• 調頻連續波(FMCW)雷達原理介紹

    脈沖雷達和調頻連續波(FMCW)雷達是雷達的兩種分類,以下從技術解析調頻連續波(FMCW)雷達工作原理。

    1.雷達分類

    雷達按照發射信號種類分為脈沖雷達和連續波雷達兩大類,常規脈沖雷達發射周期性的高頻脈沖,連續波雷達發射的是連續波信號。

    脈沖多普勒雷達 的工作原理可表述如下:當雷達發射一固定頻率的脈沖波對空掃描時,如遇到活動目標,回波的頻率與發射波的頻率出現頻率差,稱為多普勒頻率。根據多普勒頻率的大小,可測出目標對雷達的徑向相對運動速度;根據發射脈沖和接收的時間差,可以測出目標的距離。同時用頻率過濾方法檢測目標的多普勒頻率譜線,濾除干擾雜波的譜線,可使雷達從強雜波中分辨出目標信號。所以脈沖多普勒雷達比普通雷達的抗雜波干擾能力強,能探測出隱蔽在背景中的活動目標。

    連續波雷達 發射的信號可以是單頻連續波(CW)或者調頻連續波(FMCW),調頻方式也有多種,常見的有三角波、鋸齒波、編碼調頻或者噪聲調頻等。其中,單頻連續波雷達僅可用于測速,無法測距,而FMCW雷達既可以測距又可測速,并且在近距離測量上的優勢日益明顯。

    2.調頻方式

    連續波雷達 發射的信號可以是單頻連續波(CW)或者調頻連續波(FMCW),調頻方式也有多種,常見的有三角波、鋸齒波、編碼調制或者噪聲調頻等。其中,單頻連續波雷達僅可用于測速,無法測距,而FMCW雷達既可測距又可測速,并且在近距離測量上的優勢日益明顯。

    3.工作原理

    FMCW雷達在掃頻周期內發射頻率變化的連續波,被物體反射后的回波與發射信號有一定的頻率差,通過測量頻率差可以獲得目標與雷達之間的距離信息,差頻信號頻率較低,一般為KHz,因此硬件處理相對簡單、適合數據采集并進行數字信號處理。

    調頻連續波(FMCW)雷達

    4.FMCW優缺點

    FMCW雷達收發同時,理論上不存在脈沖雷達所存在的測距盲區,并且發射信號的平均功率等于峰值功率,因此只需要小功率的器件,從而降低了被截獲干擾的概率。FMCW雷達具有容易實現、結構相對簡單、尺寸小、重量輕以及成本低等優點,在民用/軍事領域均得到了廣泛的應用。

    其缺點是測距量程較短,距離多普勒耦合以及收發隔離難。

    5.FMCW雷達框圖

    調頻連續波雷達如要由收發器和帶微處理器的控制單元組成,收發器如果使用單個天線進行同時發射和接收,FMCW雷達需要鐵氧體環形器來分離發射和接收信號,對隔離度要求較高。當然,若使用收發分離的貼片天線,成本會相對低一點。


    高頻信號由壓控振蕩器(VCO)產生,通過功率分配器將一部分經過額外放大后饋送至發射天線,另一部分耦合至混頻器,與接收的回波混頻、低通濾波,得到基帶差頻信號,經過模數轉換后送至微處理器處理。

    6.FMCW雷達測距/測速原理

    以三角波調頻連續波為例來簡單介紹雷達的測距/測速原理。如下圖,紅色為發射信號頻率,綠色為接收信號頻率,掃頻周期為T,掃頻帶寬為B,發射信號經過目標發射,回波信號會有延時,在三角形的頻率變化中,可以在上升沿和下降沿兩者上進行距離測量。

    如果沒有多普勒頻率,上升沿期間的頻率差值等于下降沿期間的測量值。對于運動目標,則上升/下降沿期間的頻率差不同,我們可以通過這二個頻率差來測距和測速。

    差拍信號經過低通濾波和放大后送數字信號處理器,完成對差拍信號的FFT、檢測,對目標數據進行計算后送顯控終端顯示。三角波調頻連續波雷達正是通過采用正負調頻斜率來消除距離與速度的耦合,進而進行目標速度的估計。