit 】 坦 s great pote n t i a l 即 p l i c ations 访precision gui di 切 c e and aulo m o bile an 6 一 coili si ons y s 记 ms 明dso 0 d . in面s p aper， th e engine enn g and te c hno l o gi c alre se ar e h of而n hae ter waver a 山 ar d e 1 e c t i on s y s te misp re s ented， ar g un1 e n 七 兹 i on ofs c h e m e and此 p 血c inleof l f m c w 拍 山r s y stemare di sc us s ed. t b 1 s p a per anal y ze s the performances peci ficationofth e r a d 盯 sy引 上 madd acco m p 1 i s b e s the in dex di s tri b u 1 i on. then. th e relationb e 七 刃 e enthe freq uen cy m odu haon l in e 面ty明dth era 山 盯做ge re sol ut i on oflfmc w ra 比 ar阴dacorrection ai gori th mo f l in e arityfo r lfmc ws i gl 坦 】 are d i sc usse d ind e 面i b as edo n t h e ai g o ri t hi 玩 th eso ft w ar eandh 叮 d w a 了 eo fl in e arjzat i 姐 syste m isd es i gn比 andacl o s e d 一 10 叩 l ine田 允 旧 t l o n s c h e me us in g 叩conve rs i ond el ay一 d iscri 川 in a t l o n m e th o d ask eyte c h ni qi ueis 此 目tod e v e l o p a e i ght 面1 1 加e 妞 r wavelfm c whi ghl i n e aritys i 邵 切 1 5 0 吟 ，the l in e 画ty i s l m p ro v edtobeuptoz . 5 / 1 0 0 0 0 e x pe丘 m e n tall 丫 al / rfront 一 nd isd e v e 10 户 分b y the l f m c whi gh l 劝 e 面tysi gnalso urce and the p rinc i pl e 咖del ofei gh. 而11 加e t erw a ， el f mc w口 山 趁isc o m p 】 d e d the e x p e 政 m e n 切 1 re s ul tsare a gr e edw i t h the t h eo r e t 1 c re s u 1 ts ， 访 d l c a ti n g 仕 叼 t th e s ch elne d em。 幻 t r atio n and 讲而m助cee v al uat io n o f the lfm c wr 如 肛s y s te mare com p l e t e d c orre c tl y.li i s o f great v a 1 u e toth e s ubs e q u e ntd e v e l o p m e n t o f 面l l i meter认 . v e lfmc wr a 山 双 k e y w o r d s : mi l l 汕eter w如e rad ar ， l f mc wr a 山 斌l in ean ty，c o rre比o n alg o ri th mo f l in e 颐ty 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，不包含其他人已经发 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 己在论文中作 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部分或全部内容，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部分或全部内容。 