LFMCW雷達(dá)的差頻信號采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

王斯盾, 涂亞慶, 牟澤龍, 閆隆基, 劉 鵬

(后勤工程學(xué)院 后勤信息與軍事物流工程系，重慶 401311)

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LFMCW雷達(dá)的差頻信號采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

王斯盾, 涂亞慶, 牟澤龍, 閆隆基, 劉 鵬

(后勤工程學(xué)院 后勤信息與軍事物流工程系，重慶 401311)

差頻信號采集系統(tǒng)是線性調(diào)頻連續(xù)波(LFMCW)雷達(dá)的核心部件之一。針對國產(chǎn)某新型LFMCW雷達(dá)傳感器，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了基于C8051F120的LFMCW雷達(dá)差頻信號采集系統(tǒng)，包括調(diào)制信號產(chǎn)生模塊、差頻信號采集模塊以及串口通信模塊。主要實(shí)現(xiàn)的功能有：產(chǎn)生非線性校正后的鋸齒波調(diào)制信號；采集雷達(dá)差頻信號并搭建二階有源帶通濾波器進(jìn)行放大濾波；發(fā)送差頻信號至上位機(jī)等。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了LFMCW雷達(dá)差頻信號采集系統(tǒng)的有效性。

線性調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)； 差頻信號； 采集系統(tǒng)； C8051F120

0 引 言

線性調(diào)頻連續(xù)波(linear frequency modulated continuous wave，LFMCW)雷達(dá)具有時寬帶寬積大、最小測量距離近、測量精度高，受自然環(huán)境因素影響小等特性。常用于物位、液位的測量。LFMCW雷達(dá)一般由24 GHz或77 GHz雷達(dá)傳感器、信號采集及處理系統(tǒng)、信號處理算法及應(yīng)用軟件三部分構(gòu)成。目前，LFMCW雷達(dá)設(shè)計(jì)主要朝著小型化和精確化的方向發(fā)展，但由于雷達(dá)傳感器核心技術(shù)由國外壟斷，國內(nèi)將研究的突破口一般放在信號采集系統(tǒng)與信號處理算法上[1～3]。

針對LFMCW雷達(dá)的研究現(xiàn)狀，本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了LFMCW雷達(dá)的差頻信號采集系統(tǒng)，包括調(diào)制信號產(chǎn)生模塊、差頻信號采集模塊以及串口通信模塊，旨在為后端的雷達(dá)信號處理算法研究與二次儀表開發(fā)提供穩(wěn)定、可靠的原始信號支持。

1 LFMCW雷達(dá)測距原理及信號采集系統(tǒng)方案

1.1 LFMCW雷達(dá)測距原理

以測距為例，在調(diào)制信號為鋸齒波的情況下，LFMCW雷達(dá)發(fā)射信號、回波信號時頻圖如圖1所示。

圖1 發(fā)射信號與回波信號時頻圖

其中，f0,B,T分別為發(fā)射信號的調(diào)頻中心頻率、調(diào)頻帶寬、調(diào)頻周期；μ=B/T為鋸齒波調(diào)頻斜率；tdmax為發(fā)射信號和回波信號的時延。因此,將一個調(diào)頻周期T分為非規(guī)則區(qū)(時寬為T1)和規(guī)則區(qū)(時寬為T2)。在非規(guī)則區(qū)內(nèi)，差頻信號頻率急劇下降至零，難以從中提取距離信息;在規(guī)則區(qū)內(nèi)，差頻信號頻率fBS(t)為一個單頻正弦信號，計(jì)算得到公式

(1)

式中 R為測量距離;c為電磁波速度[4]。

1.2 差頻信號采集系統(tǒng)方案

差頻信號采集系統(tǒng)是LFMCW雷達(dá)的核心部件之一，其整體設(shè)計(jì)方案如圖2所示。設(shè)計(jì)以單片機(jī)為核心，控制D/A轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生調(diào)制信號，驅(qū)動雷達(dá)傳感器產(chǎn)生差頻信號，通過有源帶通濾波器對差頻信號進(jìn)行放大濾波，再經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換，最后,利用串口將濾波后的差頻信號傳送到上位機(jī)。

圖2 信號采集系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

單片機(jī)C8051F120為核心處理器，主頻速度高達(dá)100 MHz,具有12位數(shù)模轉(zhuǎn)換器(digital to analog converter,DAC)，可編程更新數(shù)據(jù)；12位100 kSPS的ADC；128 kB FLASH存儲器, 可在系統(tǒng)進(jìn)行編程；8448B的片內(nèi)RAM；5個通用16位的計(jì)數(shù)器/定時器；2個全雙工UART。

設(shè)計(jì)采用國產(chǎn)新型高性能24 GHz LFMCW雷達(dá)傳感器。該雷達(dá)傳感器采用單片微波集成電路(MMIC)壓控振蕩器(VCO)設(shè)計(jì)，最高具有500 MHz高線性調(diào)頻帶寬，輸出功率為 23 dB·m，雷達(dá)天線波束角度(-3 dB)10°×10°，雷達(dá)天線波束旁瓣抑制優(yōu)于-19 dB。其VCO調(diào)制信號電壓與發(fā)射頻率曲線如圖3所示。

