調頻法測距課件

1、調頻法測距1、調頻法測距機理2、調頻法測距優(yōu)缺點3、頻率調制主要方式： 鋸齒波(線性調頻LFM)、三角波、正弦波、頻率步進4、線性調頻法測距 調頻方式 LFM脈沖波形及其頻譜分析 LFMCW測距原理及其性能分析5、三角波調頻測距6、正弦波調頻測距7、頻率步進法測距2022/7/29哈爾濱工業(yè)大學電子工程系2調頻法測距機理 對載頻進行頻率調制是應用很廣的展寬連續(xù)波雷達頻譜的一種技術，定時標志就是變化著的頻率。線性調頻：目標回波延遲時間正比于回波信號和發(fā)射信號的頻率差。在給定的時間范圍內發(fā)射的頻率偏移越大，測量延遲時間的精度就越高，發(fā)射頻譜也越寬。2022/7/29哈爾濱工業(yè)大學電子工程系3調頻法

2、測距的優(yōu)缺點D.K. Barton et al, Radar Technology Encyclopedia, Artech House, Inc., 19982022/7/29哈爾濱工業(yè)大學電子工程系4調頻連續(xù)波(FMCW: Frequency Modulation Continuous Wave)雷達的發(fā)射頻率按已知的時間函數變化，它利用在時間上改變發(fā)射信號的頻率并測量接收信號頻率的方法來測定目標距離。在任何給定瞬間，發(fā)射頻率與接收頻率的相關不僅是測量目標距離的尺度，而且還是測量目標徑向速度的尺度。由于任何實際的連續(xù)波雷達頻率不可能向一個方向連續(xù)變化，所以必須采用周期性的調制。 調制波形通

3、常有：鋸齒波、三角波、正弦波、步進頻率頻率調制方式2022/7/29哈爾濱工業(yè)大學電子工程系5鋸齒波調頻鋸齒波調頻信號頻率變化圖鋸齒波調頻是指發(fā)射信號頻率按鋸齒波形狀周期變化。在一個周期內發(fā)射信號頻率線性變化，稱為線性調頻(LFM: Linear Frequency Modulation)，又稱Chirp信號。2022/7/29哈爾濱工業(yè)大學電子工程系6線性調頻脈沖波形瞬時頻率及相位：2022/7/29哈爾濱工業(yè)大學電子工程系7單個線性調頻脈沖的頻譜分析式中2022/7/29哈爾濱工業(yè)大學電子工程系8經過變量替換，并利用Fresnel積分C(x), S(x)及其近似公式得：式中：2022/7/

4、29哈爾濱工業(yè)大學電子工程系9LFMCW測距的圖示說明Stretch處理下面以LFMCW信號為例簡單說明其測距原理：對于與雷達無徑向運動的目標(fd=0)而言，其回波信號與發(fā)射信號的頻率差(通過差拍/去斜率處理獲得)就決定于其回波延遲，因此測頻差就可確定目標回波時延，即測距(目標存在徑向運動時可進行補償以精確測距)。發(fā)射信號頻率與接收信號頻率回波時延頻差fR2022/7/29哈爾濱工業(yè)大學電子工程系10LFMCW測距的公式推導LFMCW (Linear Frequency Modulation Continuous Wave)線性調頻連續(xù)波LFMICW (Linear Frequency Mo

5、dulation Interrupted Continuous Wave)線性調頻截斷連續(xù)波時域截斷的必要性： 單基地調頻連續(xù)波雷達發(fā)射機和接收機之間的隔離是很個重要的問題，解決這個問題的方法很多，其中“時間分割”的工作方式就是一個比較有效的方法雷達的發(fā)射機和接收機交替地工作，并且收發(fā)可共用一個天線，類似于脈沖雷達，但兩者脈沖的占空比相差懸殊(脈沖雷達占空比通常很小，而時間開關占空比可達1/2)。這種“時間分割”工作方式表現在信號形式上就等效于對線性調頻信號的幅度進行一次脈沖調制。通常采用的開關信號形式有兩種：偽隨機碼序列、矩形脈沖序列。只要保證時域截斷不引起頻譜混疊，其對信號處理無實質性影響

6、，下面我們僅討論LFMCW的測距實現。2022/7/29哈爾濱工業(yè)大學電子工程系11設發(fā)射LFMCW信號形式為：式中為T調頻周期，K為調頻斜率， 表示重復周期，t的取值范圍是 ，f0為載頻。 初始距離為R0(對應時刻t=0)，徑向速度為vr的理想目標的回波延時為=2(R0-vrt)/c。不考慮傳播衰減，則回波信號為：將發(fā)射信號與接收信號直接差頻到零中頻(實際系統中并非如此，但并不影響下面分析)，則差頻相位為： 2022/7/29哈爾濱工業(yè)大學電子工程系12式中2f0R0/c為常數，目標多普勒頻率fd=2vrf0/c，fR=2KR/c=K是目標距離所對應的頻率，R=R0-vrt，K2/2對應的頻

