Ka波段宽带FMCW雷达系统设计与实现

发布时间：2020-05-24 03:34

【摘要】：当前,随着微波技术的蓬勃发展,雷达频率与带宽得以不断提高,应用领域也越来越广泛。毫米波调频连续波(Frequency Modulated Continuous Wave,FMCW)雷达凭借其集成度高、成本低廉,能以较低采样率实现大瞬时带宽等优点,能够良好地遂行无人机监测与识别、机场跑道异物检测、非接触式安检等任务,这使得毫米波FMCW雷达成为当前的研究热点。本文针对小型目标的高分辨成像,提出了一种Ka波段全相参FMCW雷达系统的设计方法,解决了FMCW雷达系统中常见的周期调频非线性问题,构建了基于单片集成电路与固态器件相结合的雷达射频前端和基于FPGA的数据处理系统,研制了FMCW雷达成像软件。论文的主要工作和成果如下:1、研究了调频连续波雷达锯齿调频测距原理;根据实际应用中在探测距离以及分辨率方面的需求,进行了系统硬件指标选择;针对系统对于小型化的要求,采用了X波段基带与4倍频相结合的信号产生方式以及零中频接收体制;鉴于系统时序控制精度要求极高,构建了FPGA为核心的控制与数据处理系统。由于雷达信号相参处理可获得更高的积累效果,提高对弱目标的探测能力,因此从模拟相参与数字相参两个方面,着重进行了分析与设计。2、将Ka波段FMCW雷达系统分为若干个子模块,并进行了详细的方案设计与实现。首先,为了产生高质量宽带射频信号,本文采用了基于锁相环的高性能X波段基带信号产生以及4倍频滤波的Ka波段宽带信号产生方式。然后,对于接收机电路,设计了对系统采样率要求更低的零中频接收结构,并引入了频率增益调理电路,以解决雷达远距离回波易被量化噪声淹没的问题。接着,为保证信号采集精度和传输质量,对可控增益放大器、A/D采集、FPGA信号处理以及网口传输电路进行了详细分析与设计。最后,根据系统对于相参性的总体要求,采用了稳定且便于同步的时钟电路,同时为降低数字、模拟供电的相互干扰,对系统供电电路进行了优化。硬件系统测试结果表明,系统在Ka波段34.4-39.2GHz的扫频范围内,可以达到信号相噪小于-84.79dBc/Hz@10kHz、杂散优于52dBc的良好指标;在对频率80kHz、功率约-90dBm的微弱中频信号放大、采集和传输上,能够得到接近理论值的实验结果。3、针对雷达回波中周期非线性调频造成距离像恶化的问题,剖析了成对回波的产生原因及空变特性,提出了基于匹配初值与非线性最小二乘相结合的多分量正弦调频参数估计方法,并利用匹配傅里叶变换对信号进行了非线性校正,显著提高了距离向压缩质量。在雷达脉冲相参性良好的基础上,运用?k成像算法对角反射器、铜柱、航母模型进行了高分辨合成孔径雷达成像,获得了距离分辨率优于4.24cm、方位分辨率优于0.95cm的优良性能,初步达到了对小型目标高分辨成像的系统设计目的。
【图文】：

系统框图,散射特性,海洋

[18]，并在马赛的大型风波槽中进行了雷达实验，以测试近绝对后向散射雷达横截面的组合表面和散射模型，并调整了经典海洋散射模型，系统测试场景如图1所示。图 1 海洋散射特性测量场景图2016 年，印度的应用微波电子工程与研究协会（SAMEER）研制成功一套 Ka 波段气象雷达[19]，旨在对不同的云类型（细雨，沉淀，混合相，，冰云和非气象目标）进行分类，系统参数如图 2(a)所示。对实际案例各种参数的分析表明，可以基本识别不同云类型，图2(b)为混合相（冰与水的组合）降水云的成像分析结果。(a)SAMEER Ka 波段气象雷达系统参数 (b)降水云分析结果图 2 SAMEER Ka 波段气象雷达系统2017 年，德国阿米尔卡比尔理工大学的 Seyed Mohammad Ali Tayaranian Hosseini 等人研制成功一种能够远程监测呼吸频率，心率（HR）和心率变异性（HRV）的新型 Ka 波段多普勒雷达[20]，系统框图如图 3 所示。利用 Ka 波段雷达高灵敏度在胸壁运动领域的优势，可以从低质量的接收信号中更准确地重建心肺活动。

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(a)SAMEER Ka 波段气象雷达系统参数 (b)降水云分析结果图 2 SAMEER Ka 波段气象雷达系统2017 年，德国阿米尔卡比尔理工大学的 Seyed Mohammad Ali Tayaranian Hosseini 等人制成功一种能够远程监测呼吸频率，心率（HR）和心率变异性（HRV）的新型 Ka 波段普勒雷达[20]，系统框图如图 3 所示。利用 Ka 波段雷达高灵敏度在胸壁运动领域的优势，
【学位授予单位】：战略支援部队信息工程大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN957.51

【参考文献】