FMCW雷達綜合創(chuàng)新性實驗教學(xué)系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

傅世強, 邵雨萌, 李嬋娟, 房少軍

(大連海事大學(xué) 國家級電工電子實驗教學(xué)示范中心, 遼寧 大連 116026)

FMCW雷達綜合創(chuàng)新性實驗教學(xué)系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

傅世強, 邵雨萌, 李嬋娟, 房少軍

(大連海事大學(xué) 國家級電工電子實驗教學(xué)示范中心, 遼寧 大連 116026)

為全面提高實踐教學(xué)的質(zhì)量,設(shè)計出一套低成本的FMCW雷達近程測距實驗教學(xué)系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括直流供電模塊、信號調(diào)制模塊、中頻放大及濾波模塊、射頻模塊和雷達信號處理模塊,涵蓋低頻電路、射頻電路、微波天線、信號與系統(tǒng)、數(shù)字信號處理等多門課程知識。該系統(tǒng)工作在ISM開放頻段2.45 GHz,采用模塊化設(shè)計思路,每個模塊都可單獨進行測試和調(diào)試。給出了系統(tǒng)的基本原理和實驗教學(xué)方法,學(xué)生可以綜合運用多門課程的知識來進行系統(tǒng)模塊設(shè)計,并代入系統(tǒng)進行工程驗證。該綜合創(chuàng)新性實驗教學(xué)系統(tǒng)便攜性強、簡單實用,易于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神和綜合能力,滿足了教學(xué)與科研的需要。

調(diào)頻連續(xù)波雷達； 實驗教學(xué)； 綜合創(chuàng)新性實驗； 模塊化設(shè)計

雷達最初產(chǎn)生原因是軍事領(lǐng)域的迫切需要,在經(jīng)過技術(shù)累積和理論創(chuàng)新后,雷達系統(tǒng)實現(xiàn)的功能不斷增加,并逐漸進入廣大民眾的視野。測距和測速是雷達最基本的功能,其中調(diào)頻連續(xù)波(frequency modulated continuous wave,FMCW)體制雷達具有輻射功率小、測距測速精度高、設(shè)備相對簡單等優(yōu)點,在軍用和民用領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用,典型的例子有機載雷達高度儀[1]、汽車防撞系統(tǒng)[2]、液位測量[3]等。

FMCW雷達測距系統(tǒng)的設(shè)計是低頻電路、射頻電路、微波天線、信號與系統(tǒng)、數(shù)字信號處理等多門課程知識的綜合應(yīng)用。通過調(diào)查發(fā)現(xiàn)很多本科生并不知道自己所學(xué)的知識將來會有什么用途,嚴(yán)重影響了學(xué)生的學(xué)習(xí)的積極性和主動性。為此,開展具有一定工程應(yīng)用案例的實驗教學(xué)來激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣,引導(dǎo)學(xué)生從實踐中思考和發(fā)現(xiàn)問題,調(diào)動學(xué)生主動進行研究性學(xué)習(xí)具有重要意義。文獻[4]利用SystemView平臺,設(shè)計了雷達測距系統(tǒng)的仿真模型,并將其應(yīng)用于“信號與系統(tǒng)”教學(xué)實踐中,提高了教學(xué)質(zhì)量；文獻[5]以單片機為核心開發(fā)的雷達信號仿真器,替代具有高壓和較大影響雷達使用壽命的收發(fā)機進行雷達信號測量實驗教學(xué),改善了教學(xué)效果；文獻[6]研究了探地雷達實驗教學(xué)方法,實驗中引導(dǎo)學(xué)生靈活運用學(xué)到的理論知識,訓(xùn)練學(xué)生解決實際工程問題的能力。但是,這些實驗教學(xué)更多的是軟件模擬和實驗測量,不具備綜合創(chuàng)新性和設(shè)計性內(nèi)容,顯然在培養(yǎng)學(xué)生設(shè)計能力、創(chuàng)新能力和綜合運用能力方面是欠缺的。

本文從本科生實驗教學(xué)出發(fā),提出了一套完整的FMCW雷達近程測距實驗教學(xué)系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計,工作在ISM開放頻段,中心頻率為2.45 GHz,采用周期為20 ms的三角波作為調(diào)制信號,最大測距可達1 km。

1 FMCW雷達實驗教學(xué)系統(tǒng)構(gòu)成與測距原理

1.1 系統(tǒng)構(gòu)成

FMCW雷達實驗教學(xué)系統(tǒng)主要由調(diào)制器、壓控振蕩器、衰減器、射頻放大器、功分器、混頻器、中頻放大器、收發(fā)天線以及數(shù)字信號處理器等單元電路構(gòu)成,其結(jié)構(gòu)框圖見圖1。

