本文要解決的問題：

1. 雷達是什么？
2. 雷達的基本功能有哪些，即雷達可以解決什么問題？
3. 脈沖體制雷達的系統構成及各模塊的作用？
4. 雷達接收機需要兩個通道 I/Q 的原因是什么？

一、雷達概述

1.1 什么是雷達？

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

雷達的工作原理是： 發射機向目標發射電磁波，經目標反射之后，由接收機接收，經過信號處理可獲得目標至發射機的距離、（徑向）速度、方位、高度等信息。

雷達的優點是： 能夠全天時、全天候工作，穿透能力強，不受光照、霧云雨天氣的干擾，因此雷達是非常重要的傳感器。

1.2 雷達的分類

1.3 雷達的基本功能

雷達常見的應用場景有：

海陸空的監視、導航和武器制導；

警用交通雷達用于檢測車輛超速；

氣象雷達監視和預測某地區天氣；

空中交通管制雷達用于引導飛機航線、幫助測量飛機高度和規避惡劣天氣；

海上雷達用于防撞和浮標檢測；

天基和機載雷達用于觀測水面、冰面、森林覆蓋、土地應用、污染情況；

生命體征雷達用于跌倒檢測、生命體征監測和預警；

……

由此可見，雷達的主要用途可以大致分為：檢測、跟蹤和成像。

1.4 雷達的性能指標

考慮到雷達系統的不同功能，其特性可以用不同的指標進行描述。

對于雷達的檢測功能，在單目標檢測場景中，雷達的基本指標是檢測概率 f D f_D fD? 和虛警概率 f F A f_{FA} fFA?（檢測概率和虛警概率是由信號和干擾的統計特性決定的，特別是信干比 S I R SIR SIR；但對于多目標檢測場景，性能指標還要考慮雷達的分辨率和旁瓣特性。

對于雷達的跟蹤功能，雷達的基本指標是距離、角度、速度估計的精度。

對于雷達的成像功能，雷達的基本指標是空間分辨率和動態范圍。

二、脈沖體制雷達

2.1 系統構成及作用

一種簡單的脈沖單基雷達大致由波形發生器、發射機、天線、接收機、信號處理器、數據處理器組成。

波形產生器用于產生需要的脈沖波形；

發射機的作用是調制、放大，并發送出去，發射機調制的目的是把原始信號調制到射頻（ R F RF RF）；

天線用于接收回波信號，并通過雙工器進入接收機；

雙工器是用于控制發射還是接收切換的收發開關；

接收機對回波信號進行了放大、解調，將調制信號調制到較低的中頻和最終的基帶上，基帶信號上是沒有調制任何載波的，基帶信號會被送入信號處理器；

信號處理器完成信號處理功能，比如脈沖壓縮、匹配濾波、多普勒濾波、積累和運動補償等；

信號處理器的輸出被送入最終的數據處理器和顯示器。

圖1. 某種脈沖單機雷達的組成框圖

2.2 雷達接收機

雷達信號通常是窄帶、帶通、相位或頻率調制的函數，這意味著單個散射體的回波波形 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，幅度調制 A ( t ) A(t) A(t) 表示脈沖的包絡。接收機的主要功能是將雷達信號中承載信息的部分變換到基帶，目的是測量 θ ( t ) \theta(t) θ(t)。

下圖是經典雷達接收機的一種常規設計：

圖2. 經典正交通道接收機結構（下通道是 I 通道，上通道是 Q 通道）

接收到的信號被分到兩個通道，其中一個通道稱為接收機的同相通道或 “I” 通道（上圖中的下支路），同相通道中接收信號和振蕩器的信號進行混頻，該振蕩器稱為 “本地振蕩器（本振）”，其頻率和雷達頻率相同。根據積化和差公式，混頻之后產生了和頻和差頻兩個頻率分量，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” 通道接收信號混頻之后經過低通濾波器 (LPF)，和頻分量被濾除，僅僅留下調制項 A ( t ) c o s [ θ ( t ) ] A(t)cos[\theta(t)] A(t)cos[θ(t)]。

另外一個通道被稱為正交通道，或 “Q” 通道，在該通道中，接收信號也和本振信號進行混頻，但在混頻前本振信號要移向 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” 通道接收信號混頻之后也經過低通濾波器，和頻分量被濾除，僅留下調制項 A ( t ) s i n [ θ ( t ) ] A(t)sin[\theta(t)] A(t)sin[θ(t)] 。

實際應用中，信號處理通常會將 I 通道的信號當成實部，Q 通道的信號當成虛部，形成一個復信號，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是本振載波信號，測量得到的是相位調制項 θ ( t ) \theta(t) θ(t) 的余弦值；
2）正交通道的混頻信號是正交載波信號，測量得到的是相位調制項 θ ( t ) \theta(t) θ(t) 的正弦值。

三、Key Points

3.1 為什么雷達接收機同時需要 I/Q 兩個通道？

答： I/Q 這兩個通道任何一個都不能單獨提供足夠的信息確認唯一的相位調制項 θ ( t ) \theta(t) θ(t)， 因此要想無模糊地確定相位調制 θ ( t ) \theta(t) θ(t)，雷達接收機同時需要 I/Q 兩個通道。

解釋： 如下圖，同相通道測量得到的僅僅是 A ( t ) c o s [ θ ( t ) ] A(t)cos[\theta(t)] A(t)cos[θ(t)]，同一個 c o s [ θ ( t ) ] cos[\theta(t)] cos[θ(t)] 值對應兩個 θ ( t ) \theta(t) θ(t)，正交通道測量得到的是 A ( t ) s i n [ θ ( t ) ] A(t)sin[\theta(t)] A(t)sin[θ(t)]，同一個 s i n [ θ ( t ) ] sin[\theta(t)] sin[θ(t)] 值對應也兩個 θ ( t ) \theta(t) θ(t)，所以任何一個單獨的通道都無法完全確定 θ ( t ) \theta(t) θ(t) 值，但兩個通道的測量信息可以確定唯一的 θ ( t ) \theta(t) θ(t) 值。

圖3. I/Q 通道分別計算相位調制項的 余弦/正弦

3.2 高質量接收機設計的要求

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

總結

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)的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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