- 微型測距雷達(dá)的原理及組成
- 微型測距雷達(dá)各部分的組成
- 控制軟件的流程
- 脈沖法測距
- 調(diào)頻連續(xù)波法測距
- 相位法測距
1微型測距雷達(dá)的原理及組成
1.1測距方法
通常雷達(dá)測距的方法有三種：脈沖法測距;調(diào)頻連續(xù)波法測距;相位法測距。常用的為前兩種。脈沖法測距分辨率要達(dá)到距離精度1m以下，脈沖寬度必須小于6.67ns，即使當(dāng)今脈沖雷達(dá)普遍采用脈沖壓縮的情況下，精度要做到厘米級是相當(dāng)困難的，何況是以增大接收機(jī)帶寬，降低接收靈敏度為代價，電路上也難以實(shí)現(xiàn)。因而對于較精確的距離測量，一般都采用調(diào)頻連續(xù)波測距的方法。
調(diào)頻連續(xù)波測距有三角波調(diào)制和正弦波調(diào)制兩種，這里選擇三角波調(diào)制。
在三角波調(diào)制中，測距公式為：
式中：R為距離;c為光速;
為三角波正向發(fā)射頻率與接收頻率之差，fb-為三角波負(fù)向發(fā)射頻率與接收頻率之差;f為三角波調(diào)制頻率;△fm為受調(diào)制的發(fā)射頻率最大頻偏的二分之一。
三角波調(diào)制頻率的選擇與距離分辨率有關(guān)。假如選擇f=200Hz，△fm=100MHz，而此時測出的頻率fbav為50kHz，則可以計算出R≈93.7500m;如果測出的頻率fbav=50.001kHz，R=93.7518m，二者之差為1.8mm，即每1Hz代表1.8mm的距離。提高調(diào)制頻率f的值，分辨率還可以增加。假如f=1000Hz，其他參數(shù)不變，同樣測出的頻率fbav=50kHz，R=18.750Om;fbav=50.001kHz，R=18.7504m，相差0.4mm，每1Hz代表O.4mm的距離。
如果是運(yùn)動目標(biāo)，根據(jù)測速公式：
求出運(yùn)動目標(biāo)的速度。式中V為目標(biāo)的徑向速度，λ為發(fā)射微波的波長。當(dāng)然，固定目標(biāo)的fb+與fb-的值相等。
1.2組成
根據(jù)三角波調(diào)制的雷達(dá)原理，首先必須有一個微波頭，微波頭可在測速微波頭的基礎(chǔ)上，將體效應(yīng)振蕩器加一個變?nèi)莨芨臑閴嚎厥秸袷?，直接混頻。同時還需要一個三角波發(fā)生器。為了修正壓控振蕩器的非線性，使之頻率線性變化，必須進(jìn)行非線性修正。
為了增強(qiáng)效果，可采用模擬濾波器組進(jìn)行積累處理。當(dāng)然也可以通過高速A/D采樣后將模擬信號變?yōu)閿?shù)字信號用DSP進(jìn)行數(shù)字信號處理，不過成本較高。
和工控機(jī)、PC104模塊相比，采用單片機(jī)控制電路比較簡單，且成本較低，由于沒有復(fù)雜的運(yùn)算，速度完全能夠滿足要求。
這個設(shè)計功耗較小，用電池就可滿足電源供給要求。
微型測距雷達(dá)的組成框圖如圖1所示。
[page]1.3工作原理
三角波調(diào)制頻率選200Hz，D/A選擇12位，ROM為16位數(shù)據(jù)輸出，12位數(shù)據(jù)作為D/A的輸入;一位作為三角波正斜率和負(fù)斜率變化時的脈沖輸出，正斜率為“1”，負(fù)斜率為“0”;另一位作為一個三角波周期間的過零信號，送單片機(jī)的中斷INT0，當(dāng)三角波正負(fù)斜率變化時，輸出脈沖信號。單片機(jī)產(chǎn)生過零中斷后，判斷正負(fù)信號，為“1”，得到的是fb+;為“O”，得到的是fb-。