圖1 FMCW雷達系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

在FMCW雷達測距系統(tǒng)工作時,信號調(diào)制器產(chǎn)生三角波調(diào)制電壓,控制壓控振蕩器產(chǎn)生頻率隨三角波幅值變化的FMCW發(fā)射信號。為了改善振蕩器與放大器之間的阻抗匹配,使壓控振蕩器輸出頻率不受后續(xù)負載牽引,FMCW發(fā)射信號先經(jīng)過3 dB衰減器,然后通過放大器放大后輸入功分器。功分器有兩路輸出,一路輸出信號作為本振信號,輸入混頻器中；另一路輸出信號經(jīng)過天線發(fā)射出去。信號發(fā)射出去后遇到探測目標(biāo),產(chǎn)生回波信號,該回波信號由接收天線接收。由于信號在傳播中會有較大衰減,所以接收到的回波信號要經(jīng)過放大器放大才能進入混頻器?；祛l器將本振信號和接收到的回波信號進行混頻后輸出差頻信號,此差頻信號就包含探測目標(biāo)的距離信息。差頻信號經(jīng)運算放大器進行放大、濾波后輸入到DSP信號處理器。在DSP中對差頻信號進行A/D采樣、濾波、FFT變換等信號處理工作,最終計算出探測目標(biāo)距離并顯示在液晶屏上。

1.2 測距原理

FMCW雷達的工作原理是發(fā)射一個掃頻周期內(nèi)頻率連續(xù)變化的電磁波,利用回波信號和發(fā)射信號的頻率差來獲得探測目標(biāo)的距離[7]。FMCW雷達調(diào)制信號有許多種,如鋸齒波、三角波等。本次設(shè)計采用三角波調(diào)制方式,可以同時獲得目標(biāo)的距離和速度信息[8],并且處理簡單,易于實現(xiàn)。三角波調(diào)制信號的頻率隨時間變化規(guī)律如圖2所示。

圖2 三角波調(diào)制信號頻率隨時間的變化曲線

在圖2中,ΔF是掃頻帶寬,T是調(diào)制三角波的周期,τ是發(fā)射信號與回波信號之間的時延,fd是發(fā)射信號與回波信號間的差頻?；夭ㄐ盘柵c發(fā)射信號頻率變化規(guī)律相同,只是在時間上有一個延時τ。τ與目標(biāo)距離R的關(guān)系為

(1)

其中R為目標(biāo)物體距離,c為電磁波自由空間的傳播速度。根據(jù)三角關(guān)系得

(2)

因而,可以得出目標(biāo)距離R為

(3)

在調(diào)制參數(shù)ΔF和T一定的條件下,只要測得差頻fd,就可以計算出目標(biāo)距離R,這就是FMCW雷達測距的基本原理。

在進行傅里葉分析計算目標(biāo)距離時,可以看到不同距離的探測目標(biāo)只是導(dǎo)致差頻信號的頻譜峰值在頻譜上進行搬移。設(shè)傅里葉變換的采樣頻率fs和采樣點數(shù)N,并假設(shè)差頻信號譜峰在第m個點,則差頻的頻率為

(4)

將公式(4)代入公式(3)得

(5)

根據(jù)采樣定理和三角關(guān)系可知,采樣點數(shù)N與采樣頻率fs和調(diào)制周期T的關(guān)系如下:

(6)

距離分辨率就是第m個點差頻頻率和第(m+1)個點差頻頻率對應(yīng)距離的差值,將這2個頻率和公式(6)代入公式(5)可得距離分辨率為

(7)

由公式(7)可知,距離分辨率與采樣點數(shù)并沒有直接聯(lián)系,提高調(diào)頻帶寬才能改善距離分辨率精度。但是提高FFT的采樣點數(shù)能夠提高最終距離計算的準(zhǔn)確性。

2 FMCW雷達實驗教學(xué)系統(tǒng)硬件設(shè)計及制作

在整個FMCW雷達實驗教學(xué)系統(tǒng)中,供電模塊、調(diào)制模塊、中頻放大及濾波模塊集成在一塊面包板上；射頻模塊(如壓控振蕩器、衰減器、放大器、功分器和混頻器)則相互獨立地雕刻在FR4印刷電路板上,背部通過射頻電纜連接；終端天線則使用易于取材和制作的罐頭天線；信號處理則使用DSP開發(fā)板。整套系統(tǒng)集成度較高,體積小巧,便攜性強。圖3為系統(tǒng)整體實物圖。

