CN116859351A - 调频连续波雷达目标模拟器以及微波雷达传感测试系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种调频连续波雷达目标模拟器以及微波雷达传感测试系统，根据调频连续波雷达原理，通过集成于模拟器电路板上的电路实现在接收到微波雷达信号后，生成并返回包含探测目标信息的回波信号给微波雷达，通过检测雷达对该回波信号的处理能力，来推演雷达在实际场景下的功能是否可以满足使用需求。本发明把现有技术中难以量化、不够灵活且可重复性差的目标信号实现定量、可调节且可重复，并可以精确的设置雷达回波信号模拟目标的距离信息、速度信息和幅度信息，使微波雷达测试更经济、灵活，场景可重复性和可控制性更好。
Description
技术领域
本发明涉及微波雷达领域，特别是涉及一种调频连续波雷达目标模拟器以及微波雷达传感测试系统。
背景技术
随着雷达技术军用转民用的逐步深化，微波雷达作为一种传感器，应用于多种消费产品中。微波雷达传感器可以隐秘安装，且不受温度、气流、尘埃及烟雾等影响，具有寿命长、反应速度快、灵敏度更高、感应区域广等优点，逐渐代替了红外、声控等传感技术被广泛应用于多领域消费电子产品中，包括节能照明、安防、智能家电等等，在这些微波雷达产品的研发和生产过程中，微波雷达的性能检测是一个非常重要的环节。
对于目前的节能照明、安防、智能家电等产品，微波雷达传感器测试方案，尤其是调频连续波雷达，通常使用角反天线、摇摆器、人走动或挥手等来作为测试调频连续波雷达传感器的探测目标这种方式的缺点在于：测试结果是感性的难以量化的，不够灵活且可重复性差。尤其是在生产测试中，在多个调频连续波雷达传感器产品同时与目标进行探测测试时，这样的方案会放大不同调频连续波雷达传感器感应结果的偏差，导致一致性的恶化，并不能真实测试出调频连续波雷达产品的真实性能。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种调频连续波雷达目标模拟器以及微波雷达传感测试系统，用于解决现有技术中以上技术问题。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种调频连续波雷达目标模拟器，用于对探测目标的探测目标距离、目标速度以及目标幅度进行模拟，所述目标模拟器包括：集成于模拟器电路板上的信号接收模块、低噪声放大器、第一衰减器、信号转换与移相模块、第一混频器、第二混频器、处理模块、频率合成器、合路器、第二衰减器、功率放大器以及信号发射模块；其中，所述信号接收模块、低噪声放大器、第一衰减器、信号转换与移相模块依次串联连接；所述第一混频器以及第二混频器分别连接所述信号转换与移相模块、频率合成器以及合路器；所述处理模块连接所述频率合成器；所述合路器、第二衰减器、功率放大器以及信号发射模块依次串联连接；由所述信号接收模块接收调频连续波雷达传感器发送的电磁波信号，再依次通过所述低噪声放大器以及第一衰减器对所述电磁波信号进行信号放大以及电磁波幅度调节；通过所述信号转换与移相模块将经过调节后的信号由单端信号转换为差分信号，并输出一对正交的射频信号；通过所述频率合成器根据由所述处理模块基于与所述探测目标相关的模拟目标参数生成的符合模拟目标特征的数字信号转换成一对符合模拟目标特征的基带模拟正交信号；由所述第一混频器以及第二混频器分别将该基带模拟正交信号与所述信号转换与移相模块输出的正交射频信号进行混频，再经过所述合路器将所述第一混频器以及第二混频器混频的信号相加；相加后的信号依次经过第二衰减器、功率放大器进行信号放大以及电磁波幅度调节，并由信号发射模块将符合探测目标的探测目标距离、目标速度以及目标幅度的模拟目标信号返回所述调频连续波雷达传感器。
于本发明的一实施例中，对探测目标的探测目标距离进行模拟的方式包括：通过所述频率合成器根据接收的来自所述处理模块基于与探测目标的探测目标距离相关的模拟目标参数生成的数字信号改变频率合成器的频率参数，并转换成符合目标频率的基带模拟正交信号对，并通过所述第一混频器以及第二混频器分别将该基带模拟正交信号对与所述信号转换与移相模块输出的正交射频信号进行混频，再经过所述合路器将所述第一混频器以及第二混频器混频的信号相加，以供将经过信号相加的信号依次经过第二衰减器、功率放大器进行信号放大以及电磁波幅度调节生成对应符合探测目标距离的模拟目标信号；其中，所述模拟目标信号的中频差拍信号频率与所述频率参数相关，以供所述调频连续波雷达传感器基于该模拟目标信号的中频差拍信号频率获得对应的探测目标距离。
于本发明的一实施例中，对探测目标的目标速度进行模拟的方式包括：通过所述频率合成器根据接收的来自所述处理模块基于与探测目标的目标速度相关的模拟目标参数生成的数字信号改变频率合成器的相位参数，并转换成符合目标相位的基带模拟正交信号对，并通过所述第一混频器以及第二混频器分别将该基带模拟正交信号对与所述信号转换与移相模块输出的射频信号进行混频，再经过所述合路器将所述第一混频器以及第二混频器混频的信号相加，以供将经过信号相加的信号依次经过第二衰减器、功率放大器进行信号放大以及电磁波幅度调节生成对应符合目标速度的模拟目标信号；其中，所述模拟目标信号的中频差拍信号频率的相位与所述相位参数相关，以供所述调频连续波雷达传感器通过接收到的相邻调频周期间的模拟目标信号的中频差拍信号频率之间的相位差获得所述目标速度。
