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FMCW調頻連續波雷達料位計測量原理分析

作者:admin 來源:網絡 發布日期:2020-07-25 總瀏覽:

 

系統基本結構 

調頻連續波雷達測距利用反射信號與發射信號之間進行自相關處理來提取的距離信息。其一般的原理框圖如圖 2-1 所示。 

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上圖即為調頻連續波雷達基本原理框圖。線性調頻連續波頻率源產生一定頻率帶寬的連續調頻波,通過定向耦合器分成兩路,一路經過功率放大器后通過環形器經天線發射出去,另一路進入混頻器與經濾波器過濾后的反射信號進行混頻。天線接收的信號濾波放大后進入混頻器與發射信號進行混頻,得到的中頻信號經濾波放大后進入信號處理系統。中頻信號的頻率中包含距離信息,經處理后即可得到物位距離。

FMCW 雷達系統測距原理 

FMCW 雷達系統經天線向被測目標發射高頻連續調頻波信號,同時接收目標反射回來的信號。連續調頻波信號的頻率在時域按一定的規律周期變化。常用的調制信號有三角波信號、鋸齒波信號和正弦波信號。本文所研究的 FMCW 雷達系統采用的是三角波信號。在理想狀態下,即不考慮多普勒效應和寄生調幅的存在,系統 FMCW 信號的頻率—時間曲線如圖 2-2 所示。由圖可以看出反射信號與發射信號形狀完全相同,只是有一個時間延遲t ,而t 與所測目標 R 的距離的關系為: 

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式中c 為光速。

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如圖 2-2 所示,f 為發射信號與反射信號頻率的差值,即為混頻器輸出的差頻信號,根據三角幾何關系可得:

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式中T 為調制三角波周期, F 為調制的帶寬。由上式(2-1)、(2-2)可得到目標的距離 R 為

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由此可知,只要得到混頻輸出的差頻信號的頻率,即可以計算出目標的距離。

頻率源分析 

在整個 FMCW 雷達前端的研究設計中,各種結構大同小異,根據應用場合的不同,不同的成本、復雜程度,區別最大的就是頻率源的設計。頻率源是其中至關重要的一部分,它性能的好壞決定著整個前端系統能否順利的工作。 

頻率源指標分析 

對于 FMCW 雷達來說,影響其性能的頻率源指標主要有輸出功率,頻率范圍,線性度,頻率分辨率,相位噪聲,諧波雜散和頻率轉換時間等,下文根據頻率源在此項目中的應用,對頻率源的幾個指標進行分析。 

線性度 

對于 FMCW 雷達,線性度是非常重要的指標,它對 FMCW 雷達測距的距離分辨率、測距范圍和測距精度都會有很大的影響。 

1、線性度定義 

理想情況下,頻率源輸出線性調頻信號的規律為:

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其中,0f 為初始頻率,  B T 為電調斜率, B 為調制帶寬, T 為調制周期。而事實上,頻率源的電調特性并不是理想的,可表示為: 

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其中,  ef t 為頻偏函數,通常滿足邊界條件:

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線性度的定義方式有多種,但它們都反映了實際頻率偏離理想頻率的程度。在 FMCW 雷達系統中,我們通常采用最能說明問題的瞬時線性度,即為頻率源的輸出頻率相對理想線性調頻信號的偏離大小與調制帶寬的比值。如圖 2-3 所示。 

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線性度對調頻雷達測距系統的影響 

由 FMCW 雷達測距的原理可知,單一準確的差頻信號是精確測距和高距離分辨率的前提條件,而當頻率源輸出信號的線性特性差時,對于單一固定的目標而言,最終的差頻信號并不是單頻信號,有一定的頻譜寬度,兩個相鄰的目標頻譜回重疊,會影響到雷達測距的測距精度和距離分辨率。

頻率分辨率 

頻率分辨率是指兩個相鄰頻率點之間能夠分辨的最小頻率間隔,決定著FMCW 雷達測距的距離分辨能力。

相位噪聲 

相位噪聲是指在噪聲作用下,頻率源輸出信號的相位抖動,在頻譜上表現為主譜線兩邊的邊帶噪聲頻譜。相位噪聲的大小可用單邊帶相位噪聲表示,它是指偏離輸出頻率of 一定量處 f ,在單位頻帶內單邊帶噪聲功率SSBP 相對于平均有用輸出功率oP 的分貝數,單位是 d B/Hz,即

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諧波雜散 

與有用頻率成整倍數的頻率成分成為諧波,與有用頻率成分倍數的頻率信號稱為分諧波,在有用頻率附近為固定頻率的成分稱為雜散。這些頻率分量對有用信號形成了干擾,產生的原因是由于頻率合成器中器件的非線性具有頻率再生功能。需要注意的是,諧波、分諧波和雜散在頻譜上是固定的,并不是隨機的,它與電路中某種因素成因果關系。 

頻率轉換時間 

頻率轉換時間是指頻率源的輸出從一個頻率轉換到另外一頻率并達到穩定工作所需要的時間,判斷是否鎖定的標準是輸出頻率是否達到了能容忍的誤差范圍。頻率轉換時間的長短和選擇的頻率合成方案有關。在直接頻率合成器中,頻率轉換時間取決于開關時間,可達納秒級;間接頻率合成器的頻率轉換時間取決于環路的捕獲時間,目前可以達到毫秒級或者更快一些;直接數字頻率合成器的頻率轉換時間取決于數字電路的速度,一般可達到幾個時鐘周期。