一种低成本FMCW雷达测距系统中频电路设计
一种低功耗低成本便携式战场侦察雷达系统设计
一种低功耗低成本便携式战场侦察雷达系统设计
陈勇;汪鱼洋
【期刊名称】《科学技术创新》
【年(卷),期】2024()9
【摘要】战场侦察雷达需求高集成、轻量化、低功耗、低截获概率的特点,同时又要保证高可靠和便捷使用。
针对战场侦查雷达设计需求,从系统体制选择、硬件架构设计、软件架构设计和分系统实现方式设计等方面进行了探讨,设计一款低功耗低成本便携式战场侦察雷达系统。
【总页数】5页(P13-17)
【作者】陈勇;汪鱼洋
【作者单位】中国电子科技集团公司第38研究所
【正文语种】中文
【中图分类】TN959.1
【相关文献】
1.X波段便携式战场侦察雷达收发系统低功耗设计
2.便携式战场侦察雷达系统设计
3.便携式LPI战场侦察雷达收发系统设计
4.便携式LPI战场侦察雷达收发系统的微型化设计
5.便携式战场侦察雷达系统设计
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一种雷达收发实验系统的制作方法
一种雷达收发实验系统的制作方法
本文介绍了一种雷达收发实验系统的制作方法。
该系统基于FMCW （频率调制连续波）雷达原理，具有可调频、可调距离和可调速度等实验功能。
系统由射频发射电路、接收电路、信号处理电路和控制电路组成。
射频发射电路采用高频声表面波器件，能够产生高稳定度的频率调制连续波信号。
接收电路采用低噪声放大器和混频器，能够实现高灵敏度的信号接收。
信号处理电路采用FPGA和DSP芯片，能够实现高速的信号处理和数据传输。
控制电路采用单片机和触摸屏，能够实现系统的可视化操作和实验参数的设置。
该系统具有结构简单、性能稳定、易于操作等优点，适用于雷达原理实验、无线通信实验等教学和研究应用。
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最新 相参FMCW导航雷达方案设计与信号的分析-精品
相参FMCW导航雷达方案设计与信号的分析0 引言导航雷达作为当代雷达技术的一项重要应用领域，继20世纪40年代问世以来一直受到各国的重视，不论是在上的反恐作战、敌情预警、还是民用上的防撞规避、灾害救援等方面，均有广泛的应用前景。
1988年，Philips研究实验室将FMCW技术引入到导航雷达系统中[1]。
相比于传统脉冲模式工作的雷达系统，FMCW系统的主要优点在于采用简单结构就能获得较高的距离分辨率，因而更容易携带或安装在小型舰船和车辆上。
此外，其发射信号波形的特殊性决定了FMCW系统在发射时不需要很高的发射功率。
在系统实现上，采用较低峰值功率的固态发射机即可满足性能要求，同时，由于FMCW信号的功率谱在调制带宽上近似为矩形，使得非合作截获难度较大[2]。
目前，市场上导航雷达多为非相参结构，即无法获得回波信号的相位信息。
而采用相参正交（I，Q）双通道接收结构，不仅可以改善信噪比（SNR），提高微弱目标检测概率，还可能得到目标的速度信息，并利用多普勒处理技术抑制杂波干扰。
为研制相参FMCW导航雷达系统，在微弱目标检测、杂波抑制等技术瓶颈方面有所突破，需对其探测原理、系统结构和信号处理流程进行详细的分析与设计，建立雷达系统模型并仿真回波信号处理，从而对其探测性能做出科学分析与评估。
1 FMCW雷达探测原理采用无调制波形的单频连续波雷达不能测量目标距离。
为了同时获取目标的距离和速度，连续波雷达的发射频率必须随时间变化。
相参FMCW雷达通过天线向外辐射和接收一系列的调频连续波，跟据回波信号相对发射信号的频率变化确定目标距离和多普勒信息[3]。
由于调制不能总沿着一个方向连续变化，所以一般为周期调制方式。
综上考虑本系统采用如图1所示的锯齿形线性周期调频信号调制电磁波。
其中回波延迟和目标运动会使得发射信号与回波信号之间存在一定的频率差值。
图1 锯齿形线性调频信号示意图相参FMCW雷达发射瞬时频率为[4]：[f（t）=fc-ΔF2+ΔFtmt，0≤t≤tm] （1）式中：[fc]为载频频率；[ΔF]为发射调制带宽；[tm]为调制周期。
