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车载77GHz调频连续波雷达,信号的产生及其影响因素

未知 2024-05-02 193

在航空航天、国防和民用等不同领域,雷达系统的波形各异。航空航天和国防应用中,雷达大多使用脉冲、脉冲压缩信号,甚至频率捷变来进行远程侦察,而如提供高精度定位的工业雷达传感器、飞机高度计和车载雷达传感器等均使用连续波雷达信号。

车载雷达市场中,往往要求成本低,性能突出,可靠稳定,在成本的限制下,雷达必须进行高效的研发和生产,雷达传感器的测试与测量必须实时可靠,产品必须物美价廉、前景明朗。

本文阐述了调频连续波信号的雷达基本信号处理流程。明确了调频雷达信号的线性要求,解释了在信号发射过程中非线性因素对核心性能指标的影响。

线性调频连续波雷达信号应用于多种雷达系统中。尽管调频连续波技术已推广使用多年,但其在车载雷达领域的应用最为普遍广泛。

低成本雷达设备发射雷达信号,经实时高性能的数字信号处理器(DSP)、现场可编程门阵列(FPGA)和直接数字合成技术(DDS)等处理后,可提供安全保障服务,甚至可应用于今后的无人驾驶领域。

这种信号处理包括实施目标探测、参数估计、目标跟踪以及各种天气下的多目标信号判别。和脉冲雷达系统相比,调频连续波雷达的一大优势是发射功率低,尺寸小,成本低廉,雷达在发射机和接收机均工作时可实现零盲区,且可直接测量多普勒频移和静态目标概率,这点非常符合车载雷达和工业雷达的性能需求。

除通用指标外,该类雷达核心性能指标还包括分辨率、模糊度以及距离和径向速度的精度。分辨率由信号带宽和相干处理间隔决定,参数估计的精确程度由雷达回波信号的信噪比高低决定。

另外,频率测量方式,加窗方式和信号发射质量都影响着核心性能指标。文主要说明信号发射质量对上述核心性能指标的影响。

信号生成及其线性度

线性扫频源广泛用于生成调频连续波雷达发射信号。与脉冲雷达系统相比,调频连续波雷达信号的部分优点在前文已提及。然而,在设计时还需要考虑其他几个问题,其中之一便是发射信号源的选择以及信号生成的类型。

扫频仪典型应用:

开路电压控制震荡器

电压控制震荡器和鉴频器

本例使用了电压控制震荡器,以典型的方式通过查阅表和含前探控制数据存储的数模转换器进行了信号校正。然而,校准随时间而变,且温度的变化也影响着可实现的线性度。

合成器子系统:

锁相环(PLL)合成器

自接数字频率合成器(DDS)

直接数字频率合成器根据查阅表(幅度值与相位的函数关系)和数模转换器重新生成输出信号,直接数字频率合成器的明显缺点是混频导致杂散波增多。为抑制杂散波,混频倍增系数应越小越好。

慢频偏的影响

生成信号的类型会产生多种影响,导致信号线性度的降低,其作用叠加会致使雷达性能恶化。下图显示的是带宽一定条件下,理想线性信号斜率的慢频偏变化图。

由于对接收信号瞬时频率进行下变频,拍频呈现一种趋势。因此,信号经傅里叶变换后会形成更宽的频率峰值。随着拍频精度的降低,距离和径向速度参数估测精确度和分辨率随之减小。

由于接收信号下变频时混入其他频率,生成多余频率分量,因此发射信号线性度对于较远距离的目标更为重要,否则可导致距离估测错误。

波纹的影响

发射信号的另一影响因素是波纹,如图所示。频偏影响拍频测量值的精度,从信号中频全景图中可以看出,频偏也生成多余旁瓣。

相对于具有理想线性斜坡的发射信号而言,经过下变频和傅里叶变换测得的拍频值会形成更宽的频率峰值。因此在调频连续波信号处理过程中,距离分辨率和径向速度分辨率及其精度均会恶化。

杂散辐射

除信号线性度外,杂散辐射也应尽可能保持极低值,甚至为零。现代雷达系统中,杂散辐射主要为谐波、带外混频或本振泄漏。

杂散辐射会对临频产生干扰。如在2.7GHz频域中,S波段空中交通管制(ATC)雷达和LTE移动业务信号频带相邻。

车载雷达杂散辐射会影响其他用频信号的收发性能,甚至影响航天器上的无源传感设备。例如多信道微波辐射计“高级微波探测单元-A”(AMSU-A)工作在24GHz频段。

76-77GHz频段的车载雷达,其杂散辐射在148.5-151.5GHz和226-231.5GHz频段内,这些频段被分配给相关无源用频业务,大部分为射电天文毫米波(参考射电天文频率委员会(CRAF),ITU-R补充说明5.340[3])。杂散辐射值由官方进行界定和管制。

本文为用户翻译内容,未完待续,敬请期待


参考资料


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