于本发明的一实施例中，对探测目标的目标幅度进行模拟的方式包括：通过设置低噪声放大器、第一衰减器、第二衰减器、频率合成器、功率放大器的参数中一种或多种方式调整信号幅度大小，生成符合所述目标幅度的输出功率的模拟目标信号。
于本发明的一实施例中，所述信号接收模块包括：内置圆极化接收天线、第一射频开关以及接收射频头；其中，所述内置圆极化接收天线，用于接收任意极化方向的电磁波信号；所述接收射频头，用于外接接收天线，以通过该接收天线接收电磁波信号；所述射频开关，连接所述内置圆极化天线以及所述接收射频头，用于控制由所述内置圆极化天线或所述接收射频头外接的接收天线对应接收电磁波信号，以供将该电磁波信号输入至低噪声放大器。
于本发明的一实施例中，所述信号发射模块包括：内置圆极化发射天线、第二射频开关以及发射射频头；其中，所述内置圆极化发射天线，用于发射圆极化电磁波形式的模拟目标信号；所述发射射频头，用于外接发射天线，以通过该发射天线发射所述模拟目标信号；所述射频开关，连接所述内置圆极化发射天线以及所述发射射频头，用于控制由所述内置圆极化发射天线或所述发射射频头外接的发射天线发射模拟目标信号。
于本发明的一实施例中，所述内置圆极化接收天线以及内置圆极化发射天线分别嵌于所述模拟器电路板正面，且在所述模拟器电路板背面分别设置有与所述内置圆极化接收天线以及内置圆极化发射天线配套设置的馈电网络；所述内置圆极化接收天线以及内置圆极化发射天线分别设有第一馈电点以及第二馈电点，且所述第一馈电点以及第二馈电点以金属过孔的形式将天线与对应的所述馈电网络连接；其中，所述第一馈电点以及第二馈电点到对应天线的几何中心的距离相等且两馈电点到对应天线的几何中心的连线彼此正交；所述内置圆极化接收天线通过与对应的馈电网络结合，将接收由调频连续波雷达传感器发送的电磁波信号；所述内置圆极化发射天线通过与对应的馈电网络结合，将生成的发射圆极化电磁波形式的模拟目标信号发送给所述调频连续波雷达传感器。
于本发明的一实施例中，所述信号转换与移相模块包括：信号转换部件，用于将经过调节后的信号由单端信号转换为差分信号；移相部件，连接所述信号转换部件，用于将转换后的差分信号进行移相，输出一对正交的射频信号。
于本发明的一实施例中，所述处理模块用于基于与所述调频连续波雷达目标模拟器连接的上位机控制端的控制指令设定所述模拟目标参数，并生成符合模拟目标特征的数字信号。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种微波雷达传感测试系统，所述系统包括：调频连续波雷达传感器，安装在固定工装的工装平面上；所述的调频连续波雷达目标模拟器，在沿工装平面的法向方向上安装；其中，所述调频连续波雷达目标模拟器基于接收的由所述调频连续波雷达传感器发射的电磁波以及与探测目标相关的模拟目标参数对探测目标的探测目标距离、目标速度以及目标幅度进行模拟，并将符合所述探测目标的探测目标距离、目标速度以及目标幅度的各模拟目标信号返回给对应的调频连续波雷达传感器，以供所述调频连续波雷达基于接收的模拟目标信号获得所述探测目标的探测目标距离、目标速度以及目标幅度。
如上所述，本发明是一种调频连续波雷达目标模拟器以及微波雷达传感测试系统，具有以下有益效果：根据调频连续波雷达原理，通过集成于模拟器电路板上的电路实现在接收到微波雷达信号后，生成并返回包含探测目标信息的回波信号给微波雷达，通过检测雷达对该回波信号的处理能力，来推演雷达在实际场景下的功能是否可以满足使用需求。本发明把现有技术中难以量化、不够灵活且可重复性差的目标信号实现定量、可调节且可重复，并可以精确的设置雷达回波信号模拟目标的距离信息、速度信息和幅度信息，使微波雷达测试更经济、灵活，场景可重复性和可控制性更好。
附图说明
图1显示为本发明一实施例中的调频连续波雷达的发送频率与时间关系示意图。
图2显示为本发明一实施例中的调频连续波雷达目标模拟器的结构示意图。
图3显示为本发明一实施例中的调频连续波雷达发送信号和接收信号与时间关系示意图。
图4显示为本发明一实施例中的调频连续波雷达的中频信号与时间关系示意图。
图5显示为本发明一实施例中的调频连续波雷达目标模拟器的输入信号和输出信号与时间关系示意图。
图6显示为本发明一实施例中的调频连续波雷达目标模拟器的结构示意图。
图7显示为本发明一实施例中的圆极化天线的天线面以及馈电网络面的结构示意图。
图8显示为本发明一实施例中的圆极化天线的馈电网络的走线长度关系示意图。
图9显示为本发明一实施例中的调频连续波雷达目标模拟器的结构示意图。
图10显示为本发明一实施例中的微波雷达传感测试系统的应用测试环境示意图。
图11显示为本发明一实施例中的雷达传感器安装示意图。
图12显示为本发明一实施例中的圆极化电磁波极化分解示意图。
图13显示为本发明一实施例中的圆极化天线在各主要方向角的轴比指标示意图。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
