低成本微型测距雷达设计
作者：张兆忠
来源：《现代电子技术》2010年第15期
        摘 要:为了小型化与低成本的目的,微型测距雷达选用了低价格、高性能的单片机和近几年发展起来的数字与模拟电路,形成三角波调制的雷达调频连续波方式对距离进行测量。利用单片机中断方式判断三角波的正负斜率,方便地区分接收回的三角波正负斜率的频率差,进而求出距离和速度。试验结果表明,测试距离精度满足要求,但混频输出灵敏度偏低,测试距离较近。这说明微型测距雷达设计原理正确,经过改进,其用途和前景广阔。
        关键词:测距雷达; 微波; 三角波调制; 正负斜率; 过零检测
        中图分类号:TN95; TP29文献标识码:A
        文章编号:1004-373X(2010)15-0168-03
        Design of Low-cost Miniature Radar for Range-finding
        ZHANG Zhao-zhong
        (Xi’an Institute of Electronic Engineering, Xi’an 710100, China)
        Abstract: For the purpose of miniaturization and low cost, the low-cost high-performance SCM, recently-developed digital circuits and analog circuits are selected by the miniature range-finding radar based on triangular wave continuous wave modulation to implement rhe range-finding. The positive or negative slope is judged with the single-chip interruption mode, which can easily compute the frequency deviation from the radar echo, and derive the range and velocity of the radar target. The experimental results show that the detection accuracy satisfies the requirement, but the detection range is short due to the poor sensitivity of the mixer output, that the design principle of the radar is reasonable and feasible, and that the radar will have bright future after a further improvement.
        Keywords: range-finding radar; microwave; triangular wave modulation; positive and negative slop; zero-crossing detection
        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[1]:
        R=c•f bav 8Δfm•f
        (1)
        式中: R为距离;c为光速;f bav =(f b+ +f b- )/2,f b+  为三角波正向发射频率与接收频率之差,f b- 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;Δfm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,Δfm=100 MHz,而此时测出的频率f bav 为50 kHz,则可以计算出R≈93 750 0 m;如果测出的频率f bav =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f bav =50 kHz,R=18 750 0 m;f bav =50 001 kHz,R=18 750 4 m,相差0 4 mm,每1 Hz代表0 4 mm的距离。
        如果是运动目标,根据测速公式[1]:
        V=λ4(f b+ -f b- )
        (2)
        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f b+ 与f b- 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。
        图1 微型测距雷达的组成框图
        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f b+ ;为“0”,得到的是汽车雷达f b- 。 
        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。
        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×2 12 ×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 4 MHz 。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f cp 控制,其比值f cp /f0约为15.7。只要改变f cp 的值,带通滤波器的中心频率就会在0～32 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。
        图2 滤波器控制原理图
        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。
        图3 微型测距雷达软件流程图
        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。