超低功耗FMCW相参雷达系统设计

刘齐悦卢家豪张鹏刘涛

（海军工程大学武汉430033）

超低功耗FMCW相参雷达系统设计

刘齐悦卢家豪张鹏刘涛

（海军工程大学武汉430033）

调频连续波（FMCW）雷达是一种传统体制雷达，具有重量轻、体积小、功率小、隐蔽性好、成本低廉等优点。在国防建设、民用领域以及原理教学等领域均具有很高的应用价值。论文设计了一种基于个人电脑的便携式FMCW的雷达模型，概述了其中的原理。为验证原理，设计了一台原理验证机，并对其信号进行了采集、分析与调整。

FMCW；雷达；硬件设计

Class NumberTN974

1 引言

FMCW雷达［1］有着与脉冲体制雷达不同的应用前景，它的主要优点为

1）集成度高，重量轻，成本低，结构简单［2］。由于FMCW雷达发射功率低，这样可以不使用高压、高功率器件，使得雷达的前端设计更简单，从而使得系统集成更容易实现。另外FMCW雷达一般用去调频的方法将回波信号转换到中频，所以并不需要用到射频信号，因此简化了射频部分结构，然后在中频进行后续变换，因此大为简化了整个雷达系统的结构，对射频器件的要求也就降低，使得工程的困难程度大大降低，因此可以广泛应用于小型机和无人机［3］。

2）采样频率的降低。因为FMCW雷达是对差频后的中频信号进行采样，所以信号处理实际的带宽大大的降低。由于距离向分辨率的精度随着信号带宽的增加而提高［4］，但是根据Nyquist采样定理［5］可知，需要更高的采样率。但是FMCW雷达的实际处理带宽是由差频后形成的，因此发射大的时宽带宽信号并不会增加采样率，反而会大大降低采样率，对信号高速采集与处理的要求也随之大为降低。

传统上FMCW雷达在大多用于航海导航、军事单兵侦查［6］，在其他领域缺乏应用，这其中除了微型化程度不够的原因之外，还有其他亟待解决的问题，也有体制上的不足，主要表现为

1）与脉冲合成孔径雷达不同，合成孔径雷达用收发开关来控制发射与接收过程，而FMCW雷达将发射天线与接收天线分开，使得发射与接收同时进行，这样就产生了泄露信号，对接收造成了很大影响，两者之间的安全隔离还需进一步研究。

2）FMCW雷达系统的距离向分辨率会收到调频非线性度问题的影响，尤其是在FMCW雷达中，信号的持续时间很长，非线性度将会成为一个很严重的问题，因此目前也急需解决调频非线性度带来的问题。

3）FMCW雷达的算法还仅仅处于理论阶段，在用于实际后，还需要对实际数据进行采样与分析，所以还需要进一步的计算来改善实际问题。

本文基于Mini-Circults系列射频器件，设计了一型S波段FMCW相参雷达系统。

采用图1所示的系统结构。

设计的FMCW系统采用了模块化设计，工作频率为2.4GHz，系统采用一节5V纽扣电池进行供电，经实测，该系统有效作用距离为300m，可同时实现对多批运动目标的测速功能，连续工作时长可达75小时。

2 基本原理

将FMCW技术和雷达技术结合起来，得到了一种新型的雷达系统即为FMCW雷达系统。这种新的雷达体制能在对短距离成像时具有极高的分辨率，并且有体型小巧、造价便宜和结构简单等优点，使其在小型无人机上得到更加广泛的应用。

与传统的脉冲雷达相比，发射脉冲宽度窄，在脉冲作用期间天线的相位中心与目标之间的距离几乎没有发生变化，因而采用的是“停-走-停”模式，可以认为目标的瞬时斜距与距离快时间无关。而在FMCW雷达的系统中，由于发射信号在整个扫频周期中一直持续，信号的占空比为1，雷达载机平台在发射信号过程中连续运动所引起的目标瞬时斜距变化一般是不能忽略的，所以“停-走-停”模式在这里不再适用。

LFM信号是FMCW雷达通过发射频率随着时间线性变化的信号，然后由接收机接收目标反射的信号，通过测定这个回波信号的频率来确定目标的距离。在任何时候，收发频率之间都存在着一种关系，除了测定目标的距离外，还可以用它来测定目标的一些其他参量，比如目标的径向速度和加速度等。FMCW雷达系统中广泛应用着两种信号形式——三角波调频信号和锯齿波调频信号［8］，波形如图2所示。

在进行信号处理之前，FMCW雷达会将接收到的回波信号和发射信号进行混频处理，也就是Dechirp处理［9］，如图3所示。

其中，发射信号的瞬时频率是用图（a）的实线表示的，目标接收回波的瞬时频率用图（a）中的虚线表示，图（b）是两者之间的差值，即差拍信号，由上图可知，目标的回拨是发射信号波形的延时复制波，两者都是随着时间的变化而变化的，呈线性锯齿规律，双程回拨延时τ=2R/C，R是目标与雷达之间的距离，C是光速。