需要说明的是，在下述描述中，参考附图，附图描述了本发明的若干实施例。应当理解，还可使用其他实施例，并且可以在不背离本发明的精神和范围的情况下进行机械组成、结构、电气以及操作上的改变。下面的详细描述不应该被认为是限制性的，并且本发明的实施例的范围仅由公布的专利的权利要求书所限定。这里使用的术语仅是为了描述特定实施例，而并非旨在限制本发明。空间相关的术语，例如“上”、“下”、“左”、“右”、“下面”、“下方”、““下部”、“上方”、“上部”等，可在文中使用以便于说明图中所示的一个元件或特征与另一元件或特征的关系。
在通篇说明书中，当说某部分与另一部分“连接”时，这不仅包括“直接连接”的情形，也包括在其中间把其它元件置于其间而“间接连接”的情形。另外，当说某种部分“包括”某种构成要素时，只要没有特别相反的记载，则并非将其它构成要素，排除在外，而是意味着可以还包括其它构成要素。
其中提到的第一、第二及第三等术语是为了说明多样的部分、成分、区域、层及/或段而使用的，但并非限定于此。这些术语只用于把某部分、成分、区域、层或段区别于其它部分、成分、区域、层或段。因此，以下叙述的第一部分、成分、区域、层或段在不超出本发明范围的范围内，可以言及到第二部分、成分、区域、层或段。
再者，如同在本文中所使用的，单数形式“一”、“一个”和“该”旨在也包括复数形式，除非上下文中有相反的指示。应当进一步理解，术语“包含”、“包括”表明存在所述的特征、操作、元件、组件、项目、种类、和/或组，但不排除一个或多个其他特征、操作、元件、组件、项目、种类、和/或组的存在、出现或添加。此处使用的术语“或”和“和/或”被解释为包括性的，或意味着任一个或任何组合。因此，“A、B或C”或者“A、B和/或C”意味着“以下任一个：A；B；C；A和B；A和C；B和C；A、B和C”。仅当元件、功能或操作的组合在某些方式下内在地互相排斥时，才会出现该定义的例外。
本发明提供一种调频连续波雷达目标模拟器以及微波雷达传感测试系统，根据调频连续波雷达原理，通过集成于模拟器电路板上的电路实现在接收到微波雷达信号后，生成并返回包含探测目标信息的回波信号给微波雷达，通过检测雷达对该回波信号的处理能力，来推演雷达在实际场景下的功能是否可以满足使用需求。本发明把现有技术中难以量化、不够灵活且可重复性差的目标信号实现定量、可调节且可重复，并可以精确的设置雷达回波信号模拟目标的距离信息、速度信息和幅度信息，使微波雷达测试更经济、灵活，场景可重复性和可控制性更好。
本发明的适用雷达为调频连续波雷达，普通多普勒雷达发送的频率是固定的，而调频连续波雷达发送的频率是随时间线性变化的，如图1所示为调频连续波雷达发送频率随时间变化关系；其中B为调频带宽范围，T为调频周期，一个调频周期一般也叫做一个chirp，fc为发射信号起始频率。
下面以附图为参考，针对本发明的实施例进行详细说明，以便本发明所述技术领域的技术人员能够容易地实施。本发明可以以多种不同形态体现，并不限于此处说明的实施例。
如图2展示本发明实施例中的一种调频连续波雷达目标模拟器的结构示意图。
所述调频连续波雷达目标模拟器，用于对探测目标的探测目标距离、目标速度以及目标幅度进行模拟。
所述调频连续波雷达目标模拟器包括：集成于模拟器电路板上的信号接收模块1、低噪声放大器2、第一衰减器3、信号转换与移相模块4、第一混频器5、第二混频器6、处理模块7、频率合成器8、合路器9、第二衰减器10、功率放大器11以及信号发射模块12。
其中，所述信号接收模块1、低噪声放大器2、第一衰减器3、信号转换与移相模块4依次串联连接；具体的，所述信号接收模块1连接低噪声放大器2，低噪声放大器2连接第一衰减器3，所述第一衰减器3连接信号转换与移相模块4。所述第一混频器5以及第二混频器6并联，且分别连接所述信号转换与移相模块4、频率合成器8以及合路器9；所述处理模块7连接所述频率合成器8；所述合路器9、第二衰减器10、功率放大器11以及信号发射模块12依次串联连接；具体的，所述合路器9连接所述第二衰减器10，所述第二衰减器10连接功率放大器11，所述功率放大器11连接所述信号发射模块12。
由所述信号接收模块1接收雷达传感器发送的电磁波信号，再通过所述低噪声放大器2进行信号放大，再经过第一衰减器3对电磁波信号进行电磁波幅度调节；再通过所述信号转换与移相模块4将经过调节后的信号由单端信号转换为差分信号，并输出一对正交的射频信号并传输至所述第一混频器5以及第二混频器6；同时，所述处理模块7基于与所述模拟目标相关的模拟目标参数生成的符合模拟目标特征的数字信号，通过所述频率合成器8根据该符合模拟目标特征的数字信号转换成一对符合模拟目标特征的基带模拟正交信号；由所述第一混频器5以及第二混频器6分别将该基带模拟正交信号与所述信号转换与移相模块4输出的射频信号进行混频，再经过所述合路器9将所述第一混频器5以及第二混频器6混频的信号相加；相加后的信号依次经过第二衰减器10、功率放大器11进行信号放大以及电磁波幅度调节，并由信号发射模块12将符合探测目标的探测目标距离、目标速度以及目标幅度的模拟目标信号返回所述调频连续波雷达传感器。
其中，处理模块7可以为微处理器MCU，本方案主要是充分利用了信号混频调制原理来实现调频连续波雷达探测目标模拟，不需要使用非常高端的微处理器，降低软件开发难度和成本。
优选的，模拟器电路板PCB尺寸仅100*60mm，对使用环境空间要求低，实现了高集成、小型化设计。
为了更好的描述调频连续波雷达目标模拟器对探测目标模拟的具体方式，现结合以下具体实施例进行说明。
在一实施例中，探测目标的探测目标距离进行模拟的方式包括：
