用于FMCW雷达测距系统的信号处理装置及方法与流程

本发明涉及一种信号处理装置及方法，尤其涉及一种用于FMCW雷达测距系统的信号处理装置及方法。

背景技术：

随着现代电子技术的发展以及敌对环境中对抗程度的升级,雷达技术也越来越广泛地被应用于军用及民用等领域。要想提高雷达系统的覆盖范围，作用于远距离目标，提升雷达系统中的回波信号处理的优良性能则变得至关重要。由于调频连续波(FMCW)雷达拥有辐射功率小、测距测速精度高、设备相对简单、易于实现固态化设计、具有良好的电子对抗和低截获概率性能等优点，现已受到人们的广泛关注。但由于FMCW雷达信号是连续的，收发同时进行，不能像传统的脉冲雷达，通过灵敏度时间控制(STC)，使得增益在接收波门内不断增加。距离越远，目标距离向散色强度弱，信号回波强度越小，对远距离目标的距离测量受到影响。

若能在频域中，实现增益与距离的四次方成正比关系，则可完成对雷达系统随距离增加而减小的增益进行补偿，保持远距离目标距离向散色强度，提高FMCW雷达测距系统系统作用距离的覆盖范围。

根据雷达回波功率公式得出系统增益系数为其中，P_t为雷达发射机功率，P₁为雷达收到的回波功率，则随着被测距离的增加，回波功率越小，因此在频谱中对应频率的幅值太小，淹没在噪声信号中，无法确定频率，无法测得距离，限制了长距离的测量。

技术实现要素：

本发明要解决的问题是提供一种用于FMCW雷达测距系统的信号处理装置及方法，用于解决FMCW雷达测距系统中测量远距离目标时的距离向散色强度微弱而影响作用距离范围的精确测量问题。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种用于FMCW雷达测距系统的信号处理装置，包括混频器，其特征在于：还包括距离增益补偿电路、相位补偿单元、信号处理单元，其中，

混频器：将FMCW雷达测距系统中雷达发射信号S_T与回波信号S_R进行混频，得到差频信号S_IF；

距离增益补偿电路：对混频器产生的差频信号S_IF进行增益补偿，其中所述距离增益补偿电路的功率增益为其中f为频率，K₂为常数，P_r、P_v分别为经过距离增益补偿电路前后的信号功率；

相位补偿单元：对距离增益补偿电路引入的相位变化进行相位补偿；

信号处理单元：对经过相位补偿后的信号进行信号处理，获取经过相位补偿后信号的频率f_r，并计算雷达发射天线到目标位置的距离。

由于高频信号不利于进行信号处理，因此输入的高频信号与稳定本机振荡信号或本机振荡器输出通过混频器进行混频，从而降低信号频率，得到差频信号。由于被测距离越远，目标距离向散色强度越弱，雷达回波信号功率越小，影响远距离目标的测量。因此，可以设计距离增益补偿电路，使得增益补偿后的信号功率不随距离而衰减，可实现远距离目标的测距能力。通过混频之后的差频信号位于中频带，一般为500kHz—1MHz。因此要计算距离R，仅需将位于中频带的差频信号的功率进行放大即可，即距离增益补偿电路仅需在中频带满足功率增益的要求即可。由于信号的相位直接影响距离的测量，并且信号的畸变与相位有关，因此需进行相位校准，消除信号通过距离增益补偿电路产生的信号畸变。而距离增益补偿电路对信号的相位敏感，当信号通过距离增益补偿电路时会引起相位发生变化，该相位变化值可通过信号输入距离增益补偿电路前与通过距离增益补偿电路后的信号进行计算获得，通过对该相相位变化值的补偿，相位的变化就线性化了，将不引起信号的畸变。

进一步地，所述距离增益补偿电路为高通滤波器或带通滤波器。采用高通滤波器或具有高阻带截止频率的带通滤波器，令高通滤波器或带通滤波器的过渡带位于中频范围且满足功率增益的要求，即可实现所需的增益放大。而且，由于FMCW雷达的收发同时进行，会产生发射信号泄漏，使用高通滤波器或具有高阻带截止频率的带通滤波器，滤除低频信号，解决信号泄漏问题。

