FMCW雷達綜合創新性實驗教學系統設計與實現

傅世強, 邵雨萌, 李嬋娟, 房少軍

(大連海事大學 國家級電工電子實驗教學示范中心, 遼寧 大連 116026)

FMCW雷達綜合創新性實驗教學系統設計與實現

傅世強, 邵雨萌, 李嬋娟, 房少軍

(大連海事大學 國家級電工電子實驗教學示范中心, 遼寧 大連 116026)

為全面提高實踐教學的質量,設計出一套低成本的FMCW雷達近程測距實驗教學系統。該系統包括直流供電模塊、信號調制模塊、中頻放大及濾波模塊、射頻模塊和雷達信號處理模塊,涵蓋低頻電路、射頻電路、微波天線、信號與系統、數字信號處理等多門課程知識。該系統工作在ISM開放頻段2.45 GHz,采用模塊化設計思路,每個模塊都可單獨進行測試和調試。給出了系統的基本原理和實驗教學方法,學生可以綜合運用多門課程的知識來進行系統模塊設計,并代入系統進行工程驗證。該綜合創新性實驗教學系統便攜性強、簡單實用,易于培養學生的創新精神和綜合能力,滿足了教學與科研的需要。

調頻連續波雷達； 實驗教學； 綜合創新性實驗； 模塊化設計

雷達最初產生原因是軍事領域的迫切需要,在經過技術累積和理論創新后,雷達系統實現的功能不斷增加,并逐漸進入廣大民眾的視野。測距和測速是雷達最基本的功能,其中調頻連續波(frequency modulated continuous wave,FMCW)體制雷達具有輻射功率小、測距測速精度高、設備相對簡單等優點,在軍用和民用領域得到了廣泛應用,典型的例子有機載雷達高度儀[1]、汽車防撞系統[2]、液位測量[3]等。

FMCW雷達測距系統的設計是低頻電路、射頻電路、微波天線、信號與系統、數字信號處理等多門課程知識的綜合應用。通過調查發現很多本科生并不知道自己所學的知識將來會有什么用途,嚴重影響了學生的學習的積極性和主動性。為此,開展具有一定工程應用案例的實驗教學來激發學生學習興趣,引導學生從實踐中思考和發現問題,調動學生主動進行研究性學習具有重要意義。文獻[4]利用SystemView平臺,設計了雷達測距系統的仿真模型,并將其應用于“信號與系統”教學實踐中,提高了教學質量；文獻[5]以單片機為核心開發的雷達信號仿真器,替代具有高壓和較大影響雷達使用壽命的收發機進行雷達信號測量實驗教學,改善了教學效果；文獻[6]研究了探地雷達實驗教學方法,實驗中引導學生靈活運用學到的理論知識,訓練學生解決實際工程問題的能力。但是,這些實驗教學更多的是軟件模擬和實驗測量,不具備綜合創新性和設計性內容,顯然在培養學生設計能力、創新能力和綜合運用能力方面是欠缺的。

本文從本科生實驗教學出發,提出了一套完整的FMCW雷達近程測距實驗教學系統。該系統采用模塊化設計,工作在ISM開放頻段,中心頻率為2.45 GHz,采用周期為20 ms的三角波作為調制信號,最大測距可達1 km。

1 FMCW雷達實驗教學系統構成與測距原理

1.1 系統構成

FMCW雷達實驗教學系統主要由調制器、壓控振蕩器、衰減器、射頻放大器、功分器、混頻器、中頻放大器、收發天線以及數字信號處理器等單元電路構成,其結構框圖見圖1。

圖1 FMCW雷達系統結構框圖

在FMCW雷達測距系統工作時,信號調制器產生三角波調制電壓,控制壓控振蕩器產生頻率隨三角波幅值變化的FMCW發射信號。為了改善振蕩器與放大器之間的阻抗匹配,使壓控振蕩器輸出頻率不受后續負載牽引,FMCW發射信號先經過3 dB衰減器,然后通過放大器放大后輸入功分器。功分器有兩路輸出,一路輸出信號作為本振信號,輸入混頻器中；另一路輸出信號經過天線發射出去。信號發射出去后遇到探測目標,產生回波信號,該回波信號由接收天線接收。由于信號在傳播中會有較大衰減,所以接收到的回波信號要經過放大器放大才能進入混頻器。混頻器將本振信號和接收到的回波信號進行混頻后輸出差頻信號,此差頻信號就包含探測目標的距離信息。差頻信號經運算放大器進行放大、濾波后輸入到DSP信號處理器。在DSP中對差頻信號進行A/D采樣、濾波、FFT變換等信號處理工作,最終計算出探測目標距離并顯示在液晶屏上。

