FMCW雷达高精度测距算法研究.pdf

华中科技大学硕士学位论文

摘要

调频连续波（FrequencyModulatedContinuousWave，FMCW）雷达是一种非接

触式高精度测量传感器，随着其应用场景扩大，对测距精度要求也越来越高。现有测

距算法都是独立使用差拍信号的频率信息或相位信息，在测距精度上还有提升空间。

本文通过对单天线差拍信号的最大似然分析推导了一种同时包含频率信息与相

位信息的相干频谱模型。将相干频谱模型应用于线性调频Z变换（ChirpZ-Transform，

CZT）中，提出了一种相干CZT算法。本文对单天线测距算法的克拉美罗界（Cramér-

RaoBound，CRB）进行讨论，分析了频率法CRB、相位法CRB和相干法CRB三者

之间的关系，指出相干法CRB低于前面两种CRB。仿真结果表明现有的FMCW雷

达测距算法只能达到频率法CRB或相位法CRB，而本文提出的相干CZT算法的测

距方差可以达到相干法CRB，证明了相干CZT算法的测距性能优于现有算法。

在单天线高精度测距的基础上，本文进一步讨论了多天线高精度测距。对多天线

差拍信号的最大似然算法进行简化，根据相干频谱模型与简化多天线最大似然表达

式的关系提出了多天线联合相干法。本文还对多天线测距的CRB进行系统分析，推

导出了目标入射角度已知和未知情况下三种多天线联合测距算法的CRB，从理论上

证明了多天线相较于单天线在测距精度上有所提升，其中八天线联合相干法的距离

估计方差可达到单天线的5/12以下。通过仿真实验进一步验证了多天线联合相干法

较多天线联合频率法、多天线联合相位法以及多天线独立测距法的测距性能更好。

本文还对单天线相干CZT算法和多天线联合相干法进行实测验证。针对单天线

分别使用不同目标在不同移动范围和步进下进行测距，实验结果表明相干CZT算法

的测距精度高于现有算法。针对多天线分别在目标径向移动和水平移动下测距，实验

结果表明多天线联合相干法在三种多天线联合测距算法中测距性能更好，并且精度

高于单天线相干CZT算法。实测结果说明本文提出算法具有一定的实用价值。

关键词：FMCW雷达测距；相干频谱模型；相干CZT算法；多天线联合相干法；

克拉美罗界

I

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Abstract

FrequencyModulatedContinuousWave(FMCW)radarisanon-contacthigh-

precisionmeasurementsensor,andasitsapplicationscenariosexpand,therequirementsfor

rangingaccuracyaregettinghigherandhigher.Thefrequencyinformationandphase

informationofthebeatsignalareusedindependentlyintheexistingrangingalgorithms,

andthereisstillroomforimprovementinrangingaccuracy.

Inthispaper,thecoherentspectrummodelcontainingbothfrequencyandphase

informationisderivedbythemaximumlikelihoodanalysisofthesingle-antennabeatsignal.

ThecoherentChirpZ-Transform(CZT)algorithmisproposedbyapplyingthecoherent

spectrummodeltoCZT.Inthispaper,theCramér-RaoBound(CRB)ofthesingle-antenna

ranging