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小型調頻連續波雷達優化設計與性能分析

2022年電子技術應用第8期

蔣俊，穆文星，方璐，劉濤

海軍工程大學電子工程學院，湖北武漢430033

摘要： 調頻連續波(Frequency Modulation Continuous Wave，FMCW)雷達具有體積小、功耗低、低截獲特性，在車載導航雷達、低截獲雷達等領域應用廣泛。借鑒麻省理工學院咖啡罐雷達的設計，使用模塊化集成微波器件，改造完成了一套S波段小型FMCW雷達系統。該系統設計的簡易陣列天線增加了信號增益；調整電子線路板以增強系統穩定性，改進音頻接口使得應用更加廣泛，使用距離多普勒(RD)方法測量目標參數，并在原來“停-走-停”靜止模型的基礎上增加了滑軌連續運動的改進RD成像算法，補償了運動期間多普勒伸縮對合成孔徑雷達(SAR)成像的影響。通過仿真和實測實驗驗證了該系統設計的合理性和可靠性。

關鍵詞： 調頻連續波改進RD算法 SAR成像優化設計

中圖分類號： TN958
文獻標識碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.223097
中文引用格式： 蔣俊，穆文星，方璐，等. 小型調頻連續波雷達優化設計與性能分析[J].電子技術應用，2022，48(8)：6-12.
英文引用格式： Jiang Jun，Mu Wenxing，Fang 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

傳統脈沖體制雷達重量體積大、能耗和成本高，只能在實驗室、廠家或者部隊等特定場地使用，難以因地制宜地在日常使用和大規模推廣，比如應用于普通高等院校現場教學等。調頻連續波(FMCW)雷達具有測距精度高、體積小、成本低和能耗低等優點，逐漸應用于日常生活的各個領域。2011年麻省理工學院(MIT)林肯實驗室開設了一門制作FMCW雷達的公開課程(Open Course Ware)^[1-2]，通過搭建小雷達和一系列現場測試，培養學生對應用電磁學、射頻(RF)電子設備、模擬電路、信號處理和其他相關主題的興趣，取得非常好的效果。該FMCW合成孔徑雷達(SAR)系統使用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雷達系統,用于教學實踐, 并引起了相關人員廣泛的研究興趣^[3-5]。特別是寧波諾丁漢大學A.Melnikov教授團隊，對MIT咖啡罐雷達進行深入研究改進。但目前還存在以下難題：(1)咖啡罐天線增益較低，信號回波強度較弱，影響后續的目標參數測量和成像結果。(2)原系統的調制電壓面包板電路容易造成接觸不良，性能不夠穩定。(3)當前大部分筆記本電腦音頻線插口麥克風和耳機插口合二為一，無法進行雙聲道采集，采集不到觸發信號。(4)MIT咖啡罐雷達測速只能通過距離除以時間得到目標運動的平均速度，無法計算出目標瞬時速度。(5)MIT設計的咖啡罐雷達在合成孔徑成像的實驗中采用模擬脈沖SAR“停-走-停”的方式成像。將雷達固定在等間隔位置采集目標信號，模擬脈沖SAR在收發信號過程中靜止不動的假設，對采集信號進行數據處理，完成成像。MIT咖啡罐雷達開源課程設計的雷達在成像采集數據過程非常復雜，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

(海軍工程大學電子工程學院，湖北武漢430033)

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