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 硕士论文奄米波线性调频连续波雷达关键技术研究 1绪论 l l课题背景和研究概况 毫米波通常是指波长为 1 今 im ! i nun 范围内的电磁波，其相应的频率范围为 3 ochz一30o ghz 。 毫米波与普通微波相比有三个重要的物理特性，即波长较短、工作 频带宽以 及与大气成分有选择性的相互作用。 正是这些特点使得毫米波在工程应用中 呈现出 一系列 优、 缺点， 因 而 是系 统应用综 合考虑的 基础，1 。 毫米波技术的 研究不断向前发展，日 趋成熟， 其应用领域也不断扩大， 在雷达、 通信、 精密制导、 遥感、 射电 天文学、医学、 生物学等领域有着广泛的应用， 在雷达 方面尤其活跃。 毫米波雷达窄的波束宽度、 有选择的大气传播特性、 大的系统带宽和 大的多普勒频率非常有利于增强对电磁波干扰的抗干扰能力， 有利于系统采取扩谱工 作方式， 有利于提高系统的低截获概率性能， 有利于提高系统的距离和速度分辨能力， 有利于目 标识别处理， 这些都为毫米波雷达系统的发展提供了巨大的潜力。 毫米波l f mc w雷达结合了毫米波雷达和lfm c w雷达的优点，日益受到世界 各国的重视。与微波雷达相比， 毫米波 lfmc w 雷达可以实现更宽的调频带宽，获 得更高的距离分辨率， 即使用较小的天线， 也能产生很高的角度分辨率; 与传统的脉 冲雷达相比， lfm c w雷达要求较低的发射峰值功率， 它采用连续波体制消除了距离 盲区， 采用大的带宽获得高的距离分辨率和测距精度， 而且该雷达的信号处理系统更 为简单，因而毫米波 l r 讨 c w 雷达具有体积小、重量轻的优势;与激光和红外等光 学系统相比， 毫米波雷达受云、 雨、 雾等天气条件的影响相对较小， 因而可全天候工 作。 近年来，毫米波 l f m c w 雷达以 其独特的优点在精确制导武器系统、导航与交 通管制、 搜索与目 标截获、 汽车防 撞系统等领域得到 广泛应用。 世界发达国 家己 研制 出了一系列高性能的毫米波 lfm c w 雷达，如美国的机载高分辨率多传感器系统， 法国的直升机防撞雷达等。 因此， 开展此项研究无论对于实际应用需要， 还是追赶世 界 先进水平都 势在必行 11 ” 1 。 i jl f h 1 c w雷达工作原理和特点 1 .2.i l f mc 研 7 雷达工作原理 典型的l f mc w雷达系统框图如下图所示: 硕士论文毫米波线性调频连续波雷达关键技术研究 图1 .2. 1典型l f m c w雷达的系统组成 lfm c w雷达通过将回波信号与本振信号混频后得到差拍信号， 差拍信号经过中 放放大滤波后进入信号处理器进行a 了 d变换，并对所得到的数字信号作f f t进行频 谱分析，从频域里得到目 标相对雷达的径向距离。 lfm c w雷达的差拍傅立叶 处理的原理如下图 所示，图中(a)为lfm c w 雷达发 射信号与回波信号的 瞬时频率特性， 向为经差拍处理后信号的频率特性。 图 1 从图中可以看出 2.2 lfm c w雷达的差拍傅立叶处理原理图 不同的延时: 对应不同的差拍频率人，对应关系如下 五 = 凡 t/ 2 ( 1 . 1 ) 且延时: 与距离r满足关系式 硕士论文毫米波线性调频连续波雷达关键技术研究 ( 1 2 ) 结合式 (l. 1) 和式 (l.2 )可得的关系 人 = 三 全 冬 r ct ( 1 . 3 ) 由 上 式 可见 差 拍 频率几与 距离r 成 线性 关 系， 在 差 拍频 率 恒定的 有效时 段te 进 行采样， 通过 f ft 运算便可以 得到相应的信号的功率谱， 通过计算功率谱所在位置 便可以测得目 标距雷达的径向距离。 l 1 2 l f mc w雷达的优缺点 由 线性调频连续波雷达的工作原理可以归纳出其独特的优越性，主要表现为: ( d 由于发射信号的 连续性， 消除了一 般雷达系统难以 避免的距离盲区; (2 )线性调频连续波雷达易于产生和处理大带宽信号的特点使该雷达具有很高 的距离分辨率和较远的最大无模糊距离: ( 3 ) l f mc w的噪声带宽比脉冲雷达小，故lfmc w接收机灵敏度高; (4 )信号能量大， 时带积大。 在噪声功率一定的情况下， 雷达的检测能力由信号 能量决定， l f m c w 雷达采用的是超大时带积信号， 其持续时间 在毫秒量级， 所以 它 具有远大于同样信号电 平和信号带宽的脉冲信号能量: (5 )收发系统相对简单，因此具有尺寸小、重量轻、成本低等优点; (6 )相比 普通的脉冲雷达， 它工作电 压低， 发射功率小， 减少了发射源的制造难 度。 除 上 述 优点 外， 线 性 调 频连 续 波雷 达也 存 在 一 些 缺点 3 21 ， 主 要 表 现为: ( 1) 作用距离有限 l f mc w雷达属于连续波体制，发射机和接收机是同时工作的。 