（陸軍炮兵防空兵學(xué)院電子工程教研室 合肥 230031）

1 引言

調(diào)頻連續(xù)波（Frequency Modulated Continuous Wave，F(xiàn)MCW）雷達(dá)是一種最小測(cè)量距離近、測(cè)量精度高的測(cè)量技術(shù)，具有體積小、結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單、成本和功耗較低、受環(huán)境影響小等優(yōu)點(diǎn)［1］，常用于汽車(chē)、火車(chē)防撞，液位、物位測(cè)量。近年來(lái)，隨著無(wú)人駕駛技術(shù)的迅速發(fā)展，F(xiàn)MCW雷達(dá)作為重要的傳感器，應(yīng)用更加廣泛［4～5］。

2 FMCW雷達(dá)測(cè)距原理

FMCW雷達(dá)通過(guò)發(fā)射天線(xiàn)向目標(biāo)發(fā)射調(diào)頻連續(xù)波信號(hào)并接收目標(biāo)的反射信號(hào)，用回波信號(hào)和發(fā)射信號(hào)的一部分進(jìn)行相干混頻，得到包含目標(biāo)距離和速度信息的差頻信號(hào)，然后對(duì)差頻信號(hào)進(jìn)行處理和檢測(cè)，從而得到目標(biāo)的距離和速度信息。通常線(xiàn)性調(diào)頻有鋸齒波和三角波兩種調(diào)制方式，前者可獲得目標(biāo)的距離信息，后者可同時(shí)獲得目標(biāo)的距離和速度信息，本系統(tǒng)線(xiàn)性調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)采用三角波調(diào)制方式，處理簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)。

在靜止目標(biāo)情況下，假定調(diào)制信號(hào)為理想的三角波，且不考慮寄生調(diào)幅、噪聲和雜波的影響，由于目標(biāo)和雷達(dá)之間是相對(duì)靜止的，F(xiàn)MCW雷達(dá)系統(tǒng)的發(fā)射信號(hào)頻率按三角波的規(guī)律周期性變化，發(fā)射信號(hào)和回波信號(hào)時(shí)頻曲線(xiàn)如圖1（a）中所示，對(duì)應(yīng)的差頻信號(hào)時(shí)頻曲線(xiàn)圖如圖1（b）所示，其中T為調(diào)頻連續(xù)波周期，Δt為延時(shí)時(shí)間，ΔF為調(diào)頻帶寬，Δf為差頻信號(hào)頻率。

由圖1可知，回波信號(hào)與發(fā)射信號(hào)的時(shí)頻曲線(xiàn)形狀相同，僅僅在時(shí)間上滯后Δt，則延遲時(shí)間Δt與目標(biāo)距離R的關(guān)系為

其中R為目標(biāo)到雷達(dá)天線(xiàn)的距離，c為在自由空間的電磁波傳播速度，由圖1（a）所含的三角關(guān)系可知：

圖1 三角波調(diào)制的雷達(dá)信號(hào)時(shí)頻曲線(xiàn)

結(jié)合式（1）和式（2）可得目標(biāo)靜止模式下，目標(biāo)與雷達(dá)之間的距離公式［2～3］：

由上式可見(jiàn)差頻信號(hào)頻率Δf與距離R成線(xiàn)性關(guān)系，因此FMCW雷達(dá)測(cè)距系統(tǒng)的關(guān)鍵就在于測(cè)量差頻信號(hào)的頻率，在調(diào)制信號(hào)參數(shù)ΔF和T一定的情況下，只要測(cè)得差頻信號(hào)的頻率Δf，就可利用式（3）得到雷達(dá)天線(xiàn)與目標(biāo)之間的距離R。

在運(yùn)動(dòng)目標(biāo)情況下，采用三角波調(diào)制的FMCW雷達(dá)系統(tǒng)的發(fā)射信號(hào)和回波信號(hào)時(shí)頻曲線(xiàn)如圖1（a）中所示，對(duì)應(yīng)的差頻信號(hào)時(shí)頻曲線(xiàn)如圖1（c）所示。

當(dāng)由于目標(biāo)與雷達(dá)天線(xiàn)之間存在相對(duì)徑向運(yùn)動(dòng)，此時(shí)接收回波信號(hào)的載波相對(duì)于發(fā)射信號(hào)載波將產(chǎn)生一個(gè)頻移，即為多普勒頻移fd，根據(jù)多普勒頻移原理可知：

其中，f為發(fā)射信號(hào)的中心頻率，v為目標(biāo)與雷達(dá)的相對(duì)徑向運(yùn)動(dòng)速度。對(duì)于運(yùn)動(dòng)目標(biāo)，在三角波前半周上升沿和后半周下降沿期間的差頻信號(hào)不同，fb+為反射信號(hào)與發(fā)射信號(hào)上升沿期間得到的一個(gè)差頻信號(hào)即上掃頻段頻率，fb+為下降沿期間得到的一個(gè)差頻信號(hào)即下掃頻段頻率，Δf為目標(biāo)相對(duì)靜止時(shí)的差頻信號(hào)頻率，三者之間的關(guān)系為

