微型雷達在電子信息類人才培養中的應用

周劍雄 石志廣 李昊潤 付 強

(國防科技大學 電子科學學院， 長沙 410000)

實踐教學可以激發學生的學習興趣、鍛煉動手能力、推動團隊合作，契合“新工科”的人才培養理念[1-2]。雷達通過發射電磁波對遙遠的目標進行探測和跟蹤，是維護國家安全的重要裝備，也是電子信息工程、電磁場與無線技術等專業的一個重要應用方向[3]。傳統的雷達設備功率高、體積大、操作復雜，學生只能從書本中學習相關的知識或通過計算機仿真軟件進行模擬操作，很難獲得親身動手實踐的機會。

隨著半導體技術的發展，天線、射頻電路、信號處理器的集成度不斷提高，微小型雷達在醫療、交通、安全等領域展現出巨大的應用前景。近年來，市場上出現了若干基于射頻集成電路的微型雷達貨架產品。微型雷達功率小、重量輕、系統集成度高、性能穩定，部分產品還提供了二次開發的接口。筆者所在的課題組從2018年起將微型雷達用于不同層次的教學實踐，在激發學生的學習興趣、培養工程素養、提高動手能力、支持創新研究等方面都取得了較好的效果。

1 貨架式微型雷達產品

傳統的雷達裝備主要用于探測遠距離目標，作用距離達到幾十甚至上千公里，由發射機、天線、接收機、信號處理機等設備組成，功率高且體積大。隨著半導體技術的發展，射頻電路尤其是毫米波頻段射頻電路的集成度越來越高，目前在邊長為幾個毫米的芯片上，就可以集成發射機和接收機，在印刷電路板上再配上天線和信號處理芯片，便形成一個完整的微型雷達系統，總尺寸也不過幾個平方厘米[4]。微型雷達功率低，作用距離近，一般用于探測100 m以內的目標。雖然作用距離近，但它仍然具有能全天候工作、能穿透煙霧、非接觸測量、能精確測量目標的距離和速度等功能優勢。在民用市場需求的推動下，毫米波集成芯片發展迅速，價格不斷下降，為普及應用提供了條件。

由于價格低、功率小，微型雷達又是多通道的寬帶全相參系統，其信號處理過程全面覆蓋了現代雷達時、頻、空域的基本處理步驟，因此大受歡迎。表1列出了幾種貨架式微型雷達產品的主要參數，圖1給出了若干產品的實物圖。

表1 幾種貨架式微型雷達產品的主要參數

(a)IWR1443

(b)BGT24LTR11

(c)BGT24MTR22

(d)DEMORAD24G圖1 幾種微型雷達評估板實物圖

2 微型雷達在人才培養中的應用

2.1 低年級本科生體驗式教學

雷達感知環境的方式與人感知環境的方式完全不同。人眼是可見光波段的傳感器，空間分辨力高，但對距離和速度等縱深信息的判斷能力相對較低；而雷達的空間分辨力較低，但距離和速度的測量精度非常高。因此雷達“圖像”是與光學圖像含義不同的距離-速度二維圖像。圖2給出了同一道路場景的光學圖像和距離-速度雷達圖像，此時不經過進一步的處理很難把兩種場景下的目標對應起來。

圖2 同一道路場景光學圖像和距離-速度二維雷達圖像

正是由于雷達圖像的特殊性，剛入門的學生很難建立起對雷達圖像的基本認識。如何讓學生們直觀地理解雷達圖像是電子信息導論類課程的一個教學難點。而微型雷達則為解決這一問題提供了途徑。讓學生分成小組親自操作微型雷達，在各種場景下進行實地測量，可以反復對比自己觀察到的場景和雷達輸出的圖像，逐漸建立起目標的雷達反射、距離-多普勒測量等基本概念。

我們在為電子信息類大一新生開設的“電子信息導論”課中，就將微型雷達體驗做為一個實踐選題，3～5名學員一組操作一部Infineon公司的Distance2Go-24 GHz微型雷達。該雷達通過USB線與筆記本電腦相連實現供電和數據傳送，在電腦上安裝相應的軟件就可以設置和修改雷達參數、直觀認識雷達圖像。我們還通過設置若干探索性學習主題，讓學生們自己設計實驗方案，通過實際操作尋找答案。例如：對典型目標(如小轎車)的探測距離、速度測量范圍是多少，測量精度如何；調整雷達參數是否影響以上指標的結果，影響的規律如何，等等。提出這些問題，一方面使學生們超越直觀認識，進入定量評價和規律探索的階段，培養工程素養；另一方面激發起學生們探究原因的興趣，為后續深入的專業學習埋下伏筆。

2.2 高年級本科生專業課實踐

“雷達原理”是電子信息類相關專業的一門專業課，為雷達、電子對抗等方向的學生開設，開課時間為大三下學期或大四上學期。將微型雷達引入“雷達原理”課程的教學實踐，不但可以幫助學生們更好地認識雷達尤其是全相參數字陣列雷達的工作原理和工作過程，還為學生們掌握和運用雷達信號處理方法提供了實踐平臺。

