Hello，大家好，我是Xiaojie，好久不见，欢迎大家能够和Xiaojie一起学习毫米波雷达知识，Xiaojie准备连载一个系列的文章—DDMA信号处理以及数据处理的流程，本系列文章将从目标生成、信号仿真、测距、测速、cfar检测、测角、目标聚类、目标跟踪这几个模块逐步介绍，这个系列的文章大约是一个7-8篇左右。

最终效果如下：

整体文件的目录树如下：

本篇文章主要讲的是原始数据生成的部分。

基本理论

FMCW雷达基本结构

下图为FMCW雷达基本结构，时序器和本地振荡器产生线性调频信号，调相器进行相位调制，功率放大器增强信号功率，最后由发射天线向外界传播。当信号在外界传输过程中遇到目标后会被反射，反射信号会被接收天线接收，通过低噪声放大器，与发射信号进行混频得到中频信号。中频信号包含目标的距离和速度信息。中频信号通过低通滤波器，经过模数转换后数据就可以用于提取目标信息

发射信号chirp序列

下图为发射chirp发射信号和接收信号序列

单个chirp发射信号表达式为：

$$S_T(t)=A_T{e}^{j[2\pi (f_{c}t+\frac{1}{2}S{t}^2)]}$$

当发射信号遇到目标后，会被反射，形成回波信号，回波信号的表达式为：

$$S_R(t)=A_R{e}^{j2\pi [(f_c+f_d)(t-t_d)+\frac{1}{2}S(t-t_d{)}^2]}$$

接收到目标的回波信号与发射信号进行混频得到中频信号，其表达式为：

$$S_{IF}=A_{IF}{e}^{j2\pi [(S{t}_d-f_d)t+(f_c+f_d)t_d-\frac{1}{2}S{t}_d^2]}$$

距离、速度、角度

距离公式：

$$t_d=\frac{2R}{c}$$

速度公式：

$$f_d=\frac{2v}{\lambda }$$

角度公式：

$$\Delta \varphi =\frac{2\pi }{\lambda }dsin(\theta )$$

仿真

雷达参数

基本参数

下表为仿真雷达的基本参数

阵列排布

阵列排布采用均匀阵列，暂不考虑俯仰角测量

仿真代码

generateParameter.m文件

generateParameter.m文件主要是一些雷达参数的宏定义，定义一些雷达的相关变量值；具体代码如下：

% 参数设置
function parameter = generateParameter()

    parameter.frameNumLoops = 18; %初始化frame循环
    parameter.frameCount = 0; %帧计数
    parameter.targetNums = 1; %初始化真实目标
    
    parameter.c = 3e8; %光速
    parameter.frameNums = 70; %帧数
    parameter.frameTime = 60e-3; %帧周期
    parameter.startFreq = 76.2e9;  %起始频率
    parameter.Fs = 18.75e6; %采样率 实采样率37.5MHz的采样率  复采样率为18.75MHz的采样率
    parameter.tr = 1 / parameter.Fs; %采样间隔
    parameter.Slope = 20e12; %chirp斜率
    parameter.Samples = 512;  %采样点
    parameter.rangeBin = 512; %rangebin
    parameter.Chirps = 384;  %chirp数
    parameter.dopplerBin = 384; %dopplerbin
    parameter.dopplerBinHalf = parameter.dopplerBin / 2; %多普勒bin的一半
    parameter.TrValid = parameter.Samples / parameter.Fs; %采样有效时间
    parameter.TrTotal = 38e-6;  %chirp周期
    parameter.t = 0:parameter.tr:parameter.TrValid - parameter.tr; %chirp时间下标
    parameter.validBandWidth = parameter.Slope * parameter.TrValid; %有效带宽
    parameter.totalBandWidth = parameter.Slope * parameter.TrTotal; %总带宽
    parameter.centerFreq = parameter.startFreq + parameter.validBandWidth / 2; %中心频率
    parameter.lambda = parameter.c / parameter.centerFreq; %波长

