低成本微型測距雷達設(shè)計

0 引言
    隨著電子技術(shù)的飛速發(fā)展，雷達技術(shù)也得到了長足的進步。雷達是以軍事目的發(fā)展起來的，在當(dāng)今主基調(diào)為和平與發(fā)展的年代，雷達技術(shù)越來越多地向民用方面轉(zhuǎn)移。像我國普遍用于交通方面的測速雷達，正在飛速發(fā)展的汽車防撞雷達等。隨著成本的不斷降低，雷達在民用方面的用途會越來越廣泛。
    雷達進行測距，與激光測距相比，不受氣候條件限制，距離遠，精度高。本文將主要敘述微型測距雷達的原理及組成。
    微型測距雷達主要用于以下幾個方面：
    (1)導(dǎo)彈和炮彈的微波引信；
    (2)汽車前視防撞雷達；
    (3)堆積物和小山頭的高度測量；
    (4)高速公路及城市道路的機動車流量測量；
    (5)建筑行業(yè)的樓層測量；
    (6)罐裝液面高度測量；
    (7)其他要求精確近距離測量的地方。

1 微型測距雷達的原理及組成
1．1 測距方法
    通常雷達測距的方法有三種：脈沖法測距；調(diào)頻連續(xù)波法測距；相位法測距。常用的為前兩種。脈沖法測距分辨率要達到距離精度1 m以下，脈沖寬度必須小于6．67 ns，即使當(dāng)今脈沖雷達普遍采用脈沖壓縮的情況下，精度要做到厘米級是相當(dāng)困難的，何況是以增大接收機帶寬，降低接收靈敏度為代價，電路上也難以實現(xiàn)。因而對于較精確的距離測量，一般都采用調(diào)頻連續(xù)波測距的方法。
    調(diào)頻連續(xù)波測距有三角波調(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，而此時測出的頻率fbav為50 kHz，則可以計算出R≈ 93．750 0 m；如果測出的頻率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。
    如果是運動目標(biāo)，根據(jù)測速公式：
   
    求出運動目標(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。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)制的雷達原理，首先必須有一個微波頭，微波頭可在測速微波頭的基礎(chǔ)上，將體效應(yīng)振蕩器加一個變?nèi)莨芨臑閴嚎厥秸袷?，直接混頻。同時還需要一個三角波發(fā)生器。為了修正壓控振蕩器的非線性，使之頻率線性變化，必須進行非線性修正。
    為了增強效果，可采用模擬濾波器組進行積累處理。當(dāng)然也可以通過高速A／D采樣后將模擬信號變?yōu)閿?shù)字信號用DSP進行數(shù)字信號處理，不過成本較高。
    和工控機、PC104模塊相比，采用單片機控制電路比較簡單，且成本較低，由于沒有復(fù)雜的運算，速度完全能夠滿足要求。
    這個設(shè)計功耗較小，用電池就可滿足電源供給要求。
    微型測距雷達的組成框圖如圖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斜率變化時的脈沖輸出，正斜率為“1”，負斜率為“0”；另一位作為一個三角波周期間的過零信號，送單片機的中斷INT0，當(dāng)三角波正負斜率變化時，輸出脈沖信號。單片機產(chǎn)生過零中斷后，判斷正負信號，為“1”，得到的是fb+；為“O”，得到的是fb-。
    雷達工作時，單片機控制窄帶濾波器不斷的進行掃描，當(dāng)某一個濾波器有信號時，由可重觸發(fā)單穩(wěn)態(tài)電路組成的信號檢測電路輸出由“0”變?yōu)?ldquo;1”，單片機根據(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行計數(shù)或測量脈沖的周期，獲得足夠精確的頻率值，即為準(zhǔn)確距離。根據(jù)公式計算出R和V送顯示器予以顯示，或通過RS 232串口送上一級的計算機系統(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外收發(fā)之用，環(huán)行器將收發(fā)進行隔離，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，地址產(chǎn)生器為一個13位的計數(shù)器，選用74HC4040，計數(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門電路作振蕩器，這個設(shè)計用的是74HC04。
    波形存儲選用E2PROM芯片AT28C64，晶體選用1．683 4MHz。最重要的一點是必須測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)，簡化起見，可以在波形存儲ROM中燒制修正數(shù)據(jù)，無須再加專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在O～32 kHz范圍內(nèi)移動，非常方便，可采用圖2方式進行控制。

    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Q值控制。同時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)計成相同或相近的寬度。
2．4 放大與AGC放大電路
    前級放大電路可采用各公司的低噪聲運放，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輸出的運放。
2．5 單片機
    單片機選用Atmel公司的AT89C51，也可選用其他公司的單片機，如PIC或AVR系列。這些單片機都是低成本且為人們所常用。

3 軟件組成
    軟件用匯編語言編寫，流程圖如圖3所示。

4 結(jié)語
    低成本微型測距雷達經(jīng)實驗在原理上是行得通的，但距離較近，實際測試后發(fā)現(xiàn)微波頭采用直接混頻方式輸出靈敏度較低。下一步改進需要增加一個中頻，放大后解調(diào)，再進行視頻放大。
    對于要求測距更遠的雷達，可通過增加發(fā)射功率，增大天線面積的方法。當(dāng)功率較大時，考慮到連續(xù)波雷達泄露的影響，需要將發(fā)射天線與接收天線分開。對于更近距離的測量，例如小于2～3 m，可采用超聲波測量。微型測距雷達的用途非常廣闊，今后必將大量用于民用的許多領(lǐng)域。