一种24GHz雷达中频信号频率的测量方法研究

钟仁海 刘冲 钟催林 陈琳琳

摘要：雷达在实现测速、测距等功能时，需要得到中频信号的频率。本文针对24GHz雷达I/Q两路信号的特点，提出一种测量中频信号频率的方法。给出了理论分析及其数据实现方法，并进行了MATLAB仿真研究，实验结果表明所测频率精度达到了期望要求。

关键词：雷达；中频信号；频率

随着雷达引入民用，其应用越来越广泛，比如汽车、安防、无人机等领域。其原理是根据回波信号计算出中频信号的频率，再进行后端信号处理，从而实现非接触测距、测速、测角度以及成像等功能。传统的方法是对采集数据进行FFT（快速傅里叶变换）求取频率，但其时频性较差，而且精度与采样时间和运算采样点数有关，采样时间越长和运算点数越多，精度越高[13]。文献[4]采用chirpz变换处理雷达信号，虽然提高运算量，但运用和FFT相同的数据，可以提高频率的测量精度。本文介绍了一种基于24GHz雷达I/Q信号测量中频信号频率，其具有很好的时频性，因为I/Q信号彼此之间存在pi/2相位差，相当于将一路信号进行了一次Hilbert（希尔伯特）变换。根据Hilbert变换的结果可以求出瞬时相位以及瞬时频率。

1 中频信号频率测量原理

24G雷达有多种调制方式，包括FMCW、FSK、CW等。本文以CW方式为例介绍该原理。

雷达发射波信号为：

其中ft为发射频率。

I通道雷达接收波信号为：

其中fd是中频信号频率。

混频后I通道波形为：

经过低通滤波器后为：

同理可得Q通道波形为：

然后两路信号做比值，即

由上式可解得

这样即可求出中频信号频率。

2 算法仿真

设采样点数N=1024，采样频率fs=75000Hz，中频信号频率f=300Hz，在MATLAB中生成仿真信号

此仿真信号为单一频率，由图1可以看出能够实时地算出仿真信号的频率。由于此信号FFT频率分辨率为75000/1024=73Hz，最终得出频率为366，使用chirpz变换能够精准的算出该频率。

再设中频信号频率f=75000*t，也就是频率随时间线性变化。

根据图2可以看出变化的频率，该方法也能实时地算出仿真信号的频率。FFT与chirpz变换无法计算连续变化频率。

以上说明在理想的环境下，此方法是能够正确求出雷达中频信号的频率。

實际应用中，雷达中频信号是很微弱的信号，在没进行放大之前，电压幅值只有几微伏到几毫伏。所以需要放大滤波后再通过ADC采样。本文采用STM32F429两路ADC同时采样I/Q中频信号，采样频率75000Hz，采样点数1024。再通过串口将数据传到电脑进行数据处理（包含去直流，数字滤波等），具体中频信号采集流程如图3所示。

图4所示是原始采样数据以及I通道数据Hilbert变换曲线，由图可知，Q通道数据与Hilbert变换曲线并未重合，表明I/Q实际上并不是精准的相差pi/2相位，这与雷达中的移相器有关。图5显示的是经过去除差异较大数据后的瞬时频率图，最大值为501，最小值为210，平均值为297。FFT算出频率为366，chirpz变换算出频率为307。由于并不知道信号本身实时的频率，故用平均值与计算比较精确的chirpz变换值进行比较，误差为10Hz，如果换算成24GHz测速速度误差为0.227km/h。

3 讨论

在整个计算当中，只有求反正切需要浮点计算，而反正切可以用I*Q/（I2+0.28125*Q2）近似计算另0.28125*X也可以用X/4+X/32实现，只需将数据两次右移再相加即可，这样整个计算过程不会出现浮点运算，可以适用于一般的MCU，降低硬件成本。由于最终计算结果跟原始信号有直接关系，所以在进行电路设计和数字处理过程中，应尽可能的保证信号的真实性，不让其失真，即使出现失真，在数字处理当中应当识别，并进行相应处理，保证最终频率的准确性。

4 结论

本文设计一种测量中频信号频率的方法，这种方法核心思想是雷达I/Q信号之间的相位差相当于进行了Hilbert变换，从而快速的计算出频率。仿真和实际数据表明，该方法具有很好的实时性和较高的精度，以及较小的计算量。

参考文献：

[1] Shunxin Li， Yufan Mo. Design and Simulation on High Speed FFT Processor in Radar Signal Processing[J].Advanced Materials Research，2012，Vol.461：333337.

[2]凌欢.基于DSP的雷达测速监控系统的设计与实现[D].南昌：南昌航空大学，2011.

[3]Sang Jin Park.A Novel Signal Processing Technique for Vehicle Detection Radar [J].IEEE MTTS Digest，2003， IFTU43：607610.

[4]徐飞，王延暴.Chirpz变换在雷达信号处理中的应用[J]. 现代电子技术，2011，34（9）：2829，34.

作者简介：钟仁海（1990），男，汉族，湖南邵阳人，硕士，研究方向：智能控制及其应用；刘冲（1966），男，汉族，湖南祁阳人，博士，副教授，研究方向：智能控制与应用、核反应堆测控；钟催林（1975），男，汉族，湖南衡阳人，博士后，高级工程师，主要从事雷达射频微波电路开发；陈琳琳（1990），男，汉族，湖南邵阳人，硕士，研究方向：智能控制及其应用。