《電子技術(shù)應(yīng)用》
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小型調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)優(yōu)化設(shè)計(jì)與性能分析
2022年電子技術(shù)應(yīng)用第8期
蔣 俊，穆文星，方 璐，劉 濤
海軍工程大學(xué) 電子工程學(xué)院，湖北 武漢430033
摘要： 調(diào)頻連續(xù)波(Frequency Modulation Continuous Wave，F(xiàn)MCW)雷達(dá)具有體積小、功耗低、低截獲特性，在車載導(dǎo)航雷達(dá)、低截獲雷達(dá)等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。借鑒麻省理工學(xué)院咖啡罐雷達(dá)的設(shè)計(jì)，使用模塊化集成微波器件，改造完成了一套S波段小型FMCW雷達(dá)系統(tǒng)。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)的簡(jiǎn)易陣列天線增加了信號(hào)增益；調(diào)整電子線路板以增強(qiáng)系統(tǒng)穩(wěn)定性，改進(jìn)音頻接口使得應(yīng)用更加廣泛，使用距離多普勒(RD)方法測(cè)量目標(biāo)參數(shù)，并在原來(lái)“停-走-?！膘o止模型的基礎(chǔ)上增加了滑軌連續(xù)運(yùn)動(dòng)的改進(jìn)RD成像算法，補(bǔ)償了運(yùn)動(dòng)期間多普勒伸縮對(duì)合成孔徑雷達(dá)(SAR)成像的影響。通過(guò)仿真和實(shí)測(cè)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該系統(tǒng)設(shè)計(jì)的合理性和可靠性。
中圖分類號(hào)： TN958
文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.223097
中文引用格式： 蔣俊，穆文星，方璐，等. 小型調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)優(yōu)化設(shè)計(jì)與性能分析[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2022，48(8)：6-12.
英文引用格式： Jiang Jun，Mu Wenxing，F(xiàn)ang Lu，et al. Optimized design and performance analysis of small FMCW radar[J]. Application of Electronic Technique，2022，48(8)：6-12.
Optimized design and performance analysis of small FMCW radar
Jiang Jun，Mu Wenxing，F(xiàn)ang Lu，Liu Tao
School of Electronic Engineering，Naval University of Engineering，Wuhan 430033，China
Abstract： Small size, low power consumption and low probability of intercept are the characteristics of frequency modulation continuous wave(FMCW) radar. It is widely used in vehicle navigation radar, low probability of intercept radar and so on. In this paper, the system draws on the design of the MIT coffee can radar, a small S-BAND FMCW radar system is developed which draws on the design of the MIT coffee can radar and uses the modularized integrated microwave device. The system designs simple array antenna to increase the echo intensity, adjusts electronic circuit boards to enhance system stability, improves audio interface to make the system more widely used and uses Range Doppler(RD) algorithm to measure target velocity. Furthermore, a modified RD imaging algorithm was implemented to the original stop-and-go static model to compensate for the effect of Doppler stretching on synthetic aperture radar(SAR) imaging during motion. The simulation and experiment results show that the system is reasonable and reliable.
Key words : frequency modulation continuous wave；improved RD algorithm；SAR imaging；optimized design

0 引言

    傳統(tǒng)脈沖體制雷達(dá)重量體積大、能耗和成本高，只能在實(shí)驗(yàn)室、廠家或者部隊(duì)等特定場(chǎng)地使用，難以因地制宜地在日常使用和大規(guī)模推廣，比如應(yīng)用于普通高等院?，F(xiàn)場(chǎng)教學(xué)等。調(diào)頻連續(xù)波(FMCW)雷達(dá)具有測(cè)距精度高、體積小、成本低和能耗低等優(yōu)點(diǎn)，逐漸應(yīng)用于日常生活的各個(gè)領(lǐng)域。2011年麻省理工學(xué)院(MIT)林肯實(shí)驗(yàn)室開(kāi)設(shè)了一門制作FMCW雷達(dá)的公開(kāi)課程(Open Course Ware)[1-2]，通過(guò)搭建小雷達(dá)和一系列現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，培養(yǎng)學(xué)生對(duì)應(yīng)用電磁學(xué)、射頻(RF)電子設(shè)備、模擬電路、信號(hào)處理和其他相關(guān)主題的興趣，取得非常好的效果。該FMCW合成孔徑雷達(dá)(SAR)系統(tǒng)使用Mini-Circuits系列射頻組件，改造搭建一套載頻2.4 GHz、帶寬287 MHz的FMCW雷達(dá)系統(tǒng),用于教學(xué)實(shí)踐, 并引起了相關(guān)人員廣泛的研究興趣[3-5]。特別是寧波諾丁漢大學(xué)A.Melnikov教授團(tuán)隊(duì)，對(duì)MIT咖啡罐雷達(dá)進(jìn)行深入研究改進(jìn)。但目前還存在以下難題：(1)咖啡罐天線增益較低，信號(hào)回波強(qiáng)度較弱，影響后續(xù)的目標(biāo)參數(shù)測(cè)量和成像結(jié)果。(2)原系統(tǒng)的調(diào)制電壓面包板電路容易造成接觸不良，性能不夠穩(wěn)定。(3)當(dāng)前大部分筆記本電腦音頻線插口麥克風(fēng)和耳機(jī)插口合二為一，無(wú)法進(jìn)行雙聲道采集，采集不到觸發(fā)信號(hào)。(4)MIT咖啡罐雷達(dá)測(cè)速只能通過(guò)距離除以時(shí)間得到目標(biāo)運(yùn)動(dòng)的平均速度，無(wú)法計(jì)算出目標(biāo)瞬時(shí)速度。(5)MIT設(shè)計(jì)的咖啡罐雷達(dá)在合成孔徑成像的實(shí)驗(yàn)中采用模擬脈沖SAR“停-走-?！钡姆绞匠上?。將雷達(dá)固定在等間隔位置采集目標(biāo)信號(hào)，模擬脈沖SAR在收發(fā)信號(hào)過(guò)程中靜止不動(dòng)的假設(shè)，對(duì)采集信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，完成成像。MIT咖啡罐雷達(dá)開(kāi)源課程設(shè)計(jì)的雷達(dá)在成像采集數(shù)據(jù)過(guò)程非常復(fù)雜，成像效果不佳，不易于推廣使用。




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作者信息：

蔣  俊，穆文星，方  璐，劉  濤

(海軍工程大學(xué) 電子工程學(xué)院，湖北 武漢430033)




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