聯(lián)合式（3）和式（4），可得目標(biāo)的距離和速度［2～3］：

其中v的符號(hào)由目標(biāo)與雷達(dá)天線(xiàn)之間相對(duì)運(yùn)動(dòng)方向決定，當(dāng)目標(biāo)靠近雷達(dá)天線(xiàn)時(shí)，v為正值，反之為負(fù)值。由式（3）和式（7）分析可得，靜止模式下目標(biāo)距離與一個(gè)完整的調(diào)制周期內(nèi)的差頻信號(hào)頻率有關(guān)，在運(yùn)動(dòng)模式下，目標(biāo)距離與前半周期上升沿和后半周期下降沿兩段差頻信號(hào)頻率的平均值相關(guān)，在實(shí)際應(yīng)用中，不管目標(biāo)是處于相對(duì)運(yùn)動(dòng)還是相對(duì)靜止，只要分別求出調(diào)制三角波的上升沿和下降沿的差頻信號(hào)的頻率，就可以利用式（7）和式（8）來(lái)計(jì)算目標(biāo)的距離和速度信息，這就是FMCW雷達(dá)測(cè)距測(cè)速的原理。

采用三角波調(diào)制信號(hào)進(jìn)行調(diào)頻時(shí)，由圖1（b）和圖1（c）的差頻信號(hào)時(shí)頻特性曲線(xiàn)可以看出，每一個(gè)調(diào)制周期內(nèi)都會(huì)存在兩處不規(guī)則的時(shí)間區(qū)域，在此區(qū)間上差頻信號(hào)頻率和目標(biāo)距離沒(méi)有直接關(guān)系，因此在進(jìn)行雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)使得T＞＞Δt，以減小不規(guī)則區(qū)；另外也應(yīng)盡可能地在規(guī)則區(qū)域內(nèi)對(duì)差頻信號(hào)進(jìn)行采樣從而減少不規(guī)則區(qū)域上的影響。受FMCW雷達(dá)發(fā)射機(jī)功率的限制，F(xiàn)MCW雷達(dá)一般應(yīng)用于近程測(cè)距，存在T＞＞Δt，因此從時(shí)域來(lái)看差頻信號(hào)在絕大部分時(shí)間上的頻率是Δf，從頻域來(lái)看規(guī)則區(qū)域上差頻信號(hào)能量遠(yuǎn)大于不規(guī)則區(qū)域上差頻信號(hào)的能量，差頻信號(hào)的頻譜能量集中在以Δf為中心的頻帶內(nèi)，所以可在頻域上對(duì)差頻信號(hào)進(jìn)行處理，計(jì)算差頻信號(hào)的中心頻率，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)信息的提取。

3 FMCW雷達(dá)近程測(cè)距系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)采用Innosent公司生產(chǎn)的FMCW雷達(dá)收發(fā)器 IVS-162［6～8］負(fù)責(zé)發(fā)射和接收雷達(dá)信號(hào)，利用單片機(jī)控制DAC產(chǎn)生雷達(dá)工作所需的三角波調(diào)制信號(hào)，VCO接收三角波調(diào)頻信號(hào)后，輸出一個(gè)發(fā)射信號(hào)，發(fā)射信號(hào)分成二路，一路經(jīng)發(fā)射天線(xiàn)發(fā)射出去，一路進(jìn)入混頻器；接收天線(xiàn)接收到回波信息，經(jīng)去噪放大處理后，進(jìn)入混頻器與發(fā)射信號(hào)進(jìn)行混頻，從而形成差頻信號(hào)；經(jīng)過(guò)差頻信號(hào)處理（處理后的差頻信號(hào)也稱(chēng)為中頻信號(hào)）完成濾波放大后送入單片機(jī)，由單片機(jī)進(jìn)行AD采樣和信號(hào)處理，從而獲取目標(biāo)的相對(duì)速度和距離信息。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

收發(fā)前端是雷達(dá)系統(tǒng)的核心，主要包括壓控振蕩器VCO、混頻器、定向耦合器等，其中VCO輸出信號(hào)的頻率受到三角波調(diào)制信號(hào)的控制；定向耦合器是把VCO輸出功率的一部分耦合到混頻器的輸入端，作為混頻器的本征信號(hào)，混頻器的作用是完成回波和本征信號(hào)的差頻，從而輸出差頻信號(hào)。

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理框圖

4 前端數(shù)據(jù)采集模塊設(shè)計(jì)