由图（b）可以看出，在调制周期内，差拍频率fb有正有负，并且在调制周期内正差频的部分非常小，这是因为在一般情况下，相对于调制周期来讲，最大回拨延迟很小，所以在现实情况下，只利用负差频部分来获得距离信息。

对于静止的目标，差拍信号是一个单频信号，并且只和目标的距离有关，与其他因素无关，呈线性正比关系。因而可以通过提取差拍信号的频率的方式，接着通过频谱分析来获取目标的距离信息，具体表达式如下：

其中B为发射信号频率调制的最大频偏，即发射信号带宽，Tp是调制周期，调频斜率。通过距离维去调频后，可以得到去调频信号的信号带宽：

由上式可以推出只要满足Rw＜CTp/2，就可以得到Br＜B，而这项条件在FMCW雷达中一般都得到满足。根据奈奎斯特采样定律可知，采样频率fs≥Br会比较小，从而降低了系统对信号处理的要求，也降低了对A/D器件的要求，这是FMCW雷达相对于脉冲合成孔径雷达的一个重要的特征。

3 系统设计

3.1 系统概述

本雷达系统分为发射模块、天馈线模块、接收模块、中频处理模块与计算机模块。系统原理框图如图5所示。

发射模块采用美国Mini-circuits公司推出的S波段VCO ZX95-2536C-S+作为信号源。雷达工作时，由16引脚芯片XR 2206构成的调制器调制VCO，使之发射有规律的线性扫频信号，经衰减器VAT-3+衰减后，经场效应管高放ZX60-272LN-S+放大，送入天馈线模块。

天馈线模块由功分器、馈线、天线组成。首先，发射机产生的高频信号经功分器ZX10-2-42+分为两路，一路信号送往发射天线向自由空间发射，另一路信号输入混频器ZX05-43MH-S+作为参考信号。

当发射电磁波遇到目标后，产生回波反射进入接受模块，雷达接收天线将接收到的回波信号经ZX60-272LN-S+高频放大器放大后，输入混频器，由混频器输出差频信号，送入中频处理模块。

中频处理模块由低噪声运放MAX414CPD+组成，MAX414CPD+由四组运放组成，一组运放模块组成放大器对天馈线模块输入的差频信号进行放大，另两组运放模块组成二阶LPF对信号进行去低通滤波处理。处理后的信号送给计算机模块进行数据后处理。

计算机模块使用计算机集成的声音采集卡进行A/D转换，并基于Matlab程序对数据进行后处理。

3.2 系统主要技术指标

3.2.1 综合参数

1）工作频率范围：2.3GHz～2.5GHz；2）发射功率：＞10mW（10dBm）；3）最大探测距离：对行人等小目标具有120m，对客车等大RCS目标具有220m的探测距离。

3.2.2 天线参数

1）尺寸：250mm*300mm；2）阵元数量：6；3）驻波比：＜1.1；4）水平方向角：30°；5）垂直方向角：20°；6）特性阻抗：48Ω～52Ω；7）增益：14dBi。

3.3 系统关键部分

3.3.1 混频器［10］

混频器采用ZX05-43MH-S+，其参考信号来自于发射信号，混频信号来自于经场效应管放大器放大的回波信号，差频信号以电压信号的形式输入至中频处理模块。

3.3.2 中频处理模块

中频处理模块对差频信号进行放大，并对混频器产生的上变频信号进行滤波，滤波器在15KHz的衰减为3dB。

3.4 硬件选型

3.4.1 天线部分

备选方案有三个，圆波导天线，六面阵引相天线，双菱天线。

表1 天线部分选型依据

天线的选择影响着雷达的整个参数，在选择天线时，应当从成本、体积、方向性、驻波比、增益等多方面弄进行考虑，为了避免雷达过于笨重，应当选择体积小、重量轻的天线，而为了可以观察更为广阔的区域，应当选择天线方向性好的天线，天线的驻波比太大会引起发射出去的功率下降，严重时会导致天线烧坏，导致天线报废。而增益会影响雷达的作用距离，增益高的天线在同等功率下能看得更远。综上，在选择天线时，应当选取体积小，方向性好，驻波比低，增益高的天线。经过综合考虑后，最终选择了六面阵引相天线。

3.4.2 高频部分［10］

备选方案有两个：一个是Mini-Circuits公司推出的VCO、高放，一个是市场上销售的PCB高频元件［11］。

表2 高频部分选型依据

高频部分的驻波比大小同样重要，为了保证雷达的性能稳定、良好，在选择高频器件时，应当选择寿命长、性能好、驻波比低的器件。而且Mini-Cir⁃cuits公司的器件还具备一定的抗天气影响的能力，所以综上考虑，应当选择Mini-Circuits公司推出的VCO、高放。