1.2 測距原理

FMCW雷達的工作原理是發射一個掃頻周期內頻率連續變化的電磁波,利用回波信號和發射信號的頻率差來獲得探測目標的距離[7]。FMCW雷達調制信號有許多種,如鋸齒波、三角波等。本次設計采用三角波調制方式,可以同時獲得目標的距離和速度信息[8],并且處理簡單,易于實現。三角波調制信號的頻率隨時間變化規律如圖2所示。

圖2 三角波調制信號頻率隨時間的變化曲線

在圖2中,ΔF是掃頻帶寬,T是調制三角波的周期,τ是發射信號與回波信號之間的時延,fd是發射信號與回波信號間的差頻。回波信號與發射信號頻率變化規律相同,只是在時間上有一個延時τ。τ與目標距離R的關系為

(1)

其中R為目標物體距離,c為電磁波自由空間的傳播速度。根據三角關系得

(2)

因而,可以得出目標距離R為

(3)

在調制參數ΔF和T一定的條件下,只要測得差頻fd,就可以計算出目標距離R,這就是FMCW雷達測距的基本原理。

在進行傅里葉分析計算目標距離時,可以看到不同距離的探測目標只是導致差頻信號的頻譜峰值在頻譜上進行搬移。設傅里葉變換的采樣頻率fs和采樣點數N,并假設差頻信號譜峰在第m個點,則差頻的頻率為

(4)

將公式(4)代入公式(3)得

(5)

根據采樣定理和三角關系可知,采樣點數N與采樣頻率fs和調制周期T的關系如下:

(6)

距離分辨率就是第m個點差頻頻率和第(m+1)個點差頻頻率對應距離的差值,將這2個頻率和公式(6)代入公式(5)可得距離分辨率為

(7)

由公式(7)可知,距離分辨率與采樣點數并沒有直接聯系,提高調頻帶寬才能改善距離分辨率精度。但是提高FFT的采樣點數能夠提高最終距離計算的準確性。

2 FMCW雷達實驗教學系統硬件設計及制作

在整個FMCW雷達實驗教學系統中,供電模塊、調制模塊、中頻放大及濾波模塊集成在一塊面包板上；射頻模塊(如壓控振蕩器、衰減器、放大器、功分器和混頻器)則相互獨立地雕刻在FR4印刷電路板上,背部通過射頻電纜連接；終端天線則使用易于取材和制作的罐頭天線；信號處理則使用DSP開發板。整套系統集成度較高,體積小巧,便攜性強。圖3為系統整體實物圖。

圖3 系統整體實物圖

供電模塊的設計使用2節9 V可充電鋰電池,采用LM7805和LM7905作為正負穩壓芯片,產生后續電路需要的±5 V供電電壓；調制模塊的設計使用XR-2206單片集成函數發生器芯片實現,該芯片可以產生高穩定度、高精度的正弦波、三角波和方波,并可通過調節占空比產生鋸齒波和脈沖波,本系統使用±5 V雙電源對芯片進行供電產生三角波調制電壓,文獻[9]給出了參考電路；中頻放大及濾波模塊的設計使用MAX414芯片完成,典型電路參見芯片的使用手冊。