4.1 差頻信號(hào)處理

FMCW雷達(dá)收發(fā)器輸出的差頻信號(hào)含有一定的噪聲和干擾信號(hào)，且幅值很小，大約在10mV～20mV之間，由于隨著目標(biāo)距離的增加，目標(biāo)差頻信號(hào)很容易淹沒(méi)在噪聲和雜波中?？梢?jiàn)差頻信號(hào)處理的好壞直接將影響到對(duì)目標(biāo)回波信號(hào)的檢測(cè)，進(jìn)而影響到測(cè)距測(cè)速的精確度［9～10］。差頻信號(hào)處理電路如圖3所示。

差頻信號(hào)處理電路主要由前置低噪放大、高通濾波器、可變?cè)鲆嬲{(diào)整電路和低通濾波器四部分組成。前置低噪放大器由OP211構(gòu)成的，OP211是高精度運(yùn)算放大器，可實(shí)現(xiàn)低噪聲、低功耗、高帶寬等特性，可實(shí)現(xiàn)放大接收到的微弱差頻信號(hào)和降低噪聲對(duì)其的干擾；采用單路、精密、極低噪聲、低輸入偏置電流運(yùn)算放大器的AD8671，搭建了二階巴特沃斯有源高通濾波器和低通濾波器，高通濾波器濾除所泄露的調(diào)制信號(hào)、電源噪聲和近距離低頻干擾信號(hào)，低通濾波器濾除電路內(nèi)部和信號(hào)中的高頻諧波分量；可變?cè)鲆嬲{(diào)整電路由AD603組成，AGC調(diào)整電路可根據(jù)濾波后信號(hào)大小調(diào)整增益，將不同的差頻信號(hào)放大到系統(tǒng)可以進(jìn)行采樣分辨的幅度，以便后續(xù)數(shù)字處理部分能夠正常工作。在三角波調(diào)制信號(hào)的上升沿和下降沿，通過(guò)單片機(jī)改變窄帶濾波器的中心頻率，對(duì)去噪處理后的差頻信號(hào)進(jìn)行掃描，掃描的寬度可以根據(jù)測(cè)距范圍來(lái)選擇，通過(guò)窄帶濾波器的信號(hào)進(jìn)入峰值保持器，A/D采樣后送入單片機(jī)進(jìn)行比較識(shí)別。

4.2 AD采樣和信號(hào)處理

由于三角波調(diào)頻和AD采樣需要同步，才能正確獲取上升沿和下降沿期間的差頻頻率，系統(tǒng)采用定時(shí)器中斷控制DAC模塊產(chǎn)生三角波，定時(shí)器中斷函數(shù)內(nèi)，每產(chǎn)生一個(gè)DAC電壓值，ADC進(jìn)行一次采樣并保存在一個(gè)臨時(shí)數(shù)組中，當(dāng)臨時(shí)數(shù)組達(dá)到采用點(diǎn)數(shù)，程序進(jìn)入FFT算法部分，通過(guò)對(duì)采樣點(diǎn)數(shù)進(jìn)行 FFT變化，即可計(jì)算出上/下掃頻段頻率［11～12］，根據(jù)式（7）和式（8）計(jì)算可得目標(biāo)距離和相對(duì)速度。當(dāng)增加采樣點(diǎn)數(shù)可以在采樣頻率不變的情況下增加分辨率，如果點(diǎn)數(shù)增加一倍，采樣率也提高一倍，那么分辨率不變，但能識(shí)別的最高頻率將提高一倍，這是采樣點(diǎn)數(shù)增加的優(yōu)點(diǎn)，帶來(lái)的缺點(diǎn)是同時(shí)會(huì)減慢運(yùn)算速度［13］。

圖3 差頻信號(hào)處理電路原理圖

軟件流程如圖4所示，啟動(dòng)系統(tǒng)并初始化，進(jìn)入AD采樣，經(jīng)FFT變換和譜峰搜索獲取頻率信息，根據(jù)上/下掃頻段頻率計(jì)算出目標(biāo)距離和相對(duì)速度。

圖4 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)軟件流程圖

5 結(jié)語(yǔ)

系統(tǒng)的前端FMCW雷達(dá)性能、差頻信號(hào)的處理以及A/D的分辨率都會(huì)影響到測(cè)距測(cè)速的精度，提高前端雷達(dá)性能和減少差頻信號(hào)受干擾程度，測(cè)量精度就能得到進(jìn)一步提高。

基于FMCW雷達(dá)的差頻信號(hào)采集系統(tǒng)具有性能穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單、成本較低、功耗較小、精度較高等優(yōu)點(diǎn)，在導(dǎo)彈炮彈引信、灌裝液面高度測(cè)量、起重機(jī)防撞報(bào)警、車(chē)輛防碰撞主動(dòng)安全預(yù)警等需要高精度近程測(cè)距的場(chǎng)合有著廣闊的應(yīng)用前景。