大师好!我是喜好把题目研讨大白的调皮哥,感激关注我。我建立了一个【雷达工程技术交换群】,聚集雷达业内诸多大佬,想加入的可以见主页联系方式,或关注公众号【调皮的持续波】即可。 本期内容首要会商以下题目:(1)调频持续波雷达若何估量方针的间隔? (2)调频持续波雷达若何探测多方针? (3)调频持续波雷达可以探测多远? (4)调频持续波雷达若何区分两个相邻方针? 1. 什么是调频信号(chirp)? 众所周知,今朝的雷达首要有两种体制,一种是脉冲雷达,另一种是持续波雷达。持续波雷达有非调制单频、多频,以及调频持续波雷达。调频持续波雷达首要有频次-时候函数呈三角波、锯齿波,以及正弦波等几种,现在朝民用雷达凡是采用的是锯齿波。 调频持续锯齿波波雷达发射调频信号,即为信号的频次随着时候增加的正弦波信号,以下图所示: 图1.1 调频持续波时域-频域图 上图的第一个图是时域信号,第二个是频域信号,可以看出调频信号的频次和信号的延续时候Tc是呈线性关系,是以这样的调频持续波又称为线性调频持续波(LFMCW)。 LFMCW有几个首要的参数需要留意,别离是发射最大带宽B,调频斜率S,发射脉冲周期Tc,发射信号肇端频次fc。这几个参数将在前面会有重要的感化,谨记。 上面的信号中斜率 : 2. 单发单收线性调频持续波雷达 望文生义,单发单收雷达就是只要一个发射天线和一个接管天线,以下图所示。 图2.1 单发单收雷达 如上图所示,频次综合器(Synth)天生调频信号,由发射天线(Tx ant)发射进来,电磁波打到物体上反射返来的信号叫做回波信号,回波信号被接收天线(Rx ant)接收,然后与发射信号停止混频(mixer),获得中频信号(IF signal)。那末什么叫做混频呢?本科在高频电子线路中进修过,混频就是一个乘法器,将两个信号停止相乘,然后获得他们之间的信号频次差以及频次和。 图2.2 混频器模子 举个例子如:信号x1和信号x2是两个幅度不异,可是频次和相位分歧的信号,经过混频(乘法)器以后,我们可以经过三角函数公式(积化和差)获得下面这个函数关系式,其中Xout就是混频以后的输出信号。 积化和差公式以下图所示: 图2.3 积化和差公式 这里的混频公式推导进程比力简单,具体的混频进程假如感爱好可以看下面大略的推导,混频的本质就是频谱搬移,分为上变频和下变频,一般我们用下变频,即差频信号,是以需要一个低通滤波器即可滤出我们所需要的信号。 上述公式若有看不大白,是由于正弦函数可以和余弦函数交换,叫做相位偏转90度。从频域角度分析,可以假定先x1和x2是以下两个信号: 时域相乘即是频次卷积乘一个系数1/2π,是以X1和x2两个信号可以同即是下面等式: 终极的混频成果即是冲激信号暗示的等式,经太低通滤波器后只留差频信号。 3. 什么是中频信号(IF signal)? 无线通讯范畴按照频次将信号分为三种,第一是射频(RF:Radio Frequency),中频(IF:IntermediateFrequency),以及基带(Base Band)。 所以我们去翻译Intermediate单词时应当是中级的,不应当是中心的。中频只是暗示信号频段的水平词,不是暗示信号的状态词,意义就是说中频是指信号的频次不是很高,正益处于中心的职位。 经过混频以后出来的中频信号实在不止一个,经过乘法器以后有几个频段的信号,首要就是上述所会商的和频信号以及差频信号,所以还需要经太低通滤波器挑选出我们所需要的信号,全部进程以下图所示。 图3.1 中频信号流程图 虽然很多时辰,这部分信号是由模拟电路来完成,我们只是去设置硬件的寄存器,可是我们必须清楚信号的后果结果。 图3.2,是混频以后获得IF信号的模子图: 图3.2 中频信号模子图 雷达发射信号与回波信号之间的频次差就是中频信号,这个频次差就是混频以后经太低通滤波器获得的,我频频在这里讲这个题目,希望可以将理论和现真相况联系起来。由图6可知,这里的中频信号是一条直线,暗示频次单一。 雷达测距的最根基公式是: 因其中频信号为: 其中c是光速,τ是电磁波往返的时候。τ凡是来说出格小,如探测间隔300m,调频周期Tc=40us,经过反推计较τ所占时候仅为τ/Tc=5%。S=B/Tc,是调频斜率。上述公式很是重要,这个公式前面会决议雷达的探间隔关系,谨记。 那末为什么我们需要中频信号呢?