但要求的作用距 离增大时， 所需要的 信号功率也随之增大，在单天线结构的 l f m c w 雷达中由于环 形器隔离度的因素， 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， 甚至损坏接收机.所以，单天线结构的l f mc w 雷达作用距离通常比较小。但若在 lfm c w 雷达中采用双天线结构， 则收发隔离性能可以 提高， 其作用距离也随之可 以很高，但同时增加了 系统的体积。 限 制线性调频连续波雷达作用距离的另一 个重要原因， 是接收机信号处理设备的 规模和实时处理的能力。 可以 证明， 差拍信号的 采样点数等于作用距离与分辨率之比 的两倍， 当分辨率要求一定时， 作用距离增大， 采样点数将呈线性增长， 在数字处理 结构中， d ft处理运算量按快于线性的规律增长， 所需存储空间也大大增加。 3 硕士论文毫米波线性调 频连续波雷达关键技术研究 (2 )距离 一速度祸合问题 线性调频连续波雷达采用的是大时带积调频信号，根据雷达信号模糊函数理论， 它必然存在距离与速度藕合的问 题， 这不仅导致系统的实际分辨率下降， 而且引 起运 动目 标测距误差:一个距离雷达为r 以 径向速度v 运动的目 标的差拍信号频率变成 八土 几 ( fr对 应的 测 量距 离 为 r ， 儿对 应的 测 量距 离为研) ， 这 样 运动目 标回 波 差 拍信号频率偏离实际距离对应的频率， 所以雷达无法分辨位于r 士 叔处的固定目 标与 位于r 处径向速度为 v 的目 标。虽然在脉冲雷达中有类似的问题存在，但脉冲雷达的 时宽 相当小， 同时考虑到线性调频连续波雷达的应用通常都注意它的高分辨率和高测 量精度， 所以因为距离与速度的祸合而引起的问题就更为严重， 特别是在为了获得方 位高分辨率而使用较高工作频率的场合更是如此。 1 3论文 研究内 容及 结 构安排 毫米波线性调频连续波雷达最显著的特点是能够得到极高的距离分辨率， 但必须 以发射信号为理想线性调频作为前提。 所以， 本文在对毫米波线性调频连续波雷达系 统各项参数指标详细分析的基础上，对 l f mc w 信号源的线性校正网络进行了深入 研究。具体内 容如下: 第一章: 由毫米波的特性入手介绍了 毫米波雷达的 特点与应用， 并重点分析了线 性调频连续波雷达的原理和它的一些优缺点. 第二章: 对给定指标的s mm波段探测器进行方案论证， 详细分析目 标探测与识别 系统的组成原理， 比 较各种不同体制的方案， 对系统主要指标进行可行性论证和定量 计算，最后对该系统的各个组成模块进行指标分配。 第三章: 分析了 调频线性度与l f m c w 雷达距离分辨率的关系， 在此基础上详细阐 述了线性调频源线性度校正的原理和方法， 在对各种方案比 较后选择以延迟一鉴相法 为关键技术的闭环线性度校正系统。 第四章: 给出了ka波段高 线性度l f m c w 信号源系统的具体设计方案， 并重点对 该系统的软硬件实现进行了 详细的分析说明， 给出了 主要部件的电路原理图。 在本章 最后还给出了小型化之后的线性度校正系统实物图。 第五章: 对高线性度 lfm c w 线性度校正系统原理进行了 验证， 并介绍了一种 测试线性度的方法。利用该高线性度信号源组成了毫米波 lfm c w 雷达原理样机并 进行了外场实验，本章给出了部分实验图片。 在文章的结束语部分， 对整个研究工作进行了总结， 并说明了 需要进一步研究的 内容。 硕士论文毫米波线性调频连续波雷达关键技术研究 2毫米波lfmc w雷达系统设计 本毫米波雷达探测系统应满足的技术指标给定如下， 本章对该系统进行详细的方 案设计及指标计算。 (l ) 工作体制:线性调频连续波( 主动探测) (2 ) 工作中心频率:35g hz (3 ) 被测目 标:地面上静止或行驶中的 车辆目 标 (4 )目 标 全方 位平 均r c s : 5 0 m 2 (5 ) 有效 探测距 离:3 0m一 300m (0) 探测目 标发 现 概率: 90 % 仍 距离 分辨率:0. 7 m 2. i l f mc w雷达系统方案选择 工 l i方案设计 在课题研究过程中，先后设计了 两套方案， 现分别阐述如下: 第一套方案: 本方案采用毫米波v co，由 锯齿波调制产生调频连续波， 在进行线性度校正 之后经功放放大后发射。 接收回路采用零中频模式直接混频至视频， 在对其进行 放大后进入信号处理器。 方案框图如图2 . 1 . 1 所示。 图2 . 1 . i l f m c w雷达( 毫米波v c o方案) 原理框图 硕士论文毫米波线性调频连续波雷达关键技术研究 第二套方案: 本方案采用l 波段vco ， 由 三角波调制产生调频连续波， 在进行线性度校正之后 上变频至k a 波段，后经功放放大后发射。 