FMCW雷达距离多普勒(RDM)处理方法中距离分辨率和速度分辨率的推导

距离多普勒(Range-Dopple Matrix)处理方法

  众所周知,距离多普勒处理方法(Range-Dopple Matrix,简称RDM)是FMCW雷达进行多目标信息提取的有效手段,通过对雷达发送的多个周期的Chirp序列以及回波信息进行快时间维度和慢时间维度的处理,即可得到距离多普勒热力图,进而可以提取多目标的距离和速度信息。

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  在FMCW的差拍信号中,我们知道,差拍信号的频率为
f m o v i n g B e a t = f s t a t i c B e a t ± f d = 2 f c R C t c ± 2 f v C (1) f_{movingBeat} = f_{staticBeat} \pm f_d = \frac{2f_cR}{Ct_c} \pm \frac{2fv}{C} \tag 1 fmovingBeat=fstaticBeat±fd=Ctc2fcR±C2fv(1)  其中 f m o v i n g B e a t f_{movingBeat} fmovingBeat f s t a t i c B e a t f_{staticBeat} fstaticBeat分别为目标运动和静止状态下差拍信号的频率, f d f_d fd为多普勒频率, f c f_c fc为扫频带宽, R R R为目标距离, C C C为光速, t c t_c tc为扫频周期, f f f为Chirp信号中心频率, v v v为目标速度。

快时间维度处理(Range-FFT)

  快时间维度即单个周期的Chirp序列扫频周期时间很短,短到几乎可以将多普勒频率带来的影响忽略不计( t c t_c tc↓,公式(1)中 f s t a t i c B e a t f_{staticBeat} fstaticBeat项占了主要的位置),认为此时通过RDM热力图提取到的动目标在距离维度上的动目标差频 f m o v i n g B e a t f_{movingBeat} fmovingBeat与静目标差频 f s t a t i c B e a t f_{staticBeat} fstaticBeat近似相等,即 f m o v i n g B e a t ≈ f s t a t i c B e a t = 2 f c R C t c (2) f_{movingBeat} \approx f_{staticBeat} = \frac{2f_cR}{Ct_c} \tag 2 fmovingBeatfstaticBeat=Ctc2fcR(2)  那么通过快时间维度的每一帧数据,提取频谱峰值对应的横坐标频率,即可对目标的距离进行求解;即 R = C t c 2 f c ⋅ f s t a t i c B e a t (3) R = \frac{Ct_c}{2f_c}\cdot f_{staticBeat} \tag 3 R=2fcCtcfstaticBeat(3)  快时间维处理示意图如下

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慢时间维度处理(Doppler-FFT)

  因为我们知道,在快时间维的处理中,认为速度带来的影响忽略不计,通过对多个Chirp序列进行多帧数据的堆积,此时在第二个维度上(即慢时间维度上,多帧数据对应的同一距离单元上)速度带来的频率影响就不可忽略,此时慢时间维度上求得的频率即为多普勒频率,即 f d = 2 f v C (4) f_d = \frac{2fv}{C} \tag 4 fd=C2fv(4)  所以有 v = f d C 2 f (5) v = \frac{f_dC}{2f} \tag 5 v=2ffdC(5)
  慢时间维处理示意图如下

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  慢时间维度的处理是经过多个Chirp序列积累后对同一距离单元进行FFT的结果,故称为慢时间维度,

  为什么是同一距离单元?
  因为Range-FFT中同一个横坐标对应相同的 f m o v i n g B e a t f_{movingBeat} fmovingBeat,快时间维度下 f m o v i n g B e a t f_{movingBeat} fmovingBeat约等于 f s t a t i c B e a t f_{staticBeat} f

### FMCW雷达原理 调频连续波(FMCW雷达通过发射经过线性调制的连续波信号来实现距离速度的测量。具体而言,在FMCW模式下,雷达将调制后的连续波以较高载频发射出去,当该信号遇到目标物体会发生反射形成回波信号。接收端会对接收到的回波信号与当前正在发送的高频信号进行混频操作,从而获得携带有关目标位置信息的差频信号[^3]。 对于线性调频的情况,由于存在固定的斜率关系,因此可以通过分析所得差频频率直接推算出目标到雷达之间的实际距离。此外,如果目标处于移动状态,则除了上述由距离引起的固定频率偏移外还会叠加一个多普勒效应造成的额外频率变化,这使得可以从同一组数据中同时获取目标的速度信息[^4]。 ```python import numpy as np from matplotlib import pyplot as plt def fmcw_signal(t, T_chirp, B, fc): """Generate an idealized FMCW signal.""" k = B / T_chirp # Frequency slope of the chirp return np.exp(1j * 2 * np.pi * (fc*t + 0.5*k*(t%T_chirp)**2)) # Parameters for simulation sample_rate = 1e6 # Sampling rate in Hz duration = 0.1 # Duration of each chirp period in seconds bandwidth = 79e9 # Bandwidth swept during one chirp cycle in Hertz center_frequency = 77e9 # Center frequency of radar operation in Hertz time_vector = np.arange(0, duration, 1/sample_rate) signal = fmcw_signal(time_vector, duration, bandwidth, center_frequency) plt.figure(figsize=(8, 4)) plt.plot(time_vector[:int(sample_rate*0.001)], abs(signal)[:int(sample_rate*0.001)]) plt.title('Magnitude of Generated FMCW Signal') plt.xlabel('Time [s]') plt.ylabel('|Signal|') plt.grid(True) plt.show() ``` 此图展示了理想化的FMCW信号幅度随时间的变化情况。可以看到随着周期性的频率扫描过程,信号呈现出特有的锯齿形特征曲线。 ### 应用领域 #### 生命体征监测 利用FMCW雷达可以精确感知人体微动特性如呼吸心跳等细微动作,进而用于健康监护设备之中。这种非接触式的探测方式不仅提高了用户体验还增强了隐私保护能力[^1]。 #### 车载毫米波雷达行人识别算法 现代汽车安全系统广泛采用FMCW技术构建高级驾驶辅助系统(ADAS)。其中特别针对行人的检测提出了多种高效的算法模型,旨在提升道路行驶安全性并减少交通事故的发生概率。 #### 基于Zynq平台的信号处理系统开发 为了满足实时性灵活性的需求,许多研究致力于探索如何借助可编程逻辑器件比如Xilinx Zynq SoC架构来进行高效的数据采集与预处理工作。这类硬件解决方案能够显著降低功耗的同时保持高性能运算效率。
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