射頻模塊的設計是整個系統的核心部分,射頻電路設計的基礎知識可參考文獻[10]。壓控振蕩器的設計采用AT-41486雙極性晶體管產生振蕩,并利用SMV2022變容二極管電容隨電壓變化的特性實現壓控,電路采用共基極連接,最終設計的壓控振蕩器調頻電壓在0～5 V變化時,振蕩器輸出頻率變化范圍為2.4～2.5 GHz,輸出功率9.3 dBm左右,調頻線性度和功率平坦度均較好；電阻衰減器的設計采用傳統的T型和π型電路結構,實測結果表明這兩種電路結構均實現了較好的匹配和衰減特性；功分器的設計采用威爾金森功分器結構[11],實測結果表明兩輸出端口等功率輸出,平衡度好、隔離度高；低噪聲放大器的設計采用MGA53543場效應管設計,典型直流工作點為5 V、54 mA,因為其直流偏置電路是在管子內部,所以只需直接加上5 V供電電壓,然后進行微帶單枝節匹配即可,在2.45 GHz時實測放大器的增益達到了13 dB,噪聲系數為1.5 dB；混頻器的設計采用3 dB微帶混合環電路結構,使用HSMS-2822混頻二極管,在混合環輸入端和混頻二極管之間引入匹配電路,并在輸出端接入LC低通濾波器,將中頻濾出,實測結果表明混頻器達到了較好混頻效果,變頻損耗7 dB左右；天線模塊的設計將作為例子在實驗教學方法設計部分進行闡述。

雷達信號處理模塊,選用具有低成本、低功耗和高性能的TMS320F2812芯片,采用目前市面上流行的DSP開發板實現。雷達信號處理流程包括信號采集、數字信號處理以及終端顯示。由混頻器輸出的差頻信號包含著目標物體的距離信息,但此差頻信號是模擬信號,而DSP芯片只能處理數字信號,因此首先需要將差頻信號進行A/D轉換,將模擬信號轉變成數字信號。然后對采集到的數字信號進行快速傅里葉變換(FFT),提取差頻信號的頻率信息,信號進行FFT計算后得到除攜帶目標距離信息的差頻信號以外,還會出現多個其他頻率分量,其中包括測量環境的噪聲信號,以及差頻信號的倍頻信號,由于頻域噪聲信號和倍頻信號的信號幅度小于實際差頻信號的信號幅度,所以可選取幅值最大的頻率作為差頻信號的頻率。進行計算得到目標物體距離后,將最終測量結果在DSP開發板的12864液晶屏上實時顯示出來。

3 綜合創新性實驗內容和教學方法設計

本實驗教學的主要任務是訓練學生完成一個采用先進科研手段進行電路設計研究的全過程。為了達到學以致用的目的,實驗環節不僅包括對業界公認的一些專業仿真工具的熟練使用,如低頻電路仿真軟件Multisim、射頻微波電路仿真軟件ADS和三維電磁場仿真軟件HFSS等,能夠對給定指標的電路和天線進行仿真優化；而且還包括將仿真優化得到的電路模型加工制作出電路板,并對加工的器件性能進行測量及調試。實驗內容既包含軟件和算法的學習,又包含硬件電路的制作和測試,這樣同時鍛煉了學生的學習能力和動手能力。每一個模塊的實驗過程是一個不斷重復的過程,通過對前一次測試結果及誤差的分析,提出改進方案,再進行仿真優化和加工測試調試,得到滿意的結果,然后替代系統中的模塊,進行工程驗證,真正達到學以致用的目的。

所設計的綜合創新性實驗內容與實際的FMCW雷達測距工程密切相關,甚至直接是實際工程中的射頻微波產品,例如:振蕩器、放大器、功分器、天線等器件的設計。具體實驗內容由指導教師給出實驗材料和詳細設計指標,不限定電路形式和設計方法,由學生自由發揮,根據所學知識完成實驗任務。設計的理論知識都源于低頻電路、射頻電路、微波天線、信號與系統、數字信號處理等課程。下面以天線模塊實驗為例,進行教學方法的介紹。

為了節約成本,便于取材設計,本系統中使用罐頭天線。在實驗過程中,第1階段由學生利用課堂學習到的理論知識,以及查閱相關文獻[12]后獲取的相關知識,進行天線尺寸的設計及計算,此階段有助于學生深入掌握所學的基本理論和提高文獻檢索閱讀能力；第2階段學生進入仿真實驗室,利用正版ADS和HFSS軟件,進行罐頭天線的計算機建模及電磁仿真,仿真模型及仿真結果如圖4所示。此階段有助于學生掌握射頻EDA電磁仿真工具；第3階段學生進入加工實驗室,利用準備好的實驗材料,自己動手制作罐頭天線的饋電結構,此階段有助于學生掌握器件的加工和接口設計；第4階段學生進入測試實驗室對加工好的罐頭天線進行電氣指標測試和調試，比如圖5為矢量網絡分析儀測試天線反射系數情景,此階段有助于學生掌握射頻測試設備的使用方法；第5階段進行工程驗證,將設計好的天線接到FMCW雷達測距綜合創新性實驗教學系統中,實現良好的信號收發。當然本實驗也易于推廣到其他的天線形式,如微帶天線、八木天線等,實驗項目的設置可以針對學生的能力和各專業要求的不同而進行不同的實驗方法設計,有較大的擴展余地。