雷達(dá)工作時，單片機(jī)控制窄帶濾波器不斷的進(jìn)行掃描，當(dāng)某一個濾波器有信號時，由可重觸發(fā)單穩(wěn)態(tài)電路組成的信號檢測電路輸出由“0”變?yōu)?ldquo;1”，單片機(jī)根據(jù)輸出的窄帶濾波器獲得帶內(nèi)頻率，判斷出精度不太高的距離范圍，利用放大整形輸出進(jìn)行計數(shù)或測量脈沖的周期，獲得足夠精確的頻率值，即為準(zhǔn)確距離。根據(jù)公式計算出R和V送顯示器予以顯示，或通過RS232串口送上一級的計算機(jī)系統(tǒng)。
2各部分的組成
2.1微波頭
微波頭包括喇叭天線、體效應(yīng)振蕩器、環(huán)行器、混頻器。體效應(yīng)振蕩器產(chǎn)生發(fā)射微波，喇叭天線作為微波對外收發(fā)之用，環(huán)行器將收發(fā)進(jìn)行隔離，混頻器取出發(fā)射頻率和接收頻率的差值。微波頭國外常用的有24GHz，35GHz和77GHz，可采用Wisewave公司的產(chǎn)品。其功率輸出為+10dBm，頻偏DC為100MHz，波束寬度120，園極化。
2.2三角波發(fā)生器
三角波發(fā)生器采用數(shù)字形成。D/A為12位，要產(chǎn)生200Hz的調(diào)制頻率，則振蕩器約為0.8192MHz。考慮到一般晶體的頻率為MHz量級，地址產(chǎn)生器為一個13位的計數(shù)器，選用74HC4040，計數(shù)器不用最低位，那么振蕩器的頻率為200Hz×212×2=1.6384MHz，可以用TTL門電路作振蕩器，這個設(shè)計用的是74HC04。
波形存儲選用E2PROM芯片AT28C64，晶體選用1.6834MHz。最重要的一點(diǎn)是必須測出微波頭的非線性曲線，以便在非線性修正ROM中裝入修正數(shù)據(jù)，簡化起見，可以在波形存儲ROM中燒制修正數(shù)據(jù)，無須再加專用的非線性修正電路。
2.3窄帶濾波器
模擬器件的發(fā)展與集成為小型化提供了充分的條件，像松下公司的MN6515，僅為8腳，其帶通濾波器的中心頻率f0可由外加的時鐘頻率fcp控制，其比值fcp/f0約為15.7。只要改變fcp的值，帶通濾波器的中心頻率就會在O～32kHz范圍內(nèi)移動，非常方便，可采用圖2方式進(jìn)行控制。
另外還有一種窄帶濾波器MAXIM的MAX262，由編碼輸入控制f0和Q的值，共有64階濾波器，128級Q值控制。同時也可以控制振蕩頻率，由多片MAX262組成，使窄帶濾波器的階數(shù)達(dá)到幾百甚至上千。控制Q值的不同，在頻率的低端到高端，可以將窄帶濾波器的3dB帶寬設(shè)計成相同或相近的寬度。
2.4放大與AGC放大電路
前級放大電路可采用各公司的低噪聲運(yùn)放，AGC電路選用AD公司的AD603，或BB公司的VGA610，放大整形可選用TI公司或其他公司新出的R～R輸出的運(yùn)放。
2.5單片機(jī)
單片機(jī)選用Atmel公司的AT89C51，也可選用其他公司的單片機(jī)，如PIC或AVR系列。這些單片機(jī)都是低成本且為人們所常用。
3軟件組成
軟件用匯編語言編寫，流程圖如圖3所示。
低成本微型測距雷達(dá)經(jīng)實(shí)驗在原理上是行得通的，但距離較近，實(shí)際測試后發(fā)現(xiàn)微波頭采用直接混頻方式輸出靈敏度較低。下一步改進(jìn)需要增加一個中頻，放大后解調(diào)，再進(jìn)行視頻放大。
對于要求測距更遠(yuǎn)的雷達(dá)，可通過增加發(fā)射功率，增大天線面積的方法。當(dāng)功率較大時，考慮到連續(xù)波雷達(dá)泄露的影響，需要將發(fā)射天線與接收天線分開。對于更近距離的測量，例如小于2～3m，可采用超聲波測量。微型測距雷達(dá)的用途非常廣闊，今后必將大量用于民用的許多領(lǐng)域。
