低成本微型測(cè)距雷達(dá)設(shè)計(jì)

0 引言

隨著電子技術(shù)的飛速發(fā)展，雷達(dá)技術(shù)也得到了長(zhǎng)足的進(jìn)步。雷達(dá)是以軍事目的發(fā)展起來(lái)的，在當(dāng)今主基調(diào)為和平與發(fā)展的年代，雷達(dá)技術(shù)越來(lái)越多地向民用方面轉(zhuǎn)移。像我國(guó)普遍用于交通方面的測(cè)速雷達(dá)，正在飛速發(fā)展的汽車(chē)防撞雷達(dá)等。隨著成本的不斷降低，雷達(dá)在民用方面的用途會(huì)越來(lái)越廣泛。

雷達(dá)進(jìn)行測(cè)距，與激光測(cè)距相比，不受氣候條件限制，距離遠(yuǎn)，精度高。本文將主要敘述微型測(cè)距雷達(dá)的原理及組成。

微型測(cè)距雷達(dá)主要用于以下幾個(gè)方面：

(1)導(dǎo)彈和炮彈的微波引信;

(2)汽車(chē)前視防撞雷達(dá);

(3)堆積物和小山頭的高度測(cè)量;

(4)高速公路及城市道路的機(jī)動(dòng)車(chē)流量測(cè)量;

(5)建筑行業(yè)的樓層測(cè)量;

(6)罐裝液面高度測(cè)量;

(7)其他要求精確近距離測(cè)量的地方。

1 微型測(cè)距雷達(dá)的原理及組成

1.1 測(cè)距方法

通常雷達(dá)測(cè)距的方法有三種：脈沖法測(cè)距;調(diào)頻連續(xù)波法測(cè)距;相位法測(cè)距。常用的為前兩種。脈沖法測(cè)距分辨率要達(dá)到距離精度1 m以下，脈沖寬度必須小于6.67 ns，即使當(dāng)今脈沖雷達(dá)普遍采用脈沖壓縮的情況下，精度要做到厘米級(jí)是相當(dāng)困難的，何況是以增大接收機(jī)帶寬，降低接收靈敏度為代價(jià)，電路上也難以實(shí)現(xiàn)。因而對(duì)于較精確的距離測(cè)量，一般都采用調(diào)頻連續(xù)波測(cè)距的方法。

調(diào)頻連續(xù)波測(cè)距有三角波調(diào)制和正弦波調(diào)制兩種，這里選擇三角波調(diào)制。

在三角波調(diào)制中，測(cè)距公式為：

式中：R為距離;c為光速;

為三角波正向發(fā)射頻率與接收頻率之差，fb-為三角波負(fù)向發(fā)射頻率與接收頻率之差;f為三角波調(diào)制頻率;△fm為受調(diào)制的發(fā)射頻率最大頻偏的二分之一。

三角波調(diào)制頻率的選擇與距離分辨率有關(guān)。假如選擇f=200 Hz，△fm=100 MHz，而此時(shí)測(cè)出的頻率fbav為50 kHz，則可以計(jì)算出R≈ 93.750 0 m;如果測(cè)出的頻率fbav=50.001 kHz，R=93.751 8 m，二者之差為1.8 mm，即每1 Hz代表1.8 mm的距離。提高調(diào)制頻率f的值，分辨率還可以增加。假如f=1 000 Hz，其他參數(shù)不變，同樣測(cè)出的頻率fbav=50 kHz，R=18.750 O m;fbav=50.001 kHz，R=18.750 4 m，相差0.4 mm，每1 Hz代表O.4 mm的距離。

如果是運(yùn)動(dòng)目標(biāo)，根據(jù)測(cè)速公式：

求出運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的速度。式中V為目標(biāo)的徑向速度，λ為發(fā)射微波的波長(zhǎng)。當(dāng)然，固定目標(biāo)的fb+與fb-的值相等。

1.2 組成

根據(jù)三角波調(diào)制的雷達(dá)原理，首先必須有一個(gè)微波頭，微波頭可在測(cè)速微波頭的基礎(chǔ)上，將體效應(yīng)振蕩器加一個(gè)變?nèi)莨芨臑閴嚎厥秸袷?，直接混頻。同時(shí)還需要一個(gè)三角波發(fā)生器。為了修正壓控振蕩器的非線性，使之頻率線性變化，必須進(jìn)行非線性修正。

為了增強(qiáng)效果，可采用模擬濾波器組進(jìn)行積累處理。當(dāng)然也可以通過(guò)高速A/D采樣后將模擬信號(hào)變?yōu)閿?shù)字信號(hào)用DSP進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理，不過(guò)成本較高。

和工控機(jī)、PC104模塊相比，采用單片機(jī)控制電路比較簡(jiǎn)單，且成本較低，由于沒(méi)有復(fù)雜的運(yùn)算，速度完全能夠滿(mǎn)足要求。

這個(gè)設(shè)計(jì)功耗較小，用電池就可滿(mǎn)足電源供給要求。

微型測(cè)距雷達(dá)的組成框圖如圖1所示。

1.3 工作原理

三角波調(diào)制頻率選200 Hz，D/A選擇12位，ROM為16位數(shù)據(jù)輸出，12位數(shù)據(jù)作為D/A的輸入;一位作為三角波正斜率和負(fù)斜率變化時(shí)的脈沖輸出，正斜率為“1”，負(fù)斜率為“0”;另一位作為一個(gè)三角波周期間的過(guò)零信號(hào)，送單片機(jī)的中斷INT0，當(dāng)三角波正負(fù)斜率變化時(shí)，輸出脈沖信號(hào)。單片機(jī)產(chǎn)生過(guò)零中斷后，判斷正負(fù)信號(hào)，為“1”，得到的是fb+;為“O”，得到的是fb-。

