低成本微型測距雷達(dá)設(shè)計(jì)

摘 要:為了小型化與低成本的目的，微型測距雷達(dá)選用了低價(jià)格、高性能的單片機(jī)和近幾年發(fā)展起來的數(shù)字與模擬電路，形成三角波調(diào)制的雷達(dá)調(diào)頻連續(xù)波方式對距離進(jìn)行測量。利用單片機(jī)中斷方式判斷三角波的正負(fù)斜率，方便地區(qū)分接收回的三角波正負(fù)斜率的頻率差，進(jìn)而求出距離和速度。試驗(yàn)結(jié)果表明，測試距離精度滿足要求，但混頻輸出靈敏度偏低，測試距離較近。這說明微型測距雷達(dá)設(shè)計(jì)原理正確，經(jīng)過改進(jìn)，其用途和前景廣闊。

關(guān)鍵詞:測距雷達(dá); 微波; 三角波調(diào)制; 正負(fù)斜率; 過零檢測

中圖分類號:TN95; TP29文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A

文章編號:1004-373X(2010)15-0168-03

Design of Low-cost Miniature Radar for Range-finding

ZHANG Zhao-zhong

(Xi’an Institute of Electronic Engineering， Xi’an 710100， China)

Abstract: For the purpose of miniaturization and low cost， the low-cost high-performance SCM， recently-developed digital circuits and analog circuits are selected by the miniature range-finding radar based on triangular wave continuous wave modulation to implement rhe range-finding. The positive or negative slope is judged with the single-chip interruption mode， which can easily compute the frequency deviation from the radar echo， and derive the range and velocity of the radar target. The experimental results show that the detection accuracy satisfies the requirement， but the detection range is short due to the poor sensitivity of the mixer output， that the design principle of the radar is reasonable and feasible， and that the radar will have bright future after a further improvement.

Keywords: range-finding radar; microwave; triangular wave modulation; positive and negative slop; zero-crossing detection

0 引 言

隨著電子技術(shù)的飛速發(fā)展，雷達(dá)技術(shù)也得到了長足的進(jìn)步。雷達(dá)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(dá)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(dá)，正在飛速發(fā)展的汽車防撞雷達(dá)等。隨著成本的不斷降低，雷達(dá)在民用方面的用途會越來越廣泛。

雷達(dá)進(jìn)行測距，與激光測距相比，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距雷達(dá)的原理及組成。

微型測距雷達(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) 汽車前視防撞雷達(dá);

(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(jī)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(dá)的原理及組成

1.1 測距方法

通常雷達(dá)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(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[1]:

R=c#8226;fbav8Δfm#8226;f

(1)

式中:R為距離;c為光速;fbav=(fb++fb-)/2，fb+ 為三角波正向發(fā)射頻率與接收頻率之差，fb-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;Δfm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，Δfm=100 MHz，而此時(shí)測出的頻率fbav為50 kHz，則可以計(jì)算出R≈93750 0 m;如果測出的頻率fbav=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fbav=50 kHz，R=18750 0 m;fbav=50001 kHz，R=18750 4 m，相差04 mm，每1 Hz代表04 mm的距離。

如果是運(yùn)動目標(biāo)，根據(jù)測速公式[1]:

V=λ4(fb+-fb-)

(2)

求出運(yùn)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fb+與fb-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)莨芨臑閴嚎厥秸袷帲苯踊祛l。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)然也可以通過高速A/D采樣后將模擬信號變?yōu)閿?shù)字信號用DSP進(jìn)行數(shù)字信號處理，不過成本較高。

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

這個(gè)設(shè)計(jì)功耗較小，用電池就可滿足電源供給要求。

微型測距雷達(dá)的組成框圖如圖1所示。

圖1 微型測距雷達(dá)的組成框圖

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)三角波周期間的過零信號，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。單片機(jī)產(chǎn)生過零中斷后，判斷正負(fù)信號，為“1”，得到的是fb+;為“0”，得到的是fb-。

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)濾波器有信號時(shí)，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)椤?”，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RS 232串口送上一級的計(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。考慮到一般晶體的頻率為MHz量級，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×212×2=1638 4 MHz，可以用TTL門電路作振蕩器，這個(gè)設(shè)計(jì)用的是74HC04。波形存儲選用E2PROM芯片AT28C64，晶體選用1683 4 MHz。最重要的一點(diǎn)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(shí)鐘頻率fcp控制，其比值fcp/f0約為15.7。只要改變fcp的值，帶通濾波器的中心頻率就會在0～32 kHz范圍內(nèi)移動，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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。

圖2 濾波器控制原理圖

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(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

軟件用匯編語言編寫，流程圖如圖3所示。

圖3 微型測距雷達(dá)軟件流程圖

4 結(jié) 語

低成本微型測距雷達(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。

對于要求測距更遠(yuǎn)的雷達(dá)，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(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。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(dá)的用途非常廣闊，今后必將大量用于民用的許多領(lǐng)域。

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