一種K波段FMCW測距雷達設計

韓俊輝 周浩 郝邵杰 葛新靈

摘要：針對無人機避障和測高需求，設計了一種K波段FMCW測距雷達。雷達采用高集成度的24GHz頻段雷達芯片設計方案，實現測距雷達的低成本、低功耗以及小型化設計。針對VCO輸出頻率與調諧電壓的非線性問題，進行了VCO線性校正。采用FPGA+ADC的采集電路設計方案實現數據采集、綜合控制以及信號處理功能，實現了測距雷達對目標物距離和速度等信息的提取。實驗結果表明該雷達測量范圍和測量精度符合設計指標，且運行穩定可靠，滿足使用要求。

關鍵詞：線性調頻連續波;測距雷達;信號處理;VCO非線性校正

1 引言

毫米波雷達探測具有全天時、全天候以及抗干擾能力強的特點，大量使用在軍事目標的探測。隨著電子技術發展，特別是單片微波集成電路（MMIC）的迅速發展，毫米波雷達向小體積、輕重量和低成本方向發展，使得毫米波雷達逐漸在工業和民用領域中廣泛使用[1]。其中調頻連續波（FMCW）雷達具有高靈敏度、高距離分辨率、高可靠性和體積小的優勢，近年來在汽車防撞、智能駕駛、智能交通以及無人機避障等領域發展迅速，成為當前研究的重點和熱點[2-5]。

當下無人飛行器的研究與應用方興未艾，如無人機避障，無人機農作物噴藥，無人機電力傳輸線巡檢等均需要對障礙物或目標物進行探測。常用的探測方式包括激光探測、可見光探測、紅外探測和毫米波探測等，可見光探測和紅外探測對環境比較敏感抗高干擾能力較差，激光探測則體積較大而難以搭載，毫米波探測以其全天時、全天候以及抗干擾能力強的優點成為無人機目標探測的上佳選擇[6-7]。本文針對某無人機避障和測高的應用需求，開發設計一種K波段FMCW測距雷達。文中給出了雷達系統的整體設計方案，詳細介紹了射頻部分電路設計，VCO線性校正和數字信號處理的流程，并對該雷達系統進行了測試。

2 FMCW測距雷達工作原理

FMCM雷達工作的基本原理是：雷達產生一系列連續調頻連續波，通過天線向外輻射;接收端接收目標反射回來的信號并與發射信號進行混頻，根據混頻后信號的頻率來實現對目標距離和速度的測量。常用的調制信號波形有正弦波、三角波和鋸齒波[1]。本文FMCW測距雷達系統的調制信號為三角波。

如圖1（a）所示，FMCW雷達發射信號和接收信號的瞬時頻率與時間的變化的波形為三角波，實線表示雷達發射信號瞬時頻率與時間的關系，虛線表示回波信號瞬時頻率與時間的關系，頻率變化范圍為ΔF，調制周期為T。反射信號和發射信號形狀相同，只是在時間上有一個延遲，兩者混頻產生中頻信號IF，如圖1（b）所示。設待測目標距離為R，電波速度為c，則被測目標距離的計算公式為：

由公式（1）可知，在頻率變化范圍ΔF和調制周期T確定的情況下，目標距離R僅跟中頻信號IF有關，得到IF即可得到目標的距離信息。

3 FMCW測距雷達設計

3.1 系統方案設計

本文設計開發的測距雷達主要應用于無人機的避障和測高，由于無人機載重和續航的要求，該雷達系統必須要求低功耗和小型化。同時相對于目前常用的紅外測距或可見光測距，成本上也需要具有一定的競爭力?；诶走_系統低成本、低功耗和小型化的設計要求，本文采用零中頻接收機的設計思路，直接將接收信號與發射信號同頻的本振信號進行混頻，得到中頻信號。相對于超外差接收機，減少了大量的混頻、本振源以及濾波器等電路，結構更為簡潔，具有小體積、輕重量、低功耗和低成本等優勢。

雷達系統整體設計方案如圖2所示，FPGA實現雷達系統的信號處理和控制;DAC實現調制信號產生;BGT24MTR11實現調制信號的產生，信號發射、信號接收和混頻，產生兩路正交的I、Q基帶信號;天線實現信號的發射和接收;中頻信號經過帶通濾波和放大，采用ADC進行中頻信號的采集。此外，EPROM實現系統數據存儲功能，交互接口實現雷達系統數據交互，電源實現系統的供電。

3.2 射頻部分電路設計

雷達射頻前端選用英飛凌公司的24GHz單芯片雷達收發器BGT24MTR11。如圖3所示，它將低相位噪聲的壓控振蕩器、分頻器、差分正交混頻器、單端射頻、低噪聲放大器以及溫度傳感器等集成到單片芯片，采用業界標準的QFN封裝，大大減少外部匹配組件和射頻傳輸鏈路所占用的空間，可滿足系統小型化、低功耗和低成本的設計要求[8]。

