微型测距雷达的原理及组成

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1m以下，脉冲宽度必须小于6.67ns，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=200Hz，△fm=100MHz，而此时测出的频率fbav为50kHz，则可以计算出R≈93.7500m;如果测出的频率fbav=50.001kHz，R=93.7518m，二者之差为1.8mm，即每1Hz代表1.8mm的距离。提高调制频率f的值，分辨率还可以增加。假如f=1000Hz，其他参数不变，同样测出的频率fbav=50kHz，R=18.750Om;fbav=50.001kHz，R=18.7504m，相差0.4mm，每1Hz代表O.4mm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200Hz，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RS232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24GHz，35GHz和77GHz，可采用Wisewave公司的产品。其功率输出为+10dBm，频偏DC为100MHz，波束宽度120，园极化。
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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200Hz的调制频率，则振荡器约为0.8192MHz。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200Hz×212×2=1.6384MHz，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1.6834MHz。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～32kHz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3dB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。


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2～3m，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。