所述频率合成器8接收来自所述处理模块7基于与探测目标的探测目标距离相关的模拟目标参数生成的数字信号，并改变频率合成器8的频率参数，并基于该频率参数转换成符合目标频率的基带模拟正交信号对。并通过所述第一混频器5以及第二混频器6分别将该基带模拟正交信号对与所述信号转换与移相模块4输出的正交射频信号进行混频，再经过所述合路器9将所述第一混频器5以及第二混频器6混频的信号相加，以供将经过信号相加的信号依次经过第二衰减器10、功率放大器11进行信号放大以及电磁波幅度调节生成对应符合探测目标距离的模拟目标信号。
其中，所述模拟目标信号的中频差拍信号频率与所述频率参数相关，以供所述调频连续波雷达传感器基于该模拟目标信号的中频差拍信号频率获得对应的探测目标距离。
即本实施例通过改变频率合成器8的频率参数，来实现转换成符合目标频率的基带模拟正交信号对，进而获得符合探测目标距离的中频差拍信号频率的模拟目标信号，以供所述调频连续波雷达传感器获得对应的探测目标距离。
进一步的，探测目标的探测目标距离进行模拟的原理为：
调频连续波雷达目标模拟的原理为，调频连续波雷达发出的信号遇到探测目标后会反射回来并被雷达放大接收，如图3，从波形上看，发射信号和接收信号是完全一样的，只是相差了一个延时τ，这个延时τ为雷达发出电磁波到探测目标再被探测目标反射回雷达所经过的时间。
即：
其中，R为调频连续波雷达和探测目标之间的距离，c为电磁波在真空中的传播速度。由此可见，知道延时τ就可以根据以上公式计算出探测目标距离R。
如图4所示，调频连续波雷达接收信号和发射信号接收混频后，得到fb和B-fb两个频率信号，一般B远大于fb，使用低通滤波器滤除B-fb信号，只剩下fb信号。再利用比例关系得到延时τ，即
其中，T为调频连续波雷达的调频周期，B为调频连续波雷达调频带宽，fb为中频差拍信号频率。
结合公式(1)和公式(2)，可以算出调频连续波雷达和探测目标距离R和中频差拍信号频率fb的关系，即：
其中，T为调频连续波雷达调频周期，c为电磁波真空中传播速度，B为调频连续波雷达调频带宽，fb为调频连续波雷达中频差拍信号频率。
调频连续波雷达发送的频率是随时间调制变化的，但在某一时间点的频率是固定的，这个时间点的雷达信号输入调频连续波雷达目标模拟器RFin可以简化定义为为简化计算未考虑空中以及电路传输过程中的相移和延迟以及增益变化，经低噪声放大器、第一衰减器、信号转换与移相模块后得到两路正交信号/>和分别进入第一混频器、第二混频器。频率合成器发出的基带信号1和基带信号2，是频率及幅度相同相位相差90°的正交信号，其中，基带信号1可以简化定义为基带信号2可以简化定义为/>
则第一混频器的混频输出信号结果为：
第二混频器的混频输出信号结果为：
第一混频器和第二混频器的输出信号结果经合路器合成相加后，得到输出信号结果RFout为：
由以上公式推导可知，调频连续波雷达目标模拟器在某一时间点输入的雷达信号RFin频率为ωr/2π，输出信号RFout频率为(ωr-ωb)/2π，调频连续波雷达目标模拟器输出信号RFout相比输入信号RFin频率偏移量为(-ωb)/2π。同理可得其他时间点，调频连续波雷达目标模拟器输入信号频率不同，但是输出信号相比输入信号频率偏移量都同样为(-ωb)/2π，即模拟调频连续波雷达中频差拍信号频率fb为(ωb)/2π，如图5所示。通过处理模块基于与探测目标的探测目标距离相关的模拟目标参数生成的数字信号，改变频率合成器的参数ωb产生不同频率的基带信号1和基带信号2，就可以模拟出不同差拍频率fb的目标模拟信号，即通过修改参数ωb就可以模拟调频连续波雷达探测目标在不同距离的回波信号，可以由公式(3)推算出对应的探测目标距离信息。
在一实施例中，对探测目标的目标速度进行模拟的方式包括：
通过所述频率合成器8根据接收的来自所述处理模块7基于与探测目标的目标速度相关的模拟目标参数生成的数字信号，改变频率合成器8的相位参数，并转换成符合目标相位的基带模拟正交信号对；并通过所述第一混频器5以及第二混频器6分别将该基带模拟正交信号对与所述信号转换与移相模块4输出的正交射频信号进行混频，再经过所述合路器9将所述第一混频器5以及第二混频器6混频的信号相加，以供将经过信号相加的信号依次经过第二衰减器10、功率放大器11进行信号放大以及电磁波幅度调节生成对应符合目标速度的模拟目标信号；
其中，所述模拟目标信号的中频差拍信号频率的相位与所述相位参数相关，以供所述调频连续波雷达传感器通过接收到的相邻调频周期间的模拟目标信号的中频差拍信号频率之间的相位差获得所述目标速度。
即本实施例通过改变频率合成器8的相位参数，来实现转换成符合目标相位的基带模拟正交信号对，进而获得符合目标相位的中频差拍信号频率的模拟目标信号，以供所述调频连续波雷达传感器获得对应的探测目标距离。
进一步的，探测目标的目标速度进行模拟的原理为：
由于探测目标的运动产生的探测距离的变化，调频连续波雷达chirp之间检测到的差拍频率fb会呈一定频移的变化趋势，一般由于chirp间时间非常短，由探测目标运动产生的距离变化非常微小，对应的fb频率变化很小无法区分开来，但是fb的相位变化非常明显，因此可以通过fb相位的变化来探测目标的运动速度。
定义探测目标运动速度为v，chirp调制周期为T，则两个chirp之间探测目标运动的距离为Δd为