圖3 系統(tǒng)整體實物圖

供電模塊的設(shè)計使用2節(jié)9 V可充電鋰電池,采用LM7805和LM7905作為正負穩(wěn)壓芯片,產(chǎn)生后續(xù)電路需要的±5 V供電電壓；調(diào)制模塊的設(shè)計使用XR-2206單片集成函數(shù)發(fā)生器芯片實現(xiàn),該芯片可以產(chǎn)生高穩(wěn)定度、高精度的正弦波、三角波和方波,并可通過調(diào)節(jié)占空比產(chǎn)生鋸齒波和脈沖波,本系統(tǒng)使用±5 V雙電源對芯片進行供電產(chǎn)生三角波調(diào)制電壓,文獻[9]給出了參考電路；中頻放大及濾波模塊的設(shè)計使用MAX414芯片完成,典型電路參見芯片的使用手冊。

射頻模塊的設(shè)計是整個系統(tǒng)的核心部分,射頻電路設(shè)計的基礎(chǔ)知識可參考文獻[10]。壓控振蕩器的設(shè)計采用AT-41486雙極性晶體管產(chǎn)生振蕩,并利用SMV2022變?nèi)荻O管電容隨電壓變化的特性實現(xiàn)壓控,電路采用共基極連接,最終設(shè)計的壓控振蕩器調(diào)頻電壓在0～5 V變化時,振蕩器輸出頻率變化范圍為2.4～2.5 GHz,輸出功率9.3 dBm左右,調(diào)頻線性度和功率平坦度均較好；電阻衰減器的設(shè)計采用傳統(tǒng)的T型和π型電路結(jié)構(gòu),實測結(jié)果表明這兩種電路結(jié)構(gòu)均實現(xiàn)了較好的匹配和衰減特性；功分器的設(shè)計采用威爾金森功分器結(jié)構(gòu)[11],實測結(jié)果表明兩輸出端口等功率輸出,平衡度好、隔離度高；低噪聲放大器的設(shè)計采用MGA53543場效應(yīng)管設(shè)計,典型直流工作點為5 V、54 mA,因為其直流偏置電路是在管子內(nèi)部,所以只需直接加上5 V供電電壓,然后進行微帶單枝節(jié)匹配即可,在2.45 GHz時實測放大器的增益達到了13 dB,噪聲系數(shù)為1.5 dB；混頻器的設(shè)計采用3 dB微帶混合環(huán)電路結(jié)構(gòu),使用HSMS-2822混頻二極管,在混合環(huán)輸入端和混頻二極管之間引入匹配電路,并在輸出端接入LC低通濾波器,將中頻濾出,實測結(jié)果表明混頻器達到了較好混頻效果,變頻損耗7 dB左右；天線模塊的設(shè)計將作為例子在實驗教學(xué)方法設(shè)計部分進行闡述。

雷達信號處理模塊,選用具有低成本、低功耗和高性能的TMS320F2812芯片,采用目前市面上流行的DSP開發(fā)板實現(xiàn)。雷達信號處理流程包括信號采集、數(shù)字信號處理以及終端顯示。由混頻器輸出的差頻信號包含著目標(biāo)物體的距離信息,但此差頻信號是模擬信號,而DSP芯片只能處理數(shù)字信號,因此首先需要將差頻信號進行A/D轉(zhuǎn)換,將模擬信號轉(zhuǎn)變成數(shù)字信號。然后對采集到的數(shù)字信號進行快速傅里葉變換(FFT),提取差頻信號的頻率信息,信號進行FFT計算后得到除攜帶目標(biāo)距離信息的差頻信號以外,還會出現(xiàn)多個其他頻率分量,其中包括測量環(huán)境的噪聲信號,以及差頻信號的倍頻信號,由于頻域噪聲信號和倍頻信號的信號幅度小于實際差頻信號的信號幅度,所以可選取幅值最大的頻率作為差頻信號的頻率。進行計算得到目標(biāo)物體距離后,將最終測量結(jié)果在DSP開發(fā)板的12864液晶屏上實時顯示出來。

3 綜合創(chuàng)新性實驗內(nèi)容和教學(xué)方法設(shè)計

本實驗教學(xué)的主要任務(wù)是訓(xùn)練學(xué)生完成一個采用先進科研手段進行電路設(shè)計研究的全過程。為了達到學(xué)以致用的目的,實驗環(huán)節(jié)不僅包括對業(yè)界公認的一些專業(yè)仿真工具的熟練使用,如低頻電路仿真軟件Multisim、射頻微波電路仿真軟件ADS和三維電磁場仿真軟件HFSS等,能夠?qū)o定指標(biāo)的電路和天線進行仿真優(yōu)化；而且還包括將仿真優(yōu)化得到的電路模型加工制作出電路板,并對加工的器件性能進行測量及調(diào)試。實驗內(nèi)容既包含軟件和算法的學(xué)習(xí),又包含硬件電路的制作和測試,這樣同時鍛煉了學(xué)生的學(xué)習(xí)能力和動手能力。每一個模塊的實驗過程是一個不斷重復(fù)的過程,通過對前一次測試結(jié)果及誤差的分析,提出改進方案,再進行仿真優(yōu)化和加工測試調(diào)試,得到滿意的結(jié)果,然后替代系統(tǒng)中的模塊,進行工程驗證,真正達到學(xué)以致用的目的。

