应用于FMCW雷达系统的频率源设计

赵文峰+肖磊

摘 要：FMCW雷达系统是一种调频连续波系统，由于FMCW雷达系统技术和脉冲雷达技术在实际应用中均属于具有较高精密度的雷达测距技术，使用原理是通过高频的发射连续波，频率发射的时间按照三角波规律进行变化。FMCW雷达系统中发射的频率与回波接收的频率具有相同的变化规律，但是中间也具有一定时间差，因而就需要对这些较小的时间差进行计算，从而计算出测定的目标距离。本篇文章在此基础上，主要对应用于FMCW雷达系统的频率源相关设计内容进行研究与分析。

关键词：FMCW雷达系统 回波 频率源

微波毫米波具有较宽频带和较短波长等特点，且在不同的领域中应用作用突出，在微波通信、电子对抗以及制导中均有应用，由于连续波的雷达在频率调制的过程中主要需要使用到高频性质的电磁载波，这能够保证发射波的波形较为简单，且测量精度也较高，在对数字信号进行处理的过程中，由于输出功率较低，对于信号的处理也更加高效。FMCW雷达系统发射高频电磁波能够逐渐取代红外防撞系统和超声波系统，使其成为防撞雷达短距离应用的首选技术[1]。对于FMCW雷达系统的频率源设计的技术内容以及主要原则要求等需要从实践分析的角度进行研究与分析。

一、FMCW雷达系统频率源设计要点分析

FMCW雷达系统在信号发射过程中能够进行三种不同方式的调制，矩形波调制、三角波调制和正弦调制，由于FMCW雷达系统对于信号的调制不同，能够进一步丰富雷达系统应用的多样性，但是由于系统在结构模型上具有一致性，因而在信号的处理过程中，三者区别性明显。FMCW雷达系统模型中能够在天线接收中，对发射信号进行处理，在滤波器中对接收信号进行处理，然后实现混合信号的处理，通过发射天线将接收信号和发射信号实施混频导出后，处理滤波信号，然后通过调制解调器进行信号调制，以加窗和补零的形式使频谱的不连续性降低，最后执行额外的信号后处理[2]。

在FMCW雷达系统频率源设计中，需要注意DDS信号输出变频速度较快、信号分辨率较高，同时具有体积小、线性度高和功耗小等优势，在设计过程中，方案的重点是对超低相位噪声进行波段混频处理，这主要是因为后级混频器的本振信号，能够同时作为DDS的参考时钟，系统参数在经过精确计算后，对于系统中的主要器件进行合理选择，设计X波段的频率源。

二、FMCW雷达系统频率源主要设计方面

（一）仿真设计

FMCW雷达系统频率源在设计过程中，需要设置仿真基础，在此过程中，主要是使用三角波调制为基础，运用FMCW系统和Matlab系统进行仿真，分析三角波调制类似于对锯齿波调制的分析，这主要是因为调制三角波信号的前半周期t值在0～T/2之间，因而只能将其看作是仅有1/2周期的锯齿波信号，由于后半周期t值在2/T～T之间，因而信号属于2/T～T范围内的反向信号[3]。设计FMCW雷达系统频率源时进行信号混频，在回波信号的频谱中会出现高频信号和低频信号，对于这些信号内容进行目标求解，包括距离和速度的测量计算等。设置FMCW雷达系统频率源设计的仿真基础，需要对系统的基础参数进行设置，然后对法神信号频率进行处理，在回波信号频率以及混合信号频率混频处理中，调制解调器，使信号输出更加合理。

