FMCW调频连续波雷达料位计测量原理分析

雷达物位计系统基本结构 

调频连续波雷达测距利用反射信号与发射信号之间进行自相关处理来提取的距离信息。其一般的原理框图如图 2-1 所示。 

上图即为调频连续波雷达基本原理框图。线性调频连续波频率源产生一定频率带宽的连续调频波，通过定向耦合器分成两路，一路经过功率放大器后通过环形器经天线发射出去，另一路进入混频器与经滤波器过滤后的反射信号进行混频。天线接收的信号滤波放大后进入混频器与发射信号进行混频，得到的中频信号经滤波放大后进入信号处理系统。中频信号的频率中包含距离信息，经处理后即可得到物位距离。

FMCW 雷达系统测距原理 

FMCW 雷达系统经天线向被测目标发射高频连续调频波信号，同时接收目标反射回来的信号。连续调频波信号的频率在时域按一定的规律周期变化。常用的调制信号有三角波信号、锯齿波信号和正弦波信号。本文所研究的 FMCW 雷达系统采用的是三角波信号。在理想状态下，即不考虑多普勒效应和寄生调幅的存在，系统 FMCW 信号的频率—时间曲线如图 2-2 所示。由图可以看出反射信号与发射信号形状完全相同，只是有一个时间延迟t ，而t 与所测目标 R 的距离的关系为： 

式中c 为光速。

如图 2-2 所示，f 为发射信号与反射信号频率的差值，即为混频器输出的差频信号，根据三角几何关系可得：

式中T 为调制三角波周期， F 为调制的带宽。由上式（2-1）、（2-2）可得到目标的距离 R 为

由此可知，只要得到混频输出的差频信号的频率，即可以计算出目标的距离。

频率源分析 

在整个 FMCW 雷达前端的研究设计中，各种结构大同小异，根据应用场合的不同，不同的成本、复杂程度，区别最大的就是频率源的设计。频率源是其中至关重要的一部分，它性能的好坏决定着整个前端系统能否顺利的工作。 

频率源指标分析 

对于 FMCW 雷达来说，影响其性能的频率源指标主要有输出功率，频率范围，线性度，频率分辨率，相位噪声，谐波杂散和频率转换时间等，下文根据频率源在此项目中的应用，对频率源的几个指标进行分析。 

线性度 

对于 FMCW 雷达，线性度是非常重要的指标，它对 FMCW 雷达测距的距离分辨率、测距范围和测距精度都会有很大的影响。 

1、线性度定义 

理想情况下，频率源输出线性调频信号的规律为：

其中，0f 为初始频率，  B T 为电调斜率， B 为调制带宽， T 为调制周期。而事实上，频率源的电调特性并不是理想的，可表示为: 

其中，  ef t 为频偏函数，通常满足边界条件：

线性度的定义方式有多种，但它们都反映了实际频率偏离理想频率的程度。在 FMCW 雷达系统中，我们通常采用最能说明问题的瞬时线性度，即为频率源的输出频率相对理想线性调频信号的偏离大小与调制带宽的比值。如图 2-3 所示。 

线性度对调频雷达测距系统的影响 

由 FMCW 雷达测距的原理可知，单一准确的差频信号是精确测距和高距离分辨率的前提条件，而当频率源输出信号的线性特性差时，对于单一固定的目标而言，最终的差频信号并不是单频信号，有一定的频谱宽度，两个相邻的目标频谱回重叠，会影响到雷达测距的测距精度和距离分辨率。

频率分辨率 

频率分辨率是指两个相邻频率点之间能够分辨的最小频率间隔，决定着FMCW 雷达测距的距离分辨能力。

相位噪声 

相位噪声是指在噪声作用下，频率源输出信号的相位抖动，在频谱上表现为主谱线两边的边带噪声频谱。相位噪声的大小可用单边带相位噪声表示，它是指偏离输出频率of 一定量处 f ，在单位频带内单边带噪声功率SSBP 相对于平均有用输出功率oP 的分贝数，单位是 d B/Hz,即

谐波杂散 

与有用频率成整倍数的频率成分成为谐波，与有用频率成分倍数的频率信号称为分谐波，在有用频率附近为固定频率的成分称为杂散。这些频率分量对有用信号形成了干扰，产生的原因是由于频率合成器中器件的非线性具有频率再生功能。需要注意的是，谐波、分谐波和杂散在频谱上是固定的，并不是随机的，它与电路中某种因素成因果关系。 

频率转换时间 

频率转换时间是指频率源的输出从一个频率转换到另外一频率并达到稳定工作所需要的时间，判断是否锁定的标准是输出频率是否达到了能容忍的误差范围。频率转换时间的长短和选择的频率合成方案有关。在直接频率合成器中，频率转换时间取决于开关时间，可达纳秒级；间接频率合成器的频率转换时间取决于环路的捕获时间，目前可以达到毫秒级或者更快一些；直接数字频率合成器的频率转换时间取决于数字电路的速度，一般可达到几个时钟周期。