一种FMCW船用导航雷达的灵敏度分析

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线性FMCW雷达在VTS及商船导航中的应用研究

线性 FMCW雷达在 VTS及商船导航中的应用研究摘要：线性FMCW雷达具有低发射功率、无距离盲区以及高分辨率等应用优势，近年来备受人们关注。

本文介绍了FMCW雷达的结构、原理，分别以VTS导航与商船导航为视角探究了FMCW雷达的有效应用，主要分析了其应用策略，希望更多的人认识线性FMCW雷达，看到FMCW雷达的应用价值，同时促进FMCW雷达的普及应用，为民用雷达发展提供研究路径。

关键词：线性FMCW雷达；VTS导航；商船导航；应用研究引言：导航雷达最初应用在军事活动中，随着经济、科技等的发展，其渐渐步入了民用领域。

但是，其用于民用领域的性能长期走低，测距和测速长期难以兼容，不过FMCW导航的应用为解决测距、测速兼容的问题带来了方向，研究表示FMCW导航确有效果，因此，深入研究FMCW雷达的应用具有现实意义。

1线性FMCW雷达线性FMCW雷达由上位机显示屏、主板控制界面、信号处理机、收发支路与天线5个部分组成。

其中，上位机显示屏和主板控制界面负责显示FMCW雷达采集到的目标信息（包括距离、角度等），如若有伺服系统可发挥控制FMCW雷达工作模式的作用[1]。

信号处理机由FPGA与DSP构成，可全权控制FMCW雷达工作模式、工作状态，发挥信息处理、存储、对外高速接口等作用。

收发支路由滤波器、放大器、晶振等构成，负责形成信号、采集信号、放大等。

天线由接收天线与发放天线构成，负责接收与发射信号。

具体如图1所示。

图1线性FMCW雷达结构图2线性FMCW雷达原理FMCW雷达包含锯齿波调制与三角波调制两种。

以三角波调制为例，阐述FMCW雷达侧距离与测速度的原理。

如图2所示，黄色表示接受信号的频率，蓝色表示发射信号的频率，T表示扫频周期，B表示扫频带宽，发射信号穿越目标发射，接收信号会出现延迟，根据三角波波动，可在上升沿以及下降沿中测距。

图2三角波调制示意图若FMCW雷达和目标之间缺少相对运动（缺少多普勒频率）耦合于差拍信号上的情况下，但若目标运动，此时差拍信号上会出现，因此，此时可得与。

船载调频连续波雷达作用距离分析

船载调频连续波雷达作用距离分析雷达方程给雷达设计提供了一个最简单、最有用的数学关系，众多雷达参数设计依据来源于对雷达作用距离的估算，而调频连续波雷达方程不同于常规脉冲体制雷达方程，需要对其进行修正，给出适合工程设计用的调频连续波雷达方程。

文中分析了雷达动态范围、干扰信号等参数的影响，通过对各影响因素的分析，并与常规脉冲雷达的设计参数进行比较，同时考虑船载雷达使用的环境，对雷达方程进行修正，最后得到调频连续波雷达的雷达方程。

修正后的雷达方程可直接应用于调频连续波雷达工程设计，配置各项雷达参数。

标签：雷达；调频连续波；雷达距离方程；动态范围z船载雷达又称航海雷达，诞生于20世纪初期，经过几十年的发展，设备性能与技术指标不断得到改善和提高，但从20世纪70年代到现在，采用磁控管发射机非相参处理体制的航海雷达其性能都没有出现过飞跃性的改善。

随着技术的进步，导航雷达已由传统的磁控管发射机体制向固态发射机体制发展。

固态导航雷达产品不断出现，提高了传统导航雷达的可靠性、杂波抑制能力，目标距离分辨率。

作为固态雷达的一种，连续波导航雷达不仅能够提供更高的距离分辨率，同时提供更好的低截获能力[1]。

雷达作用距离的估算是雷达设计中一项重要的指标计算，它与确定雷达发射、接收、天线等分机的主要参数有关[2]。

LFMCW雷达作用距离估算与脉冲雷达不同，不仅与到功率和信噪比相关，更重要的是受雷达系统隔离度的限制，尤其是船载LFMCW雷达还受到水面发射波干涉的影响，作用距离会进一步得到限制。

