汽車?yán)走_(dá)的脈沖多普勒方法

　　很多雷達(dá)系統(tǒng)采用了脈沖多普勒方法，發(fā)送器工作一段很短的時(shí)間，然后，系統(tǒng)切換到接收模式，直到產(chǎn)生下一個(gè)發(fā)送脈沖。脈沖多普勒雷達(dá)按照一定的間隔或者脈沖重復(fù)間隔（PRI） 來發(fā)送連續(xù)脈沖。雷達(dá)信號(hào)返回后，對(duì)反射信號(hào)進(jìn)行連續(xù)處理，提取出被探測(cè)目標(biāo)的范圍和相對(duì)運(yùn)動(dòng)信息。空時(shí)自適應(yīng)雷達(dá)（STAP） 等更復(fù)雜的處理方法進(jìn)一步處理雷達(dá)反射信號(hào)信息，即使是在地雜波嚴(yán)重遮蔽，或者背景反射被探測(cè)目標(biāo)周圍物體的情況下，也能夠提取出目標(biāo)數(shù)據(jù)。

　　在汽車?yán)走_(dá)中，探測(cè)范圍可以短到只有幾米，也能夠長(zhǎng)達(dá)幾百米。對(duì)于2 m 的范圍，雷達(dá)脈沖的往返傳輸時(shí)間是13 ns。這么短的距離要求發(fā)送器和接收器能夠同時(shí)工作，這就需要使用相互分開的天線。脈沖多普勒雷達(dá)周期性的發(fā)送脈沖，發(fā)送器工作的時(shí)間與總時(shí)間之比就是占空比。由于占空比一般較小，因此，這一比例限制了總發(fā)送功率。功率大小也就限制了探測(cè)范圍。實(shí)現(xiàn)1 到2 m 范圍的探測(cè)分辨率還要求100MSPS甚至更高量級(jí)的采樣率，能夠?qū)δ繕?biāo)范圍和多普勒大小數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字化處理。較高的采樣率提高了雷達(dá)系統(tǒng)的成本。

　　或者，可以采用名為連續(xù)波頻率調(diào)制（CWFM） 的雷達(dá)方法。CWFM 并不發(fā)射脈沖，然后監(jiān)視返回信號(hào)，即雷達(dá)回波。而是連續(xù)發(fā)送載波頻率。為能夠從連續(xù)返回波中提取出有用信息，載波頻率隨時(shí)間穩(wěn)步增大，然后下降，如圖1 所示。發(fā)送器和接收器都是連續(xù)工作。為防止發(fā)送信號(hào)泄漏到接收器中，我們的發(fā)送和接收天線是分開的。

　　雷達(dá)必須確定被探測(cè)目標(biāo)的范圍。在CWFM 中，通過測(cè)量與發(fā)送頻率的瞬時(shí)接收頻率差，即delta，來獲得這一范圍。在發(fā)送周期的頻率斜坡上升部分，接收頻率要小于發(fā)送頻率，這取決于時(shí)間延時(shí)。在發(fā)送周期的頻率斜坡下降部分，接收頻率要大于發(fā)送頻率，這也取決于時(shí)間延時(shí)。這些頻率差，或者偏移，與往返延時(shí)成正比，因此，提供了測(cè)量范圍的一種手段。范圍越大，從發(fā)送器到接收器的時(shí)間延時(shí)就越大。由于發(fā)送頻率在不斷變化，因此，任何時(shí)候的發(fā)送和接收頻率之差都與發(fā)送信號(hào)從雷達(dá)傳輸至目標(biāo)然后返回所花費(fèi)的時(shí)間成正比。

　　圖2 所示是CWFM 雷達(dá)的實(shí)際結(jié)構(gòu)圖。汽車?yán)走_(dá)工作在毫米范圍，意味著，發(fā)送信號(hào)的波長(zhǎng)只有幾個(gè)毫米。常用的頻率是24 GHz （λ =12.5 mm） 和77 GHz （λ = 3.9 mm）。我們之所以使用這些頻率主要是考慮到，需要尺寸較小的天線，頻譜的相對(duì)可用性，射頻信號(hào)的快速衰減（ 汽車?yán)走_(dá)范圍限制在數(shù)百米） 等因素。通過使用CWFM，就不需要幅度調(diào)制，發(fā)送器僅在頻率上變化。使用FM，支持發(fā)送電路工作在飽和狀態(tài)，這是所有RF 放大器最高效的模式。

　　由于采用了模擬合成器電路，因此，接收器低通濾波器只需要通過接收和發(fā)送信號(hào)之間的差值，不需要通過相對(duì)于發(fā)送周期500 MHz 帶寬的接收信號(hào)。很容易由實(shí)例來說明這一信號(hào)差值的通過特性。讓我們假設(shè)接收反射信號(hào)處于系統(tǒng)的極端范圍內(nèi)，即：1m 距離和300 m 的距離。當(dāng)頻率斜坡是0.5 ms 內(nèi)500 MHz 時(shí)，即每ns 1 kHz，接收信號(hào)的頻率如下：其中，光速是3 x 10e8 m/s：1m距離=2m往返延時(shí)=2m/（3*10e8m/s） =7ns；300m距離 =600m往返延時(shí) =600m/（3 *10e8 m/s） = 2us。

　　在頻率斜坡上升期間，從1 m 距離的物體反射回的信號(hào)具有-7 kHz 的偏移。在頻率斜坡下降期間，從1m距離的物體反射回的信號(hào)具有+7 kHz的偏移。在頻率斜坡上升期間，從300 m 距離的物體反射回的信號(hào)具有-2 MHz 的偏移。在頻率斜坡下降期間，從1 m 距離的物體反射回的信號(hào)具有+2 MHz 的偏移。這些偏移告訴我們，接收器會(huì)看到±2 MHz 范圍的頻率，它取決于產(chǎn)生回波信號(hào)的目標(biāo)的范圍。通過對(duì)圖3 所示的時(shí)間間隔進(jìn)行快速傅里葉變換（FFT），可以探測(cè)到這一頻率。如果接收器采樣是5 MSPS，那么對(duì)于大約0.4 ms 的接收器FFT 采樣間隔，可以使用2，048 點(diǎn)的FFT，其頻率分辨率大約為1 kHz，足以達(dá)到一米以下的分辨率。通過對(duì)FFT 輸出進(jìn)行插值處理，還可以進(jìn)一步提高分辨率。

　　
圖3. 接收器FFT 采樣間隔

　　觀察到的這種頻率偏移為接收器提供了目標(biāo)范圍，但是不能用于分辨迎面行駛的車輛、同向行駛的車輛，以及同樣范圍內(nèi)的靜止物體。為能夠?qū)Υ诉M(jìn)行分辨，必須利用反射信號(hào)的多普勒頻移特性。