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，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，