Δd＝v·T ； (8)
定义两个chirp之间差拍频率fb相位变化量为根据相位变化和波长关系得到
其中，λ＝c/fc，c为光速在真空中的传播速度，fc为调频连续波雷达发射起始频率。
由公式(8)和(9)，可以得到v和的关系为
由公式(10)，模拟不同的即可模拟探测目标不同的速度信息v。/>表示探测目标运动方向远离雷达方向，/>表示探测目标运动方向靠近雷达方向。
由公式(7)，信号对应的探测目标模拟信号为回波模拟信号/>被调频连续波雷达放大接收后和本振信号/>混频后得到中频差拍频率fb，则
由低通滤波器滤除高频分量，则
由公式(13)，调频连续波雷达收到模拟器产生的回波信号对应的中频差拍频率的相位只和基带信号的相位相关，和调频连续波雷达信号的相位不相关。则通过控制频率合成器生成基带信号的相位/>使chirp间差拍频率fb的相位差/>满足公式(10)，即可模拟探测目标对应的速度信息v。
在一实施例中，RCS(雷达散射截面积)为一种假想面积，其定义为雷达探测目标在某一给定方向上，反向回波功率和入射注入功率密度之比，该参数以单位面积来描述。RCS值越大，表示反向散射回波能力越强，雷达接收到的回波功率也就越大。
对探测目标的目标幅度RCS进行模拟的方式包括：
通过设置低噪声放大器2、第一衰减器3、第二衰减器10、频率合成器8、功率放大器11的参数中一种或多种方式调整信号幅度大小，生成符合所述目标幅度的输出功率的模拟目标信号。
其中，可通过利用调整低噪声放大器2、第一衰减器3、第二衰减器10、功率放大器11以及频率合成器8的参数控制发出的中频信号幅度大小等多方面结合来控制调频连续波雷达目标模拟器的输出功率大小，从而实现模拟目标幅度的目的，从而实现模拟探测目标幅度信息(RCS)的目的，可以灵活满足各种不同输入功率和不同输出功率探测目标模拟的使用场景。还可以通过调整所述处理模块7的模拟目标参数进而调整控制由频率合成器8发出的中频信号幅度大小来实现模拟目标幅度。
在一实施例中，如图6所示，所述信号接收模块1包括：内置圆极化接收天线101、第一射频开关102以及接收射频头103；本申请可选择通过接内置圆极化接收天线101或接收射频头103加外置的接收天线接收雷达发射的电磁波信号；
其中，所述内置圆极化接收天线101，可用于接收任意极化方向的电磁波信号；
所述接收射频头103，用于外接接收天线，以通过该接收天线接收电磁波信号；该接收天线根据需求进行设定。
所述射频开关102，连接所述内置圆极化接收天线101以及所述发射射频头103，用于控制由所述内置圆极化接收天线101或所述接收射频头103外接的接收天线接收电磁波信号，以供将该电磁波信号输入至低噪声放大器。
在一实施例中，如图6所示，所述信号发射模块12包括：内置圆极化发射天线121、第二射频开关122以及发射射频头123；本申请可选择通过接内置圆极化发射天线121或发射射频头123加外置的发射天线发射模拟目标信号给雷达传感器；
其中，所述内置圆极化发射天线121，用于发射圆极化电磁波形式的模拟目标信号；
所述发射射频头123，用于外接发射天线，以通过该发射天线发射所述模拟目标信号；该发射天线根据需求进行设定。
所述射频开关122，连接所述内置圆极化发射天线121以及所述发射射频头123，用于控制由所述内置圆极化发射天线121或所述发射射频头123外接的发射天线发射模拟目标信号。
在一实施例中，为了防止因雷达产品天线极化方向不同导致模拟信号幅度差异大的问题。
采用内置圆极化接收天线以及内置圆极化发射天线进行信号接收以及信号发射。
如图7a所示，所述内置圆极化接收天线以及内置圆极化发射天线分别嵌于所述模拟器电路板正面(天线面)，且如图7b所示，在所述模拟器电路板背面(馈电网络面)分别设置有与所述内置圆极化接收天线以及内置圆极化发射天线配套设置的馈电网络；所述内置圆极化接收天线以及内置圆极化发射天线分别设有第一馈电点以及第二馈电点，且所述第一馈电点以及第二馈电点以金属过孔的形式将天线与对应的所述馈电网络连接；其中，所述第一馈电点以及第二馈电点到对应天线的几何中心的距离相等且两馈电点到对应天线的几何中心的连线彼此正交；
所述内置圆极化接收天线通过与对应的馈电网络结合，获取接收的由调频连续波雷达传感器发送的电磁波信号；所述内置圆极化发射天线通过与对应的馈电网络结合，将生成的发射圆极化电磁波形式的模拟目标信号发送给所述调频连续波雷达传感器。
每个馈电网络设有一功分器以及电阻；其中，所述功分器一端连接对应天线的第一馈电点以及第二馈电点，另一端连接设于所述模拟器电路板的所述低噪声放大器或功率放大器；所述电阻将在第一馈电点以及第二馈电点分别至所述功分器的传输段上分别设置的第一特定位置以及第二特定位置桥接，电阻阻值为传输微带线阻抗值两倍。
若馈电网络是对应内置圆极化接收天线设置的，则一端连接内置圆极化接收天线的第一馈电点以及第二馈电点；另一端经过一个功分器，合路后连接低噪声放大器。若馈电网络是对应内置圆极化发射天线设置的，则一端连接内置圆极化发射天线的第一馈电点以及第二馈电点；另一端经过一个功分器，合路后连接功率放大器；优选的，所述功分器为一个一分二等功率功分器。