答案就是由于中频信号可以映照出方针的间隔信息,换句话说就是方针的间隔纷歧样,返回的时候τ也就纷歧样,因其中频信号的频次巨细也就纷歧样,可以说间隔和中频信号是成映照关系的。 4. 傅里叶变更 傅里叶变更的目标就是把时域信号映照到频域上去分析,傅里叶变更是一种函数变更,即从一种函数到另一种函数的映照进程,傅里叶变更也是最根基的一种泛函范例。 图4.1 傅里叶变更 有了傅里叶变更,我们可以从另一个角度对信号停止分析,展现信号的隐形特征,即信号的周期性。傅里叶变更在信号处置进程中比力重要的一本性质是频谱分辨力,即可以分辨两个分歧频次信号差值的才能,差值越小越难以分辨,也就是两个信号之间的频次越是附近,越难以分辨。举个例子就像人的眼睛,越小的且靠的越近的物体难以分辨,偶然辰不能不借助显微镜才能看的清楚。可是偶然辰人们一般没有显微镜的条件,看不清楚就频频看,屡次看,长时候看便可以更能看清楚了。 图4.2 傅里叶变更频谱分辨率 雷达也一样,既然一次看不清楚,那就两次,两次不可那就十次。我们通太长时候的观察,就可以越轻易分辨出方针,也就是说观察时候越长,雷达的分辨率越高。可是有一点要留意,观察的时候间隔,同时也是一种周期性的信号,我们称之为调制周期干扰信号。调制信号随着混频能够会留在中频信号中,在雷达系统中会形成子虚的方针,所以我们前面停止处置的时需要滤撤除。 同时带来的冲突题目是,调制周期干扰信号所代表的间隔会被我们以为去掉,是以这个间隔点会是雷达盲区点,不外一般来说影响不是很大。为什么长时候观察就会进步雷达的分辨力呢?这个题目留在前面间隔分辨率的时辰具体解答。 5. 雷达探测多方针 雷达探测到多方针以后,首先会依照方针位置远近将分歧的回波信号反射返来,经过混频以后获得几个频次分歧的中频信号,以下图所示: 图5.1 多方针中频信号 分歧的中频即代表分歧的间隔,傅里叶变更(FFT)以后的中频频谱以下: 图5.2 多方针中频信号傅里叶变更 分歧的频谱代表分歧间隔的方针。 6. 间隔分辨率 间隔分辨率的意义是雷达可以分辨多近的方针,依照之前论述的频谱分辨率理论,实在间隔分辨率终极就是映照到频谱分辨率上的。下面具体论述。假定两个相距很近的方针,被雷达探测到,两个回波信号混频以后获得了两其中频信号,这两其中频信号的时候T相差很小,因其中频信号的频次相差很小,以下图所示: 图6.1 邻近方针中频信号 假如雷达没有才能分辨那末这两个方针就会被雷达当做是一个方针,两个方针的信息被融合了,这样的雷达就是瞎子雷达,不可以“明辨是非”。 图6.2 邻近方针频谱分辨率 那我们要让雷达分辨出这两个方针,应当采纳什么样的法子呢?依照之前说的,看一次看不清,那就看两次,通太长时候多个周期的堆集,那就看的清楚了。信号的长时候堆集相当于采样点数增加,按照FFT的基赋性质,采样点数多,频次间隔就小,自然频谱分辨率就大。 图6.3 耽误发射时候的频谱 雷达在同一个发射脉冲之内,按照图3.2所示,长时候的观察代表着发射信号具有更大的带宽。 图6.4 雷达发射时候与带宽所以这里我们获得一个初步的结论,即发射信号的带宽增大,间隔的分辨率会进步。下面我们一路来证实这个结论,首先我们之前获得中频信号的公式为: 这是单一的方针,而多方针的情况公式以下: 其中,Δf是多方针之间的频次差,Δd是多方针之间的间隔差。 图6.5 中频信号模子图按照频谱分辨率基赋性质可知,频次分辨率Δf = fs/N,其中fs是采样频次,也是频谱的最高频次。所以可得频谱分辨率公式为: 按照图6.5,PRF=1/Tc, 只要Δf>1/Tc,雷达即可分辨出多方针获得频谱。是以可以推出:S*2*Δd / c >1/Tc,即推出:Δd>c/2*S*Tc=c/2B, (S*Tc=B,S为调频斜率)。所以结论为:雷达的间隔分辨率只取决于发射信号的带宽,与其他一切参数无关。 为什么雷宽容察时候长了,频谱分辨率会进步,缘由就在于图6.6中红框的中频信号在同一斜率下,信号的延续时候越长,带宽越大,是以频谱分辨率越高。 图6.6 观察时候 所以只要雷达的带宽一样,不管信号延续的时候、信号的调频斜率若何都不会影响到雷达的间隔分辨率。图6.7 所示的两种调频斜率,其间隔分辨率是分歧的。 图6.7 雷达带宽与间隔分辨率 几种典型的带宽和分辨率之间的关系: 本小节临时竣事,感激阅读,下篇文章会继续分享干货 |
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