圖3 調(diào)制信號電壓與發(fā)射頻率曲線

由圖3可知，當(dāng)調(diào)制信號電壓在1.20～2.46 V之間，發(fā)射信號線性度較好，發(fā)射頻率為24.040～24.505 GHz，調(diào)頻帶寬B=465 MHz。

2 功能模塊設(shè)計(jì)

2.1 調(diào)制信號產(chǎn)生模塊

雷達(dá)前端VCO一般具有非線性，利用標(biāo)準(zhǔn)鋸齒波作為調(diào)制信號輸出的連續(xù)波頻率往往不成線性變化[5]。為了改善VCO輸出信號的線性度，需要對雷達(dá)前端進(jìn)行開環(huán)校正或閉環(huán)校正。工程中普遍采用開環(huán)校正，即根據(jù)調(diào)制信號電壓與發(fā)射頻率的關(guān)系，采用非線性的調(diào)制電壓信號，抵消VCO 的非線性影響[6，7]。本文采用C8051F120片內(nèi)DAC，將經(jīng)過非線性校正的鋸齒波波形數(shù)據(jù)存儲到Flash中，運(yùn)用直接數(shù)字頻率合成(DDS)的原理，生成經(jīng)過非線性校正后的調(diào)制信號，從而提高發(fā)射信號的調(diào)頻線性度。

1)頻率分辨率

在給定了DAC的采樣速率fs后，可以確定調(diào)制信號頻率分辨率為fs/216。采樣速率通過定時器周期寄存器值(PRD)設(shè)置，可由式(2)計(jì)算該值

fs=-S/P

(2)

式中S為系統(tǒng)時鐘，由于C8051F定時器是向上計(jì)數(shù)的，因此,該數(shù)值是負(fù)數(shù);P為定時器周期寄存器值。

2)產(chǎn)生波形

鋸齒波產(chǎn)生在定時器中斷服務(wù)程序(ISR)中完成，使用一個16位的相位累加器，分3級實(shí)現(xiàn)。每次調(diào)用定時器ISR時，相位累加器的值增加一個PHASE-ADD，同時查表尋找下一個DAC輸出值。PHASE-ADD的大小根據(jù)式(3)計(jì)算得出

(3)

式中 f為鋸齒波頻率; fs為DAC的采樣速率。

3)放大濾波

DDS輸出信號的頻譜里一般包含理想輸出頻率、高頻干擾和DDS數(shù)字雜散，因此，需要進(jìn)行濾波處理[8]。DAC生成的鋸齒波信號首先經(jīng)過低通濾波器(LPF)，濾除其中的高頻干擾,然后，利用放大器OP284將信號放大。放大電路的輸出直接作為雷達(dá)前端的調(diào)制信號輸入，其電路如圖4所示。

圖4 調(diào)制信號濾波電路原理圖

2.2 差頻信號采集模塊

由雷達(dá)方程可知，LFMCW雷達(dá)測量的距離與差頻信號的功率成4次方的關(guān)系，當(dāng)測量距離較遠(yuǎn)時，有用信號往往被淹沒在噪聲信號之中[4]。同時，差頻信號中含有固定頻率的鋸齒波調(diào)幅信號干擾，直接進(jìn)行頻率估計(jì)誤判幾率較高[9]，因此，需要對差頻信號進(jìn)行濾波處理。

本設(shè)計(jì)理論測距范圍R為2～20 m，調(diào)制信號帶寬B=465 MHz，掃頻周期T=4 ms，由式(1)計(jì)算可知，差頻信號最低頻率為fBS(min)=1.55 kHz，最高頻率為fBS(max)=15.50 kHz。設(shè)計(jì)采用雙運(yùn)放NE5532，搭建了二階巴特沃斯有源低通濾波器和高通濾波器，然后通過低通濾波器與高通濾波器級聯(lián)的方式構(gòu)成帶通濾波器，電路如圖5所示。

圖5 差頻信號濾波電路原理圖

帶通濾波器通帶范圍為1.55～15.5 kHz，放大倍數(shù)為1倍，2倍頻衰減24 dB，滿足差頻信號濾波需求。

按照奈奎斯特采樣定理，工程上一般選取3～5倍進(jìn)行采樣，故采樣率fADC=15.5 kHz×5=77.5 kHz，即，ADC采樣率大于 77.5 kSPS即可滿足需求。ADC轉(zhuǎn)換位數(shù)一般選擇12位即可。參考電壓采用內(nèi)置參考電壓或者外置高精度的參考電壓。綜合考慮系統(tǒng)需求和成本，選擇C8051F120內(nèi)置 ADC可以滿足系統(tǒng)需要。同時，通過內(nèi)置ADC模塊的直接存儲器訪問(DMA)傳輸通道可以在不占用CPU運(yùn)行周期的情況下將數(shù)字信號存儲到單片機(jī)內(nèi)置的SRAM存儲器中。與目前大部分的雷達(dá)差頻信號采集系統(tǒng)采用外置的ADC模塊和外置的SRAM存儲器，以及外加FPGA實(shí)現(xiàn)FIFO的方案相比，本文設(shè)計(jì)的差頻信號采集模塊結(jié)構(gòu)簡單，成本較低，可靠性更高。

