低成本微型测距雷达设计

0 引言
    随着电子技术的飞速发展，雷达技术也得到了长足的进步。雷达是以军事目的发展起来的，在当今主基调为和平与发展的年代，雷达技术越来越多地向民用方面转移。像我国普遍用于交通方面的测速雷达，正在飞速发展的汽车防撞雷达等。随着成本的不断降低，雷达在民用方面的用途会越来越广泛。
    雷达进行测距，与激光测距相比，不受气候条件限制，距离远，精度高。本文将主要叙述微型测距雷达的原理及组成。
    微型测距雷达主要用于以下几个方面：
    (1)导弹和炮弹的微波引信；
    (2)汽车前视防撞雷达；
    (3)堆积物和小山头的高度测量；
    (4)高速公路及城市道路的机动车流量测量；
    (5)建筑行业的楼层测量；
    (6)罐装液面高度测量；
    (7)其他要求精确近距离测量的地方。

1 微型测距雷达的原理及组成
1．1 测距方法
    通常雷达测距的方法有三种：脉冲法测距；调频连续波法测距；相位法测距。常用的为前两种。脉冲法测距分辨率要达到距离精度1 m以下，脉冲宽度必须小于6．67 ns，即使当今脉冲雷达普遍采用脉冲压缩的情况下，精度要做到厘米级是相当困难的，何况是以增大接收机带宽，降低接收灵敏度为代价，电路上也难以实现。因而对于较精确的距离测量，一般都采用调频连续波测距的方法。
    调频连续波测距有三角波调制和正弦波调制两种，这里选择三角波调制。
    在三角波调制中，测距公式为：
   
式中：R为距离；c为光速；为三角波正向发射频率与接收频率之差，fb-为三角波负向发射频率与接收频率之差；f为三角波调制频率；△fm为受调制的发射频率最大频偏的二分之一。
    三角波调制频率的选择与距离分辨率有关。假如选择f=200 Hz，△fm=100 MHz，而此时测出的频率fbav为50 kHz，则可以计算出R≈ 93．750 0 m；如果测出的频率fbav=50．001 kHz，R=93．751 8 m，二者之差为1．8 mm，即每1 Hz代表1．8 mm的距离。提高调制频率f的值，分辨率还可以增加。假如f=1 000 Hz，其他参数不变，同样测出的频率fbav=50 kHz，R=18．750 O m；fbav=50．001 kHz，R=18．750 4 m，相差0．4 mm，每1 Hz代表O．4 mm的距离。
    如果是运动目标，根据测速公式：
   
    求出运动目标的速度。式中V为目标的径向速度，λ为发射微波的波长。当然，固定目标的fb+与fb-的值相等。
1．2 组成
    根据三角波调制的雷达原理，首先必须有一个微波头，微波头可在测速微波头的基础上，将体效应振荡器加一个变容管改为压控式振荡，直接混频。同时还需要一个三角波发生器。为了修正压控振荡器的非线性，使之频率线性变化，必须进行非线性修正。
    为了增强效果，可采用模拟滤波器组进行积累处理。当然也可以通过高速A／D采样后将模拟信号变为数字信号用DSP进行数字信号处理，不过成本较高。
    和工控机、PC104模块相比，采用单片机控制电路比较简单，且成本较低，由于没有复杂的运算，速度完全能够满足要求。
    这个设计功耗较小，用电池就可满足电源供给要求。
    微型测距雷达的组成框图如图1所示。

1．3 工作原理
    三角波调制频率选200 Hz，D／A选择12位，ROM为16位数据输出，12位数据作为D／A的输入；一位作为三角波正斜率和负斜率变化时的脉冲输出，正斜率为“1”，负斜率为“0”；另一位作为一个三角波周期间的过零信号，送单片机的中断INT0，当三角波正负斜率变化时，输出脉冲信号。单片机产生过零中断后，判断正负信号，为“1”，得到的是fb+；为“O”，得到的是fb-。
    雷达工作时，单片机控制窄带滤波器不断的进行扫描，当某一个滤波器有信号时，由可重触发单稳态电路组成的信号检测电路输出由“0”变为“1”，单片机根据输出的窄带滤波器获得带内频率，判断出精度不太高的距离范围，利用放大整形输出进行计数或测量脉冲的周期，获得足够精确的频率值，即为准确距离。根据公式计算出R和V送显示器予以显示，或通过RS 232串口送上一级的计算机系统。[!--empirenews.page--]

2 各部分的组成
2．1 微波头
    微波头包括喇叭天线、体效应振荡器、环行器、混频器。体效应振荡器产生发射微波，喇叭天线作为微波对外收发之用，环行器将收发进行隔离，混频器取出发射频率和接收频率的差值。微波头国外常用的有24 GHz，35 GHz和77 GHz，可采用Wisewave公司的产品。其功率输出为+10 dBm，频偏DC为100 MHz，波束宽度120，园极化。
2．2 三角波发生器
    三角波发生器采用数字形成。D／A为12位，要产生200 Hz的调制频率，则振荡器约为0．819 2 MHz。考虑到一般晶体的频率为MHz量级，地址产生器为一个13位的计数器，选用74HC4040，计数器不用最低位，那么振荡器的频率为200 Hz×212×2=1．638 4 MHz，可以用TTL门电路作振荡器，这个设计用的是74HC04。
    波形存储选用E2PROM芯片AT28C64，晶体选用1．683 4MHz。最重要的一点是必须测出微波头的非线性曲线，以便在非线性修正ROM中装入修正数据，简化起见，可以在波形存储ROM中烧制修正数据，无须再加专用的非线性修正电路。
2．3 窄带滤波器
    模拟器件的发展与集成为小型化提供了充分的条件，像松下公司的MN6515，仅为8脚，其带通滤波器的中心频率f0可由外加的时钟频率fcp控制，其比值fcp／f0约为15．7。只要改变fcp的值，带通滤波器的中心频率就会在O～32 kHz范围内移动，非常方便，可采用图2方式进行控制。

    另外还有一种窄带滤波器MAXIM的MAX262，由编码输入控制f0和Q的值，共有64阶滤波器，128级Q值控制。同时也可以控制振荡频率，由多片MAX262组成，使窄带滤波器的阶数达到几百甚至上千。控制Q值的不同，在频率的低端到高端，可以将窄带滤波器的3 dB带宽设计成相同或相近的宽度。
2．4 放大与AGC放大电路
    前级放大电路可采用各公司的低噪声运放，AGC电路选用AD公司的AD603，或BB公司的VGA610，放大整形可选用TI公司或其他公司新出的R～R输出的运放。
2．5 单片机
    单片机选用Atmel公司的AT89C51，也可选用其他公司的单片机，如PIC或AVR系列。这些单片机都是低成本且为人们所常用。

3 软件组成
    软件用汇编语言编写，流程图如图3所示。

4 结语
    低成本微型测距雷达经实验在原理上是行得通的，但距离较近，实际测试后发现微波头采用直接混频方式输出灵敏度较低。下一步改进需要增加一个中频，放大后解调，再进行视频放大。
    对于要求测距更远的雷达，可通过增加发射功率，增大天线面积的方法。当功率较大时，考虑到连续波雷达泄露的影响，需要将发射天线与接收天线分开。对于更近距离的测量，例如小于2～3 m，可采用超声波测量。微型测距雷达的用途非常广阔，今后必将大量用于民用的许多领域。