7、率f0，則零中頻信號形式可簡寫成： 信號處理的首要任務是將回波信號進行距離、速度及方位分選(網格化)，然后再進行其它處理。由于接收機中進行正交雙通道處理，所以可以得到上式的復信號形式為：其中 在一個掃頻周期中是個常量，它代表目標運動而產生的第n個掃頻周期的回波初相，fR對應當前目標位置所產生的頻率。這樣先對一個掃頻周期內的采樣點序列進行第一維FFT處理，可近似得到目標的近似距離(一般fd的影響可在對速度精確測量后補償掉)。時域開關信號的影響分析詳見講義：籠統地講，開關信號對差頻信號的影響主要在頻域上。時域相乘，對應頻域卷積，而開關碼為周期重復序列，其頻譜為離散譜，譜線間隔為開關碼重復頻率，若出

8、現頻譜混疊則需要采取方法解模糊。2022/7/29哈爾濱工業(yè)大學電子工程系13 調頻連續(xù)波雷達系統獲得的距離分辨力R將取決于測量頻率差的分辨力fR，而fR取決于調頻帶寬B以及調頻波形能保持的精度。例如，對于線性調頻，fR(以及R)將取決于帶寬和調制的線性度。調制的非線性度由f/B給出，此處f是離開線性調制的偏差。調制的非線性應比時間帶寬積的倒數小得多，也就是波形的1/(BT)，這樣才不能嚴重地影響可獲得的距離分辨力。理想線性調制時，由于R=ctR/2、fR=KtR，則R=ctR/2=cfR/2/K ，而fR=1/T、K=B/T，則tRT時距離分辨力： 式中T確定最大的無模糊距離Rmax=cT/

9、2。這樣對于給定的R和Rmax，對線性度的限制由非線性度(|fd|0時(發(fā)射減接收) fdfR0時(接收減發(fā)射) fd-fRfR0時，平均頻率及差值的含義與fR|fd|0時完全相反，這可能發(fā)生于近距離高速目標情形(此部分內容雷達原理未分析，雷達系統導論簡單提及)。2022/7/29哈爾濱工業(yè)大學電子工程系16調頻脈沖串測距此法本質上是調頻法測距。例如設脈沖調頻時的發(fā)射信號頻率分為三段A、B、C，分別采用正頻率調頻、負頻率調頻(正負斜率大小相等)和發(fā)射恒定頻率。由于調頻周期T遠大于雷達脈沖重復周期Tr，故在每一個調頻段中均包含多個脈沖?；夭ㄐ盘栂鄬τ诎l(fā)射信號有一個固定延遲tR，即將發(fā)射信號的調頻

10、曲線向右平移tR即可，若回波信號還存在多普勒頻移，則前面的回波頻率還應向上(對應正多普勒頻率)或向下平移fd。2022/7/29哈爾濱工業(yè)大學電子工程系17 接收機混頻器中加上連續(xù)振蕩的發(fā)射信號和回波脈沖串，則可得到收發(fā)信號的差頻信號。設發(fā)射信號的調頻斜率為，則A、B、C三段收發(fā)信號間的差頻分為： 利用脈沖調頻法測距時，可以選取較大的調頻周期T以保證測距的單值性。此信號形式中的脈沖串相當于LFMICW中的開關信號，盡管兩者均采用調頻法測距(測差頻)，但當開關信號/脈沖串的幅度加權導致可能出現距離模糊時(frfRmax)，可以兼用加時間波門的辦法解測距模糊，其實質是：脈沖法粗測距調頻法精測距參考

11、： R.H. Khan et al, Target detection and tracking with a high frequency ground wave radar, IEEE Journal of Oceanic Engineering, Vol.19, No.4, Oct. 1994, pp540548 相對靜止目標回波相對運動目標回波2022/7/29哈爾濱工業(yè)大學電子工程系18正弦波調制測距用正弦波對連續(xù)波的載波進行調頻，即發(fā)射信號及其頻率為： 式中為f0載頻，fm為調制頻率，f為頻率偏移(頻率調制的范圍)回波信號與發(fā)射信號進行差頻所得的信號具體形式與目標運動與否有關，固定

12、目標的差頻信號及其頻率為：2022/7/29哈爾濱工業(yè)大學電子工程系19 將多普勒頻移為fd的運動目標回波的差頻信號展開成三角級數，級數中各項就是調制頻率的諧波： 式中J0、J1、J2等分別為0階、1階、2階等階次的第一類貝塞爾函數 上式表明差頻信號由幅度為J0(D)的多普勒頻率分量及一系列頻率為fm、2fm、3fm等的余弦波組成。幅度比例于J0(D)的多普勒頻率分量調制了每一個fm的諧波。多普勒頻率因子與第n次諧波因子的乘積等效于抑制載頻的雙邊帶調制。 正弦波調頻連續(xù)波雷達主要用于單個目標情形(如無線電高度計) 。參見雷達系統導論第二版 2022/7/29哈爾濱工業(yè)大學電子工程系20步進頻率波形(Stepped Frequency Waveform)2022/7/29哈爾濱工業(yè)大學電子工程系212022/7/29哈爾濱工業(yè)大學電子工程系222022/7/29哈爾濱工業(yè)大學電子工程系23頻率步進信號又可稱為時間頻率編碼信號 2022/7/29哈爾濱工業(yè)大學電子工程系242022/7/29哈爾濱工業(yè)