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        基于跳頻技術(shù)的FMCW雷達(dá)超寬帶調(diào)頻抗干擾方法

        2021-11-30 04:22:28馮建利
        電訊技術(shù) 2021年11期
        關(guān)鍵詞:信號

        馮建利

        (西安石油大學(xué) 計(jì)算機(jī)學(xué)院,西安 710065)

        0 引 言

        調(diào)頻連續(xù)波(Frequency Modulation Continuous Wave,F(xiàn)MCW)雷達(dá)具有探測距離遠(yuǎn),不受云、霧、雨、雪等天氣的影響,可以全天候、全天時工作等優(yōu)點(diǎn)[1],在汽車與船舶防撞、工業(yè)檢測、近距離成像等需要高精度測距的領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用[2]。

        典型的FMCW雷達(dá)測距/定距系統(tǒng)主要由調(diào)制信號產(chǎn)生電路、壓控振蕩器(Voltage Controlled Oscillator,VCO)、天線、混頻器及信號處理等幾部分組成。其中VCO通常為變?nèi)莨苷{(diào)諧的寬帶振蕩器,具有不可避免的電調(diào)諧非線性特性,通常稱其為VCO的非線性特性,在不進(jìn)行線性度校正的情況下調(diào)頻線性度只有百分之幾甚至更低。根據(jù)雷達(dá)測距原理可知,當(dāng)VCO線性度低時,發(fā)射信號頻率與回波信號頻率均會產(chǎn)生頻率偏移,進(jìn)而引起兩者的差頻信號非線性波動及頻譜展寬,最終影響雷達(dá)所測距離速度的準(zhǔn)確度及精度[3-5]。因此,人們開展了很多關(guān)于FMCW的調(diào)頻非線性的校正或補(bǔ)償工作。譬如,從電路設(shè)計(jì)角度對VCO進(jìn)行預(yù)失真處理技術(shù)[6-8]以及電路優(yōu)化[9],從信號處理角度出發(fā)提出了多項(xiàng)式估計(jì)法[10-11]、相位補(bǔ)償法[12]、頻率估計(jì)算法[13]、周期非線性估計(jì)法[14]等。這些方法在一定程度上補(bǔ)償了調(diào)頻非線性對測距精度造成的影響,但是增加了系統(tǒng)的硬件復(fù)雜性或是算法運(yùn)算量與復(fù)雜度,而且往往只能實(shí)現(xiàn)小帶寬范圍內(nèi)的近似線性,并不能達(dá)成測距測速要求的絕對線性,因此并不能解決非線性帶來的頻譜展寬所造成的鄰道頻譜混疊問題。

        跳頻是一種頻譜擴(kuò)展技術(shù),它的載波頻率在一個很寬的頻帶范圍內(nèi)按照一定的規(guī)律進(jìn)行跳變,因此具有很高的抗截獲能力、抗干擾能力、保密性好、頻譜利用率高、易于實(shí)現(xiàn)碼分多址、兼容性好等一系列優(yōu)點(diǎn),被廣泛應(yīng)用于軍事保密通信、電臺、數(shù)字蜂窩移動通信、無人機(jī)通信等眾多領(lǐng)域[15]。

        為了解決FMCW雷達(dá)調(diào)頻信號的差頻信號頻譜混疊問題,本文基于跳頻通信技術(shù)對VCO輸出的頻率信號進(jìn)行載波頻率跳變的頻率調(diào)制,從而克服了同一工作區(qū)域內(nèi)的不同雷達(dá)的差頻信號頻譜混疊問題。該方法既不需要對VCO進(jìn)行電路處理也不需要對調(diào)頻信號進(jìn)行復(fù)雜的信號處理就可以解決差頻信號的頻譜混疊問題。同時,雷達(dá)系統(tǒng)工作在跳頻方式,大大增加了系統(tǒng)的調(diào)頻帶寬,提高了系統(tǒng)的抗干擾能力。而且,采用該方法只要保障了VCO在窄帶寬范圍內(nèi)的良好線性,就可以實(shí)現(xiàn)FMCW雷達(dá)的超大帶寬范圍的良好線性。

        1 三角波FMCW雷達(dá)調(diào)頻信號頻譜混疊成因及其影響

        1.1 問題的提出

        三角波FMCW雷達(dá)相對于鋸齒波FMCW雷達(dá)更容易獲得目標(biāo)距離和速度信息,同時解決了距離、多普勒耦合等問題[1],因此本文以下研究均以三角波FMCW雷達(dá)為對象。

