LFMCW雷達中頻接收機的設計與實現

摘要：針對一種線性調頻連續波(LFMCW)雷達系統結構，提出一種中頻接收機硬件平臺的設計方案。該方案采用AD8347正交解調器做I／O下變頻，AD9248模數轉換器做采樣，EF3C80 FPGA做數字信號處理，PCI9054做PCI接口，并給出了系統軟件的設計方法。實現了對線性調頻連續波雷達中頻信號的接收、處理和存儲。通過測試，該接收機能夠準確測量出目標信號的頻率信息，可為雷達成像提供原始數據。
關鍵詞：線性調頻連續波雷達；中頻信號接收機；FPGA；PCI

線性調頻連續波(LFMCW)雷達具有體積小、重量輕、結構簡單、分辨力高和無距離盲區等優點，受相關技術進步和需求的促進，近十多年來線性調頻連續波雷達逐漸應用于近距離高分辨率多目標探測與成像。本文通過對一種線性調頻連續波雷達系統結構，設計了一套中頻信號接收機，能夠有效實現中頻信號的接收和處理，能準確測量出目標信號的頻率信息。

1 線性調頻連續波雷達系統方案
傳統線性調頻連續波雷達的原理結構和時間頻率關系如圖1所示，用發射信號與接收信號進行混頻，得到零差拍信號，該信號的頻率反映了目標的距離信息。對每一周期有效時間內的零差拍信號進行頻譜分析，便可提取出目標的距離信息。

本文中中頻信號接收機所針對的一種線性調頻連續波雷達的結構與圖1中結構有所不同，如圖2所示。

設信號源1，信號源2以及VCO的信號形式分別為：

假設目標距離為R，回波延時為τ，壓控振蕩器VCO的調頻斜率為μVCO，則易得到中頻接收機的輸入本振，中頻信號以及混頻得到基帶信號的形式分別為：


顯然NμVCOτ就是對應的基帶信號頻率fB，N和μVCO是定值，所以提取出基帶信號頻率就可求出回波延時τ，也就得到了目標的距離。設μ=NμVCO為雷達發射載波的調頻斜率，則易得目標距離與基帶信號頻率之間的關系式：

在該線性調頻連續波雷達系統中，中頻接收機收到的本振信號是兩個固定頻率源的差頻的N倍頻，也是一個固定頻率的信號，fLO=1．2 GHz，雷達發射載波的調頻斜率是VCO調頻斜率μVCO的N倍，μ=240GHz／s，線性調頻周期T=10ms。由于該雷達用于近距離高分辨率成像及隱蔽物體的檢查，作用距離較小，Rmax=100 m，將μ、Rmax以及光速c帶入式(7)中可得fBmax=160kHz，所以基帶信號的實際有用帶寬為160kHz。