汽车雷达的脉冲多普勒方法 - 剖析SoC FPGA在典型雷达系统数字化处理的可行性

　　汽车雷达的脉冲多普勒方法

　　很多雷达系统采用了脉冲多普勒方法，发送器工作一段很短的时间，然后，系统切换到接收模式，直到产生下一个发送脉冲。脉冲多普勒雷达按照一定的间隔或者脉冲重复间隔（PRI） 来发送连续脉冲。雷达信号返回后，对反射信号进行连续处理，提取出被探测目标的范围和相对运动信息。空时自适应雷达（STAP） 等更复杂的处理方法进一步处理雷达反射信号信息，即使是在地杂波严重遮蔽，或者背景反射被探测目标周围物体的情况下，也能够提取出目标数据。

　　在汽车雷达中，探测范围可以短到只有几米，也能够长达几百米。对于2 m 的范围，雷达脉冲的往返传输时间是13 ns。这么短的距离要求发送器和接收器能够同时工作，这就需要使用相互分开的天线。脉冲多普勒雷达周期性的发送脉冲，发送器工作的时间与总时间之比就是占空比。由于占空比一般较小，因此，这一比例限制了总发送功率。功率大小也就限制了探测范围。实现1 到2 m 范围的探测分辨率还要求100MSPS甚至更高量级的采样率，能够对目标范围和多普勒大小数据进行数字化处理。较高的采样率提高了雷达系统的成本。

　　或者，可以采用名为连续波频率调制（CWFM） 的雷达方法。CWFM 并不发射脉冲，然后监视返回信号，即雷达回波。而是连续发送载波频率。为能够从连续返回波中提取出有用信息，载波频率随时间稳步增大，然后下降，如图1 所示。发送器和接收器都是连续工作。为防止发送信号泄漏到接收器中，我们的发送和接收天线是分开的。

　

　　雷达必须确定被探测目标的范围。在CWFM 中，通过测量与发送频率的瞬时接收频率差，即delta，来获得这一范围。在发送周期的频率斜坡上升部分，接收频率要小于发送频率，这取决于时间延时。在发送周期的频率斜坡下降部分，接收频率要大于发送频率，这也取决于时间延时。这些频率差，或者偏移，与往返延时成正比，因此，提供了测量范围的一种手段。范围越大，从发送器到接收器的时间延时就越大。由于发送频率在不断变化，因此，任何时候的发送和接收频率之差都与发送信号从雷达传输至目标然后返回所花费的时间成正比。

　　图2 所示是CWFM 雷达的实际结构图。汽车雷达工作在毫米范围，意味着，发送信号的波长只有几个毫米。常用的频率是24 GHz （λ =12.5 mm） 和77 GHz （λ = 3.9 mm）。我们之所以使用这些频率主要是考虑到，需要尺寸较小的天线，频谱的相对可用性，射频信号的快速衰减（ 汽车雷达范围限制在数百米） 等因素。通过使用CWFM，就不需要幅度调制，发送器仅在频率上变化。使用FM，支持发送电路工作在饱和状态，这是所有RF 放大器最高效的模式。

　
　

　　由于采用了模拟合成器电路，因此，接收器低通滤波器只需要通过接收和发送信号之间的差值，不需要通过相对于发送周期500 MHz 带宽的接收信号。很容易由实例来说明这一信号差值的通过特性。让我们假设接收反射信号处于系统的极端范围内，即：1m 距离和300 m 的距离。当频率斜坡是0.5 ms 内500 MHz 时，即每ns 1 kHz，接收信号的频率如下：其中，光速是3 x 10e8 m/s：1m距离=2m往返延时=2m/（3*10e8m/s） =7ns；300m距离 =600m往返延时 =600m/（3 *10e8 m/s） = 2us。

　　在频率斜坡上升期间，从1 m 距离的物体反射回的信号具有-7 kHz 的偏移。在频率斜坡下降期间，从1m距离的物体反射回的信号具有+7 kHz的偏移。在频率斜坡上升期间，从300 m 距离的物体反射回的信号具有-2 MHz 的偏移。在频率斜坡下降期间，从1 m 距离的物体反射回的信号具有+2 MHz 的偏移。这些偏移告诉我们，接收器会看到±2 MHz 范围的频率，它取决于产生回波信号的目标的范围。通过对图3 所示的时间间隔进行快速傅里叶变换（FFT），可以探测到这一频率。如果接收器采样是5 MSPS，那么对于大约0.4 ms 的接收器FFT 采样间隔，可以使用2，048 点的FFT，其频率分辨率大约为1 kHz，足以达到一米以下的分辨率。通过对FFT 输出进行插值处理，还可以进一步提高分辨率。

　　
图3. 接收器FFT 采样间隔

　　观察到的这种频率偏移为接收器提供了目标范围，但是不能用于分辨迎面行驶的车辆、同向行驶的车辆，以及同样范围内的静止物体。为能够对此进行分辨，必须利用反射信号的多普勒频移特性。