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小型调频连续波雷达优化设计与性能分析

2022年电子技术应用第8期

蒋俊，穆文星，方璐，刘涛

海军工程大学电子工程学院，湖北武汉430033

摘要： 调频连续波(Frequency Modulation Continuous Wave，FMCW)雷达具有体积小、功耗低、低截获特性，在车载导航雷达、低截获雷达等领域应用广泛。借鉴麻省理工学院咖啡罐雷达的设计，使用模块化集成微波器件，改造完成了一套S波段小型FMCW雷达系统。该系统设计的简易阵列天线增加了信号增益；调整电子线路板以增强系统稳定性，改进音频接口使得应用更加广泛，使用距离多普勒(RD)方法测量目标参数，并在原来“停-走-停”静止模型的基础上增加了滑轨连续运动的改进RD成像算法，补偿了运动期间多普勒伸缩对合成孔径雷达(SAR)成像的影响。通过仿真和实测实验验证了该系统设计的合理性和可靠性。

關(guān)鍵詞： 调频连续波改进RD算法 SAR成像优化设计

中圖分類號： TN958
文獻(xiàn)標(biāo)識碼： 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，Fang 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)用于普通高等院校現(xiàn)場教學(xué)等。調(diào)頻連續(xù)波(FMCW)雷達(dá)具有測距精度高、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領(lǐng)域。2011年麻省理工學(xué)院(MIT)林肯實(shí)驗(yàn)室開設(shè)了一門制作FMCW雷達(dá)的公開課程(Open Course Ware)^[1-2]，通過搭建小雷達(dá)和一系列現(xiàn)場測試，培養(yǎng)學(xué)生對應(yīng)用電磁學(xué)、射頻(RF)電子設(shè)備、模擬電路、信號處理和其他相關(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，信號回波強(qiáng)度較弱，影響后續(xù)的目標(biāo)參數(shù)測量和成像結(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，無法進(jìn)行雙聲道采集，采集不到觸發(fā)信號。(4)MIT咖啡罐雷達(dá)測速只能通過距離除以時間得到目標(biāo)運(yùn)動的平均速度，無法計算出目標(biāo)瞬時速度。(5)MIT設(shè)計的咖啡罐雷達(dá)在合成孔徑成像的實(shí)驗(yàn)中采用模擬脈沖SAR“停-走-停”的方式成像。將雷達(dá)固定在等間隔位置采集目標(biāo)信號，模擬脈沖SAR在收發(fā)信號過程中靜止不動的假設(shè)，對采集信號進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，完成成像。MIT咖啡罐雷達(dá)開源課程設(shè)計的雷達(dá)在成像采集數(shù)據(jù)過程非常復(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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