4 系统实验结果及分析

4.1 雷达原始回波信号［10］

由混频器输出的雷达系统共输出两路信号，其中一路信号是由发射模块的XR2206芯片调制的同步脉冲信号，其在调制VCO的三角波的斜率由正值变为负值时，输出一个脉冲信号。

另一路信号为放大滤波后的差频信号，信号中包含了运动目标的速度信息以及距离信息，两路信号通过同轴信号线送至计算机模块的模拟信号采集卡内，转换成采样率44100Hz，位深16Bit的波形文件［12］。4.2雷达多普勒测距测速实验

4.2.1 行人步速测量实验

实验在一条100m直线跑道中进行，首先，打开雷达，调整参数使调制信号的频率稳定于50Hz。

首先在开机后3s，一名测试者远离雷达做近似匀速运动，在第33s运动至距雷达70m处，再以匀速折返，在第64s回到雷达处。

在开机后15s，另一名测试者原理雷达做变速运动，在第55s运动至与第一名测试者相同的位置，做近似匀速运动返回，在80s时回到雷达处，雷达关机，进行数据采样处理，关机。

将采样数据进行处理，得出两名测试者的运动轨迹成像［2］，处理后的距离-多普勒关系如下图所示。

从图中可以清晰地分辨出，该场景中有两个目标，两个目标均做折返运动，其中，第一个目标做近似匀速运动后折返，第二个目标先慢后快，到达目标点后迅速折返。

系统最终计算出场景状态如下表所示：

表4 目标一的实际与测试结果

表5 目标二的实际与测试结果

4.2.2 道路车速测量实验

实验在一条双行道上进行，雷达开机测试场景如下。

对采样数据进行处理后，可以计算出波束覆盖范围内目标位置和运动参数如下。

在约140s的时间内，共计捕捉了行人、小轿车、中型卡车、大巴车等共计10批目标，从回波数据分析中可以看到，针对不同速度、距离的目标，雷达均做到了对速度及距离的精确定位以及轨迹测量。

5 结语

本文基于Mini-Circults系列全固态小功率射频器件，设计了一型S波段FMCW相参雷达系统，该系统采用了模块化设计，工作频率为2.4GHz，系统采用一节5V纽扣电池进行供电，经实测，该系统有效作用距离为300m，可同时实现对多批运动目标的测速功能，连续工作时长可达75小时。该系统在近程测距测速，交通测速，学历教育教学，建筑行业的楼层测量，储油罐液面高度测量等距离探测方面具有广阔的应用前景。

［1］Tom Derham.Realisation and Evaluation of a Low Cost Netted Radar System［C］//Chinese Institute of Electronics（CIE）.Proceedings of 2006 CIE International Conference on Radar，2006：4.

［2］胡翔，王东进.一种提高LFMCW雷达调频线性度的新思路［J］.中国科学技术大学学报，2001（01）：66-70.

［3］岳文豹，杨录，张艳花.FMCW雷达近程测距系统设计［J］.电子技术应用，2012（04）：73-75，79.

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［5］盛怀茂.汽车防撞毫米波FMCW雷达前端集成关键技术研究［D］.上海：中国科学院研究生院（上海微系统与信息技术研究所），2002.

［6］杨明磊，陈伯孝，张守宏，高昭昭.多载频FMCW在MI⁃MO雷达中的应用研究［J］.电子学报，2008（12）：2351-2356.

［7］周铂凯.FMCW SAR成像与动目标检测方法［D］.西安电子科技大学，2016.

［8］宋玮.FMCW雷达测距精度及其信号处理技术的研究［D］.南京：南京理工大学，2004.

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［11］迪利敏.24GHz汽车防撞雷达中频与基带信号处理研究［D］.杭州：浙江大学，2012.

Design of Low Power FMCW Radar System

LIU QiyueLU JiahaoZHANG PengLIU Tao
（Naval University of Engineering，Wuhan430033）

Frequency modulated continuous wave（FMCW）radar is a kind of traditional radar system which has the advantag⁃es of light weight，small volume，low power，good concealment and low cost.It has very high application value in the field of nation⁃al defense construction，civil field and the principle of teaching.In this paper，a portable FMCW radar model is designed based on personal computer.In order to verify the principle，a principle demonstrator has been designed，and the signal is collected，ana⁃lyzed and adjusted.

FMCW，radar，hardware design

TN974

10.3969/j.issn.1672-9730.2017.08.019

2017年2月13日，

2017年3月20日

刘齐悦，男，研究方向：连续波雷达。