低成本微型測距雷達設計

0 引言

隨著電子技術的飛速發展，雷達技術也得到了長足的進步。雷達是以軍事目的發展起來的，在當今主基調為和平與發展的年代，雷達技術越來越多地向民用方面轉移。像我國普遍用于交通方面的測速雷達，正在飛速發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;調頻連續波法測距;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。因而對于較精確的距離測量，一般都采用調頻連續波測距的方法。

調頻連續波測距有三角波調制和正弦波調制兩種，這里選擇三角波調制。

在三角波調制中，測距公式為：

式中：R為距離;c為光速;

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

三角波調制頻率的選擇與距離分辨率有關。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。提高調制頻率f的值，分辨率還可以增加。假如f=1 000 Hz，其他參數不變，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，根據測速公式：

求出運動目標的速度。式中V為目標的徑向速度，λ為發射微波的波長。當然，固定目標的fb+與fb-的值相等。

1.2 組成

根據三角波調制的雷達原理，首先必須有一個微波頭，微波頭可在測速微波頭的基礎上，將體效應振蕩器加一個變容管改為壓控式振蕩，直接混頻。同時還需要一個三角波發生器。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。當然也可以通過高速A/D采樣后將模擬信號變為數字信號用DSP進行數字信號處理，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，由于沒有復雜的運算，速度完全能夠滿足要求。

這個設計功耗較小，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

三角波調制頻率選200 Hz，D/A選擇12位，ROM為16位數據輸出，12位數據作為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，當三角波正負斜率變化時，輸出脈沖信號。單片機產生過零中斷后，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，當某一個濾波器有信號時，由可重觸發單穩態電路組成的信號檢測電路輸出由“0”變為“1”，單片機根據輸出的窄帶濾波器獲得帶內頻率，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或測量脈沖的周期，獲得足夠精確的頻率值，即為準確距離。根據公式計算出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。

2 各部分的組成

2.1 微波頭

微波頭包括喇叭天線、體效應振蕩器、環行器、混頻器。體效應振蕩器產生發射微波，喇叭天線作為微波對外收發之用，環行器將收發進行隔離，混頻器取出發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 三角波發生器

三角波發生器采用數字形成。D/A為12位，要產生200 Hz的調制頻率，則振蕩器約為0.819 2 MHz。考慮到一般晶體的頻率為MHz量級，地址產生器為一個13位的計數器，選用74HC4040，計數器不用最低位，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中裝入修正數據，簡化起見，可以在波形存儲ROM中燒制修正數據，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 結語

低成本微型測距雷達經實驗在原理上是行得通的，但距離較近，實際測試后發現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，再進行視頻放大。

對于要求測距更遠的雷達，可通過增加發射功率，增大天線面積的方法。當功率較大時，考慮到連續波雷達泄露的影響，需要將發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域。