FMCW雷达快速高精度测距算法
FMCW雷达快速高精度测距算法FMCW（Frequency-Modulated Continuous Wave）是一种基于连续波的雷达测距技术，由于其快速高精度的特点，在许多领域得到广泛应用。
本文将介绍FMCW雷达的原理，并详细阐述其快速高精度测距算法。
FMCW雷达通过发射一种连续频率变化的信号，并接收到反射回来的信号来实现测距。
它的测距原理是利用多普勒效应，当发射的信号遇到靠近的目标物体时，其频率会发生微小的改变，通过测量频率变化的大小，可以确定目标物体到雷达的距离。
快速高精度测距的关键在于频率变化的控制和信号的处理。
首先，为了实现快速测距，需要快速而准确地控制信号的频率变化。
通常采用锁相环（Phase Locked Loop）技术实现，通过与输入参考信号进行相位比较，产生一个错误信号，然后通过调整本振频率来消除错误信号，从而实现精确的频率变化控制。
接下来是信号的处理，FMCW雷达接收到的信号是一系列的连续波形，需要对这些波形进行处理以获取目标物体的距离信息。
常用的处理算法是快速傅里叶变换（FFT），通过对接收到的信号进行频谱分析，可以得到不同频率的成分，进而确定目标物体的距离。
在进行测距之前，需要进行一些预处理工作，例如去除杂散信号、消除信号的幅度变化等，以提高测距的精度。
同时，还需要注意参考信号与接收信号之间的相位差，这些因素都会影响测距的准确度。
除了以上基本的测距原理和处理方法，还有一些额外的技术可以提高FMCW雷达的测距性能。
例如，使用多通道接收器可以降低误差，并提高系统的鲁棒性。
同时，还可以结合其他传感器，例如惯性测量单元（Inertial Measurement Unit，简称IMU）来实现更精确的测距结果。
总之，FMCW雷达是一种快速高精度测距的技术，其原理是基于多普勒效应实现的。
通过对信号的频率变化进行控制和信号的处理，可以实现对目标物体的精确测距。
同时，还可以通过一些额外的技术手段来进一步提高测距的准确性和稳定性。
车载LFMCW雷达探测系统分析与设计
范 围为 ０２ ５ －． Ｖ，输 出阻抗 为 １０ Ｏ ｎ。 如图 １ 示为雷达传感器在没有 目标反射 回波情况下 ， 所 咖鲫伽猢 啪锄伽瑚。 Ｈ 示波器观察输 出 中频 差拍 信号 ，从 示 波器信 号 中可 以看 出
机混频器 的非理想 隔离 所造 成 的结 果 ，因此 ，在实 际系 统
度多普勒公式 一ａ ｇ 计 算 目标 的速度 引起 的 Ｄ ｐｌ ／ｖ， ｏｐ ｒ ｅ
频率最大为 ９ ６ ．ＫＨｚ 。 目标的距离引起 的频率 差与调 频斜率 和最远 测量距 离 有关 ，代入公式
一
设计 中，为 了减 小 这种 干 扰 ，在 进入 信 号 处理 电 路之 前 ， 需要进行滤波预处 理 ，抑制 三角波中频交调干扰 。
雷达 接收 回波信号 与本振 信号 进行 正交 混频 ，输 出 Ｉ 、 Ｑ两路 中频信号 ，雷达前 端集 成运 放 ，混频 后经过 运放 进
行 ３ｄ ０ Ｂ放大后 输 出带 宽为 ５ —５ＫＨｚ的差 拍信 号 ，电压 ０１ ０
可知 ，信号强度在 ５ｍ 以外的迅速衰减 ，因此 ，中频信 号输 ０ 出端至少需要 ３ ｄ Ｏ Ｂ的增益放大 ，并且增加 Ａ Ｃ模块才 能满 Ｇ 足Ａ Ｄ芯片的需求达到防撞雷达所需 １０ ５ｍ的探测距离 。 Ｌ ＭＣ 连续波 雷达 处 理 的是 目标 回波 的 差拍 信 号 ， Ｆ Ｗ
系统 的硬件 实现方案 ，实验结果表明该检 测 系统设 计可靠，各部分参数达到实际要 求。
关 键 词 ：线 性 调 频 连 续波 ；数 字 信 号 处 理 ；现 场 可 编程 门 阵列 ；防 撞 雷达 ；恒虚 警 率检 测
中图法分类号 ： Ｎｇ ｌ 文献标识号 ： Ｔ ｌ Ａ 文章编号 ：１０ —０ ４ （０ ２ １０ ２—６ ０ ０７ ２ ２ １ ）０ —１６０
fmcw毫米波雷达原理
fmcw毫米波雷达原理FMCW毫米波雷达原理一、简介FMCW毫米波雷达是一种基于频率调制连续波的雷达技术，其原理是通过改变发射信号的频率，使得回波信号与发射信号产生频率差，从而实现距离测量。