圖5 矢量網絡分析儀測試天線反射系數

4 結論

為了讓學生深入學習和掌握雷達工作原理,本文提出了一套FMCW雷達綜合創新性實驗教學系統,為各單元模塊的設計、仿真、制作、測試到系統集成,為雷達信號處理技術的研究、應用提供實驗平臺。

所開發的綜合創新性實驗教學系統硬件電路采用模塊化設計思路,整體電路集成度高,便攜性好。制作過程中均選擇常見且價格低廉的原材料,因此大大降低了系統的成本。該實驗教學系統涵蓋知識全面,軟硬結合，能引導學生將理論知識靈活掌握,能有效地激發學生的學習興趣,易于培養學生的創新精神和綜合能力,提高了實踐教學質量。

References)

[1] 王春忠.FMCW雷達高度表信號處理技術研究與實現[D].秦皇島：燕山大學,2013.

[2] 汪紅.基于FMCW雷達的車輛防撞預警系統[D].保定：河北科技大學,2012.

[3] 趙長超.無線FMCW雷達液位計的設計[D].南京：南京信息工程大學,2013.

[4] 李軍.基于SystemView的雷達測距系統設計與實現[J].實驗室研究與探索,2009,28(6):207-209.

[5] 逄金雷,傅鳳歧.基于單片機仿真的雷達實驗教學系統開發[J].實驗室研究與探索,2014,33(3):90-93.

[6] 薛建,劉四新,黃航,等.探地雷達實驗教學方法研究[J].實驗技術與管理,2014,31(1):172-174.

[7] 齊國清.FMCW液位測量雷達系統設計及高精度測距原理研究[D].大連：大連海事大學,2001.

[8] 岳文豹,楊錄,張艷花.FMCW雷達近程測距系統設計[J].電子技術應用,2012,38(4):73-75.

[9] 蔡昭,楊勇,胡亞軍.XR-2206函數發生器的雙電源供電方案分析[J].電子元器件應用,2008(7):23-25.

[10] 雷振亞，明正鋒，李磊.微波工程導論[M].北京:科學出版社,2010.

[11] 房少軍,王鐘葆,傅世強.微波無源網絡的創新設計性實驗探索[J].電氣電子教學學報,2011,33(6):81-83.

[12] Roger Paskvan,馬亦卯.2.4G通用高增益天線[J].電子制作,2012(1):13-20.

Design and implementation of FMCW radar comprehensive innovation experimental teaching system

Fu Shiqiang, Shao Yumeng, Li Chanjuan, Fang Shaojun

(Center of National Electrical and Electronic Experiment Teaching ,Dalian Maritime University ,Dalian 116026, China)

In order to improve teaching quality completely,a low cost FMCW radar proximity ranging experimental teaching system has been proposed.The system comprises of a DC power supply module,signal modulation module,intermediate frequency amplifier and filter module,RF module and signal processing module,including many courses knowledge such as Low Frequency Circuit, Radio Frequency Circuit, Microwave Antenna, Signals and Systems and Digital Signal Processing. The system works in the ISM band of 2.45GHz and uses a modular design.Each module can be tested and debugged separately.The basic principle and experimental teaching methods of the system are given.The students can make ample use of many courses knowledge for module design and engineering verification.The developed comprehensive innovation experimental teaching system has the characteristics of portability and practicability.It is easy to cultivate the innovative spirit and the comprehensive ability of students,and meet the needs of teaching and research.

FMCW radar; experimental teaching; comprehensive innovation experiment; modular design

2014- 12- 10 修改日期：2015- 01- 17

遼寧省教育廳教改項目(遼教發[2012]130號，序號122)；大連海事大學教改項目(2013Q02)

傅世強(1981—)，男，山東龍口，博士，副教授，主要從事天線與射頻電路方面的教學和科研工作.

E-mail：fushq@dlmu.edu.cn

TN957;G484

A

1002-4956(2015)7- 0049- 05