本文要解決的問題：

1. 雷達(dá)是什么？
2. 雷達(dá)的基本功能有哪些，即雷達(dá)可以解決什么問題？
3. 脈沖體制雷達(dá)的系統(tǒng)構(gòu)成及各模塊的作用？
4. 雷達(dá)接收機(jī)需要兩個(gè)通道 I/Q 的原因是什么？

一、雷達(dá)概述

1.1 什么是雷達(dá)？

雷達(dá)，是 Radar (Radio Detection and Ranging) 的音譯，意思是 “無線電探測(cè)和測(cè)距”，它是通過無線電/電磁波的方式獲取目標(biāo)的存在與否以及空間位置，因此雷達(dá)也被稱為 “無線電定位”。

雷達(dá)的工作原理是： 發(fā)射機(jī)向目標(biāo)發(fā)射電磁波，經(jīng)目標(biāo)反射之后，由接收機(jī)接收，經(jīng)過信號(hào)處理可獲得目標(biāo)至發(fā)射機(jī)的距離、（徑向）速度、方位、高度等信息。

雷達(dá)的優(yōu)點(diǎn)是： 能夠全天時(shí)、全天候工作，穿透能力強(qiáng)，不受光照、霧云雨天氣的干擾，因此雷達(dá)是非常重要的傳感器。

1.2 雷達(dá)的分類

1.3 雷達(dá)的基本功能

雷達(dá)常見的應(yīng)用場(chǎng)景有：

海陸空的監(jiān)視、導(dǎo)航和武器制導(dǎo)；

警用交通雷達(dá)用于檢測(cè)車輛超速；

氣象雷達(dá)監(jiān)視和預(yù)測(cè)某地區(qū)天氣；

空中交通管制雷達(dá)用于引導(dǎo)飛機(jī)航線、幫助測(cè)量飛機(jī)高度和規(guī)避惡劣天氣；

海上雷達(dá)用于防撞和浮標(biāo)檢測(cè)；

天基和機(jī)載雷達(dá)用于觀測(cè)水面、冰面、森林覆蓋、土地應(yīng)用、污染情況；

生命體征雷達(dá)用于跌倒檢測(cè)、生命體征監(jiān)測(cè)和預(yù)警；

……

由此可見，雷達(dá)的主要用途可以大致分為：檢測(cè)、跟蹤和成像。

1.4 雷達(dá)的性能指標(biāo)

考慮到雷達(dá)系統(tǒng)的不同功能，其特性可以用不同的指標(biāo)進(jìn)行描述。

對(duì)于雷達(dá)的檢測(cè)功能，在單目標(biāo)檢測(cè)場(chǎng)景中，雷達(dá)的基本指標(biāo)是檢測(cè)概率 f D f_D fD? 和虛警概率 f F A f_{FA} fFA?（檢測(cè)概率和虛警概率是由信號(hào)和干擾的統(tǒng)計(jì)特性決定的，特別是信干比 S I R SIR SIR；但對(duì)于多目標(biāo)檢測(cè)場(chǎng)景，性能指標(biāo)還要考慮雷達(dá)的分辨率和旁瓣特性。

對(duì)于雷達(dá)的跟蹤功能，雷達(dá)的基本指標(biāo)是距離、角度、速度估計(jì)的精度。

對(duì)于雷達(dá)的成像功能，雷達(dá)的基本指標(biāo)是空間分辨率和動(dòng)態(tài)范圍。

二、脈沖體制雷達(dá)

2.1 系統(tǒng)構(gòu)成及作用

一種簡(jiǎn)單的脈沖單基雷達(dá)大致由波形發(fā)生器、發(fā)射機(jī)、天線、接收機(jī)、信號(hào)處理器、數(shù)據(jù)處理器組成。

波形產(chǎn)生器用于產(chǎn)生需要的脈沖波形；

發(fā)射機(jī)的作用是調(diào)制、放大，并發(fā)送出去，發(fā)射機(jī)調(diào)制的目的是把原始信號(hào)調(diào)制到射頻（ R F RF RF）；

天線用于接收回波信號(hào)，并通過雙工器進(jìn)入接收機(jī)；

雙工器是用于控制發(fā)射還是接收切換的收發(fā)開關(guān)；

接收機(jī)對(duì)回波信號(hào)進(jìn)行了放大、解調(diào)，將調(diào)制信號(hào)調(diào)制到較低的中頻和最終的基帶上，基帶信號(hào)上是沒有調(diào)制任何載波的，基帶信號(hào)會(huì)被送入信號(hào)處理器；

信號(hào)處理器完成信號(hào)處理功能，比如脈沖壓縮、匹配濾波、多普勒濾波、積累和運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償?shù)龋?/p>

信號(hào)處理器的輸出被送入最終的數(shù)據(jù)處理器和顯示器。

圖1. 某種脈沖單機(jī)雷達(dá)的組成框圖

2.2 雷達(dá)接收機(jī)

雷達(dá)信號(hào)通常是窄帶、帶通、相位或頻率調(diào)制的函數(shù)，這意味著單個(gè)散射體的回波波形 r ( t ) r(t) r(t) 具有以下形式：
r ( t ) = A ( t ) s i n ( Ω t + θ ( t ) ) r(t)=A(t)sin(\Omega t+\theta(t)) r(t)=A(t)sin(Ωt+θ(t))其中，幅度調(diào)制 A ( t ) A(t) A(t) 表示脈沖的包絡(luò)。接收機(jī)的主要功能是將雷達(dá)信號(hào)中承載信息的部分變換到基帶，目的是測(cè)量 θ ( t ) \theta(t) θ(t)。