进一步地，所述相位补偿单元包括乘法器，所述相位补偿单元包括乘法器，通过在所述乘法器中将距离增益补偿电路引入的相位变化值的共轭值与经过距离增益补偿电路后的信号相乘进行相位补偿。

本发明还提供一种用于FMCW雷达测距系统的信号处理方法，包括如下步骤：

(1)将雷达发射信号S_T与回波信号S_R通过混频器进行混频，得到差频信号S_IF；

(2)利用距离增益补偿电路对差频信号S_IF进行增益补偿，其中距离增益补偿电路的功率增益为其中f为频率，K₂为常数，P_r、P_v分别为经过距离增益补偿电路前后的信号功率；

(3)获取信号S_IF在经过距离增益补偿电路前、后的相位差获取相位变化值；

(4)利用相位补偿单元对距离增益补偿电路引入的相位变化进行相位补偿；

(5)利用信号处理单元对经过相位补偿的信号进行信号处理，获取经过相位补偿后信号的频率f_r；

(6)根据公式计算雷达发射天线到目标位置的距离R，其中，调频连续波的频率为f＝kτ，k为斜率，τ为延迟时间，C为光速。

上述的技术方案中，所述的步骤(4)中，通过计算距离增益补偿电路引入的相位变化值，并将所述相位变化值的共轭值与经过距离增益补偿电路的信号相乘，实现相位补偿。为解决距离增益补偿电路带来的相位变化问题，由于加入距离增益补偿电路会引起信号的相位变化，因此需对相位变化进行补偿，保证求解的正确。

上述的技术方案中，所述的步骤(5)中，信号处理过程中，将经过相位补偿的信号进行快速傅里叶变换，分析频谱获取经过相位补偿后信号的频率f_r。

本发明具有的优点和积极效果是：

(1)通过距离增益补偿电路对增益进行补偿，保证了目标距离向散色强度不随距离的增加而削弱；

(2)通过对回波信号进行相位补偿，解决滤波器过渡带带来的相位敏感问题；

(3)回波信号经滤波器后，对由雷达系统的发射与回波信号间的串扰与泄漏的低频信号也进行抑制，也解决了FMCW雷达因信号同时收发带来的信号泄露问题。

附图说明

图1是本发明的用于FMCW雷达测距系统的信号处理装置的示意图；

图2是本发明的用于FMCW雷达测距系统的信号处理方法的流程图；

图3是本发明的以高通滤波器作为距离增益补偿电路的仿真图，图3(a)为本发明的仿真中雷达系统的功率增益随距离变化曲线，图3(b)为本发明的仿真中距离增益补偿电路的功率增益随频率变化曲线，图3(c)为本发明的仿真中雷达增益经距离增益补偿电路补偿后的功率增益随频率的变化曲线。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

如图1—图3所示，一种用于FMCW雷达测距系统的信号处理装置，包括混频器、距离增益补偿电路、相位补偿单元、信号处理单元，其中相位补偿单元中包括乘法器。

令k为线性调频连续波的斜率，f为雷达回波信号的频率，τ为延迟时间，R为雷达发射天线到目标位置的距离，C为光速。

根据公式由于采用线性调频连续波，则f＝kτ，得到

设P_t为雷达发射机功率，P₁为雷达收到的回波功率，A_e天线的有效接收面积，G为天线增益，R为目标与雷达的距离，σ为雷达截面积，R为雷达发射天线到目标位置的距离，则雷达回波信号功率P_r为

$P_1=\frac{P_t{G}_t{A}_e\mathrm{\σ}}{{\left(4\mathrm{\π}\right)}^2{R}^4}$

可知雷达回波信号功率与距离R成反比，因此距离越远，目标距离向散色强度变弱，雷达回波信号功率越小，影响远距离目标的精确测量。

由则雷达回波信号相对于发射信号的功率增益可表示为

$10lg\left(\frac{P_1}{P_t}\right)=10lg\left(\frac{G_t{\mathrm{\σ}}_T{A}_r{l}^4}{{\mathrm{\π}}^2{\left({\mathrm{Cr}}_f\right)}^4}\right)$