由圖3可以看出，BGT24MTR11內部集成的VCO，并由FINE和COARSE兩個調諧管腳控制，可產生24GHz-26GHz的射頻信號。射頻信號經過器件內部的放大器功率放大，以差分的形式進行輸出，輸出功率最高可達15dBm。輸入的射頻信號經內部的LNA放大后進入差分正交混頻器，與VCO產生的信號進行混頻，獲得兩路正交的中頻信號，且兩路中頻信號都是差分輸出。FPGA可通過SPI接口控制BGT24MTR11內部16位寄存器，實現內部LNA、放大器、分頻器等模塊的控制，使用靈活。

由于BGT24MTR11射頻輸出為差分信號，為了便于天線發射，需要將差分信號轉換為單端信號，本文采用合路器將兩路差分信號合成一路進行輸出，同時由于差分信號中兩路信號是正交的，在其中一路利用微帶線調整相位后再進行功率合成，如圖4所示。

其中，合路器的仿真結果為：在24GHz頻點時，S21和S31均在-3.08dB，S11在-21.8dB，S22在-27.1dB，且在雷達使用頻率范圍內（24GHz～25.5GHz）均滿足系統的使用要求。

3.3 VCO調制曲線校正

采用DAC生成壓控振蕩器的調諧電壓的設計方案，電路實現簡潔，數字直接合成調諧電壓，控制靈活快捷。但由于VCO內部變容二極管固有的非線性，使得VCO的調諧電壓和輸出頻率并不是線性關系[9]。圖5為BGT24MTR11內置VCO輸出頻率與調諧電壓的曲線圖[8]，隨著調諧電壓線性變化VCO輸出頻率并不是線性增加的。參考圖1和公式（1），當發射信號和接收信號非線性時，最終得到中頻信號準確度會變差，進而影響FMCW雷達測距結果的準確度。

常用的VCO線性校正方法包括開環校正法、閉環和軟件校正法。其中閉環校正需要采用鎖相環的思路設計新的測試電路，軟件校正方法校正精度不高，而開環校正法可以直接采用本文設計的雷達系統硬件進行[9]，所以采用開環校正法進行VCO的線性校正。

本文VCO線性校正系統由計算機、測距雷達和頻譜儀組成，系統校正過程如下：1）如圖2，FPGA控制DAC產生線性三角波形的調諧電壓，通過頻譜儀測試雷達系統的發射信號的頻率值，計算機實現整個系統的測試控制，最終得到BGT24MTR11內部VCO的頻率和調諧電壓變化的特征曲線。2）為提高系統測試的精度，在DAC位數滿足的情況下，盡可能增加測試點數;同時采用多次測量求取平均值的方式，減少測試的誤差。3）根據雷達系統調頻的范圍和斜率，在測試數據中挑選相應的數據存放至雷達系統存儲器中，并通過FGPA控制DAC進行播放。利用圖7系統繼續進行測試校正，往復循環直至得到線性的調制波形。

校正后結果如圖6所示。針對VCO不同頻率下調諧電壓和輸出頻率特性的不同，可利用上述方法測試不同溫度下的電壓-頻率數據。

3.4 數字信號處理流程

本文雷達系統數字信號處理基于FPGA實現，主要包括綜合控制、信號采集、數字信號處理、交互接口通信等四部分。雷達系統整體流程如圖7所示：系統上電后，進行系統硬件的初始化和系統自檢。自檢無異常后，系統開始進行工作，FPGA控制DAC實現VCO三角調制波控制電壓的產生。為防止近距離目標時，大的反射信號使低噪聲放大器或中頻放大器過載而影響測量結果，FPGA根據檢測到的信號幅度進行通道的自動增益控制，以實現系統性能最優。之后，FPGA通過ADC實現中頻信號的采集，將模擬的中頻信號數字化，方便后續的數字信號處理。中頻信號經量化后，再進行數字濾波和數據加窗處理，之后進行FFT得到中頻信號的頻域信息。為保證系統在雜波邊緣環境中獲得較好的控制虛警性能，采用GO-CFAR處理算法進行恒虛警檢測[10]。最后得到目標的距離信息，并通過交互接口將目標信息上傳。

4 雷達系統測試

為驗證雷達系統性能，在暗室環境下搭建測試系統進行驗證。測試結果如圖8所示，測試目標對應的中頻頻率為61.04KHz。雷達掃頻帶寬為100MHz，掃描周期為200μs，根據公式（1）可計算出測試目標的距離為9.156m。

為驗證雷達系統在復雜環境下的測試效果和性能，本文在室外環境進了測試。測試結果如圖9所示，幅度最大的441.9KHz信號為被測目標1對應的中頻信號，根據公式（1）可計算出被測目標距離為66.285m，頻點693.4KHz為被測目標2對應的中頻信號，根據公式（1）可計算出被測目標距離為104.01m，利用激光測距儀測試被測目標1的距離約66m，被測目標2的距離約103m。圖中其他頻點則對應了環境中其他物體的反射信號。根據對比測試結果，設計的測距雷達到設計要求。

5 結論

本文針對無人機避障和測高應用需求，設計開發了一種k波段FMCW測距雷達。該雷達具有探測距離遠，探測精度高，體積小，功耗低的特點，具有較好的工程應用價值。由于本系統只采用了單斜率的三角波的調制波形，在運動過程中的多目標探測，存在多普勒模糊問題。后續在實際應用中，還需要考慮選擇合適調頻序列來滿足多目標的探測需求。

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（中國電子科技集團公司第41研究所，山東 青島 266555）