因此，研究LFMCW雷达的距离方程，对于船载LFMCW雷达系统设计及应用具有现实的指导意义。

1 LFMCW雷达测距原理及组成调频连续波雷达产生调制信号，发射的调频信号与经目标反射后产生的回波信号进行差频，得到差频信号（IF），经信号处理作FFT变换，得到回波对应的差频值[3]，由差频值推算目标距离。

线性调频连续波的发射信号为：（1）式中：μ=2×B/T为扫频速率，B即为扫頻带宽，T为重复周期，f0为载频频率。

一种fmcw激光雷达数据处理方法及系统

一种fmcw激光雷达数据处理方法及系统下载温馨提示：该文档是我店铺精心编制而成，希望大家下载以后，能够帮助大家解决实际的问题。

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四种提高FMCW测距精度的方案及性能分析

doi ：10．3969/j．issn．1003－3106．2015．01．06引用格式：朱恺，秦轶炜，许建中，等．四种提高FMCW 测距精度的方案及性能分析［J ］．无线电工程，2015，45（1）：20－25．四种提高FMCW 测距精度的方案及性能分析朱恺1，秦轶炜2，许建中1，万夕干2，陈煜2（1．南京理工大学电子工程与光电技术学院，江苏南京210094；2．上海航天电子通讯设备研究所，上海闵行201109）摘要针对调频连续波（FMCW ）雷达在距离分辨率和测距精度上的设计需求，通过理论分析，找出影响FMCW 雷达距离分辨率和测距精度的主要因素，指出可利用频谱细化方法来减少频率量化单元，提高系统测距精度。

通过挑选工程设计中最具代表性的4个频率细化方案：采样序列补零法、基于复调制的ZFFT 法、Chirp －Z 变换法和FFT-DTFT 结合法，进行了理论及性能分析，对4种方法在工程实现时所消耗的运算量和存储空间进行了横向对比，对算法的应用场合提出了使用建议。

关键词FMCW 雷达；测距精度；频谱细化；频率细化中图分类号TN953+．2文献标识码A 文章编号1003－3106（2015）01－0020－06Performance Analysis of Four Schemes Improving ＲangingPrecision of FMCW ＲadarZHU Kai 1，Qin Yi-wei 2，XU Jian-zhong 1，WAN Xi-gan 2，CHEN Yu 2（1．School of Electronic Engineering and Optoelectronic Technology ，NUST ，Nanjing Jiangsu 210094，China ；2．Shanghai Aerospace Electronics and Communication Equipment Ｒesearch Institute ，Shanghai 201109，China ）Abstract Based on the design requirements of range resolution and ranging precision of FMCW radar ，the main factors that influ-ence the range resolution and ranging precision of FMCW radar are found out through theoretical analysis ，and it is concluded that spec-trum zooming is an useful method to improve the system ranging precision by reducing the frequency quantization unit．The theory and performance of four most representative spectrum zooming schemes are analyzed ，which are sampling sequence zero padding ，Zoom-FFT ，Chirp-Z transform and FFT-DTFT binding methods．The four methods are horizontally compared with respect to the consumption of com-putation and storage space on engineering implementation ，and some recommendations about the application of these methods are provid-ed ，which are of great significance for engineering design．Key words FMCW radar ；ranging precision ；spectrum zoom ；frequency zoom收稿日期：2014-09-16基金项目：国家国际科技合作专项基金资助项目（2012DFB10200）。

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一种FMCW船用导航雷达的灵敏度分析
摘要接收机灵敏度是接收机设计中的一项重要指标，本文对采用灵敏度频率控制（SFC）技术的调频连续波船用导航雷达接收机展开研究，分析了在不同频率下影响接收机灵敏度的主要因素。

关键词接收机灵敏度；调频连续波雷达；灵敏度频率
控制
中图分类号TN95 文献标识码 A 文章编号1674-6708（2016）165-0150-02
船用导航雷达的主要用途是探测海面目标，避碰和导航，是船舶航行、进出港不可缺少的工具，在船用电子设备中占有重要地位。

一般的导航雷达基本采用脉冲模式，相比于脉冲模式的雷达系统，调频连续波（FMCW）系统的主要优点
在于采用简单结构就能获得较高的距离分辨率，携带方便，且系统在发射时不需要很高的发射功率。

由于FMCW雷达目标距离范围较宽，距离动态变化大，常采用灵敏度频率控制技术（SFC）技术来限制中频信号的输出动态范围，不同频率对应着不同增益，本文对此展开研究，分析不同距离下限制接收机灵敏度的主要因素。

1 接收机的灵敏度计算
对于普通的接收机，其灵敏度是主要是由以下因素决定
的：模拟前端的增益、噪声系数，ADC的灵敏度（噪声底限），信号处理的带宽。

接收机的灵敏度受ADC和模拟前端共同影响，可由下面公式表示：
Pmin=PDmin/G+PAmin，其中：
PDmin=？PDmax-（SNR）ADC-10log（Fs/2B）
PAmin=-174dBm+NF+10logB
符号意义：
Pmin：数字接收机总的灵敏度
PDmin：ADC的灵敏度（噪声底限），PDmin/G则表示其等效到接收端口的灵敏度？？
PAmin：模拟前端等效到接收端口的灵敏度
B：带宽（Hz为单位），一般指FIR滤波器的带宽G：模拟前端的增益
可见增益很大时，或噪声系数很大时，模拟前端是灵敏度主要限制因素，反之则ADC性能成为制约灵敏度的瓶颈。

