CN109669175A - 一种基于带通天线的线性调频连续波测距雷达及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于带通天线的线性调频连续波测距雷达及方法。该测距雷达包括线性调频信号产生单元、高频本地振荡器、上变频器、带通天线和雷达接收机混频器。方法为：由线性调频信号产生单元产生线性调频信号，通过高频本地振荡器产生的高频信号将线性调频信号上变频到高频段，一部分通过带通天线滤波后，筛选出上边带线性调频信号成为雷达发射信号，雷达发射信号遇到目标后返回雷达成为回波信号；另一部分送入雷达接收机混频器，与雷达回波信号相混频，输出测距信号；通过测量测距信号中频率最低部分的信号频率，计算出目标的距离信息。本发明具有结构简单、造价低、容易实现的优点。

Description

一种基于带通天线的线性调频连续波测距雷达及方法
技术领域
本发明涉及调频连续波测距雷达技术领域，特别是一种基于带通天线的线性调频连续波测距雷达及方法。
背景技术
调频连续波雷达广泛的应用于中、短作用距离的精密距离测量领域。现有的调频连续波测距雷达结构分别为采用2副天线的结构如图1所示，和采用1副天线的结构如图2所示，由一个低频的信号源如压控振荡器(Voltage Controlled Oscillator,VCO)或者直接数字信号合成器(Direct Digital Synthesizer,DDS)产生线性调频信号，通过一个高频的本振信号(Local Oscillator,LO)将此线性调频信号上变频(Up-convert)到微波或毫米波波段，产生上边带信号和下边带信号。然后用高频带通滤波器(Filter)筛选出上边带信号，其中一部分送到天线(Antenna)用于发射，另一部分送到雷达接收机作为雷达接收机混频器(Mixer)的参考信号，即发射的信号和送到接收机作为参考的信号均为滤波之后的上边带信号，其频谱均为图5中的第四信号频谱。若针对某个特定的应用场合发射功率不够，可以在滤波器之后加选功率放大器(Power Amplifier,PA)，也可在接收机部分加选低噪声放大器(Low Noise Amplifier,LNA)。被目标反射回雷达接收机的雷达回波信号经过时间延迟，导致回波信号的频率和发射信号的频率产生频率差。由于发射的雷达信号频率随时间的变换呈线性变化，接收机混频器(Mixer)通过比较这两信号之间的频率差，根据发射信号的线性调频调制方式，可以测量得到接收信号和发射信号之间的延迟，从而通过延迟得到目标的距离。
由于压控振荡器的频率通常在几个GHz数量级，高频本振的频率通常在十几至几十GHz数量级，这种经典结构的雷达由于需要在频率较高的微波/毫米波波段用带通滤波器筛选出上变频后的上边带信号，且同时要抑制相邻不远的下边带信号，因而需要雷达结构中包含一个具有强选择性的、带通滤波器，通常具有较大的设计难度且增加系统成本。
发明内容
本发明的目的在于提供一种结构简单、造价低、容易实现的基于带通天线的线性调频连续波测距雷达及方法。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于带通天线的调频连续波测距雷达，包括线性调频信号产生单元、高频本地振荡器LO、上变频器Up-converter、带通天线和雷达接收机混频器Mixer；
所述线性调频信号产生单元，用于产生线性调频信号；
所述高频本地振荡器LO，用于将线性调频信号通过上变频器Up-converter上变频到高频段，得到的上变频信号一部分输出至带通天线、另一部分输出至雷达接收机混频器Mixer作为参考信号；
所述带通天线，用于发射雷达信号；
所述雷达接收机混频器Mixer，通过比较参考信号和雷达回波信号之间的频率，计算出目标的距离。
作为一种具体示例，所述带通天线应用于发射支路，对应的接收支路设置另外一个天线用于接收雷达信号。
作为一种具体示例，所述带通天线数量为一个，该带通天线通过环流器Circulator接入发射支路与接收支路之间，实现发射雷达信号和接收雷达回波信号的功能。
作为一种具体示例，所述线性调频信号产生单元为低频压控振荡器VCO或直接数字信号合成器DDS。
作为一种具体示例，在发射支路采用功率放大器PA或者在接收支路选用低噪声放大器LNA，或者同时选用两者，用于增大雷达作用距离。
