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微型測距雷達的原理及組成


作者:來淶科技時間:2017-05-18 20:28瀏覽:

雷達進行測距,與激光測距相比,不受氣候條件限製,距離遠,精度高。

本文將主要敘述微型測距雷達的原理及組成。

  微型測距雷達主要用於以下幾個方麵:

  (1)導彈和炮彈的微波引信;

  (2)汽車前視防撞雷達;

  (3)堆積物和小山頭的高度測量;

  (4)高速公路及城市道路的機動車流量測量;

  (5)建築行業的樓層測量;

  (6)罐裝液麵高度測量;

  (7)其他要求精確近距離測量的地方。

  1 微型測距雷達的原理及組成

  1.1 測距方法

  通常雷達測距的方法有三種:脈衝法測距;調頻連續波法測距;相位法測距。常用的為前兩種。脈衝法測距分辨率要達到距離精度1 m以下,脈衝寬度必須小於6.67 ns,即使當今脈衝雷達普遍采用脈衝壓縮的情況下,精度要做到厘米級是相當困難的,何況是以增大接收機帶寬,降低接收靈敏度為代價,電路上也難以實現。因而對於較精確的距離測量,一般都采用調頻連續波測距的方法。

  調頻連續波測距有三角波調製和正弦波調製兩種,這裏選擇三角波調製。

  在三角波調製中,測距公式為:

 

微型測距雷達的原理及組成

  式中:R為距離;c為光速;

微型測距雷達的原理及組成

為三角波正向發射頻率與接收頻率之差,fb-為三角波負向發射頻率與接收頻率之差;f為三角波調製頻率;△fm為受調製的發射頻率最大頻偏的二分之一。

  三角波調製頻率的選擇與距離分辨率有關。假如選擇f=200 Hz,△fm=100 MHz,而此時測出的頻率fbav為50 kHz,則可以計算出R≈ 93.750 0 m;如果測出的頻率fbav=50.001 kHz,R=93.751 8 m,二者之差為1.8 mm,即每1 Hz代表1.8 mm的距離。提高調製頻率f的值,分辨率還可以增加。假如f=1 000 Hz,其他參數不變,同樣測出的頻率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的距離。

  如果是運動目標,根據測速公式:

 

微型測距雷達的原理及組成

  求出運動目標的速度。式中V為目標的徑向速度,λ為發射微波的波長。當然,固定目標的fb+與fb-的值相等。

  1.2 組成

  根據三角波調製的雷達原理,首先必須有一個微波頭,微波頭可在測速微波頭的基礎上,將體效應振蕩器加一個變容管改為壓控式振蕩,直接混頻。同時還需要一個三角波發生器。為了修正壓控振蕩器的非線性,使之頻率線性變化,必須進行非線性修正。

  為了增強效果,可采用模擬濾波器組進行積累處理。當然也可以通過高速A/D采樣後將模擬信號變為數字信號用DSP進行數字信號處理,不過成本較高。

  和工控機、PC104模塊相比,采用單片機控製電路比較簡單,且成本較低,由於沒有複雜的運算,速度完全能夠滿足要求。

  這個設計功耗較小,用電池就可滿足電源供給要求。

  微型測距雷達的組成框圖如圖1所示。

 

微型測距雷達的原理及組成

  1.3 工作原理

  三角波調製頻率選200 Hz,D/A選擇12位,ROM為16位數據輸出,12位數據作為D/A的輸入;一位作為三角波正斜率和負斜率變化時的脈衝輸出,正斜率為“1”,負斜率為“0”;另一位作為一個三角波周期間的過零信號,送單片機的中斷INT0,當三角波正負斜率變化時,輸出脈衝信號。單片機產生過零中斷後,判斷正負信號,為“1”,得到的是fb+;為“O”,得到的是fb-。

  雷達工作時,單片機控製窄帶濾波器不斷的進行掃描,當某一個濾波器有信號時,由可重觸發單穩態電路組成的信號檢測電路輸出由“0”變為“1”,單片機根據輸出的窄帶濾波器獲得帶內頻率,判斷出精度不太高的距離範圍,利用放大整形輸出進行計數或測量脈衝的周期,獲得足夠精確的頻率值,即為準確距離。根據公式計算出R和V送顯示器予以顯示,或通過RS 232串口送上一級的計算機係統。

  2 各部分的組成

  2.1 微波頭

  微波頭包括喇叭天線、體效應振蕩器、環行器、混頻器。體效應振蕩器產生發射微波,喇叭天線作為微波對外收發之用,環行器將收發進行隔離,混頻器取出發射頻率和接收頻率的差值。微波頭國外常用的有24 GHz,35 GHz和77 GHz。其功率輸出為+10 dBm,頻偏DC為100 MHz,波束寬度120,園極化,(現在主流采用平麵微帶天線,集成了混頻器和濾波放大)。

  2.2 三角波發生器

  三角波發生器采用數字形成。D/A為12位,要產生200 Hz的調製頻率,則振蕩器約為0.819 2 MHz。考慮到一般晶體的頻率為MHz量級,地址產生器為一個13位的計數器,選用74HC4040,計數器不用最低位,那麽振蕩器的頻率為200 Hz×212×2=1.638 4 MHz,可以用TTL門電路作振蕩器,這個設計用的是74HC04。

  波形存儲選用E2PROM芯片AT28C64,晶體選用1.683 4MHz。最重要的一點是必須測出微波頭的非線性曲線,以便在非線性修正ROM中裝入修正數據,簡化起見,可以在波形存儲ROM中燒製修正數據,無須再加專用的非線性修正電路。

  2.3 窄帶濾波器

  模擬器件的發展與集成為小型化提供了充分的條件,像鬆下公司的MN6515,僅為8腳,其帶通濾波器的中心頻率f0可由外加的時鍾頻率fcp控製,其比值fcp/f0約為15.7。隻要改變fcp的值,帶通濾波器的中心頻率就會在O~32 kHz範圍內移動,非常方便,可采用圖2方式進行控製。

 

微型測距雷達的原理及組成

  另外還有一種窄帶濾波器MAXIM的MAX262,由編碼輸入控製f0和Q的值,共有64階濾波器,128級Q值控製。同時也可以控製振蕩頻率,由多片MAX262組成,使窄帶濾波器的階數達到幾百甚至上千。控製Q值的不同,在頻率的低端到高端,可以將窄帶濾波器的3 dB帶寬設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輸出的運放。

  2.5 單片機

  單片機選用Atmel公司的AT89C51,也可選用其他公司的單片機,如PIC或AVR係列。這些單片機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。

 

微型測距雷達的原理及組成

  4 結語

  低成本微型測距雷達經實驗在原理上是行得通的,但距離較近,實際測試後發現微波頭采用直接混頻方式輸出靈敏度較低。下一步改進需要增加一個中頻,放大後解調,再進行視頻放大。

  對於要求測距更遠的雷達,可通過增加發射功率,增大天線麵積的方法。當功率較大時,考慮到連續波雷達泄露的影響,需要將發射天線與接收天線分開。對於更近距離的測量,例如小於2~3 m,可采用超聲波測量。微型測距雷達的用途非常廣闊,今後必將大量用於民用的許多領域。



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