对于一个确定的雷达系统，P_t、A_e、G、k、C均已知，因此雷达回波信号相对于发射信号的功率增益可化为

$10lg\left(\frac{P_1}{P_t}\right)=10\lg \left(K_1\right)-40\lg f,$

其中K₁为常数，且

因此，令P_v为经过距离增益补偿电路之后的信号功率，则将距离增益补偿电路在中频带的功率增益设计为

$10lg\left(\frac{P_v}{P_r}\right)=10lg\left(K_2\right)+40lg\left(f\right)$

其中，K₂为常数。

由于通过混频之后的差频信号位于中频带，因此要计算距离R，仅需将位于中频带的差频信号的功率进行放大即可，即距离增益补偿电路仅需在中频带满足功率增益的要求即可。

令K＝K₁K₂，且若P_r＝P₁，则

$10lg\left(\frac{P_v}{P_t}\right)=10lg\left(K\right)$

由上式可知，经过距离增益补偿电路进行增益补偿后的信号功率P_v与雷达发射信号功率P_t成正比，且由为P_t常数，可知进行增益补偿后的信号功率P_v，其不随距离而衰减，可以实现测量。

具体的处理步骤如下：

(1)发射雷达信号并接收回波信号

用FMCW雷达发射机产生线性调频连续波通过天线发射出去，其频率在时间上按三角形规律(或正弦规律)变化，发射信号在遇到检测目标后反射产生回波信号；

(2)信号混频

将FMCW雷达测距系统中雷达发射信号S_T与回波信号S_R通过混频器进行混频，得到差频信号S_IF，差频信号S_IF的频率等于为雷达发射信号和回波信号的频率差。

(3)对信号进行增益放大

设计功率增益为的距离增益补偿电路，对差频信号进行补偿，使得差频信号在频率变化范围内幅值保持在一定范围内。

本发明的距离增益补偿电路一般用高通滤波器或具有高阻带截止频率的带通滤波器。令高通滤波器或带通滤波器的过渡带位于中频范围且满足功率增益的要求，即可实现所需的增益放大。同时，差频信号经滤波器后，可对由雷达系统的发射与回波信号间的串扰与泄漏的低频信号进行抑制，也解决了FMCW雷达因信号同时收发带来的信号泄露问题。

(4)对信号进行相位补偿

由于距离增益补偿电路会引入相位变化，因此需进行相位补偿，保证测量的正确。

本发明中，将相位补偿值储存在误差相位存储器中，通过将相位补偿值共轭与经过距离增益补偿电路后的信号在乘法器中进行相乘，实现相位补偿。

相位补偿值的计算有两种方法：

A、计算距离增益补偿电路相位响应为φ(ω)，对该相位响应进行线性拟合φ_s(ω)，计算出误差相位值为Δφ(ω)＝φ(ω)-φ_s(ω)，得到相位补偿值为误差相位值的共轭(Δφ(ω))^*；

B、将一简单信号接入距离增益补偿电路，获取输入、输出端信号的相位差值Δφ(ω)，得到相位补偿值为相位差值的共轭(Δφ(ω))^*。

(5)信号处理

在信号处理单元中，将经过相位补偿的信号作快速傅里叶变换(FFT)，分析频谱，即可得到目标距离向响应，提取信号的频率f_r，根据公式即可计算得到雷达发射天线到目标位置的距离R。

在仿真中，以高通滤波器作为距离增益补偿电路，如图3所示。

由图3(a)可知，图a为雷达系统功率增益随距离变化曲线，可知雷达发射天线到目标位置的距离越远，目标距离向散色强度越弱，回波信号增益越小，将影响远距离目标的距离精确测量。

图3(b)为距离增益补偿电路增益随频率变化的曲线，将距离增益补偿电路的功率增益设计为

图3(c)为雷达增益经距离增益补偿电路补偿后增益随角频率的变化曲线，可知，经过距离增益补偿电路进行增益补偿后的信号功率不随距离而衰减，其值保持在一定范围内，可精确测量远距离目标。

以上对本发明的实施例进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本专利涵盖范围之内。