优选的，馈电网络的每段传输线长度，均有特殊要求。为了合成准确的圆极化电磁波，如图8所示，所述第一特定位置A至第一馈电点1之间的传输段长度LA1,以及所述第二特定位置B至第二馈电点2之间的传输段长度LB2之间满足第一长度关系；且对应所述第一特定位置A至所述功分器D之间的传输段长度LDA以及对应所述第二特定位置B至所述功分器D之间的传输段长度LDB满足第二长度关系，以保证两个馈电点的相位差关系为准确的90°，且功率相等，合成准确的圆极化电磁波。对应所述第一特定位置A经过电阻R至第二特定位置B的传输段长度LARB以及对应所述第一特定位置A经过所述功分器D再至第二特定位置B的传输段长度LADB满足第三长度关系。
其中，所述第一长度关系包括：
并且其中，λ为雷达工作频率下电磁波在空气中的波长，ε为电路板介电常数，N为自然数。
并且，第二长度关系为对应所述第一特定位置A至所述功分器D之间的传输段长度LDA以及对应所述第二特定位置B至所述功分器D之间的传输段长度LDB相等。
此时，两个馈电点的相位差为90°，功率相等，且分别激励的电磁波为彼此正交的一对线极化波，合成后的波形，即为圆极化波。
所述第三长度关系包括：
并且其中，LARB为所述第一特定位置A经过电阻R至第二特定位置B的传输段长度，LADB为所述第一特定位置A经过所述功分器D再至第二特定位置B的传输段长度，λ为雷达工作频率下电磁波在空气中的波长，ε为电路板介电常数，N为自然数。
在一实施例中的馈电电路可以另外采用电桥、巴伦加移相器等方案；内置圆极化接收与发射天线的实现，可以另外采用天线切角、开槽等其他方案。
在一实施例中，如图6所示，所述信号转换与移相模块包括：
信号转换部件41，用于将经过调节后的信号由单端信号转换为差分信号；
移相部件42，连接所述信号转换部件，用于将转换后的差分信号进行移相，输出一对正交的射频信号。
需要说明的是，所述信号转换部件41可以采用巴伦，也可以使用功分器、耦合器等装置。所述移相部件42可以采用移相器，也可以采用微带线移相等装置。并且所述信号转换与移相模块的信号转换部件41以及移相部件42也可以使用电桥来实现。
在一实施例中，所述调频连续波雷达目标模拟器连接有上位机控制端；更进一步，如图2所示，所述处理模块7连接上位机控制端13，用于基于上位机控制端13的控制指令设定所述模拟目标参数，并生成符合模拟目标特征的数字信号。
其中，可以通过上位机控制端修改处理模块7的模拟目标参数进而进行修改频率合成器的参数，调整中频信号1和中频信号2的频率大小、幅度大小以及相位关系，来对探测目标模拟信号进行探测目标距离、目标速度、目标幅度以及目标是靠近还是远离的调整。
在一实施例中，所述调频连续波雷达目标模拟器通过USB接口与上位机控制端连接，上位机控制端通过连接的USB接口识别所述调频连续波雷达目标模拟器的串口，可通过该串口修改处理模块内部参数来调整模拟目标特征，参数修改实时生效并根据需要可以掉电保存，下次使用如果不需要修改模拟目标参数，则可以不使用上位机来修改目标参数。本方案实现过程中考虑到低功耗设计，可使用上位机控制端USB供电，无需额外增加直流电源成本。
为了更好的说明上述调频连续波雷达目标模拟器，本发明提供以下具体实施例。
实施例1：一种调频连续波雷达目标模拟器。如图9为实施例中调频连续波雷达目标模拟器的结构示意图。
所述调频连续波雷达目标模拟器包括：接收天线、射频开关、接收射频头、发射天线、发射射频头、低噪声放大器、衰减器、巴伦、移相器、第一混频器、第二混频器、微处理器、频率合成器、合路器、功率放大器、上位机控制端及自研配套软件工具；
接收天线或接收射频头加外置接收天线以接收雷达发射的电磁波信号，并由低噪声放大器将信号放大，之后经过射频衰减器对电磁波信号幅度大小进行调节，再经过巴伦把单端信号转换成差分信号，并由移相器输出一对正交的射频信号；同时，微处理器根据预设参数，输出符合模拟探测目标信息的数字信号，经过频率合成器转换成一对符合模拟探测目标特征的基带模拟正交信号，这一对信号分别经过混频器1、2与正交射频信号混频，之后由合路器将两路信号相加，再经过衰减器和功率放大器对输出信号进行适当衰减或放大以满足模拟探测目标幅度需求，再经过发射天线或发射射频头加外置发射天线将模拟目标信号返回给微波雷达。如果需要修改模拟探测目标信息参数，可以使用自研配套的上位机端工具，通过串口修改微处理器内部参数来调整模拟探测目标信息参数，参数修改实时生效并根据需要可以掉电保存，下次使用如果不需要修改模拟探测目标信息参数，则可以不使用上位机。
其中，内置接收和发射圆极化天线采用带90°移相功分器加双孔背馈的板载微带天线，方案成本低，易于实现，一致性高，使用方便，降低了雷达产品研发和测试过程中，因天线极化方向差异导致模拟目标差异大的问题。
如图10展示本发明实施例中的一种微波雷达传感测试系统的应用测试环境示意图。
调频连续波雷达目标模拟器应用于单个雷达传感器产品的目标模拟，比如研发过程中的雷达传感器产品处理信号能力测试分析等；
系统处于由吸波材料搭建的外环境中，包括：
被安装在固定工装01的工装平面上的调频连续波雷达传感器61；
在沿工装平面的法向方向上安装的调频连续波雷达目标模拟器62，作为测试系统的目标模拟器；需要说明的是，所述调频连续波雷达目标模拟器62可以实现以上实施例的调频连续波雷达目标模拟器所有功能，对此不作赘述。另外所述调频连续波雷达目标模拟器62还通过USB接口利用USB供电串口通信线与上位机控制端连接。
