基于LFMCW的雷达信号处理仿真系统

资 源 简 介

该项目在MATLAB环境下实现了完整的线性调频连续波（LFMCW）雷达信号处理全流程。其核心功能包括： 发射与接收链路建模：根据预设的雷达参数生成高线性的锯齿波调频信号，并模拟电磁波在自由空间中传播产生的时延、衰减以及由于目标运动引起的多普勒频移。 中频信号解调：通过去调频处理，将接收到的高频回波信号与本地发射参考信号进行混频，从而提取出包含目标信息的差拍信号。 距离与速度解算：系统采用两维FFT处理架构，第一维FFT作用于采样点以提取目标的距离频率，第二维FFT作用于脉冲维以测量相位变化带来的多普勒偏移

详 情 说 明

基于线性调频连续波（LFMCW）的雷达信号处理仿真系统

项目介绍

本系统是一个高度集成的LFMCW雷达信号处理仿真环境，专门设计用于演示和验证车载自动驾驶、安防探测及精密测量中的核心雷达算法。系统在仿真维度上模拟了从物理层信号发射、空间电磁波传播、回波混频、多维频谱分析到复杂环境下的目标检测全过程。通过高精度的数学建模，该仿真能够准确反映目标距离和径向速度对差拍信号频率及相位的影响。

功能特性

• 物理层链路仿真：支持多目标场景配置，精确模拟移动目标的往返时延（ToF）和多普勒效应。
• 两维信号解算：利用快时间（距离维）和慢时间（脉冲维）的正交性，通过二维频谱分析提取目标信息。
• 自适应目标提取：内置典型的恒虚警率（CFAR）处理器，能够在变动噪声背景中自动锁定真实目标。
• 综合可视化反馈：提供从物理信号到处理结论的全方位图形化展示，便于分析算法性能。

系统要求

• 软件平台：MATLAB R2016b 或更高版本。
• 硬件要求：标准个人计算配置，建议内存 8GB 以上以保证大规模矩阵运算的流畅性。
• 依赖项：无需外部工具箱，核心算法均采用原生矩阵运算实现，兼容性强。

详细功能实现逻辑

仿真流程严格遵循现代雷达信号处理的标准流水线：

1. 系统参数与目标建模

系统预设了77GHz（毫米波雷达主流频段）的载波参数，设置了150MHz的扫描带宽和20微秒的扫频周期。通过配置三组具有不同初始距离和相对速度的目标参数，构建动态仿真场景。系统会自动计算调频斜率、ADC采样率等关键衍生参数。

2. 回波模拟与去调频处理（De-Chirp）

• 信号生成：在每一帧（包含128个脉冲）中，系统根据目标的实时位置（$R = R_0 + v cdot t$）计算精确的往返时延。
• 混频逻辑：将接收回波与本地发射信号进行共轭相乘，获得中频（IF）信号。计算模型计入了二次相位项，确保了中频信号能够准确携带距离（由差拍频率体现）和速度（由脉冲间相位偏移体现）信息。
• 噪声注入：在复中频信号中加入复高斯白噪声，以模拟模拟前端和空间环境干扰。

3. 二维FFT处理器

• 距离维FFT：对每个脉冲的采样点执行加窗FFT。使用Hamming窗函数有效降低了主瓣周围的旁瓣电平，防止强目标的旁瓣掩盖弱目标。
• 多普勒维FFT：在完成距离变换的基础上，沿脉冲维度执行第二次FFT，并利用fftshift操作将多普勒频谱中心化，从而解算出目标的径向速度分量。

4. 二维 CA-CFAR 检测算法

系统实现了单元平均恒虚警（CA-CFAR）算法，用于从噪声背景中分离目标：

• 滑动窗口设计：为每个待测单元（CUT）配置了由训练单元（Training cells）和保护单元（Guard cells）组成的二维探测窗口。
• 动态阈值：通过计算训练单元内的平均噪声功率，结合预设的虚警概率（Pfa=1e-5）计算阈值因子 $alpha$，自适应地设定每个位置的检测门限。

5. 坐标映射与结果呈现

将FFT索引通过物理公式转换为真实的物理单位：

• 距离分辨率取决于扫频带宽：$res_r = c / 2B$。
• 速度分辨率取决于总观察时间：$res_v = lambda / (2 cdot T_{total})$。

最后将检测到的目标点映射回距离-速度空间，并与真实设置值进行对比验证。

关键算法与实现细节分析

• 复相位计算：在中频信号生成阶段，代码不仅考虑了扫频项产生的频率偏移，还保留了由目标运动引起的脉冲间细微相位变化，这是实现两维 FFT 联合解算的前提。
• 信号加窗：系统在执行一维和二维 FFT 前均应用了抑制旁瓣的加窗技术。这对于多目标分辨至关重要，特别是在目标能量差异较大时，能防止能量泄露导致的小目标丢失。
• 聚类过滤逻辑：由于CFAR检测在目标中心及边缘可能触发多个检测点，系统后段加入了一段基于距离阈值的简单聚类逻辑，对检测结果进行初步去重，使输出的目标列表更加直观、清晰。
• 自动化门限计算：通过 $N_{train} cdot (Pfa^{-1/N_{train}} - 1)$ 公式由虚警率直接推导检测因子，体现了检测算法的严谨数学机理。

使用方法

1. 启动 MATLAB 环境。
2. 将仿真脚本加载至当前工作文件夹。
3. 执行该脚本。
4. 程序将自动弹出可视化窗口，展示一维距离频谱、二维距离-多普勒热力图、CFAR判定矩阵以及最终的目标空间对比图。
5. 在 MATLAB 命令行窗口可查阅检测到的目标数量及其精确的距离与速度估计值。