作为一种具体示例，所述带通天线为驻波馈电的波导槽天线阵或微带贴片天线阵。
一种基于带通天线的调频连续波测距方法，包括以下步骤：
步骤1、线性调频信号产生单元产生线性调频信号即第一信号，第一信号的起始频率为f0，调频带宽为B；高频本地振荡器LO产生第二信号，第二信号的载频为f1，且f1>2f0+2B；第一信号、第二信号均接入上变频器Up-converter，将低频的第一信号上变频到高频段，成为同时包含上边带线性调频信号和下边带线性调频信号的第三信号；
步骤2、第三信号的一部分通过带通天线滤波后，筛选出上边带线性调频信号成为雷达发射信号即第四信号，第四信号遇到目标后返回雷达，即回波为第五信号；
步骤3、第三信号的另一部分即第六信号送入雷达接收机混频器Mixer，与目标反射回来的第五信号相混频，输出第七信号；
步骤4、通过测量第七信号中频率最低部分的信号频率，根据线性调频连续波雷达的工作原理，得出目标的距离信息。
作为一种具体示例，步骤2中所述带通天线的中心频率和带宽要求由第一信号和第二信号确定，中心频率为f0+f1+B/2，绝对带宽Δf满足B<Δf<2f0+B。
本发明与现有技术相比，其显著优点在于：(1)采用带通天线天然的带通特性代替传统方案中的滤波器，降低了雷达系统的造价；(2)结构简单、小型化，容易实现，可用于大规模生产。
附图说明
图1是采用2副天线的传统雷达结构示意图。
图2是采用1副天线的传统雷达结构示意图。
图3是本发明基于带通天线的采用2副天线的调频连续波距离测量雷达的结构示意图。
图4是本发明基于带通天线的采用1副天线的调频连续波距离测量雷达的结构示意图。
图5是本发明实施例中第三、四、六、七信号的频谱结构示意图。
图6是确定带通天线中心频率和带宽要求的频谱示意图。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细说明。
结合图3和图4，本发明提出一种基于带通天线的调频连续波测距雷达，包括线性调频信号产生单元、高频本地振荡器LO、上变频器Up-converter、带通天线和雷达接收机混频器Mixer；
所述线性调频信号产生单元，用于产生线性调频信号；
所述高频本地振荡器LO，用于将线性调频信号通过上变频器Up-converter上变频到高频段，得到的上变频信号一部分输出至带通天线、另一部分输出至雷达接收机混频器Mixer作为参考信号；
所述带通天线，用于发射雷达信号；
所述雷达接收机混频器Mixer，通过比较参考信号和雷达回波信号之间的频率，计算出目标的距离。
作为一种具体示例，所述带通天线应用于发射支路，对应的接收支路设置另外一个天线用于接收雷达信号。
作为一种具体示例，所述带通天线数量为一个，该带通天线通过环流器Circulator接入发射支路与接收支路之间，实现发射雷达信号和接收雷达回波信号的功能。
作为一种具体示例，所述线性调频信号产生单元为低频压控振荡器VCO或直接数字信号合成器DDS。
作为一种具体示例，在发射支路采用功率放大器PA或者在接收支路选用低噪声放大器LNA，或者同时选用两者，用于增大雷达作用距离。
作为一种具体示例，所述带通天线为驻波馈电的波导槽天线阵或微带贴片天线阵。
一种基于带通天线的调频连续波测距方法，包括以下步骤：
步骤1、线性调频信号产生单元产生线性调频信号即第一信号，其起始频率为f0，调频(扫频)带宽为B；，高频本地振荡器LO产生第二信号，其载频为f1，且f1>2f0+2B；第一信号、第二信号均接入上变频器Up-converter，将低频的第一信号上变频到高频段，成为同时包含上边带线性调频信号和下边带线性调频信号的第三信号；
步骤2、第三信号的一部分通过带通天线滤波后，筛选出上边带线性调频信号成为雷达发射信号即第四信号，第四信号遇到目标后返回雷达，即回波为第五信号；
步骤3、第三信号的另一部分即第六信号送入雷达接收机混频器Mixer，与目标反射回来的第五信号相混频，输出第七信号；
步骤4、通过测量第七信号中频率最低部分的信号频率，根据线性调频连续波雷达的工作原理，得出目标的距离信息。
作为一种具体示例，步骤2中所述带通天线的中心频率和带宽要求由第一信号和第二信号确定，中心频率为f0+f1+B/2，绝对带宽Δf满足B<Δf<2f0+B。