接收回路采用二次混频模式，一次混频后 经低噪放再与 l波段本振源混频，经过中频放大后进入信号处理器。方案框图如图 棍频器 图2 ， 1 ，z lfm c w雷达压波段v c o方案) 原 理框图 2. 1 2方案选择 前面对本课题的两套设计方案 给出了 原理框图 并进行了 简要说明， 现对两套方案 进行比 较，分析如下: ( 1)第一套方案直接采用毫米波vco 产生线性调频连续波，第二套方案采用的是 l 波段的v c o 再上变频到毫米波波段。 在使用第一套方案时， 发现毫米波vco 稳定度 不高， 随温度变化频率会漂移， 正常情况下能够漂1 00一2 00阳: ， 从而严重影响了线 性调频的 准确度和线性度。 而采用l 波段的vco ，由 于其频率较低， 其稳定度相对较 高， 漂移最多只有i o mhz 左右， 上变频到毫米波后相对频偏较小. 大大提高了系统性 能。当 然采用上变频方案时对高 稳源的 稳定度提出了 较高的 要求， 但实践经验表明， 高稳定度的单频点源要比vco 易于实现。 (2 ) 第一 套方案采用零中频的 模式， 采用零中频电 路简单， 但由 于直接变到视频 进行处理， 系统整体的噪声系数很大， 从而影响系统的接收灵敏度。 在第二套方案中， 接收电 路中 采用了二次混频， 在一次 变频后加入了l n a 和滤波器，由 于在1 . sgh z 左 右lna 的噪声系数可以很低， 因此提高了 接收机的灵敏度， 并且便于对回波信号进行 6 硕士论文毫米波线性调频连续波雷达关键技术研究 监测。 ( 3)第一套方案采用锯齿波进行调制，由于锯齿波有一跳变，在整个系统中产生 很强的调制周期信号， 影响系统的灵敏度. 在第二套方案中， 把锯齿波改成了三角波， 由于这样突变小了 一点， 因此系统中调制周期信号大大减弱， 提高了系统性能。 另外 结合信号处理算法，三角波调制通过对上/ 下扫频段的差频信号分别进行处理并对目 标上/ 下扫频段的差拍频谱进行配对处理，可消除距离速度祸合，实现多目 标环境中 运动目 标的检测与参数估计。 综上所述， 由 于第二套方案比第一套方案有明 显的 优点， 本系统采用第二套设计 方案。 2. 2 l p 随 c w雷达系统参数选择及指标计算 2. 2. 1调制器调制频率的 选择 为了消除钡 距的非单值性， 应使调制器的重复周期t 要大于最大作用距离时雷达 回波延时时间3 6 ，即 t 尸丝 里 吸 c ( 2 . 1 ) ” r 令“ ， 差 频 信 号 与 距 离 成 比 例 ， 而 且 只 有 尽 量 减 小 由 于 延 迟 ” 间 带 来 的不规则区间， 才能减小或消除差频信号的许多谐波分量和离散频谱， 使其在任一距 离 均为 单 一 差 频 频 率， 因 此t r 。 根 据 探 测系 统 指 标 要 求，r 二之 3 00 舰 ， 则 t 2 x 3 0 0 3 x l o s z o o x l o 书 5 = 2 脚 综合考虑其他因素， 本系统选取t = 4 ms 。 2. 2. 2调制频偏的选择 频 偏舒篇 的 选择 主 要 考 虑以 下 几个 方 面: (l ) 考虑距离分辨率 当发射信号为理想线性调频时，雷达的距离分辨率由 发射信号的带宽决定， 称之 . ，_ _ _ _ _ _ _ ， ， 、 ， l-_ 。 “ . _c 为 乙 全 mcw 百 还 明橄 限分拼 平 八 大 ， ， 八 式 1 二二 代 二。 z万 这里， 硕士论文毫米波线性调频连续波雷达关键技术研究 c 代. 二 2 梦 从 ( 2 2) 由式 (2.2) 可见， 距离分辨率从， 与调制频偏八 凡 . 成反比。 因此， 要满足较高的 距离分辨率，就要求增大调制频偏。 根据 探 测 系 统 指 标 要 求， 距 离 分 辨 率从， 要 小 于 等 于0. 7m， 这时， 调 制频 偏舒篇 必须满足: 从: ，三 1 = 里 丝 卫 二 = 2143 撇 2 醚1 2 x 0 7 (2 ) 考 虑寄 生 调 幅 的 影响 为减小寄生调幅的影响， 设计调频系统时常采用一些技术措施， 如应用平衡混频 器、 设置限幅器以 及对寄生调幅进行负反馈、 选择合适的工作点等等， 但仍不能完全 消除寄生调幅的影响。 因此， 在设计系统参数时， 还应使在其作用距离范围内， 棍频 器输出 的 差 频信 号 频率几应 远 大 于寄 生 调 幅 频率几 ( 从 其作 用 产生 的 结 果 来 看， 这 里将寄生调幅频率等同 看作为调制频率) ，即 几= 侧 几m 1( 2 . 3 ) 式中m为比例系数， 对于三角波调制方式， 具体取值可根据滤波器参数和调制方式作调整。 、 ， _ _ 、一 ，4 公 厂 -_、 ，二， 二一 ， ，、 、一，。 