该技术被广泛应用于汽车安全、工业检测、航空导航等领域。
二、FMCW毫米波雷达的组成1. 发射器：发射器产生高频连续波信号，并将其发送到天线。
2. 天线：天线将发射信号辐射出去，并接收回波信号。
3. 混频器：混频器接收回波信号和本振信号，并输出中频信号。
4. 带通滤波器：带通滤波器对中频信号进行滤波处理，以去除杂散噪声。
5. 放大器：放大器对滤波后的中频信号进行放大处理，以增强回波信号的强度。
6. 鉴相器：鉴相器对放大后的中频信号进行相位检测，以获取目标物体与雷达之间的距离信息。
7. 微处理器：微处理器对鉴相器输出的距离信息进行处理，以实现目标物体的定位和距离测量。
三、FMCW毫米波雷达的工作原理1. 发射信号频率调制FMCW毫米波雷达通过改变发射信号的频率，使得回波信号与发射信号产生频率差。
具体来说，发射器产生一段带宽为B的连续波信号，并将其发送到天线。
在发射过程中，发射器会对连续波信号进行频率调制，即将其频率从f1变化到f2。
这种频率调制方式被称为“线性调频”。
2. 回波信号接收天线将发射信号辐射出去，并接收回波信号。
当回波信号经过目标物体反射后返回到雷达时，它会与发射信号产生干涉。
由于目标物体与雷达之间存在一定的距离差异，因此回波信号与发射信号之间会产生一定的相位差。
3. 混频器处理混频器接收回波信号和本振信号，并输出中频信号。
其中本振信号是一个稳定的高频正弦波，用于将回波信号转换为中频信号。
混频器的输出信号包含了回波信号与本振信号之间的频率差，即相位差。
4. 带通滤波器处理带通滤波器对中频信号进行滤波处理，以去除杂散噪声。
由于FMCW 毫米波雷达的发射信号具有一定的带宽，因此回波信号也会包含一定的杂散噪声。
调频连续波雷达(FMCW)测距测速原理
调频连续波雷达（FMCW）测距测速原理FMCW雷达的工作原理基于多普勒效应和频率测量。
当发射机发送连续变化的频率调制信号时，信号的频率将会随时间线性变化。
这个频率变化的斜率称为调频斜率。
当发射信号经过天线发射出去，在遇到目标后，信号会被目标散射回来，然后被接收天线接收。
当接收天线接收到返回信号时，会将信号和发射信号进行混频处理，将其与发射信号相乘。
这样做的目的是为了提取目标的频率信息。
由于目标的速度不同，返回信号的频率也会有所不同。
根据多普勒效应的原理，当目标向雷达揭示而来时，频率会比发射信号的频率高；相反，当目标远离雷达时，频率会比发射信号的频率低。
接收到的混频信号将通过低通滤波器进行滤波，以去除不想要的频率成分。
然后，信号将被转换成数字信号，通过快速傅里叶变换(Fourier Transform)进行频谱分析。
频谱的峰值表示目标的频率，根据频率的变化可以计算出目标的速度。
根据多普勒频移的公式，测量得到的频移值与目标的速度成正比。
利用目标的速度与雷达到目标的距离之间的关系，可以通过简单的数学运算得到目标的距离。
由于信号频率的线性变化，可以通过测量信号的起始频率和终止频率，以及相应的时间间隔，计算得到距离。
在FMCW雷达系统中，还需要对信号的回波强度进行测量，以评估目标的反射特性。
这可以通过测量接收信号的功率来实现。
通过分析接收到的功率信号，可以确定目标的散射截面积(Cross Section)，从而估计目标的大小。
总结起来，FMCW雷达的测距测速原理基于多普勒效应和频率测量。
通过发送频率变化的信号，接收并处理返回信号，测量目标的频率和功率，从而得到目标的距离、速度和反射特性。
这种雷达系统具有高精度、高分辨率和广泛测速范围的优势，广泛应用于交通监测、无人驾驶、气象观测等领域。
fmcw原理推导
FMCW原理推导一、引言在雷达技术领域，FMCW（Frequency Modulated Continuous Wave）是一种常用的测距原理。
本文将对FMCW原理进行推导，以便更好地理解其工作原理和应用。
二、FMCW原理概述FMCW雷达是一种连续发射、连续接收的雷达系统。
