脉冲雷达与连续波雷达的区别、特点及应用

脉冲雷达与连续波雷达在工作原理、优缺点及应用场景上各有特色。脉冲雷达通过发射短暂脉冲信号并测量回波时间来确定目标距离，适用于需要高精度距离测量的场景，如气象观测和防空系统。而连续波雷达，特别是FMCW雷达，通过频率调制连续波来测量距离，具有高峰均功率比低、设计简单、成本低等优势，广泛应用于汽车雷达等短程检测系统。二者各有千秋，选择时需根据实际需求与场景综合考量。

现代雷达系统通常分为地面雷达、机载雷达、舰载雷达和太空雷达等。雷达应用范围广泛，涵盖了民用航空空中交通管制、气象学、交通执法和军用防空等领域。任何雷达系统的主要特征均包括工作频率、波形特征和天线类型几个方面。

未调制连续波(CW)雷达可测量目标速度和角度位置。距离信息通常可使用脉冲波形等某些形式的调制来提取。这些类型的“一次”雷达通过发射波形，然后由雷达接收机测量目标表面反射的回波来工作。另外还有一些其他类型的二次或“信标雷达”，这些雷达可在地面站与飞机之间创建一个双向的数据链路。二次雷达起源于二战中开发出的敌我识别(IFF)雷达系统，它弥补了一次雷达的局限性。现代信标系统，例如空中交通管制雷达信标系统(ATCRBS)，通过隔离询问和应答频率，可以在地面站获得更强的接收信号，同时显著改善与天气有关的性能。

基于频率调制连续波(FMCW)汽车雷达是目前广泛应用的一种技术。与脉冲雷达不同，使用连续波调制的FMCW雷达可以避免传输中的高峰均功率比(PAPR)，简化了功率放大器等天线和射频部件的设计过程。因此，基于该技术的汽车雷达系统具有更多优势，例如良好的性能、简化的射频元器件、尺寸更小、重量更轻和成本更低。

传统的FMCW连续波雷达系统

我们从简单的常规FMCW连续波雷达系统开始，这种系统通常用于短程雷达，只需要进行距离检测。FMCW系统中始终使用线性调频(LFM)信号。

图1所示为形成连续波FMCW雷达信号的不同LFM信号。

典型线性连续波FMCW信号如下：

A)锯齿信号的波形，B)锯齿信号的群时延(频率与时间)，C)三角形信号的波形，D)三角形信号的群时延(频率与时间)

假设FMCW连续波雷达信号通过天线发射并在目标上反射。接收机在一段时延后接收信号，如图2所示。在FMCW连续波雷达接收机输入中，时延可以通过以下公式计算：

其中，R是雷达与目标的距离，C是光速。

对于图3中LFM信号的进一步信号处理，我们有：

其中时间段T中的总频差为Δf，f_b为时延t的拍频。根据(1)和(2)，可以使用以下公式估算距离：

频率差Δf通过快速傅里叶变换(FFT)变换成频谱，然后根据频谱计算出距离。估算目标距离的主要算法可以从公式(3)导出。传统FMCW雷达的算法框图如图3所示。

根据上述分析可以构建基于常规连续波FMCW的短程雷达系统。

图4所示为在是德科技SystemVue软件中创建的一个传统FMCW雷达系统的示例。

图5所示为一个24GHz频段的FMCW雷达系统。从是德科技SystemVue软件的雷达库中，使用具有0.1ms脉冲重复间隔和10μs脉冲宽度的LFM模型作为FMCW雷达源，之后是基本的射频调制器。天线Tx模型用于指定天线波束角度以及方位角和仰角的目标方向(以度为单位)。雷达目标模型用于指定目标距离、速度和RCS。在接收机中，天线Rx用于指定其大小、天线方向图、扫描方向图和位置。信号处理和距离估计模块以图4所示FMCW基本原理为基础创建。

短程FMCW雷达的发射机波形和频谱的仿真结果如图5所示。图6中绘制了提取的拍频。然后，可以使用公式(3)通过拍频估算目标距离。估算的距离值打印在图4中系统设计原理图的粉色文本框中。例如，对于30米的实际目标距离，估算的距离为29.2969米，因此，仿真结果是正确的。

图5.短程FMCW雷达的发射机波形和频谱

图6.短程FMCW雷达信号处理后提取的拍频

先进的FMCW系统

在给先进的FMCW雷达系统建模时采用了一种新的场景框架仿真技术[3]。该框架支持雷达平台运动和以地球为中心的惯性框架中的目标运动。框架中有三个层，如图7所示。

第一层为轨迹层，该层允许用户定义目标位置以及发射机和接收机的速度。多个天线阵列可以在不同系统的框架中进行设置。支持复杂的雷达场景以及复杂的目标建模。这种技术还支持任意位置和速度下的多天线，这意味着支持先进的雷达系统，如有源阵列天线、MIMO和多静态。

图4所示为FMCW系统，根据仿真结果，该系统适用于短距离检测。然而，先进的FMCW雷达系统需要非常准确地检测远程移动目标。这里，我们将讨论采用先进雷达信号处理算法的先进FMCW系统。图8为一个先进FMCW系统的设计。

在图8中，FMCW系统使用场景框架技术及其三个层进行建模。在轨迹层中，我们规定发射机位于经度117.8度，纬度34度，高度为500米，速度为5米/秒。假设它是一个单静态雷达系统，接收平台具有相同的位置和速度。目标位于经度117.8度，纬度34.003度，高度为500米，速度为-4.5米/秒。在轨迹层的仿真中，SystemVue计算出雷达与目标之间的距离以及雷达平台运动引起的多普勒频率和目标的运动。在天线层中，计算目标的高程和方位角，并将角度信息发送到信令层中的天线模型，以控制天线的操作。天线阵列可以在不同系统的信令层进行设置。支持复杂的雷达场景以及复杂的目标建模。

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