田八 l i . j 少翔lb = 一 二 才 七 大，枪 了 。 阴衣达八代八八又 习， l 1 就 可 以 求 出 满 足 这 种 要 求 的 从值 . 而 : 一 华， 则 有 j ， _mcc 几户= 4 r 二4 r . ( 2 . 4 ) 为 确定叮认 值的 下 限， 这 里 采 用 探 测 器与目 标作 用时 的 最小 作 用 距 离r .， 如果 r .越 小， 要 求 频 偏叮公 值 越 大 . 根 据 设 计 方 案， 在3 0m一 3 00 m范 围 采 用 连 续 波 调 频体制， 则最小作用距离为3 0m， 选m二 10 0 ， 则对于三角波调制， 根据式 (2.4 )可 得:劫认 七 2 50 心 介。 (3) 考虑工程可实现性 由 上述讨论可知， 为得到高的 距离分辨率， 希望加大频偏。 对于实际的 调频雷达 系 统， 增 大频 偏 将 受 到 多 方 面因 素 的 限 制。 一 般 在 工 程实 现时 ， 取梦篇 不 宜 超过 发 射 8 硕士论文毫米波线性调频连续波雷达关键技术研究 信号中 心频率 ( 本系统为35g hz) 的3 % 一 5 %， 否则非线性等问 题将非常突出， 将严 重 影响 测 距精 度。 另外 ， 天 线、 混 频 器 等 主 要 部 件的 带 宽 也 将限 制叮公 的 提高。 由 上面分析 计 算， 并 综 合考虑其 他因 素， 选 择调 制频偏断公 = 3 00人 任 众。 2 2 .3中放带宽的选择 由毫米波线性调频探测系统原理框图知， 混频器的下一级为中频放大器， 所以系 统检测带宽即为中 放电 路中 带通滤波器的带宽。 对于三角波调频信号，由 式( 1 3) 知: 人 = 三 些 盆 r ct 在作用距离r= 30功 300 。，调制周期丁 = 4 翻 ， 条 件 下， 可得 相 应的 差 频 频 率 为几= 30 犬 关 介 勺00 k 恐， 和调 制频偏 凡二 3 。 。 冠 法的 频率范围为2 70k 去 吞. 考虑到 对探测距离留 有一定的余量并综合考虑频漂等其他因素，这里取中频放大器的带宽 b=4 0 0 人 了 五 。 1 2. 4发射功率和天线增益的 选择 本系统要求在作用距离30m 一300 m上采用三角波线性调频体制来进行探测，下 面从系统的技术指标要求出发计算系统的发射功率和天线增益之间的关系。 根 据 雷 达 方 程 114 snr = 三= n 式中: 君 发 射功率 (w) ; gt天线增益; 君 讨矛 。 ( 4 万 )k t0 ( 4 刃 、 3 r 月 k 大r f l ( 2 万) 工作波长 (m) ; 目 标的 雷 达 散 射 截 面 积(m:) ; 又口 作 用距离 ( m ) ; 波尔 茨 曼 常 数1 .38xl 2 ， : 几 热力 学 温 度伍) ; b 接收机带宽 困2 ) ; 硕士论文奄米波线性调频连续波雷达关键技术研究 f整机噪声系数; l 射频损耗因子。 对典型目 标探测时， 对于最大作用距离在几百米范围内的近程雷达， 无论在晴天 或阴 雨天( 如雨量为4 m m /h ) ， 大气衰减均可忽略。 本系统给定ka 波段目 标的 雷达散 射截面积为50m 2 ， 另检测概率取0. 9 ， 虚警概率取10 礴 时根据发现概率与信噪比 和虚 鳌 概率 关系曲 线得 信噪比 为1 2 db。 若 取b = 4 00 儿 陇，兄 = 8 石 m m，to= 2 90 k， f= s db ，l= z db ，当作用距离为r= 30o m以及目 标雷达截面积口= 50m 2 时，可以 得出发射功率与天线增益之间参数选择的关系，如图2. 2. 1 所示. p t 与gt的关系 3230 比卜中曰尸|尸 282624 (sp)6 未 0 . 0 5 222018 0 . 10 月5 pt(w)( r c s 二 50， r 二 3 0 0 ) 图2. 2 . 1发射功率与天线增益选择的关系 从雷达方程可知， 增加功率与 提高天线增益均能增加探测距离， 从图2. 2 . 1 来说， 在 曲线上部的参数选择均能满足给定的技术指标要求。本系统选取 只= 40 ， w， 口= 25 db，此时 验 证 一 下 信噪比 与 作 用 距离 的 关 系: 设 对地面 装甲目 标探 测时 ， 取只= 40 m 牙， g，= 25db， 兄 = 8 .6 m m，几= 290 k， 口 = 50 m ， ，b = 40o k 石 酝 ，f = s db， l = z db， 由 式( 2 .5)估 算出 系统 信噪比s n r 与距离r的关系如图2. 2. 2 所示。 硕士论文 毫米波线性调频连续波雷达关键技术研究 s n r 与r 的关系 5040 (山p)匡之的 05 01 0 01 5 02 0 02 5 u3 以 j3 5 u r ( m ) 图2. 