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微型测距雷达的原理及组成


编辑:来涞科技时间:2017-05-18 20:28浏览:

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。

  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。其功率输出为+10 dBm,频偏DC为100 MHz,波束宽度120,园极化,(现在主流采用平面微带天线,集成了混频器和滤波放大)。

  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,像松下企业的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企业的低噪声运放,AGC电路选用AD企业的AD603,或BB企业的VGA610,放大整形可选用TI企业或其他企业新出的R~R输出的运放。

  2.5 单片机

  单片机选用Atmel企业的AT89C51,也可选用其他企业的单片机,如PIC或AVR系列。这些单片机都是低成本且为人们所常用。

  3 App组成

  App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。



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