毫米波雷达LFMCW信号处理与距离速度估计仿真

资 源 简 介

本项目主要实现了毫米波雷达（LFMCW雷达）从信号建模到目标参数提取的完整信号处理流程。系统通过数学建模生成线性调频连续波（LFMCW）发射信号，并根据预设目标的距离、速度及雷达散射截面积（RCS）模拟产生回波信号。在接收端，系统首先将回波信号与发射信号进行混频处理，生成包含目标信息的差频信号（Intermediate Frequency Signal）。 在核心算法阶段，系统对差频信号进行两维FFT处理。第一维处理是在每个脉冲内进行快速傅里叶变换（Range-FFT），将时域差频信号转换到频率域，根据差

详 情 说 明

毫米波雷达差频信号处理与目标参数估计仿真项目

项目介绍

本项目是一个基于 MATLAB 开发的线性调频连续波（LFMCW）雷达信号处理仿真系统。项目专注于 77GHz 毫米波雷达的核心算法实现，涵盖了从雷达系统参数建模、目标回波模拟、差频信号生成到最终二维信号处理（2D-FFT）及目标空间参数估计的全过程。通过该系统，用户可以观察并分析雷达如何通过处理中频信号来精确识别多个运动目标的距离与速度信息，是研究车载自动驾驶雷达和工业探测传感器原理的理想仿真平台。

功能特性

• 高度还原的信号建模：支持设置多目标属性，包括初始距离、径向速度以及雷达散射截面积（RCS），并考虑了电磁波往返时延随时间变化的动态过程。
• 高保真信号仿真：实现了包含快时间（Range）与慢时间（Doppler）维度的二维信号矩阵构建，并加入了可配置的高斯白噪声以模拟真实感测环境。
• 二维信号处理流水线：完整实现了第一维距离向 FFT（Range-FFT）和第二维方位向 FFT（Doppler-FFT）处理，有效地解耦出目标的距离和速度频率。
• 自动化参数估计：系统能够自动搜索 2D-FFT 谱图中的峰值点，根据雷达体制参数将频率域坐标映射为物理单位，实时计算目标的估计值并与预设值进行对比。
• 多维度可视化：提供了差频信号时域波形图、一维距离功率谱图以及二维距离-多普勒热力图（RDM），直观展示能量聚焦过程。

系统要求

• 软件环境：MATLAB R2016b 或更高版本。
• 可选工具箱：Signal Processing Toolbox（用于信号处理及噪声添加）。
• 硬件要求：标准桌面或笔记本电脑环境，建议内存 8GB 以上以支持多脉冲矩阵运算。

实现逻辑与算法细节

本项目通过一个主控制流程实现了以下核心步骤：

1. 雷达参数与环境配置 系统设定起始频率为 77GHz，通过定义距离分辨率（1m）反推所需的扫频带宽。利用光速和预设的最大探测距离计算扫频周期（Tchirp）和调频斜率（Slope）。仿真环境设置为包含两个典型目标：一个正在远离的远端目标（120m, 20m/s）和一个正在靠近的近端目标（50m, -10m/s）。

2. 动态差频信号建模 这是项目的核心数学模型所在。系统并非简单地生成固定频率，而是通过三层循环构建了一个 Nd×Nr 的信号矩阵：

• 外层循环模拟慢时间：处理连续的扫频脉冲。
• 内层循环模拟快时间：在每个脉冲内进行采样。
• 最内层模拟多目标叠加：根据目标运动学公式 $R(t) = R_0 + v cdot t$ 计算瞬时往返时延 $t_d$。
• 相位公式：使用 $phi = 2pi(S cdot t_d cdot t_{fast} + f_c cdot t_d)$ 计算差频相位。该模型同时保留了由距离产生的差频（Beat Frequency）和由运动产生的多普勒相移（Doppler Phase Shift）。

3. 信号加噪与预处理 在生成的纯净复信号中添加指定信噪比（SNR）的高斯白噪声，模拟真实接收机前端的热噪声环境，确保仿真结果具有工程参考价值。

4. 关键算法：二维快速傅里叶变换（2D-FFT）

• 第一维 FFT（沿采样点方向）：对每个脉冲执行 Range-FFT。由于差频 $f_b = (S cdot 2R)/c$，频率域的峰值位置直接对应了目标的各个距离分量。
• 第二维 FFT（沿脉冲方向）：对经过 Range-FFT 处理后的矩阵执行列向的 Doppler-FFT。这一步捕捉了相邻脉冲间由于运动引起的微小相位差异。通过 fftshift 操作将静止目标的零频点移至图谱中心，从而能够分辨目标的正负运动速度。

5. 坐标映射与参数提取 系统通过分步映射公式将 FFT 索引转换为物理量：

• 距离分辨率单位：基于采样率、点数和调频斜率。
• 速度分辨率单位：取决于雷达扫频周期 Tchirp 和脉冲总数。
• 峰值检索：利用 max 函数在二维幅度谱中定位能量最高点，并从距离-速度坐标系中读出最终的测量结果。

使用方法

1. 启动 MATLAB 并进入本项目所在的文件夹。
2. 在命令行窗口直接运行主程序函数。
3. 程序将自动开始运行仿真，并在命令窗口实时打印目标的预设参数与最强反射点的估计值对。
4. 仿真结束后，系统会自动弹出可视化窗口：

- 左上图：观察第一个脉冲原始差频信号的实部波动。 - 右上图：查看一维距离像，确认目标是否在对应距离处形成了明显的功率峰值。 - 下方热力图：通过 RDM 图谱观察两个目标点全貌，其横跨距离轴与速度轴，颜色深浅代表反射强度。

1. 用户可以修改“目标属性设置”部分的数组内容，重新运行程序以探测不同距离、速度组合下的雷达响应。