FMCW雷達水位計設計

逯繼業(yè)，武利生，趙達森

（太原理工大學 機械工程學院，山西 太原 030024）

1 引言

水位測量是水文防測工作中的重要內(nèi)容，與傳統(tǒng)接觸式測量及超聲波測量相比，利用雷達水位計測量水位具有測量精度高、維護方便等優(yōu)點，目前國內(nèi)部分水文站已引進國外生產(chǎn)的脈沖型雷達水位計，脈沖型雷達水位計價格昂貴均在十萬以上，而FMCW雷達水位計仍處于研究階段[1]。設計了一款FMCW雷達水位計，并搭建實驗平臺進行了實驗測量，測量結果滿足水位計的實時測量及精度要求。

2 雷達傳感器工作原理

FMCW雷達傳感器大同小異，調(diào)制信號控制壓控振蕩器（VCO）產(chǎn)生調(diào)頻信號，調(diào)頻信號作用于發(fā)射天線發(fā)射調(diào)頻雷達波，雷達波傳遞至測量目標后反射形成雷達回波，雷達回波由雷達傳感器接收天線接收，雷達回波與發(fā)射波經(jīng)過混頻器產(chǎn)生混頻信號，混頻信號經(jīng)過濾波放大后輸出差頻信號。

設計采用鋸齒波調(diào)制信號，差頻信號頻率與測量距離成正比，測量差頻信號頻率可間接測量距離，測量距離可表示為[2]：

式中：R—測量距離；c0—光速；B—調(diào)頻帶寬；T—調(diào)制信號周期；fd—差頻信號頻率。

選用德國Innosent的IVS-179雷達傳感器，工作電壓為5V，調(diào)制電壓范圍為（0～10）V，調(diào)制斜率為50MHz/V，發(fā)射頻率為（24～24．250）GHz，IVS-179 采用收發(fā)天線分離結構，方向樣式為 7×28°。

3 水位計硬件組成及工作過程

水位計硬件由雷達傳感器、DSP核心電路、供電模塊、波形發(fā)生器、信號處理模塊、溫度模塊及串口通訊模塊幾部分組成，水位計硬件組成，如圖1所示。其中虛線箭頭為供電走向，實線箭頭為信號/數(shù)據(jù)走向。工作過程結合圖1簡要描述為：DSP通過控制波形發(fā)生器向雷達傳感器發(fā)送調(diào)制信號，調(diào)制信號作用于雷達傳感器，雷達傳感器發(fā)波、收波、混頻及濾波放大處理后輸出差頻信號，差頻信號經(jīng)過信號處理后進行模擬數(shù)字采樣，使用鑒頻算法計算差頻頻率并換算成距離，距離數(shù)據(jù)經(jīng)過矯正后，通過串口通訊模塊上傳至上位機顯示并存儲。

圖1 水位計硬件組成Fig．1 Level Meter Hardware

3.1 DSP核心電路

DSP核心電路是DSP運行的基礎電路，選擇TMS320F28335作為DSP核心芯片[3]，它是32位浮點DSP，主頻工作在150MHz，具有串行外設接口（SPI）及串行通信接口（SCI），同時內(nèi)部集成16通道12位精度的AD模塊，內(nèi)部存儲具有34K的SRAM及256K的FLASH。DSP核心電路由DSP電源模塊、時鐘電路、復位電路及JTAG模塊組成，另外為了滿足數(shù)據(jù)存儲及算法運行需求，擴展了256K的SRAM，存儲空間映射到DSP的Zone6區(qū)域。

3.2 供電模塊

供電模塊一方面為DSP核心電路供電，另一方面為雷達傳感器、波形發(fā)生器等供電，為了兼容工業(yè)12/24V直流電源，設計了兩級分離電壓轉換電路。第一級使用TPS5410芯片將輸入（10～30）V直流電源轉換為約9V電壓，最大電流為1A；第二級使用兩個線性調(diào)壓芯片LM1117-5．0得到兩路5V電壓，最大電流為800mA。

3.3 波形發(fā)生器

波形發(fā)生器為雷達傳感器提供調(diào)制信號以發(fā)射調(diào)頻雷達波，設計波形發(fā)生器的輸出電壓范圍為（0～5）V，選擇DAC8831作為波形發(fā)生器的主要元件，DAC8831是16位高精度的單通道模數(shù)轉換器，具有低功耗、低噪聲、高線性度的優(yōu)點，最快建立時間為1us，DAC8831具有最快可達50MHz的SPI，從而方便與DSP通訊。波形發(fā)生器硬件電路，如圖2所示。在DAC8831輸出端增加緩沖放大器以匹配雷達傳感器輸入阻抗，從而增強抗干擾能力、減小信號失真。