2. 2信噪比与作用距离的关系 由图可见，单从信噪比角度来看，本方案设计的毫米波 l f mc w 雷达在作用距 离达350 .处信噪比 仍不低于1 5 db ， 满足总体技术指标的要求。 且若采用合适的信号 处理方法 ( 例如对差频信号进行频率细化， 提高频率分辨率， 从而提高距离分辨率) ， 由 信号 处 理增益g : 还可使信噪比 增加 约10 db一 20db ( 视 信号 处理方 法水平而定) 。 2 3主要部件指标确定 根据上述系统设计与指标计算结果，将各个部件指标分配如下: ( 1) 线性调频源 工作中 心频率:fo= 35g 石 肠 输出功率:只之 40脚 平 调制频偏: 调频线性度: ( 2 )天线 工作频率: 也 凡 . = 3 00人 刀 众 l感 4 . 1 6 / 1 0 0 0 0( 下章论述) fo= 3 5 g 石 改 带宽: 增益: b之3 5 0 人 夕 石 全 q之 2 5 db 硕士论文毫米波线性调频连续波雷达关键技术研究 驻波比: ( 3 )环形器 频带: 隔离度: 插损: ( 4 )毫米波混频器 带宽: 噪声系数: 变频损耗: ( 5 )l波段低噪放 增益: 噪声系数: 带宽: ( 6) l波段混频器 带宽: 噪声系数: 变频损耗: ( 7 )中频放大器 总增益: 带宽: 噪声系数: 增益平坦度: 5 环 叹 1 . 5 乃口之2 5 d b il z d b b之3 5 0 a 刃云 f56 . s d b 二4 d b g之1 8 d b f51 1绍 b之3 5 0 几仔众 b之3 5 0 龙 任 众 f 感7 扭 三6 . s d b g之6 0 d 8 b书4 0 0 k石 毖 fz d b 士l d b 硕士论文毫米波线性调频连续波雷达关键技术 研究 3线性调频信号的线性度校正 3. 1调频线性度与距离分辨率的关系 f m c w 雷达的调频带宽宽， 可以 实现高距离分辨率， 但是 其高距离分辨率的实 现是以信号为理想线性调频为前提的， 其调频线性度差， 对单一固定目标而言， 其差 拍信号将不是一单频信号， 而有一定带宽， 两相邻目 标的频谱将重叠， 影响了雷达的 高分辨能力。 精确的分析调频线性度与距离分辨率的关系很复杂， 实际上分辨率不仅与线性度 有关， 还与具体的非线性调频规律有关。 通过近似分析可以 得出下列工程应用中常用 的经验关系式115 】 : 从: = 4 lrr “ ，瓜 (t) 为 与 、 (t) 对 应 的 频 率 偏 离 函 数 即 瓜 (t) = elv 。 (t)1 则上式改写为: fo (t)= fo+ kt十 几(t)(3. 8) 线 性 度校 正的 任务 就 是 要 找到 却。 (t)， 用v : (t)= v 。 (t)+ 帆 (t)作 为 修正 后的 控制电 压 控 制压 控振 荡 器， 从 而 实 现 理 想 线性 调 频 ， 因 此却。 (t)应 满 足 下 式 : 几v 。 ( t ) + 却。 (t ) = fo+ 幻(3 ， 9 ) 通 常 v 。 (t)御。 (t)， 因 此 可 对 上 式 作 些 近 似 处 理 。 九 v 。 ( t ) + 却。 (t ) 二 fl v 。 (t ) 1 + f v 。 ( t ) 彻 。 (t ) 二 fl vo (t ) + u v 。 (t )(3 . 1 0 ) 由 ( 3 . 8 ) 、 ( 3 . 9 ) 、(3 . 1 0 ) 式得 vo (t ) = 一 瓜(t ) / u( 3 .1 1 ) 由 上 式 可 知， 却。 (t)依 赖 于 人(t)来 求 得 。 而几(t)是 一 个 瞬 时 频 率 偏 离函 数， 直 接求 取是困难的， 解决的 办法就是 进行频率 一相 位变换， 将频率 量变为相位量， 而相 位量 的测量相对来说要容易得多。 后面论述的功分相移和中频混频两个单元便可完成频率 一相位转换。 设 输 入功 分 相 移 单 元 的 信 号 x( o ， 其 瞬 时 频 率为f( o = fo+ 抢+ 几(t)， 则中 频混 频 后 输 出 信号 y( t) 的 瞬 时 频 率g( t) 为 : 9 (t ) = f(t) 一 f (t 一 : ) . f ( t) :(3 .1 2 ) y (t)的 相 位梦 (t)为 : 梦 (t ) = 2 二 介 ( ) dt + 笋 。 一 2 万 坑 + 2 + 2 呱( ) + 俨 。(3 ， 3 ) 由 上式 可 见， 俨 (t)的 变 化 规 律与f( o 的 变 化规 律 一 致 ， 只 要测 出班 (t)， 去 掉 其 中 的 常 数 项 与 线 性 相 位 项， 便 可 以 得 到2 对硫 (t)， 从 而 求出 帆(t)。 用v 。 (t)+ 加 。 (t)去 控制压控振荡器，从而完成一次闭环校正过程。 1 4闭 环线性度校正系 统参数选择 闭环线性校正网 络( 图3 .2，4) 的系统参数 如下: 硕 士论 文 毫米波线性调频连续波雷达关键技术研究 中心频率 调制方式 扫频带宽 扫频周期 原始线性度 fo= 1 5 g 无 巨 三角波调制 b=3 00 五 分云 t =4 用5 l=1 % 闭 环线性校正网 络( 图3 . 2. 4)的 相位模型如图3 :41 所示。 兵( ) 图3 ， 4 . 1模拟闭环线性校正网络的相位模型 其中 八(s) 相位斜升信号，即一点频参 考源 儿 (s ) 对应于v c o非线性频偏的 相位信号 尹 ， (s )一 v c o经环路校正后的输出 相位 儿(s) 延迟信号与非延迟 信号混频 后的 信号相位表达式 f(s) 环路滤波器 传递函 数 k 鉴相 灵敏度 k ;直流增益 k.压控灵敏度 r 延迟时间 参数的合理选 择对环路的 性能 指标起着决定 性的 作用， 下面 讨论环路带宽几任 玫 ) 及 延 迟 时 间r (s)的 选 择 i3 . 3s。 1. 环 路 带 宽几的 选 择 由 图3 沸 1 环 路 相 位 模 型 知 道 环 路 对气(s ) 的 响 应 呈 高 通 特 性 ， 即 几越 大， 则 环 路 对 非 线 性 频 偏%( 5) 的 抑 制 也 越 大 ， 由 于儿( 5) 的 形 式 随v c o而 异， 因 此 通 过 统 计计 算 得到 当 环 路带 宽几 70 ft时 ( 寿为尹 二 (s ) 的 基波 频 率) ， 非线 性频率 偏移 必 。 (s ) 的9 。 % 以 上 的 能 量 都 在 环 路 带 宽 内 ， 这 样 便 可 有 效 地 抑 制 物(s ) 。 所以 从 抑 制 l 9 硕 士论 文 毫米波线性调频连续波雷达关键技术研究 vco 非 线 性 角 度出 发， 则 八越 大 越 有 利。 另 一 方 面 ， 几的 增 大 将 受 到 : 的 制 约 ， 这 是由于环路的稳定性条件导致的。 从图3 . 4 . 1 可知， 环节1 一 e 一可等价为: 1 一 e 一 2 5 访 竺。 ， 于 警 ) (3. 1 4 ) 其 相 移 为粤 一 些， z2 当r 一定时，口越大，由该环节造成的相移也越大，环路也越难稳 定工作，因此r 与必 ( 环路工作频率)之间具有一定的制约关系，一般取: 2 ， 、 ! / 2 ， 即 、 、 去 ， 因 此 有 : 70 寿 几 会 ( 3 . 1 5 ) 本实验系统选取: = 1 脚，寿 = 2 50hz ， 所以八的 可选择范围为: 17 石 犬 子 众 刀， ， t“ : ， 胜 2 b ( 3 . 1 7 ) 因此: 硕士论文毫米波线性调频连续波雷达关键技术研究 丛 : 、 卫一 2 b4 几 若要 在 z lns内完 成 3 00m圣 1 2带 宽 的频 率 扫描 ， ( 3 . 1 8 ) 得取 设 八 取 25k 石 全， 0. 1 6 7 声 公 1 0 脚 ，一般鉴相频率取为环路带宽的 4 10 倍 ，所 以: 。 石 68 声一 1 . 6 7 声 比 较合适。本系统 选取: = 1 脚. 硕士论文毫米波线性调频连续波雷达关健技术研究 4 k a 波段高线性度l f mc w信号源系统 4. i ka 波段信号源系统的原理框图 lfm c w雷达的高距离分辨率的实现是以信号为理想线性调频为前提的。 本项目 要 求 探 测 器 作 用 距 离凡 30 0m， 信 号 带 宽b 二 30 0 拟 任 七 ， 线 性 度 ( 4 . 1 6/ 10 0 0 00而 实 际v c o的调频线性度一般只有百分 之几，因此必须采用线性度校正网络来提高调频 源的 线性度，即通过修正v c o控制电压波形来抵消v c o的调频非线性。本方案采 用预校正加实时闭环校正的方法来实现高线性度 l f m c w 信号，系统结构框图如图 4 . 1 . 1 所示。 上变孩器 图4. 1 . ik a 波段信号源系统框图 在实际中，我们先对v c o进行测量，得到v c o的v 一 f 曲 线.由v 一 f 曲 线编 程算出 预校正曲 线， 将该预校正曲 线存储在高速单片机里面， 在工作时， 将预校正曲 线数据取出， 经d /a变换后控制v c o ， 调频源经3 db 功分器输出 两路等幅同 相信号， 一路送上变频器产生所需毫米波线性调频信号，另一路送反馈回路。反馈回路又经 3 db 功分器，一路经延迟线延时l us，与另一路直通信号进行混频，在理想线性情况 下， 混频出的信号频率为15 0 k 了 众， 在存在非线性的 情况下， 混频信号的频率将偏离 巧 o k 石 反 。