（二）信号处理系统设计

设计FMCW雷达系统频率源，需要在相对理想的状态下进行信号处理系统的仿真，系统理想状态下，将信号当作FFT之后产生的高频率和低频率两个频率，应用这两个频率对多普勒数据和信号距离等进行测算。基带信号中的两个高低频率在实际应用中是用作FFT的一维傅里叶变换，三角波调制后的FMCW雷达系统在雷达探测中的应用，两个频率峰值一般出现在24.51KHZ和64.66KHZ中，对这两个频率进行数据分析也能够计算出速度和距离。由于在FMCW雷达系统频率源的信号处理系统设计中，受到相位误差和噪声的影响，因而需要根据时域中的混频信号，加入相位噪声和白噪声，进一步塑造随机性的相位误差[4]。在一维FFT中，相位误差和白噪声能够提高旁瓣电平，因而多普勒信息和距离不会有明显的扭曲产生，这对于FMCW雷达系统频率源设计中保持较为平坦的功率谱密度具有重要的影响作用。

（三）系统调制分析

FMCW雷达系统频率源在设计过程中，通过仿真分析能够对FMCW在三角波调制下的系统性能以及基本的应用效用进行研究与分析，仿真设计中通过Matlab作为FFT获得信号差频的频谱图像，在连续性频谱的分析中，增加补零、加窗和抽样等处理，能够直接影响到FFT后频谱中所显示的信号分辨率，这与雷达系统中实际信号分辨率不同。在FMCW雷达系统频率源设计中通过三角波调制的办法，能够实现多普勒信息调制以及距离提取等，从而进一步实现对较为理想的仿真状态下的FMCW雷达系统频率源设计[5]。需要注意的是，FMCW雷达系统频率源设计对于系统中输入的数据需要核对准确，保证速度信号和信号距离恢复，减小频率峰值与实际计算之间的误差。

结语：

雷达系统的重要组成部分之一是频率源部分，这主要是因为频率源的性能指标对于FMCW雷达系统的整体性能等具有重要的影响作用，因而要保证FMCW雷达系统的应用效率提高，需要对频率源进行科学设计，提高频率源的基本性能。由于频率合成器在使用过程中受到电子系统的指标影响，频率合成方面的技术不断发展，逐步实现了DAFS直接模拟频率合成到IS间接频率合成，直到DDS直接数字频率合成的转变[6]。传统的FMCW雷达系统在信号处理中，大都是通过DAC和DSP等数字器件产生的线性电压继而实现对VCO的控制，由于这种方式下产生的信号在分辨率和精度等方面各项指标均比较低，因而总体的线性度也较差，所以这种设计方法需要被摒弃，并在原有的FMCW雷达系统频率源设计技术上不断完善和改进。设计FMCW雷达系统频率源，需要根据系统的实际应用情况，应用FMCW雷达系统模型，调制三角波进行系统仿真，实现对多普勒信息的调制以及对信号距离的提取，在相位误差和白噪声影响控制下，保持较低的旁瓣，识别频率峰值，使FMCW雷达系统频率源设计技术应用不断走向完善和成熟。

参考文献：

[1]戚昊琛，解光军，张鉴.FMCW雷达系统及其前端数据采集模块设计[J].电子科技，2012，25（05）：44-46+50.

[2]岳文豹，楊录，张艳花.FMCW雷达近程测距系统设计[J].电子技术应用，2012，38（04）：73-75+79.

[3]钟鹏，郝国法.MAX11043在FMCW雷达测距系统中的应用[J].仪表技术与传感器，2014，03：68-70+73.

[4]戚昊琛，胡智文，张鉴.FMCW雷达系统的双模方向判断模块研究[J].电子测量与仪器学报，2014，28（05）：486-492.

[5]宋星秀，张箭，张太福.FMCW雷达系统的仿真分析[J].电子科技，2014，27（11）：5-7.

[6]戚昊琛，张鉴，张杰，高伟清.一种用于FMCW雷达系统的中频信号滤波器[J].合肥工业大学学报（自然科学版），2015，38（05）：635-638.

作者简介：

赵文峰，男（1983.5——），四川达州市人，工程师，本科，研究方向：火控雷达频综。

肖磊，男（1984.4——），四川成都市人，工程师，本科，研究方向：火控雷达频综。