設計中選擇100Hz鋸齒波作為調(diào)制信號，鋸齒波波形由函數(shù)生成經(jīng)過調(diào)頻線性矯正[4]后保存至DSP內(nèi)部FLASH中，DSP運行時將波形數(shù)組讀取至RAM中，通過SPI將波形數(shù)據(jù)逐個發(fā)送至DAC8831，DAC8831接收數(shù)據(jù)使能后即可建立調(diào)制電壓波形。

圖2 波形發(fā)生器硬件電路Fig．2 Waveform Generator Hardware Circuit

3.4 信號處理模塊

雷達傳感器中壓控振蕩器（VCO）的非理想性[5]導致原始差頻信號中伴有調(diào)制泄漏信號，調(diào)制泄漏信號嚴重影響了差頻信號的后續(xù)處理及測量，而且隨著距離的增加差頻信號強度明顯減弱，因此設計高通濾波可編程放大電路以解決調(diào)制信號泄漏及信號強度問題。

采用多路負反饋（MFB）結構設計高通濾波器[6]，它具有良好的溫度穩(wěn)定特性及較低的輸出阻抗的優(yōu)點，鑒于采用100Hz的鋸齒波作為調(diào)制信號，現(xiàn)設計轉折頻率為1kHz、放大倍數(shù)為1的高通濾波器。選用AD8532作為運算放大器，其采用單電源+5V供電，為了兼容后續(xù)信號放大及采集須在AD8532的正相輸入端加入偏置電壓，考慮到DSP內(nèi)部AD模塊量程為（0～3）V，偏置電壓選擇為1．5V?？删幊谭糯箅娐愤x用可編程增益放大器（PGA）MCP6S21，MCP6S21最大放大倍數(shù)為31，DSP不斷檢測輸入信號的幅值，根據(jù)信號閥值確定放大倍數(shù)，通過SPI控制MCP6S21從而使采集的信號盡量布滿量程范圍。如圖3所示。偏置電壓可采用電阻分壓得到，并使用運算放大器隔離，分壓電路與MFB濾波電路及可編程放大電路共同組成了有源濾波放大偏置電路。

距離約為5m的時采集到的原始差頻信號、濾波后的信號及放大4倍后的信號，波形顯示濾波效果良好，信號放大無明顯失真，如圖4所示。同時可以觀察到，差頻信號隨調(diào)制信號周期變化且在周期過渡處不平穩(wěn)，因此僅能采用單個周期的部分區(qū)間信號以計算差頻信號頻率。在MATLAB建立濾波器傳遞函數(shù)模型，根據(jù)階躍響應曲線，以0．01的穩(wěn)定度計算得到圖3中設計的濾波器穩(wěn)定時間為（0．96×10-3），約為調(diào)制周期的 1/10，因此初步確定調(diào)制周期后90%為有效信號區(qū)間。

圖3 有源濾波放大偏置電路原理圖Fig．3 Active Filter Amplifier Bias Circuit Principle Diagram

圖4 濾波及放大效果Fig．4 Filtering and Amplification Effect

3.5 其他模塊

考慮溫度影響雷達傳感器調(diào)制斜率及部分元器件的工作性能，需要在不同溫度下對水位計的系統(tǒng)參數(shù)進行標定，實際測量時從FLASH中讀取以矯正，選擇電壓輸出型溫度芯片TMP36，TMP36在25℃時輸出電壓為750mV，溫度電壓斜率為10mV/℃，溫度誤差在1℃以內(nèi)，TMP36輸出模擬電壓供AD采集，換算后得到溫度值。通訊模塊將SCI的TTL轉為串口，通過串口即可與其他串口設備連接，達到數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪康?，設計采用MAX3232芯片，僅需四個0.1μf電容即可實現(xiàn)最高速度為1Mbps的通訊功能。

4 水位計軟件設計

4.1 軟件工作流程

軟件工作流程可分為主程序、定時器中斷及通訊中斷三部分，其工作流程分別，如圖5、圖6、圖7所示。

圖5 主程序流程圖Fig.5 Main Program Flow Chart

圖6 定時器中斷流程圖Fig.6 The Flow Chart of The Timer Interrupt

圖7 通訊中斷流程圖Fig.7 Communication Interrupt Flow Chart

主程序主要實現(xiàn)代碼移植、設置初始化、參數(shù)初始化及距離計算等功能。水位計設計時將運行代碼固化于DSP內(nèi)部FLASH中，運行時將代碼移植至RAM中以提高運行速度[7]；將調(diào)頻線性矯正后的鋸齒波形及溫度矯正系數(shù)從FLASH中讀取到RAM中，以便直接調(diào)用；將距離計算算法中重復計算的部分（算法因子）提前生成，從而節(jié)省計算量，算法因子包括窗函數(shù)數(shù)組及FFT蝶形因子等，基于此，設計時擴展了256K外部SRAM滿足以上需求；定時器中斷觸發(fā)采樣得到一定數(shù)量的信號時，計算使能位置1，完成一次距離計算并保存。