此信号中夹杂有高频噪声 和干扰， 所以 需用一个低通滤波器将高频信号抑 制掉; 为了信号电 平能驱动后面的 方波化电路， 适当的 放大必不可少; 正弦波信号方 波化后输入到鉴相器p d ， 鉴相器另 一端由 系统20m hz 晶 振产生标准1 50k h z 参考频 率， 这样通过pd 和l f 将误差频率转换为误差电 压。 误差电 压经a 了 d反馈回单片机， 22 硕士论文 笼米波线性调顺连续波雷达关 键技术 研究 在单片机中将误差信号和预校正曲线数据进行相应的处理，产生一校正电压来控制 vco ， 使其输出 符合线性度要求的调频信号。 如此反复， 形成闭 环，不断实时 校正， 最终达到系统要求。 4.2 信号源系统的软硬件实现 4. 2. 1软件实现 本设 计选用的是c s o 5l f x x x系列单片 机， c s o 5lf x x x系列单片机是完全集成 的混合信号系统级芯片 ( s o c ) ， 具有与5 0 51指令集完全兼容的c ip 一 51 内核。它在 一个芯片内集成了构成一个单片机数据采集或控制系统所需要的几乎所有模拟和数 字外设及其他功能部件。 这些外设或功能部件包括: a d c 、 可编程增益放大器、 d a c 、 电压比较器、电压基准、 温度传感器、 5 入 4 b u s 月 z c 、 u a r i 、 s pi、定时器、 可编程计 数器/ 定时器阵列 (pc a ) 、内部振荡器、 看门狗定时器及电 源监视器等。 这些外设部 件的高度集成为设计小体积、 低功耗、 高可靠性、 高性能的单片机应用系统提供了方 便，也可使系统的整体成本大大降低。 c ip 一 51与mc s 一 51指令集完全兼容， 因此可以 使用标准8 03刃 8 05x 的汇编器、 编 译器及软件包进行软件开发。 片内j tag调试支持功能允许使用安装在最终应用系统 上的 mc u进行非侵入式 ( 不占用片内资源) 、全速、在线系统调试。在使用 】 t a g 调试时， 所有的模拟和数字外设都可全功能运行。 对于开发和调试嵌入式系统应用来 说， 在线系统调试比 采用标准mc u仿真器要优越得多， 因为这一技术能保证精确模 拟外设的性能。 c 805lf x x x系列器件具有可在系统编程的f l a s h程序存储器，该存储器还用 于 非 易 失 性 数 据 存 储。 f las h的 编 程 也非 常 方 便， 可以 在c y g na 集 成开 发 环境 下 通 过i t a g口 编程，不需专用编程器和适配器:还可以通过用户软件对f l a s h编程， 这就允许现场更新8 0 51 固件， 为产品的软件升级提供了极大的方便。 f l a s h存储器 还具有安全机制，可以保护程序代码和数据，以防止程序或数据被读取或意外改写。 c s o s l f x x x单 片 机采 用c y g 坦 1 的 集 成开 发 环 境( ide ) 。 ide 与c 8 0 5 l f xxx m c u 的片内j t a g和调试逻辑接口， 提供一个完整的开发系统， 可以对安装在最终应用系 统中的m c u进行在系统编程和非侵入式的全 速、 在系统调试。 在系统调试不需要额 外的目 标r a m、 程序存储器或通信通道。 c y g ll a l 的i d e 支 持c 语言 和汇编 语言的 源 码级调 试， 支持 单步 执行 ( 包括单步 通过中断服务程序) 、运行至断点、条件存储器观察点 ( 数据断点)以及修改和检查 寄存器、数据存储器和程序存储器。 c y g n a l 的ide 在w in d o ws 95/9 8 舰e 和win dows n t 下运行. 】 d e 与目 标m c u 23 硕士论文毫米波线性调频连续波雷达关键技术研究 之间通过p c的串口和目 标mc u的j t a g接口 进行通信。rs一 232 与】 t a g之间的协 议 转 换 由 串 行 适 配 器e c z 完 成 阴 ，i 29 . 本 设 计 将keu s o 51工 具 集 成 到c y g 劝 i ide 中 ， 整 个 程 序 设 计 均 使 用 汇 编 语 言， 具体的工作流程如下: 单片机软件采用定时器工作控制周期调制波形的校正与产生， 首先将实际测试出 的v c o线性度预校正数据存入fl as h ， 在每4 8 8 ns内， 采集一点误差电信号， 并根据 采集的数据对读出的预校正数据进行动态校正，并将校正后的数据送至 d /a 转换电 路。每4 ins 送一个三角波的8192点数据.电路工作的软件流程图如图4. 2 . 1 所示。 图4. 2 . 1软件流程图 4. 2 )硬件实现 整个分系统包括以 下模块: 延迟线;(5)巧0 幻1 2 产生电 路; 器。 ( 1)校正电 路: 方案选用高速 c s o 5 lf1 2x ( 1)校