需要说明的是，如图11所示，调频连续波雷达传感器61测试的工装设计，大多数情况下均采用沿平面铺开的方式，目标模拟器安置在平面的法向方向的方式，这样探测结果的差异较小。
其中，所述调频连续波雷达目标模拟器62基于接收的由调频连续波雷达传感器61发射的电磁波以及与探测目标相关的模拟目标参数对探测目标的探测目标距离、目标速度以及目标幅度进行模拟，并将符合所述探测目标的探测目标距离、目标速度以及目标幅度的模拟目标信号返回给对应的雷达传感器，以供所述雷达传感器基于接收的模拟目标信号获得所述探测目标的探测目标距离、目标速度以及目标幅度。
在一实施例中，如图10所示，所述调频连续波雷达目标模拟器62安装在沿工装平面的法向方向上，距离工装平面的距离为d。则d满足固定距离关系；
其中，所述固定距离关系包括：
并且其中，D为调频连续波雷达传感器固定工装的对角线长度，λ为雷达工作频率下电磁波对应的空气中波长。
由圆极化天线原理可知，圆极化信号可以等效分解为任意两个正交极化，幅度相等，相位相差90°的信号，因此，不管被测微波雷达传感器天线极化方向如何摆放，所述调频连续波雷达目标模拟器使用的圆极化天线总可以分解为一路极化和微波雷达传感器天线极化方向一致的信号，以及另一路和微波雷达传感器天线极化方向正交的信号，如图12所示。所以，不管微波雷达传感器天线极化方向如何，使用本方案的调频连续波雷达目标模拟器，总能和被测微波雷达传感器之间收发幅度相等的微波信号，不会因为微波雷达传感器天线极化方向和圆极化天线测试设备天线极化方向不一致而干扰测试结果。
并且，在通用的圆极化设计中，将圆极化拆解成两个正交线极化后，两个线极化幅值大小的比例称为轴比。一般轴比≤3dB时，认为符合圆极化设计要求。而图13为本方案的目标模拟器在各主要方向角的轴比指标，可以看出，本方案的轴比指标基本保持在1dB以下，圆极化严格程度高于通用标准。
由此，本发明与现有技术相比，具有以下优势：
1、基于本发明技术方案，使得微波雷达测试方案更经济、灵活，场景可重复性和可控制性更好，从之前随机目标场景的定性测量转变为目标信息固定的定量测量。可以应用于研发过程中的雷达传感器产品处理信号能力测试分析等，不需要到真实场景中测试，降低研发测试成本，提高研发测试效率；也可应用于雷达传感器产品的生产测试中，提高产品性能测试结果一致性和可靠性。在雷达的研发、问题分析以及生产过程中等都可以发挥重要的作用。
2、基于本发明技术方案包含内置圆极化天线的设计，使用过程中降低了对雷达产品天线极化方向的苛刻要求，降低了因雷达产品天线极化方向放置不合适，导致模拟目标性能差异大的问题。
3、基于本发明技术方案，采用高集成、小型化设计，方便携带安装，狭小环境中使用无障碍，对应的屏蔽环境相对尺寸可以相对做小，节省屏蔽环境空间和成本。
4、基于本发明技术方案，考虑到低功耗设计，上位机USB接口即可满足供电需求，不需要额外占用直流电源，即方便使用又节省采购直流电源的成本。
综上所述，本发明的调频连续波雷达目标模拟器以及微波雷达传感测试系统，根据调频连续波雷达原理，通过集成于模拟器电路板上的电路实现在接收到微波雷达信号后，生成并返回包含探测目标信息的回波信号给微波雷达，通过检测雷达对该回波信号的处理能力，来推演雷达在实际场景下的功能是否可以满足使用需求。本发明把现有技术中难以量化、不够灵活且可重复性差的目标信号实现定量、可调节且可重复，并可以精确的设置雷达回波信号模拟目标的距离信息、速度信息和幅度信息，使微波雷达测试更经济、灵活，场景可重复性和可控制性更好。
上述实施例仅示例性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，但凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。
Claims (10)
1.一种调频连续波雷达目标模拟器，其特征在于，用于对探测目标的探测目标距离、目标速度以及目标幅度进行模拟，所述目标模拟器包括：
集成于模拟器电路板上的信号接收模块、低噪声放大器、第一衰减器、信号转换与移相模块、第一混频器、第二混频器、处理模块、频率合成器、合路器、第二衰减器、功率放大器以及信号发射模块；
其中，所述信号接收模块、低噪声放大器、第一衰减器、信号转换与移相模块依次串联连接；所述第一混频器以及第二混频器分别连接所述信号转换与移相模块、频率合成器以及合路器；所述处理模块连接所述频率合成器；所述合路器、第二衰减器、功率放大器以及信号发射模块依次串联连接；
由所述信号接收模块接收调频连续波雷达传感器发送的电磁波信号，再依次通过所述低噪声放大器以及第一衰减器对所述电磁波信号进行信号放大以及电磁波幅度调节；通过所述信号转换与移相模块将经过调节后的信号由单端信号转换为差分信号，并输出一对正交的射频信号；通过所述频率合成器根据由所述处理模块基于与所述探测目标相关的模拟目标参数生成的符合模拟目标特征的数字信号转换成一对符合模拟目标特征的基带模拟正交信号；由所述第一混频器以及第二混频器分别将该基带模拟正交信号与所述信号转换与移相模块输出的正交射频信号进行混频，再经过所述合路器将所述第一混频器以及第二混频器混频的信号相加；相加后的信号依次经过第二衰减器、功率放大器进行信号放大以及电磁波幅度调节，并由信号发射模块将符合探测目标的探测目标距离、目标速度以及目标幅度的模拟目标信号返回所述调频连续波雷达传感器。