2.3 串口通信模塊

設(shè)計(jì)通過C8051F120的通用異步收發(fā)傳感器(UART)連接TRSF3221E，實(shí)現(xiàn)TTL電平到RS—232電平的轉(zhuǎn)換。只需連接發(fā)送信號線、接收信號線和地線即可實(shí)現(xiàn)全雙工通信，硬件電路如圖6所示。

圖6 RS—232電平轉(zhuǎn)換電路

3 系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)的LFMCW雷達(dá)差頻信號采集系統(tǒng)的有效性，對調(diào)制信號源、差頻信號濾波電路進(jìn)行了測試實(shí)驗(yàn)。

3.1 調(diào)制信號源實(shí)測實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置為：采樣速率為80 kHz；存儲波形為VCO經(jīng)過非線性校正后的512點(diǎn)鋸齒波；調(diào)制信號電壓在1.20～2.46 V，峰—峰值電壓為1.26 V,頻率為250 Hz。圖7給出了該參數(shù)下調(diào)制信號在示波器上的波形。

圖7 調(diào)制信號實(shí)測波形

3.2 差頻信號采集實(shí)驗(yàn)

采用上述實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生的調(diào)制信號驅(qū)動前端雷達(dá)傳感器，產(chǎn)生的差頻信號經(jīng)過濾波放大，AD采樣，由串口傳輸?shù)缴衔粰C(jī)。實(shí)驗(yàn)參數(shù)為：測量距離2.8 m；調(diào)制信號頻率250 Hz；調(diào)頻帶寬465 MHz。采集得到濾波前的差頻信號波形及頻譜如圖8所示。濾波后的差頻信號波形及頻譜如圖9所示。

圖8 濾波前的差頻信號及頻譜

圖9 濾波后的差頻信號及頻譜

由圖8可以看出，由于沒有經(jīng)過任何信號調(diào)理，雷達(dá)差頻信號在低頻部分有明顯的鋸齒波調(diào)幅干擾，同時有大量高頻噪聲，難以直接從差頻信號中提取有用信息。

由圖9可以看出：經(jīng)過濾波放大處理后，調(diào)制信號干擾、高頻噪聲基本消除，差頻信號較為純凈，規(guī)則區(qū)、非規(guī)則區(qū)明顯，后期算法研究，提取有用信息幾乎無干擾影響。但同時也可以看到，通帶內(nèi)信號能量也有一定衰減。

4 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了基于C8051F120的LFMCW雷達(dá)差頻信號采集系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用直接數(shù)字頻率合成的方法，產(chǎn)生經(jīng)過非線性校正后的調(diào)制信號，驅(qū)動某國產(chǎn)新型24 GHz LFMCW雷達(dá)傳感器。針對雷達(dá)傳感器輸出差頻信號的特點(diǎn)，搭建了二階有源巴特沃斯帶通濾波器進(jìn)行濾波處理，為后期從差頻信號中提取尺寸、形狀、方向、距離和速度等信息提供了高質(zhì)量的原始信號支持。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證：系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，成本較低，實(shí)用性較強(qiáng)，極大地方便了雷達(dá)信號處理算法研究與二次儀表軟件開發(fā)。

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Design of beat signal acquisition system for LFMCW radar*

WANG Si-dun, TU Ya-qing, MOU Ze-long, YAN Long-ji, LIU Peng

(Department of Logistics Information & Logistics Engineering,Logistical Engineering University,Chongqing 401311,China)

Beat signal acquisition system is one of the core components of linear frequency modulated continuous wave(LFMCW)radar.A LFMCW radar beat signal acquisition system based on C8051F120 is designed and implemented for a new LFMCW radar sensor,which includes modulation signal generation module,beat signal acquisition module and serial communication module.It can complete the functions such as the generation of non-linear correction of the sawtooth wave modulation signal;radar beat signal acquisition and build a second-order active bandpass filter for amplification;sending beat signal to the host computer and so on.The experimental results verify the effectiveness of the LFMCW radar beat signal acquisition system.

linear frequency modulated continuous wave(LFMCW)radar; beat signal; acquisition system; C8051F120

10.13873/J.1000—9787(2017)07—0093—03

2017—05—08

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(61271449，61302175)；重慶市自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(CSTC2015JCYJBX0017)；重慶市首批百名學(xué)術(shù)學(xué)科領(lǐng)軍人才專項(xiàng)項(xiàng)目(渝教人2012—44號)

TP 274

A

1000—9787(2017)07—0093—03

王斯盾(1993-)，男，碩士研究生，研究方向?yàn)橹悄軝z測與智能控制，E—mail:danube.live@qq.com。