这一系列灵敏度计算公式，只适用于一个“理想”的接收机，此接收机模型基于以下假设：
1）无外界干扰，射频前端接收的噪声源来自热噪声，高斯分布。

2）数字信号处理带宽（噪声带宽）等于信号的带宽。

3）接收信号功率在信号带宽上平均分布。

4）在此带宽内NF及增益近似于不变。

2 船用导航雷达灵敏度分析
船用导航雷达不同于一般接收机，上面提到的约束条件，船用导航雷达并不完全满足。

下面以FMCW雷达某个工作模式为例，具体分析。

假设条件：距离50m时大船返回功率为-14dBm，小船
减去20dBm；同一艘船，由于反射截面的不同，造成的与接收天线的距离差别典型值为50m。

调频速率：9.6MHz/ms，
作用距离50m～27？780m。

可以计算出拍频后的信号频率为3.2kHz～1？778kHz。

2.1 调频连续波航海雷达信号的带宽
为了接收处理此量程的全部航船返回的信号，数字处理模块FIR滤波器的带宽最窄为1？778kHz。

但是，这并不是
调频连续波航海雷达接收机的信号带宽。

理想航船（全部反射面与雷达接受天线的距离都相等）的返回信号进行拍频后应该是个点频。

但是这种情况是不可能出现的。

船体造成距离的差别我们现在假设一个典型值是50m，也就使得拍频后的信号有一个3.2kHz的带宽。

对于后期频率识别的数字处理来说，最坏情况莫过于接收信号的总功率平均分布在这个
3.2kHz的带宽上，为了保守计算，我们就假设信号功率是在这个3.2kHz的带宽上平均分布的。

所以我们可以这样描述调频连续波航海雷达的接收进行拍频后信号：
拍频信号可能出现在3.2kHz～1？778kHz（50m～27？
780m）的频带上，数字模块要随时准备处理这个频带上的任意频率的信号。

但是对于每个航船反射的信号拍频后来说，其带宽为3.2kHz。

航船反射后的信号，其拍频后的信号在f0～（f0+3.2kHz）的窄频段上，对应接收天线上的射频波段为（9.4GHz+f0）～（9.4GHz+f0+3.2kHz）。

f0可以出现在3.2kHz～1？778kHz频带上的任意波段，但是，对于定时刻的一个航船来说，它是固定的。

此时只要输入功率大于这个窄信号对应得系统灵敏度即可，并不要大于整个1.77？MHz内的的灵敏度。

所以用来计算灵敏度的信号带宽应是3.2kHz。

并不是调频宽度（9.6M）或者Fir滤波器宽度（1？778kHz）。

2.2 调频连续波航海雷达信号的增益
为了实现动态压缩，该船用雷达采用了SFC技术，在1778kHz内，不同频率对应着不同增益，而增益影响灵敏度的最直接体现就是ADC灵敏度等效到射频前端的的大小。

增益越小，ADC的制约越严重。

计系统灵敏度时，可以保守计算：即采用f0～（f0+3.2kHz）窄频带上的最小增益来计算。

同样，由于SFC的影响，在此1778kHz内，不同频率对应着不同NF。

而NF影响灵敏度的最直接体现就是模拟前端等效到输入端口的热噪声的大小。

NF越大，模拟前对系统灵敏度的影响越严重。

计算系统灵敏度时，可以保守计算：即采用f0～（f0+3.2kHz）窄频带上的最大NF来计算。

2.3 调频连续波航海雷达灵敏度的计算
对于一被探测船的回波（9.4GHz+f0）～（9.4GHz？
+f0+3.2kHz），对应得拍频为f0～（f0+3.2kHz），根据以上分析，下面给出调频连续波航海雷达灵敏度的计算公式：Pmin=PDmin/Gmin？+？PAmin
其中：PDmin=PDmax-（SNR）ADC-10log
（Fs/2B）
PAmin=-174dBm+NFmax+10logB
？Gmin为（9.4GHz+f0）～（9.4GHz+f0+3.2kHz）频带上的最小增益，在本系统中为频率为（9.4GHz+f0+3.2kHz）的接收信号对应得增益。

NFmax为（9.4GHz+f0）～（9.4GHz+f0+3.2kHz）频带上的最大噪声系数，在本系统中为频率为（9.4GHz+f0）的接受信号对应的噪声系数。

B为信号带宽，经上文分析为3.2kHz。

系统基于AD9220（满量程5Vpp，SNR？70？dB）的出的计算结果如下：
可见低频（近距离）主要制约是ADC性能，高频（远距离）主要制约是模拟前端。

由上公式，可近似的把交点以前的ADC制约灵敏度，和交点以后的模拟前端制约灵敏度作为整个系统的灵敏度。

此系统在近距离情况下，很好的满足了灵敏度要求。

在远距离情况下一定程度小的船无法检测出。

3 结论
在采用SFC技术的调频连续波导航雷达接收机设计中，对近距离小目标的检测，由于系统增益低，ADC电路的设计制约着接收机灵敏度，远距离的情况下，接收机前端噪声系数决定了接收机的灵敏度。

参考文献
[1]何李元，葛家龙，朱卫东，等.调频连续波雷达灵敏度频率控制技术[J].现代雷达，1998，20（3）：92-95.
[2]James Tsui.宽带接收机数字技术[M].电子工业出版社，2002.
[3]丁鹭飞，耿富录.雷达原理[M].西安：西安电子科技大学出版社，1995.。