其基本原理是通过调制发射信号的频率，然后将发射的连续波信号与接收到的回波信号进行比较，从而获得目标物体的距离信息。
三、原理推导1. 发射信号FMCW雷达的发射信号是一个连续的频率调制信号。
假设发射信号的频率为f(t)，则其数学表达式可以表示为：f(t) = f0 + k * t其中，f0是发射信号的起始频率，k是调制斜率，t是时间。
2. 发射与接收信号的混频发射信号经过天线发射后，与目标物体发生回波，回波信号经过天线接收后，与发射信号进行混频。
设接收到的回波信号的频率为fr(t)，则混频后的信号可以表示为：fr(t) = f(t) * fr(t)3. 距离与频率的关系根据多普勒效应的原理，可以得到目标物体与雷达之间的距离与混频信号的频率之间存在关系。
设目标物体与雷达之间的距离为d，雷达的发射频率为f0，则目标物体的回波频率可以表示为：fr(t) = 2 * (f0 + k * t) * (1 - v / c)其中，v是目标物体的速度，c是光速。
4. 目标物体的距离计算根据上述推导，可以得到目标物体的距离d与混频信号的频率fr(t)之间的关系：d = c * (fr(t) - f(t)) / (2 * k)这就是FMCW雷达计算目标物体距离的基本原理。
四、FMCW雷达的应用FMCW雷达由于其测距精度高、抗干扰能力强等特点，广泛应用于各个领域。
以下是一些FMCW雷达的应用示例：1. 距离测量FMCW雷达可以用于测量目标物体与雷达之间的距离，例如在车辆安全系统中用于测量车辆与前方障碍物的距离。
2. 速度测量通过分析回波信号的频率变化，可以计算目标物体的速度。
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·微机应用·1引言雷达是利用电磁波探测目标的电子装备,是集中了现代电子科学技术先进成果的高科技系统。
雷达发射电磁波照射目标并接收回波，由此来发现目标并测定目标的位置、运动方向和速度等特性。
在雷达最初面世之时，因其成本和体积等诸多限制，几乎都是用于军事用途，例如舰载雷达、机载雷达、用于火炮锁定的相控雷达阵列等。
经过长期发展，随着对雷达研究的深入和硬件水平的进步，一些低成本的小型雷达也实现了民用化。
尤其是近年来随着物联网技术的发展，人们在赋予物品电子信息灵魂的同时，也更加注重智能设备给安全出行带来的提升。
例如当下最热门的自动驾驶技术，作为一整套复杂的电子设备和软件相互配合的产物，其技术核心即是基于雷达防撞系统之上的。
FMCW （Frequency Modulated Continuous Wave ），即调频连续波雷达，因其具有辐射功率小、测距精度高、设备简单、易于实现固态化设计等优点[1-3]，无论是在军用领域还是在民用领域都有广泛的应用。
故一种低成本FMCW 雷达测距系统中频电路设计*王硕1，殷树娟1，李翔宇2（1.北京信息科技大学理学院,北京100192；2.清华大学微电子学研究所，北京100084）摘要:为适应FMCW 雷达技术在研究深度及相关硬件水平上的新发展，以FMCW 雷达测距原理为基础，设计了用于FMCW 雷达系统的一款中频处理电路，包括调制信号的产生、中频电路参数的计算及电路实现。
为方便验证中频电路性能，设计实现了一种基于FPGA 的信号采集方案及信号处理办法，并放置静态目标进行验证。
实验结果表明，测试系统能够测量10m 以内的目标距离，测距平均误差为±0.1m 。
该中频电路设计方案简洁便利、易于实现、成本较低且性能良好，为FMCW 雷达民用化应用提供了一种解决方案。