本发明在将低频线性调频信号即第一信号上变频成为第三信号后，舍弃传统结构中采用滤波器(Filter)立即进行滤波，而是在后续发射支路采用天然具有滤波功能的带通天线替代滤波器的滤波功能，进行发射信号的筛选；第三信号在未经滤波的情况下直接送入雷达接收支路，即成为第六信号，因而去除了整个雷达系统中对一个高频滤波器的需求。
由于第三信号(第六信号)未经滤波直接送达雷达接收机混频器(Mixer)，输出的下变频解调信号即第七信号频谱更加复杂，而通过分析线性调频连续波雷达的工作原理表明，通过测量第七信号频率最低的信号频率仍然可以得到目标的距离信息，雷达测距的功能不受影响；且雷达的最大无模糊测量距离可以根据给定的雷达波形参数确定(由第一信号和第二信号共同确定)。
结合图3、4，线性调频连续波雷达的工作原理具体如下：
线性调频信号产生单元产生的线性调频信号即第一信号为：
f0(t)＝cos(2πf0t+παt2) (1)
其瞬时频率f为瞬时相位对时间的微分，即：
其中为该部分信号的瞬时相位2πf0t+παt2；
其中α为调频斜率，其值为：
α＝B/Tm (2)
当采用锯齿波进行线性调频时，B为调频带宽，Tm为频率扫描周期(也称调制周期)，f0为频率扫描起始频率，t为时间变量，线性调频信号产生单元的输出信号频率即自f0至f0+αt|t＝Tm＝f0+B；
高频本地振荡器LO产生的上变频信号即第二信号为：
f1(t)＝cos(2πf1t) (3)
其中f1为本振频率，且f1>2f0+2B；
第三信号为第一信号和第二信号的乘积，即：
cos(2πf0t+παt2)·cos(2πf1t) (4)
将第三信号通过三角函数运算展开，可知其同时包含上边带信号和下边带信号，第三信号送入雷达接收机即为第六信号，其信号形式如下：
其中上边带信号和下边带信号均为线性调频信号，其瞬时频率分别为：
f1+f0+αt和f1-f0-αt
第三信号中，上边带信号被带通天线所选通，用于雷达发射信号，即第四信号；上边带信号和下边带信号都进入雷达接收机混频器Mixer，作为接收机的参考信号，即第六信号。由图3、4可知，第三信号与第六信号为同一信号。因为第六信号的下边带信号同时也进入雷达接收机混频器Mixer，所以雷达接收机混频器Mixer的输出信号即第七信号比较复杂。
雷达的回波即为发射信号第四信号的延迟版本，即第五信号，其信号形式为：
cos[2π(f0+f1)(t-τ)+πα(t-τ)2] (6)
其中τ为延迟的时间。雷达回波第五信号与进入接收机的参考信号第六信号混频，将公式5和公式6相乘，输出信号即第七信号中既有包含目标距离信息的信号和也包含无用信号，其数学表达式为：
{cos[2π(f0+f1)t+παt2]+cos[2π(f1-f0)t-παt2]}·cos[2π(f0+f1)(t-τ)+πα(t-τ)2] (7)
雷达接收机混频器Mixer输出的混频后的第七信号包含四部分，其频谱结构如图5所示，其信号形式和特征分别如下：
第七信号第一部分：
cos[2πατt+2π(f0+f1)τ-πατ2] (8)
该部分包含了目标距离信息的有用信号，其瞬时频率为
其中为该部分信号的瞬时相位2πατt+2π(f0+f1)τ-πατ2，由于α是一常数，此部分信号的频率与电磁波回波的延迟τ呈线性关系，即延迟越大该信号频率越高，是调频连续波雷达输出的有用信号，读取此部分信号的频率，即可测量目标的距离。
第七信号第二部分：
cos[2π·2(f0+f1)t-2πατt+2παt2+πατ2-2π(f0+f1)τ] (10)
该部分为雷达接收机混频器Mixer混频后输出的高频边带信号，其瞬时频率为
f＝2(f0+f1)-ατ+2αt (11)
其表征了一个频率接近于2倍发射信号的调频信号。由于其频率非常高，所以可以通过低通滤波器将其滤除，不影响雷达正常工作。
第七信号第三部分：
cos[2π·2f1t-2πατt-2π(f0+f1)τ+πατ2] (12)
该部分为一个频率接近于2倍发射机本振信号的单频信号，其瞬时频率为：
f＝2f1-ατ (13)
由于其频率非常高，所以可以通过低通滤波器将其滤除，不影响雷达正常工作。
第七信号第四部分：
cos[2π·2f0t-2πατt+2παt2-2π(f0+f1)τ+πατ2] (14)
该部分为一个频率接近于线性调频信号产生单元产生的线性调频信号频率2倍左右的调频信号，其瞬时频率为：
