FMCW激光雷达原理推导公式

1、原理介绍:

本文介绍的调频连续波使用三角波形式的调制信号,如下图所示:雷达发射探测信号(图中蓝色三角波形)到达探测距离为R的物体上,经过时间数学公式: τ \tau τ后反射回(图中棕色三角波形)雷达接收系统发生干涉(图中蓝色梯形)。

τ = 2 R c \tau =\frac{2R}{c} τ=c2R
其中:c为电磁波在空间中的传播速度;

在这里插入图片描述
其中:B为调制信号的调频带宽,T为调制信号的调频周期;数学公式: Δ f \Delta f Δf为测量目标的移动速度产生的多普勒频移:

数学公式: Δ f = 2 v λ \Delta f=\frac{2v}{\lambda} Δf=λ2v

2、计算公式推导

假设:调频信号的上升阶段(前半个周期)和下降阶段(后半个周期)的函数表达式分别为:
f u 1 ( t ) = f 0 + α t f_{u1}(t) =f_{0}+ \alpha t fu1(t)=f0+αt
f d 1 ( t ) = f 0 − α ( t − T 2 ) f_{d1}(t) =f_{0}- \alpha (t-\frac{T}{2}) fd1(t)=f0αt2T)
其中: α = B T / 2 = 2 B T \alpha =\frac{B}{T/2}=\frac{2B}{T} α=T/2B=T2B;
f 0 f_{0} f0为电磁波的基频。
从目标物反射回的探测信号的函数表达式分别为:
f u 2 ( t ) = f 0 + α ( t − τ ) + Δ f f_{u2}(t) =f_{0}+ \alpha (t-\tau)+\Delta f fu2(t)=f0+αtτ+Δf
f d 2 ( t ) = f 0 − α ( t − τ − T 2 ) + Δ f f_{d2}(t) =f_{0}- \alpha (t-\tau-\frac{T}{2})+\Delta f fd2(t)=f0αtτ2T)+Δf

得到的干涉信号的频率分别为:
f 1 = ∣ f u 1 ( t ) − f u 2 ( t ) ∣ = α τ − Δ f = 2 B T ∗ 2 R c − 2 v λ f_{1} =|f_{u1}(t)-f_{u2}(t)|=\alpha \tau -\Delta f=\frac{2B}{T}*\frac{2R}{c}-\frac{2v}{\lambda} f1=fu1(t)fu2(t)=ατΔf=T2Bc2Rλ2v
f 2 = ∣ f d 1 ( t ) − f d 2 ( t ) ∣ = α τ + Δ f = 2 B T ∗ 2 R c + 2 v λ f_{2} =|f_{d1}(t)-f_{d2}(t)|=\alpha \tau +\Delta f=\frac{2B}{T}*\frac{2R}{c}+\frac{2v}{\lambda} f2=fd1(t)fd2(t)=ατ+Δf=T2Bc2R+λ2v
联立上式可得:
R = c T 8 B ( f 1 + f 2 ) R=\frac{cT}{8B}(f_{1}+f_{2}) R=8BcT(f1+f2)
V = λ 4 ( ∣ f 1 − f 2 ∣ ) V=\frac{\lambda}{4}(|f_{1}-f_{2}|) V=4λ(f1f2)

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