定時器中斷實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集及波形發(fā)生功能，采用定時器觸發(fā)ADC采樣的方式，采樣完成后執(zhí)行ADC采樣中斷程序，波形發(fā)生在ADC采樣中斷中執(zhí)行具有時序穩(wěn)定及方便有效區(qū)間提取的優(yōu)點，另外SPI從機使能端采用不同的PWM口以實現(xiàn)波形發(fā)生與可編程放大器共用SPI，DSP分析采集信號的幅度從而確定可編程放大器的放大倍數(shù)。設置采樣頻率為120kHz，調(diào)制周期為100Hz，單個調(diào)制周期采樣點數(shù)為1200點，則鋸齒波波形點數(shù)設計為1200點，采樣得到需要點數(shù)的數(shù)據(jù)后停止采樣，將計算使能位置1，主程序進行距離計算。

通訊中斷實現(xiàn)數(shù)據(jù)上傳及參數(shù)修改功能。設計采用16位FIFO通訊模式，將上位機發(fā)送的指令根據(jù)自定義通訊格式進行解釋，運行參數(shù)包括通訊參數(shù)、調(diào)制頻率、采集點數(shù)等，修改運行參數(shù)需要對應模塊重新初始化，F(xiàn)LASH參數(shù)包括鋸齒波波形數(shù)據(jù)、溫度矯正參數(shù)等，修改FLASH參數(shù)后需要加載新數(shù)據(jù)至RAM中，水位測量正常工作時，上位機發(fā)送讀取距離指令，水位計返回距離數(shù)據(jù)。

4.2 距離計算實現(xiàn)

距離計算首先使用鑒頻算法計算差頻信號頻率，然后根據(jù)式（1）計算出距離，再根據(jù)溫度矯正參數(shù)修正測量距離。在水文測量中，水位計測量精度要求為1cm以下，直接使用快速傅立葉變換（FFT）遠不能達到測量精度要求。

采用WIN_FFT_CZT算法提高差頻頻率估計分辨率，即是采用加窗（WINDOWING）、FFT與線性調(diào)頻 Z變換（CZT）的結合算法，F(xiàn)FT用來初步估計差頻信號的頻率，再使用CZT細分FFT主頻附近的頻率從而提高差頻信號的頻率分辨率，加窗用于抑制FFT及CZT的頻譜泄漏。其中，CZT算法可根據(jù)Bluestei等式分解、序列延長后通過線性卷積代替循環(huán)卷積的方法實現(xiàn)其快速算法[8]。

設置帶寬B為250MHz，調(diào)制周期為100Hz，單個調(diào)制周期采樣1200點提取1024點數(shù)據(jù)計算差頻，窗函數(shù)選擇為漢寧窗，F(xiàn)FT采用1024點，CZT細分采用1000倍，則理論距離分辨率為0.7mm，筆者采用C語言編寫WIN_FFT_CZT[9]算法并對計算過程進行了優(yōu)化，在TMS320F28335中單次運行時間約為58.5ms，則完成一次測流的時間為68.5ms，即每秒可完成14.6次測量，滿足水位計實時測量要求。

5 實驗室測量

5.1 水位計樣機及實驗平臺

水位計樣機及實驗平臺實物圖，如圖8所示。DSP核心板包含DSP核心電路，擴展板包含電源模塊、波形發(fā)生器、信號處理模塊等，水位計樣機尺寸為（105×85×40）mm，使用 12V 直流供電，測量數(shù)據(jù)通過串口轉USB設備上傳至計算機保存及顯示，絲杠裝置可調(diào)整水位計樣機與被測目標的距離，其距離調(diào)整精度可達0.025mm。

圖8 實物圖Fig.8 Real Figure

5.2 溫度矯正系數(shù)測定

雷達傳感器理想調(diào)諧斜率S為50MHz/V，調(diào)制電壓Vtune設置為5V，則理論帶寬B為250MHz，但實際中S及Vtune與設計值均有一定偏差，設計中將系統(tǒng)偏差量均歸于溫度矯正系數(shù)。實驗中利用絲杠裝置高精度距離調(diào)整的優(yōu)點，采用線性擬合法標定系統(tǒng)參數(shù)，實現(xiàn)方法為：利用步進等距離測量的數(shù)據(jù)根據(jù)式（1）計算得到距離值，采用線性擬合確定其斜率K，將斜率K與步進距離值L作比值即可得到溫度矯正因子Q。在溫度為18.2°的室內(nèi)進行測量實驗，采集到步進距離為5mm的50組數(shù)據(jù)，采用最小二乘法進行線性擬合后計算出斜率K為5.9683×10-3，則溫度矯正因子Q為1.1937，在溫度為20.5℃時測量溫度矯正因子為1.1949。

