连续波雷达方案

全固态连续波导航雷达

性能与指标论证一、体制

调频连续波（FMCW）。

二、系统组成

系统组成见下图。

图1.系统组成框图

三、技术指标

1、频率

X波段，9.3GHz~9.4GHz

2、峰值功率

100mW

3、扫频带宽

小于等于75MHz

4、扫频重复频率

200Hz

5、扫频时宽

1.2ms

6、接收机噪声系数

小于等于6dB

7、天线转速

24rpm,+/-10％

8、收/发天线水平波束宽度

5.2º+/-10％(-3dB宽度) 9、收/发天线垂直波束宽度

25º+/-20％(-3dB宽度)

10、收/发天线旁瓣电平

小于等于-18dB(正负10º内)

小于等于-24dB(正负10º外)

11、极化方式

水平极化

12、通信协议

高速以太网或串口

四、性能指标

1、探测距离

典型目标探测距离见下表。

表1.探测距离表

2、量程

50m~24nm, 17档可调

3、功耗

工作：***********

待机：**********~150ma 4、电源

9V~31.2V直流

5、使用环境

工作温度：-25º~+55 º

相对湿度：+35º，95％RH

防水：IPX6

相对风速：51m/s(最大100节)

五、 组成原理 1、收发系统组成

图2.收发系统原理框图

2、信号处理系统组成

图3.信号处理原理框图

六、 关键指标分析论证 1、A/D 采样率与采样位数

雷达最大量程24nm ，回波最大延迟：

max

8

2241852

296.32310

d t s μ⨯⨯==⨯

最大差拍频率： max max 75

296.3218.521200

b d m F f t MHz T ∆=

=⨯= 应选择A/D 采样频率f s ≥2f bmax ， 实际可选：

f s =40MHz 。

采样位数选16位，对应动态范围96dB 。

2、距离分辨率

（1）、理论分辨率

发射波形扫频带宽ΔF=75MHz ，理想距离分辨率为：

8

06

3102227510

C R m F ⨯∆===∆⨯⨯ 对自差式FMCW 雷达，当目标回波延时t d ，有效带宽降为：

(1)d

m

t F F T '∆=∆-

式中T m 为调制时宽。实际目标距离分辨率为：

2(1)

d m

C

R t F T ∆=

∆-

从上式可以看出，FMCW 雷达在不同的探测距离上有不同的距离分辨率。距离越远，分辨率越差。取T m =1.2ms,最小和最大量程的距离分辨率为： 量程=50m, 距离分辨率ΔR ≤2m

量程=24nm, 距离分辨率ΔR ≤2.66m

以上给出的是距离分辨率的理论计算值，实际距离分辨率还与信

号处理（主要是FFT ）的频率分辨精度等因数有关。 （2）、相干处理时间间隔对分辨率的影响

最大量程时的可用相干处理时间间隔：

1200 - 296.32 = 903.68μs 可用采样点数：

903.68 × 40 = 36147

为了便于FFT 处理，若实际采样点数选32768。对应的频率分辨率： Δf = 1221 Hz

该频率分辨率对距离分辨率的限制为：

386

1.2103101221

2.9304227510

m T C f R m F -∆⨯⨯⨯⨯'∆===∆⨯⨯ 该值大于理论距离分辨率，是实际能达到的距离分辨率。

小量程时，差拍频率小，与大量程相比可获得更长的相干处理时间，FFT 频率分辨率对雷达距离分辨率的影响可得到一定程度的改善。 比如，50m 量程时，最大回波延时0.33μs ，可用相干处理时间间隔为：

1200 - 0.33 = 1199.67μs 频率分辨率：

Δf = 833.56 Hz

该频率分辨率对距离分辨率的限制为：

386

1.210310833.56

2.0005227510

m T C f R m F -∆⨯⨯⨯⨯'∆===∆⨯⨯ 因而，FFT 频率分辨率对雷达距离分辨率的影响可忽略。但前提是相

干处理时间必须用足。按40MHz 采样率，50m 量程下的可用样点为47986。实际处理时，可通过补零将序列长度延长至65536再进行FFT 。 如此长序列的FFT 在处理时必须保证有足够的处理动态，否则将产生严重的弱小目标损失。 （3）、FFT 加窗对分辨率的影响

信号处理时，若对经A/D 变换后的回波差拍信号直接进行FFT ，频谱旁瓣仅为-13dB ，在密集目标环境下，大目标的旁瓣谱线可能远高于邻近小目标的主瓣谱线，从而严重干扰小目标的检测和分辨。为了克服这一问题，一般采用加窗处理的方法压低旁瓣。但加窗处理的负作用是引起频谱主瓣的展宽，使雷达分辨率下降。比如，采用Hamming 窗函数进行加权，旁瓣可压低至-40dB ，但主瓣展宽了一倍，雷达的距离分辨率对应下降了一倍。

3、信号处理损失

FMCW 雷达通过FFT 分析差拍频率算出目标距离，FFT 具有所谓的

“栅栏效应”，其输出的频谱是离散的，谱线的间隔Δf 等于相干处理时间的倒数，当差拍回波谱正好等于Δf 的整数倍时，幅度最大，无损失。而当差拍回波谱位于FFT 的两根谱线之间时，即：

/2(0,1,2,...,1)b f n f f n N =∆±∆ =-

谱强度下降了0.637倍，即信号损失3.92dB 。