微型雷達雖然功率小價格低，但采用了非常先進的全相參數字陣列雷達體制。在距離測量方面，它的信號帶寬大，測距精度非常高。例如TI公司的IWR1443雷達評估板最高帶寬可以達到4 GHz，距離測量精度約為4 cm。在速度測量方面，微型雷達相參性也非常好，可以在長達數秒的時間內進行相參積累，測速精度非常高，并且具有雜波對消、動目標指示的能力；在角度測量方面，微型雷達具有多個發射或接收天線，采用獨立的接收通道，是典型的數字陣列雷達，能支持自適應波束形成處理。因此，將微型雷達引入“雷達原理”課程教學實踐，不僅可以通過一個簡化的系統演示雷達的基本工作原理，還由于這個系統在很多方面都采用了最先進的技術，學生們在了解原理的同時，還能體驗到前沿技術的先進效果。

雷達進行距離測量、速度測量、角度測量的原理和方法是“雷達原理”課程的一個教學重點和難點。一方面，這部分內容理論性較強，涉及很多公式推導；另一方面，這部分內容對學生的實踐能力也有要求，學員們不但要理解測量原理，還要能夠將測量算法編程實現。因此，傳統的教學手段除了理論學習，教師往往還會提供一些雷達原始回波數據，讓學生編程完成目標的距離、速度、角度估計。微型雷達的出現，提供了讓學生自主獲取原始回波數據的新途徑。例如Distance2Go雷達板本身具有數據集采模塊，可以通過USB線將數據實時傳輸給電腦，學生們分成小組，自主選擇目標進行測量并錄取數據，編程估計目標的距離、速度、角度信息。在這個過程中，學生的參與程度大，可以控制的條件多，例如可以在同一參數下反復測量評估測量精度，在不同參數下反復測量研究影響性能的參數，并將實驗結果與理論知識進行對比驗證。這樣的實踐性學習不但能調動學習興趣，鍛煉動手能力，還能加深對知識的理解和運用，提升理論課的教學效果。

2.3 研究生創新性研究支撐平臺

由于微型雷達采用了先進的工作體制，能支持復雜的信號處理方法，因此，它不僅能用于本科生的基礎學習，還能為研究生開展創新性工作提供平臺支持。在我們目前的教學實踐中，微型雷達在研究生培養中的應用主要體現在以下兩個方面：

(1)利用微型雷達的能力，設計新的應用場景，通過參數、波形、信號處理方法和搭載平臺的創新，實現新的功能。在2019年的第14屆中國研究生電子設計競賽中，我校有多個基于微型雷達的作品參賽，其中不乏市場前景看好的新方案。例如采用微型陣列雷達+合成孔徑技術對室內場景三維成像，并對場景中的人進行姿態監控，初步的結果如圖3所示。學生們完成這些作品，不但要掌握微型雷達的原理和特點，還要將先進的技術與現有平臺能力相結合才能最后如愿。更重要的是，這樣的科技活動鍛煉了學生們運用新技術解決應用需求的思維習慣，符合創新驅動的時代對新型人才的要求。

圖3 研究生作品“基于多通道陣列雷達的跌倒檢測系統”處理結果

(2)利用微型雷達的全相參、大帶寬、多通道數據采集能力，將微型雷達作為試驗平臺，獲得前期研究需要的試驗數據。而一般雷達設備的專用性很強，形成產品后修改參數、增加接口都很困難，因此新的研究設想在提出之初，很難有實際的測量數據支撐，往往通過計算機仿真獲得數據作為研究的輸入。但仿真數據的場景一般比較簡單，在目標與環境相互作用、傳輸和處理環節引入的誤差等方面體現不充分，在此基礎上開發的算法應用于實際系統很可能還要做大的修正。而微型雷達具有很好的通用性，參數修改靈活方便，例如表1中給出幾款雷達的帶寬、重頻、脈寬、幀周期、幀內脈沖數等都可以通過GUI界面設置，IWR1443雷達板還可以設置脈間捷變參數、通道補償參數等等，靈活度更高。將微型雷達作為試驗平臺，可以在設計參數下獲得測量數據，為算法驗證提供保真度更高的試驗途徑。

3 結語

微型雷達“麻雀雖小五臟俱全”，雖然價格低、功率小，但體制先進、功能完備、使用方便靈活，這些特點使它成為電子信息類相關專業實踐性教學的新平臺，可以應用于本科至研究生各個不同階段的人才培養。借助微型雷達開展團隊式學習、實踐性學習、探究式學習，符合新工科人才培養的要求，收到了很好的教學效果。在后續工作中，需要進一步拓展應用場景，創新與工業界的合作模式，加強嵌入式系統的開發，更好地服務于培養實踐能力強、創新能力強、具備國際競爭力的高素質復合型新工科人才。