2.根据权利要求1中所述的调频连续波雷达目标模拟器，其特征在于，对探测目标的探测目标距离进行模拟的方式包括：
通过所述频率合成器根据接收的来自所述处理模块基于与探测目标的探测目标距离相关的模拟目标参数生成的数字信号改变频率合成器的频率参数，并转换成符合目标频率的基带模拟正交信号对，并通过所述第一混频器以及第二混频器分别将该基带模拟正交信号对与所述信号转换与移相模块输出的正交射频信号进行混频，再经过所述合路器将所述第一混频器以及第二混频器混频的信号相加，以供将经过信号相加的信号依次经过第二衰减器、功率放大器进行信号放大以及电磁波幅度调节生成对应符合探测目标距离的模拟目标信号；
其中，所述模拟目标信号的中频差拍信号频率与所述频率参数相关，以供所述调频连续波雷达传感器基于该模拟目标信号的中频差拍信号频率获得对应的探测目标距离。
3.根据权利要求1中所述的调频连续波雷达目标模拟器，其特征在于，对探测目标的目标速度进行模拟的方式包括：
通过所述频率合成器根据接收的来自所述处理模块基于与探测目标的目标速度相关的模拟目标参数生成的数字信号改变频率合成器的相位参数，并转换成符合目标相位的基带模拟正交信号对，并通过所述第一混频器以及第二混频器分别将该基带模拟正交信号对与所述信号转换与移相模块输出的射频信号进行混频，再经过所述合路器将所述第一混频器以及第二混频器混频的信号相加，以供将经过信号相加的信号依次经过第二衰减器、功率放大器进行信号放大以及电磁波幅度调节生成对应符合目标速度的模拟目标信号；
其中，所述模拟目标信号的中频差拍信号频率的相位与所述相位参数相关，以供所述调频连续波雷达传感器通过接收到的相邻调频周期间的模拟目标信号的中频差拍信号频率之间的相位差获得所述目标速度。
4.根据权利要求1中所述的调频连续波雷达目标模拟器，其特征在于，对探测目标的目标幅度进行模拟的方式包括：
通过设置低噪声放大器、第一衰减器、第二衰减器、频率合成器、功率放大器的参数中一种或多种方式调整信号幅度大小，生成符合所述目标幅度的输出功率的模拟目标信号。
5.根据权利要求1中所述的调频连续波雷达目标模拟器，其特征在于，所述信号接收模块包括：内置圆极化接收天线、第一射频开关以及接收射频头；
其中，所述内置圆极化接收天线，用于接收任意极化方向的电磁波信号；
所述接收射频头，用于外接接收天线，以通过该接收天线接收电磁波信号；
所述射频开关，连接所述内置圆极化天线以及所述接收射频头，用于控制由所述内置圆极化天线或所述接收射频头外接的接收天线对应接收电磁波信号，以供将该电磁波信号输入至低噪声放大器。
6.根据权利要求1中所述的调频连续波雷达目标模拟器，其特征在于，所述信号发射模块包括：内置圆极化发射天线、第二射频开关以及发射射频头；
其中，所述内置圆极化发射天线，用于发射圆极化电磁波形式的模拟目标信号；
所述发射射频头，用于外接发射天线，以通过该发射天线发射所述模拟目标信号；
所述射频开关，连接所述内置圆极化发射天线以及所述发射射频头，用于控制由所述内置圆极化发射天线或所述发射射频头外接的发射天线发射模拟目标信号。
7.根据权利要求5或6中所述的调频连续波雷达目标模拟器，其特征在于，所述内置圆极化接收天线以及内置圆极化发射天线分别嵌于所述模拟器电路板正面，且在所述模拟器电路板背面分别设置有与所述内置圆极化接收天线以及内置圆极化发射天线配套设置的馈电网络；所述内置圆极化接收天线以及内置圆极化发射天线分别设有第一馈电点以及第二馈电点，且所述第一馈电点以及第二馈电点以金属过孔的形式将天线与对应的所述馈电网络连接；其中，所述第一馈电点以及第二馈电点到对应天线的几何中心的距离相等且两馈电点到对应天线的几何中心的连线彼此正交；
所述内置圆极化接收天线通过与对应的馈电网络结合，将接收由调频连续波雷达传感器发送的电磁波信号；所述内置圆极化发射天线通过与对应的馈电网络结合，将生成的发射圆极化电磁波形式的模拟目标信号发送给所述调频连续波雷达传感器。
8.根据权利要求1中所述的调频连续波雷达目标模拟器，其特征在于，所述信号转换与移相模块包括：
信号转换部件，用于将经过调节后的信号由单端信号转换为差分信号；
移相部件，连接所述信号转换部件，用于将转换后的差分信号进行移相，输出一对正交的射频信号。
9.根据权利要求1中所述的调频连续波雷达目标模拟器，其特征在于，所述处理模块用于基于与所述调频连续波雷达目标模拟器连接的上位机控制端的控制指令设定所述模拟目标参数，并生成符合模拟目标特征的数字信号。
10.一种微波雷达传感测试系统，其特征在于，所述系统包括：
调频连续波雷达传感器，安装在固定工装的工装平面上；
如权利要求1至9任一项所述的调频连续波雷达目标模拟器，在沿工装平面的法向方向上安装；
其中，所述调频连续波雷达目标模拟器基于接收的由所述调频连续波雷达传感器发射的电磁波以及与探测目标相关的模拟目标参数对探测目标的探测目标距离、目标速度以及目标幅度进行模拟，并将符合所述探测目标的探测目标距离、目标速度以及目标幅度的模拟目标信号返回给对应的调频连续波雷达传感器，以供所述调频连续波雷达基于接收的模拟目标信号获得所述探测目标的探测目标距离、目标速度以及目标幅度。
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