关键词：雷达测距；中频处理电路；信号采集；低成本DOI ：10.3969/j.issn.1002-2279.2019.02.012中图分类号:TN952文献标识码:A 文章编号：1002-2279（2019）02-0052-05Design of an Intermediate Frequency Circuit for Low Cost FMCW RadarRanging SystemWANG Shuo 1,YIN Shujuan 1,LI Xiangyu 2(1.The College of Science,Beijing Information Science and Technology University,Beijing 100192,China;2.Institute of Microelectronics,Tsinghua University,Beijing.China.)Abstract:In order to adapt to the new development of FMCW radar technology in research depth and relevant hardware level,on the basis of the ranging principle of FMCW radar,an intermediate frequency processing circuit for FMCW radar system is designed,including the generation of modulation signals,the calculation of intermediate frequency circuit parameters and circuit implementation.In order to verify the performance of intermediate frequency circuit conveniently,a signal acquisition scheme and signal processing method based on FPGA are designed and implemented,and static targets are placed for verification.The experimental results show that the test system can measure the target distance within 10m with an average ranging error of ±0.1m.The IF circuit design scheme is simple and convenient,easy to implement,low in cost and good in performance,and provides a solution for the civilian application of FMCW radar.Key words:Radar ranging;IF processing circuit;Signal acquisition;Low cost基金项目：国家自然科学基金资助项目(61604014)；北京市教委科技面上项目(71E1810981)；北京信息科技大学2018年度教学改革立项资助(2018JGYB33)作者简介：王硕（1992—），男，北京市人，硕士研究生，主研方向：集成电路设计。
收稿日期：2019-01-08*微处理机MICROPROCESSORS第2期2019年4月No.2Apr.，2019..2期此，针对行业内的面向民用化的趋势，以汽车防撞雷达为背景，采用24GHz 小型雷达模块，设计一种基于FMCW 雷达的中频处理电路，并使其发挥出设计简单、易于实现、低成本、性能良好等优势。
2原理与中频参数设计2.1FMCW 测距原理FMCW 雷达的工作原理是用回波信号和发射信号的一部分进行相干混频，得到包含目标距离和速度信息的差频信号，然后对差频信号进行处理和检测以得到目标的速度和距离。
通常情况下，FMCW 的调制方式有锯齿波和三角波两种。
锯齿波调制可以获得目标的距离信息，三角波调制可以获得目标的距离和速度信息，但锯齿波调制为单扫频信号，在信号产生上相对简单，在信号处理的研究和实现上也更容易，因而成本低廉，故此本设计采用锯齿波调频来实现FMCW 的测距功能。
锯齿波调频雷达的测距原理如图1所示。