    parameter.txAntenna = [0 4 8 12]; %发射天线 暂不考俯仰 2944的方位发射天线
    parameter.rxAntenna = [0 1 2 3]; %接收天线 2944的方位接收天线
    parameter.txNum = length(parameter.txAntenna); %发射天线的数量
    parameter.rxNum = length(parameter.rxAntenna); %接收天线的数量
    parameter.dx = parameter.lambda / 2; %虚拟天线的方位最小间距

    parameter.subBand = 6; %子带数
    parameter.emptyBand = 2; %空子带数
    parameter.validBand = parameter.txNum; %有效子带为发射天线数量
    parameter.subDopplerBin = parameter.dopplerBin / parameter.subBand; %一个子带dopplerbin的数目
    parameter.subBandRelation = [0, 1, 2, 3] * parameter.subDopplerBin; %子带间的关系
    parameter.phaseShift = mod(2*pi .* (1:1:parameter.Chirps).' .* (0:1:parameter.txNum-1) ./ parameter.subBand, 2*pi); %chirp信号的相移值

end

generateSignal.m文件

generateSignal.m文件主要目的是生成雷达的原始数据，生成一个维度为$rxNums\ast chirpNums\ast samples$的矩阵；

具体代码如下：

function rawData = generateSignal(Parameter,target)

    c = Parameter.c; %光速
    TrTotal = Parameter.TrTotal;  %脉冲重复周期
    samples = Parameter.Samples; %采样点
    chirps = Parameter.Chirps;  %chirp数
    slope = Parameter.Slope; %chirp斜率
    startFreq = Parameter.startFreq; %起始频率
    deltaFreq = Parameter.deltaFreq; %步进频率
    lambda = Parameter.lambda; %波长
    txAntenna = Parameter.txAntenna; %发射天线的位置
    rxAntenna = Parameter.rxAntenna; %接收天线的位置
    txNum = Parameter.txNum; %发射天线数
    rxNum = Parameter.rxNum; %接收天线数
    dx = Parameter.dx; %水平间距
    targetNum = size(target,1); %目标数
    t = Parameter.t; %时间序列
    phaseShift = Parameter.phaseShift; %移相值
    rawData = zeros(rxNum,chirps,samples);

    for rxId = 1:rxNum %接收天线循环
       rxPos = rxAntenna(rxId); %每根接收天线的位置
        for chirpId = 1:chirps %chirp数目循环
            Sif = zeros(1,samples);
            centerFreq = startFreq + (chirpId - 1) * deltaFreq;
            for txId = 1:txNum %发射天线循环
                txPos = txAntenna(txId); %每跟发射天线的位置
                virtualAntennaPos = rxPos + txPos; %虚拟天线位置
                phaseValue = phaseShift(chirpId,txId); %DDMA移相位值
                St = exp((1i*2*pi) * (centerFreq * (t + chirpId * TrTotal) + slope / 2 * t.^2) + 1i * phaseValue); %发射信号
                for targetId = 1:targetNum %目标数目循环
                    targetRange = target(targetId,1); targetSpeed = target(targetId,2); targetAngle = target(targetId,3); %目标信息
                    tau = 2 * targetRange / c; %距离信息
                    fd = 2 * targetSpeed / lambda; %频移信息
                    wx = 2 * pi * virtualAntennaPos / lambda * dx * sind(targetAngle); %天线相位信息
                    Sr = exp((1i*2*pi) * ((centerFreq-fd) * (t - tau + chirpId * TrTotal) + slope / 2 * (t-tau).^2) - 1i * wx);  %回波信号
%                     Sr = exp((1i*2*pi) * ((centerFreq-fd) * (t - tau + chirpId * TrTotal) + slope / 2 * (t-tau).^2));  %回波信号
                    Sif = Sif + St .* conj(Sr);
                end
            end
            rawData(rxId,chirpId,:) = Sif;
        end
        rawData(rxId,:,:) = awgn(rawData(rxId,:,:),0); %添加噪声
    end
end

运行结果如下：

参考文献

1. Xiaojie雷达之路—TDM-MIMO及雷达处理流程仿真

至此，本片文章就此结束了。