下圖是經(jīng)典雷達(dá)接收機(jī)的一種常規(guī)設(shè)計(jì)：

圖2. 經(jīng)典正交通道接收機(jī)結(jié)構(gòu)（下通道是 I 通道，上通道是 Q 通道）

接收到的信號(hào)被分到兩個(gè)通道，其中一個(gè)通道稱為接收機(jī)的同相通道或 “I” 通道（上圖中的下支路），同相通道中接收信號(hào)和振蕩器的信號(hào)進(jìn)行混頻，該振蕩器稱為 “本地振蕩器（本振）”，其頻率和雷達(dá)頻率相同。根據(jù)積化和差公式，混頻之后產(chǎn)生了和頻和差頻兩個(gè)頻率分量，即：
2 s i n ( Ω ( t ) ) A ( t ) s i n [ Ω ( t ) + θ ( t ) ] = A ( t ) c o s [ θ ( t ) ] ? A ( t ) c o s [ 2 Ω ( t ) + θ ( t ) ] 2sin(\Omega(t))A(t)sin[\Omega(t)+\theta(t)]=A(t)cos[\theta(t)]-A(t)cos[2\Omega(t)+\theta(t)] 2sin(Ω(t))A(t)sin[Ω(t)+θ(t)]=A(t)cos[θ(t)]?A(t)cos[2Ω(t)+θ(t)] “I” 通道接收信號(hào)混頻之后經(jīng)過低通濾波器 (LPF)，和頻分量被濾除，僅僅留下調(diào)制項(xiàng) A ( t ) c o s [ θ ( t ) ] A(t)cos[\theta(t)] A(t)cos[θ(t)]。

另外一個(gè)通道被稱為正交通道，或 “Q” 通道，在該通道中，接收信號(hào)也和本振信號(hào)進(jìn)行混頻，但在混頻前本振信號(hào)要移向 90°，則 Q 通道的混頻輸出為：
2 c o s ( Ω ( t ) ) A ( t ) s i n [ Ω ( t ) + θ ( t ) ] = A ( t ) s i n [ θ ( t ) ] + A ( t ) s i n [ 2 Ω ( t ) + θ ( t ) ] 2cos(\Omega(t))A(t)sin[\Omega(t)+\theta(t)]=A(t)sin[\theta(t)]+A(t)sin[2\Omega(t)+\theta(t)] 2cos(Ω(t))A(t)sin[Ω(t)+θ(t)]=A(t)sin[θ(t)]+A(t)sin[2Ω(t)+θ(t)] “Q” 通道接收信號(hào)混頻之后也經(jīng)過低通濾波器，和頻分量被濾除，僅留下調(diào)制項(xiàng) A ( t ) s i n [ θ ( t ) ] A(t)sin[\theta(t)] A(t)sin[θ(t)] 。

實(shí)際應(yīng)用中，信號(hào)處理通常會(huì)將 I 通道的信號(hào)當(dāng)成實(shí)部，Q 通道的信號(hào)當(dāng)成虛部，形成一個(gè)復(fù)信號(hào)，即：
x ( t ) = I ( t ) + j Q ( t ) = e j θ ( t ) x(t)=I(t)+jQ(t)=e^{j\theta(t)} x(t)=I(t)+jQ(t)=ejθ(t)心得：
1）同相通道的混頻信號(hào)是本振載波信號(hào)，測(cè)量得到的是相位調(diào)制項(xiàng) θ ( t ) \theta(t) θ(t) 的余弦值；
2）正交通道的混頻信號(hào)是正交載波信號(hào)，測(cè)量得到的是相位調(diào)制項(xiàng) θ ( t ) \theta(t) θ(t) 的正弦值。

三、Key Points

3.1 為什么雷達(dá)接收機(jī)同時(shí)需要 I/Q 兩個(gè)通道？

答： I/Q 這兩個(gè)通道任何一個(gè)都不能單獨(dú)提供足夠的信息確認(rèn)唯一的相位調(diào)制項(xiàng) θ ( t ) \theta(t) θ(t)， 因此要想無模糊地確定相位調(diào)制 θ ( t ) \theta(t) θ(t)，雷達(dá)接收機(jī)同時(shí)需要 I/Q 兩個(gè)通道。

解釋： 如下圖，同相通道測(cè)量得到的僅僅是 A ( t ) c o s [ θ ( t ) ] A(t)cos[\theta(t)] A(t)cos[θ(t)]，同一個(gè) c o s [ θ ( t ) ] cos[\theta(t)] cos[θ(t)] 值對(duì)應(yīng)兩個(gè) θ ( t ) \theta(t) θ(t)，正交通道測(cè)量得到的是 A ( t ) s i n [ θ ( t ) ] A(t)sin[\theta(t)] A(t)sin[θ(t)]，同一個(gè) s i n [ θ ( t ) ] sin[\theta(t)] sin[θ(t)] 值對(duì)應(yīng)也兩個(gè) θ ( t ) \theta(t) θ(t)，所以任何一個(gè)單獨(dú)的通道都無法完全確定 θ ( t ) \theta(t) θ(t) 值，但兩個(gè)通道的測(cè)量信息可以確定唯一的 θ ( t ) \theta(t) θ(t) 值。

圖3. I/Q 通道分別計(jì)算相位調(diào)制項(xiàng)的 余弦/正弦

3.2 高質(zhì)量接收機(jī)設(shè)計(jì)的要求

1）本振信號(hào)頻率和發(fā)射機(jī)頻率必須完全一致；
2）I/Q 兩個(gè)通道在信號(hào)的帶寬范圍內(nèi)必須具有完全相同的傳遞函數(shù)；
3）用于解調(diào) I/Q 通道信號(hào)的振蕩器信號(hào)必須完全正交，即它們的相位必須相差 90°。

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的雷达系统及信号处理_毫米波雷达信号处理(激光雷达和毫米波雷达)的全部?jī)?nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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