5.3 實驗數(shù)據(jù)

對某一距離進行100次測量的數(shù)據(jù)，如圖9（a）所示。結果顯示距離跳動約為3mm。以某一距離作為起始測量，如圖9（b）所示。步進5mm測量的50組實驗數(shù)據(jù)（取100次測量的平均值），對圖9（b）中測量數(shù)據(jù)進行線性擬合后的誤差，如圖9（c）所示。數(shù)據(jù)顯示線性度較好，但存在一定程度誤差，測量精度約為4mm。

圖9 實驗數(shù)據(jù)Fig.9 Experimental Data

6 結束語

采用IVS-179雷達傳感器、以TMS320F28335為核心設計了雷達水位計，水位計樣機在實驗室中單次測量時間約為68.5ms，測量精度約為4mm，滿足對水位的實時測量及精度要求[10]。水位計樣機尺寸較小、質量輕，當前正在設計水位計殼體以便安裝至水文站進行測試，由于河水測量環(huán)境多變，水位計需根據(jù)實際情況不斷改進完善。

［1］許笠，王延樂，華小軍.雷達水位計在水情監(jiān)測系統(tǒng)中的應用研究［J］.人民長江，2014，45（2）：74-77.（Xu Li，Wang Yan-le，Hua Xiao-jun.The application of radar level meter in hydrologic monitoring system［J］.The People of the Yangtze River，2014（2）：74-77.）

［2］梁宇強.FMCW雷達水位測量系統(tǒng)的設計［D］.太原：太原理工大學，2014.（Liang Yu-qiang.The design of FMCW radar level measurement system［D］.Taiyuan，Taiyuan University of Technology，2014.）

［3］張卿杰，徐友，左楠.手把手教你學 DSP-基于 TMS320F28335［M］.北京：北京航空航天大學出版社，2015：26-30.（Zhang Qing-jie，Xu You，Zuo Nan.Teach You Learn DSP-holding Based on TMS320F28335［M］.Beijing：Beijing University of Aeronautics and Astronautics Press，2015：26-30.）

［4］王旭東，潘明海，蔣曉紅.雷達目標模擬器LFM信號線性度校準研究［J］.儀器儀表學報，2011，32（10）：2388-2392.（Wang Xu-dong，Pan Ming-hai，Jiang Xiao-hong.The radar target simulator LFM signal linearity calibration study［J］.Journal of Instruments and Meters，2011，32（10）：2388-2392.）

［5］盛懷茂，李玉芳，夏冠群.FMCW毫米波雷達中頻濾波器的研究［J］.紅外與毫米波學報，2001，20（6）：472-476.（Cheng Huai-mao，Li Yu-fang，Xia Guan-qun.FMCW millimeter wave radar intermediate-frequency filter research［J］.Journal of Infrared and Millimeter Wave，2001，20（6）：472-476.）

［6］（美）Carter B，Mancini R.運算放大器權威指南［M］.姚劍清譯.北京：人民郵電出版社，2010：276.（Carter B，Mancini R.Operational Amplifier Authoritative Guide［M］.Yao Jian-qing Translation.Beijing：People’s Posts and Telecommunications Press，2010：276.）

［7］陳惠綱，黎驅.基于TMS320F28335的DSP/BIOS系統(tǒng)從FLASH到RAM運行［J］.現(xiàn)代電子技術，2015，38（2）：65-68.（Chen Hui-gang，Li Qu.The DSP/BIOS system based on TMS320F28335 from FLASH to RAM to run［J］.Journal of Modern Electronic Technology，2015，20（2）：65-68.）

［8］谷云高.一種基于Chirp Z變換的頻譜細化實現(xiàn)方案與仿真［J］.電視技術，2009，49（5）：93-95.（Gu Yun-gao.A detailed implementation scheme based on Chirp Z transform spectrum and simulation［J］.Journal of TV Technology，2009，49（5）：93-95.）

［9］RABINER L R，SCHAFER R W，RADE C M.The chirp z Transform［J］.IEEE Transactions on Audio and Electroac-oustics，1969，17（2）：86-92.

［10］宋景唯.線性度對線性調(diào)頻雷達距離分辨力的影響［J］.電子科技大學學報，1992，21（2）：121-126.（Song Jing-wei.The influence of linearity of linear frequency-modulated radar range resolution［J］.Journal of University of Electronic Science and Technology，1992，21（2）：121-126.）