        目前毫米波段FMCW探測系統(tǒng)中的VCO主要有兩種方式實(shí)現(xiàn):直接振蕩和倍頻。采用直接振蕩方式的VCO調(diào)諧原理是通過直流電壓控制變?nèi)荻O管,使得發(fā)射信號頻率隨著直流電壓變化而變化。采用倍頻方式的VCO是通過一個低頻VCO經(jīng)過倍頻器實(shí)現(xiàn)調(diào)頻信號,這個低頻VCO的振蕩方式其實(shí)也是通過變?nèi)荻O管實(shí)現(xiàn)的。但是變?nèi)荻O管本身不可避免地具有電調(diào)諧非線性特性,因此VCO輸出的調(diào)頻信號具有如圖1所示的非線性。

        圖1 FMCW雷達(dá)頻率關(guān)系及調(diào)頻信號非線性導(dǎo)致的差頻信號頻譜展寬示意圖

        圖2 頻譜混疊示意圖

        圖2所示為兩臺相距很近、工作頻段相同的FMCW雷達(dá)同時工作時(如同一條道路上行駛距離較近的兩臺車載雷達(dá))形成的頻譜混疊。造成的原因主要有兩個方面:一是VCO的非線性導(dǎo)致信號頻譜展寬;二是調(diào)頻帶寬不夠?qū)挘{(diào)頻信號可工作的頻點(diǎn)較少,使得展寬后的頻譜相互之間重疊,形成了嚴(yán)重的頻譜混疊。根據(jù)時域和頻域的一一對應(yīng)關(guān)系可知,此時雷達(dá)收到的回波信號已經(jīng)失真,從而使得測距測速產(chǎn)生誤差,甚至失效。

        1.2 頻譜混疊對三角波FMCW雷達(dá)測距測速的影響

        根據(jù)圖1可得如下關(guān)系式:

        (1)

        由式(1)可得

        (2)

        式中:速度v的極性與被測目標(biāo)和探測雷達(dá)的相對運(yùn)動方向有關(guān)(當(dāng)被測目標(biāo)靠近探測雷達(dá)運(yùn)動時,v為正值;相反地,v為負(fù)值)。

        由式(2)可知,被測目標(biāo)的距離和速度與三角波上升段和下降段的差頻信號相關(guān)。但是,如前所述,差頻信號頻域的頻譜混疊會導(dǎo)致差頻信號失真,進(jìn)而會使雷達(dá)測距測速產(chǎn)生誤差,甚至失效。

        2 基于跳頻技術(shù)克服頻譜混疊的原理分析

        由于小帶寬范圍內(nèi)很容易實(shí)現(xiàn)VCO輸入電壓和輸出頻率的良好線性,因此對已經(jīng)具有良好線性度的窄帶調(diào)頻信號進(jìn)行調(diào)制,使其頻譜可以在一個寬頻段范圍內(nèi)掃頻,即帶寬不變,中心頻率可變,從而使各雷達(dá)發(fā)出的調(diào)頻信號以寬帶掃頻的方式進(jìn)行工作,避免了彼此間的鄰道干擾。

        對稱三角波FMCW雷達(dá)的發(fā)射信號頻率按周期性對稱三角波的規(guī)律變化,表示為

        (3)

        式中:AT為發(fā)射信號的幅度,f0為調(diào)頻信號初始頻率,K=B/T為調(diào)頻斜率。

        假設(shè)經(jīng)過時間td后收到回波信號,則在不考慮噪聲的情況下回波信號可以表示為

        (4)

        式中:Kr為與目標(biāo)反射強(qiáng)度和信號傳播衰減有關(guān)的常數(shù);fd為多普勒頻移,表示為

        (5)

        則差頻信號表示為

        (6)

        從式(6)可以看出,指數(shù)項(xiàng)由兩部分構(gòu)成,第一部分是由調(diào)頻斜率、時延、多普勒頻移構(gòu)成的頻率分量,第二部分是由時延和多普勒頻移構(gòu)成的相位變化。如前所述,差頻信號頻譜由于VCO的非線性會產(chǎn)生頻譜擴(kuò)展,那么,當(dāng)目標(biāo)處于相對運(yùn)動狀態(tài)時,近距離工作的同性能的兩臺雷達(dá)的差頻信號頻譜很容易發(fā)生頻譜混疊。因此,本文提出采用跳頻調(diào)制的方式使發(fā)射信號以跳頻的方式工作在帶寬相同、頻段不同的掃頻模式下,以此避免頻譜混疊。

        設(shè)某時刻以載波頻率fc對原發(fā)射信號進(jìn)行頻率調(diào)制,則

        (7)