其中f M 为调制信号带宽，T M 为调制周期，t p 为时延，f b 为差频，由此可得距离运算公式：2.2滤波参数设计根据锯齿波调制FMCW 雷达检测静止目标的测距公式(1)，可推导出中频信号的频率公式如下：通过上述公式，可以看出中频信号的频率主要与调制信号带宽、调制周期及目标放置位置有关。
雷达前端收发机采用Rfbeam 公司的24GHz 低成本雷达K-LC2，该模块集成了射频的收发及混频等功能，可以在锯齿波或三角波的调制方式下发射连续波。
电路的基本结构如图2所示。
根据该型号雷达收发机参数手册，该类型雷达收发机调制带宽为800MHz 。
信号的调制周期与雷达的应用距离有关，探测目标越近，则所需调制信号频率越高。
在探测远距离目标（30~100m ）时通常采用100~200Hz 的调制频率；探测近距离目标（10~20m ）时采用500~1kHz 的调制频率[4-7]。
此类型雷达收发器的作用距离与检测目标相关，根据防撞雷达的技术需要，本设计首要检测目标为人。
该类型雷达以人为检测目标时距离要求控制在10m 以内。
因此采用近距离探测的调制信号，以1kHz 的锯齿波为调制信号，预警目标为大于等于人的物体，探测距离为0.4~10m 。
由上述公式(2)可以计算得到，在该场景下的中频信号的大致范围为2~66kHz 。
依据回波信号的频率范围，我们可以设计中频处理部分滤波器的主要参数。
高通滤波器的主要作用是抑制锯齿波调制信号的泄露，将高通的截止设置5kHz ，为调制信号频率的5倍，可以有效消除调制信号的泄露，同时衰减近距离目标回波的信号的幅度，避免溢出———近距离目标因为信号衰减少，回波能量通常较强。
低通滤波器截止频率采用70kHz ，略高于频率范围上限，以保证目标距离较远、信号较弱时，有用信号尽量不被衰减，同时滤除系统中混有的高频干扰。
2.3放大参数设计对大参数进行设计，首先需要确定回波能量的大小，然后根据回波能量大小及AD 的选择确定放大倍数。
雷达信号回波的能量大小可以由雷达方程中的几个关键参数来决定。
雷达方程为：上式中,P r 就是回波的功率大小，P t 是发射功率，G 是天线增益，A e 为天线孔径，σ是被测目标的雷达横截面积，R 是被测目标的距离。
其中发射功率、天线增益、天线孔径参数都是根据雷达收发机的参数ff Mf Tx f Rxf bt pT Mt图1锯齿波调制FMCW 静止目标回波(1)b MMc 2f T R f(2)M b M 2cf R f TT xR xIQ FM Input图2雷达收发机电路结构(3)4e r 2t 4π=P G A R P（）王硕等：一种低成本FMCW 雷达测距系统中频电路设计53..微处理机2019年唯一确定的。
据此，回波功率大小P r 只与目标的距离和雷达横截面积有关。
根据这两个参数的正反比关系可以确定最大的回波功率和最小的回波功率。
在最远探测距离处，以雷达检测行人为目标的雷达横截面积为1m 2，得到回波功率为：而在最近探测的距离处，以雷达波的照射面积作为目标的横截面积，得到回波功率为：根据此结果，可以得知如果将混频输出信号直接接入AD 的输入端，由于回波能量过小很容易被杂波淹没掉，而且微弱的中频信号容易被外界干扰源及系统内部噪声所影响，因此需要对雷达输出的中频信号进行放大等预处理。
在系统的测距范围内，中频信号的功率大小为-82.43dBm~-35.37dBm ，差值为47dBm 左右，在选择ADC 时要求在动态范围内上限和下限各留有6dBm 的余量，因此最小的SNDR 为59dBm 。
AD 的位数可计算为:根据这一结果，采集系统的AD 有效位数应当大于9.56。
因此ADC 选择为12位的AD9226芯片，最大采样率为65MSPS 。
将其按图3配置使ADC 的电压输入范围为1~3V 。
并在输入端匹配一个信号衰减电路使ADC 的输入范围拓展到0~5V 。
由于设计应用距离范围小于10m ，为降低设计成本，无需采用AGC 动态增益调整设计，只需在输入电压幅值不超过5V 的前提下，尽可能放大有用信号即可。
经计算，当放大增益为60dB 时即可满足设计要求。