f＝2f0-ατ+2αt (15)
由于该信号的频率接近第一信号即线性调频信号产生单元产生的线性调频信号频率的2倍，且随着延迟的增大其频率降低，会与第七信号第一部分相重叠。当两者重叠时，即确定了该雷达的最大无模糊探测距离。由于该信号的频率实际上非常高，其所对应的目标距离远远超过现有调频连续波雷达的最大作用距离，不会对雷达第七信号第一部分产生不利的影响。当且仅当ατ＝2f0-ατ，即
τmax＝f0/α＝f0·Tm/B (16)
成立时，第七信号第四部分才会与第七信号第一部分重叠，达到最大无模糊检测距离Rmax＝cτmax/2。
现有的调频连续波雷达发射信号在远未到达此最大无模糊检测距离极限前，已到达雷达最大作用距离。VCO频率f0的量级为GHz，调制周期Tm的量级为ms，调制带宽B的量级为MHz，τmax的量级可估算为s，等价于雷达作用距离约为R＝cτ/2＝1.5×108m，此数值远远高于调频连续波雷达所能达到的最大作用距离，由此可知，信号重叠在实际中不会发生，本发明能正常实现调频连续波雷达的距离测量功能。
符合要求的带通天线，其中心频率为f0+f1+B/2，其绝对带宽Δf应满足B<Δf<2f0+B，如图6所示。
本发明通过采用带通天线代替传统方案中的滤波器，降低了雷达系统的造价和设计难度；结构简单、小型化，容易实现，可用于大规模生产。

Claims (8)

1.一种基于带通天线的调频连续波测距雷达，其特征在于，包括线性调频信号产生单元、高频本地振荡器LO、上变频器Up-converter、带通天线和雷达接收机混频器Mixer；
所述线性调频信号产生单元，用于产生线性调频信号；
所述高频本地振荡器LO，用于将线性调频信号通过上变频器Up-converter上变频到高频段，得到的上变频信号一部分输出至带通天线、另一部分输出至雷达接收机混频器Mixer作为参考信号；
所述带通天线，用于发射雷达信号；
所述雷达接收机混频器Mixer，通过比较参考信号和雷达回波信号之间的频率，计算出目标的距离。
2.根据权利要求1所述的基于带通天线的调频连续波测距雷达，其特征在于，所述带通天线应用于发射支路，对应的接收支路设置另外一个天线用于接收雷达信号。
3.根据权利要求1所述的基于带通天线的调频连续波测距雷达，其特征在于，所述带通天线数量为一个，该带通天线通过环流器Circulator接入发射支路与接收支路之间，实现发射雷达信号和接收雷达回波信号的功能。
4.根据权利要求1、2或3所述的基于带通天线的调频连续波测距雷达，其特征在于，所述线性调频信号产生单元为低频压控振荡器VCO或直接数字信号合成器DDS。
5.根据权利要求1、2或3所述的基于带通天线的调频连续波测距雷达，其特征在于，在发射支路采用功率放大器PA或者在接收支路选用低噪声放大器LNA，或者同时选用两者，用于增大雷达作用距离。
6.根据权利要求1、2或3所述的基于带通天线的调频连续波测距雷达，其特征在于，所述带通天线为驻波馈电的波导槽天线阵或微带贴片天线阵。
7.一种基于带通天线的调频连续波测距方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、线性调频信号产生单元产生线性调频信号即第一信号，第一信号的起始频率为f0，调频带宽为B；高频本地振荡器LO产生第二信号，第二信号的载频为f1，且f1>2f0+2B；第一信号、第二信号均接入上变频器Up-converter，将低频的第一信号上变频到高频段，成为同时包含上边带线性调频信号和下边带线性调频信号的第三信号；
步骤2、第三信号的一部分通过带通天线滤波后，筛选出上边带线性调频信号成为雷达发射信号即第四信号，第四信号遇到目标后返回雷达，即回波为第五信号；
步骤3、第三信号的另一部分即第六信号送入雷达接收机混频器Mixer，与目标反射回来的第五信号相混频，输出第七信号；
步骤4、通过测量第七信号中频率最低部分的信号频率，根据线性调频连续波雷达的工作原理，得出目标的距离信息。
8.根据权利要求7所述的基于带通天线的调频连续波测距方法，其特征在于，步骤2中所述带通天线的中心频率和带宽要求由第一信号和第二信号确定，中心频率为f0+f1+B/2，绝对带宽Δf满足B<Δf<2f0+B。
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