        在不考慮噪聲時,回波信號表示為

        (8)

        則差頻信號為

        (9)

        對比式(9)和式(6)可以看出,差頻信號頻段除保留了原有頻段以外還有新增頻段,即使發(fā)生了頻譜混疊,也只是在部分頻段,因此,只要經(jīng)過恰當(dāng)?shù)男盘柼幚砭涂梢酝耆豢紤]頻譜混疊造成的影響。而且,此時雷達(dá)發(fā)射的調(diào)頻信號帶寬為

        BT=N·B。

        (10)

        式中:N為載波跳頻周期。式(10)表明采用跳頻調(diào)制的方式將雷達(dá)發(fā)射的調(diào)頻信號帶寬擴(kuò)大為原來的N倍,只要確保跳頻間隔Δf≥B,就可以避免頻譜混疊,大大提高了雷達(dá)的抗鄰道干擾性能。

        3 仿真與分析

        設(shè)置如表1所示仿真參數(shù)。其中,跳頻頻率是對VCO輸出的調(diào)頻信號進(jìn)行頻率調(diào)制所采用的載波頻率,此處是由偽隨機(jī)(Pseudo Noise,PN)碼控制直接數(shù)字頻率合成器(Direct Digital Synthesizer,DDS)產(chǎn)生的。其中PN碼選用5級m序列,生成了如圖3(a)所示的跳頻圖案。從圖3(a)可以看出,共生成了31個載波頻率,它們以周期31進(jìn)行偽隨機(jī)跳變,具有高度自相關(guān)性(如圖3(b)所示),從而增加了其他通信方對它的干擾難度,大大提高了FMCW雷達(dá)系統(tǒng)的抗干擾能力。

        表1 仿真參數(shù)

        圖3 載頻跳變圖案及其自相關(guān)性

        為了敘述清晰,假設(shè)近距離范圍內(nèi)有兩臺性能相同的FMCW雷達(dá)在同時工作。圖4分別給出了發(fā)射信號、回波信號、差頻信號的時域波形及頻譜。其中,圖4(b)顯示了起始頻率為24 GHz、帶寬為100 MHz的掃頻信號。仿真得到回波信號帶寬與發(fā)射信號帶寬相同,但是頻段不同,如圖4(d)所示。圖4(f)表明差頻信號存在約1 MHz的頻譜展寬。圖5(a)示意了在此條件下發(fā)生的頻譜混疊。與其形成鮮明對比的是圖5(b),它展示了采用跳頻調(diào)制后的頻譜混疊。圖中小圖依次為兩個頻段的局部放大圖。從圖5(b)可以看出,由于調(diào)制后的差頻信號有效頻帶除調(diào)頻前的頻帶外還存在一個鏡像頻帶,因此即使原頻帶發(fā)生頻譜混疊,仍然可以采用鏡像頻帶恢復(fù)差頻信號進(jìn)行后續(xù)雷達(dá)信號處理。圖6(a)~(c)對此進(jìn)行了解釋。

        圖4 FMCW各信號時域波形及其頻譜

        (a)跳頻調(diào)制前頻譜混疊

        (a)跳頻調(diào)制后發(fā)射信號頻譜

        從圖6(a)可以看出,由于采用了跳頻調(diào)制,調(diào)制后的發(fā)射信號占有兩個有效頻帶,進(jìn)而使得回波信號和差頻信號都工作在兩個有效頻帶(此處只分析正頻帶),因此即使原差頻信號頻帶發(fā)生了頻譜混疊,仍然可以使雷達(dá)利用鏡像頻帶處于正常的測距測速工作狀態(tài)。

        4 結(jié)束語

        本文研究了三角波FMCW雷達(dá)由于調(diào)頻信號非線性導(dǎo)致的差頻信號頻譜混疊問題,該問題會降低雷達(dá)測距測速的精度,而且使雷達(dá)容易被干擾。采用跳頻通信技術(shù)對調(diào)頻信號進(jìn)行頻率調(diào)制,克服了差頻信號頻譜混疊造成的影響,保障了雷達(dá)測距測速的有效性,而且該方法使雷達(dá)的發(fā)射信號以跳頻的方式工作在超大帶寬,極大地提高了雷達(dá)的抗干擾能力。理論分析和仿真結(jié)果均表明了該方法的可行性及有效性。下一步研究重點(diǎn)為該方法在FMCW雷達(dá)系統(tǒng)中的硬件電路實(shí)現(xiàn)及性能優(yōu)化。

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