雷達(dá)工作時(shí)，單片機(jī)控制窄帶濾波器不斷的進(jìn)行掃描，當(dāng)某一個(gè)濾波器有信號(hào)時(shí)，由可重觸發(fā)單穩(wěn)態(tài)電路組成的信號(hào)檢測(cè)電路輸出由“0”變?yōu)?ldquo;1”，單片機(jī)根據(jù)輸出的窄帶濾波器獲得帶內(nèi)頻率，判斷出精度不太高的距離范圍，利用放大整形輸出進(jìn)行計(jì)數(shù)或測(cè)量脈沖的周期，獲得足夠精確的頻率值，即為準(zhǔn)確距離。根據(jù)公式計(jì)算出R和V送顯示器予以顯示，或通過(guò)RS 232串口送上一級(jí)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。

2 各部分的組成

2.1 微波頭

微波頭包括喇叭天線、體效應(yīng)振蕩器、環(huán)行器、混頻器。體效應(yīng)振蕩器產(chǎn)生發(fā)射微波，喇叭天線作為微波對(duì)外收發(fā)之用，環(huán)行器將收發(fā)進(jìn)行隔離，混頻器取出發(fā)射頻率和接收頻率的差值。微波頭國(guó)外常用的有24 GHz，35 GHz和77 GHz，可采用Wisewave公司的產(chǎn)品。其功率輸出為+10 dBm，頻偏DC為100 MHz，波束寬度120，園極化。

2.2 三角波發(fā)生器

三角波發(fā)生器采用數(shù)字形成。D/A為12位，要產(chǎn)生200 Hz的調(diào)制頻率，則振蕩器約為0.819 2 MHz?？紤]到一般晶體的頻率為MHz量級(jí)，地址產(chǎn)生器為一個(gè)13位的計(jì)數(shù)器，選用74HC4040，計(jì)數(shù)器不用最低位，那么振蕩器的頻率為200 Hz×212×2=1.638 4 MHz，可以用TTL門(mén)電路作振蕩器，這個(gè)設(shè)計(jì)用的是74HC04。

波形存儲(chǔ)選用E2PROM芯片AT28C64，晶體選用1.683 4MHz。最重要的一點(diǎn)是必須測(cè)出微波頭的非線性曲線，以便在非線性修正ROM中裝入修正數(shù)據(jù)，簡(jiǎn)化起見(jiàn)，可以在波形存儲(chǔ)ROM中燒制修正數(shù)據(jù)，無(wú)須再加專(zhuān)用的非線性修正電路。

2.3 窄帶濾波器

模擬器件的發(fā)展與集成為小型化提供了充分的條件，像松下公司的MN6515，僅為8腳，其帶通濾波器的中心頻率f0可由外加的時(shí)鐘頻率fcp控制，其比值fcp/f0約為15.7。只要改變fcp的值，帶通濾波器的中心頻率就會(huì)在O～32 kHz范圍內(nèi)移動(dòng)，非常方便，可采用圖2方式進(jìn)行控制。

另外還有一種窄帶濾波器MAXIM的MAX262，由編碼輸入控制f0和Q的值，共有64階濾波器，128級(jí)Q值控制。同時(shí)也可以控制振蕩頻率，由多片MAX262組成，使窄帶濾波器的階數(shù)達(dá)到幾百甚至上千。控制Q值的不同，在頻率的低端到高端，可以將窄帶濾波器的3 dB帶寬設(shè)計(jì)成相同或相近的寬度。

2.4 放大與AGC放大電路

前級(jí)放大電路可采用各公司的低噪聲運(yùn)放，AGC電路選用AD公司的AD603，或BB公司的VGA610，放大整形可選用TI公司或其他公司新出的R～R輸出的運(yùn)放。

2.5 單片機(jī)

單片機(jī)選用Atmel公司的AT89C51，也可選用其他公司的單片機(jī)，如PIC或AVR系列。這些單片機(jī)都是低成本且為人們所常用。

3 軟件組成

軟件用匯編語(yǔ)言編寫(xiě)，流程圖如圖3所示。

4 結(jié)語(yǔ)

低成本微型測(cè)距雷達(dá)經(jīng)實(shí)驗(yàn)在原理上是行得通的，但距離較近，實(shí)際測(cè)試后發(fā)現(xiàn)微波頭采用直接混頻方式輸出靈敏度較低。下一步改進(jìn)需要增加一個(gè)中頻，放大后解調(diào)，再進(jìn)行視頻放大。

對(duì)于要求測(cè)距更遠(yuǎn)的雷達(dá)，可通過(guò)增加發(fā)射功率，增大天線面積的方法。當(dāng)功率較大時(shí)，考慮到連續(xù)波雷達(dá)泄露的影響，需要將發(fā)射天線與接收天線分開(kāi)。對(duì)于更近距離的測(cè)量，例如小于2～3 m，可采用超聲波測(cè)量。微型測(cè)距雷達(dá)的用途非常廣闊，今后必將大量用于民用的許多領(lǐng)域。