所設(shè)計的綜合創(chuàng)新性實驗內(nèi)容與實際的FMCW雷達測距工程密切相關(guān),甚至直接是實際工程中的射頻微波產(chǎn)品,例如:振蕩器、放大器、功分器、天線等器件的設(shè)計。具體實驗內(nèi)容由指導(dǎo)教師給出實驗材料和詳細設(shè)計指標(biāo),不限定電路形式和設(shè)計方法,由學(xué)生自由發(fā)揮,根據(jù)所學(xué)知識完成實驗任務(wù)。設(shè)計的理論知識都源于低頻電路、射頻電路、微波天線、信號與系統(tǒng)、數(shù)字信號處理等課程。下面以天線模塊實驗為例,進行教學(xué)方法的介紹。

為了節(jié)約成本,便于取材設(shè)計,本系統(tǒng)中使用罐頭天線。在實驗過程中,第1階段由學(xué)生利用課堂學(xué)習(xí)到的理論知識,以及查閱相關(guān)文獻[12]后獲取的相關(guān)知識,進行天線尺寸的設(shè)計及計算,此階段有助于學(xué)生深入掌握所學(xué)的基本理論和提高文獻檢索閱讀能力；第2階段學(xué)生進入仿真實驗室,利用正版ADS和HFSS軟件,進行罐頭天線的計算機建模及電磁仿真,仿真模型及仿真結(jié)果如圖4所示。此階段有助于學(xué)生掌握射頻EDA電磁仿真工具；第3階段學(xué)生進入加工實驗室,利用準(zhǔn)備好的實驗材料,自己動手制作罐頭天線的饋電結(jié)構(gòu),此階段有助于學(xué)生掌握器件的加工和接口設(shè)計；第4階段學(xué)生進入測試實驗室對加工好的罐頭天線進行電氣指標(biāo)測試和調(diào)試，比如圖5為矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測試天線反射系數(shù)情景,此階段有助于學(xué)生掌握射頻測試設(shè)備的使用方法；第5階段進行工程驗證,將設(shè)計好的天線接到FMCW雷達測距綜合創(chuàng)新性實驗教學(xué)系統(tǒng)中,實現(xiàn)良好的信號收發(fā)。當(dāng)然本實驗也易于推廣到其他的天線形式,如微帶天線、八木天線等,實驗項目的設(shè)置可以針對學(xué)生的能力和各專業(yè)要求的不同而進行不同的實驗方法設(shè)計,有較大的擴展余地。

圖5 矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測試天線反射系數(shù)

4 結(jié)論

為了讓學(xué)生深入學(xué)習(xí)和掌握雷達工作原理,本文提出了一套FMCW雷達綜合創(chuàng)新性實驗教學(xué)系統(tǒng),為各單元模塊的設(shè)計、仿真、制作、測試到系統(tǒng)集成,為雷達信號處理技術(shù)的研究、應(yīng)用提供實驗平臺。

所開發(fā)的綜合創(chuàng)新性實驗教學(xué)系統(tǒng)硬件電路采用模塊化設(shè)計思路,整體電路集成度高,便攜性好。制作過程中均選擇常見且價格低廉的原材料,因此大大降低了系統(tǒng)的成本。該實驗教學(xué)系統(tǒng)涵蓋知識全面,軟硬結(jié)合，能引導(dǎo)學(xué)生將理論知識靈活掌握,能有效地激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,易于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神和綜合能力,提高了實踐教學(xué)質(zhì)量。

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Design and implementation of FMCW radar comprehensive innovation experimental teaching system

Fu Shiqiang, Shao Yumeng, Li Chanjuan, Fang Shaojun

(Center of National Electrical and Electronic Experiment Teaching ,Dalian Maritime University ,Dalian 116026, China)

In order to improve teaching quality completely,a low cost FMCW radar proximity ranging experimental teaching system has been proposed.The system comprises of a DC power supply module,signal modulation module,intermediate frequency amplifier and filter module,RF module and signal processing module,including many courses knowledge such as Low Frequency Circuit, Radio Frequency Circuit, Microwave Antenna, Signals and Systems and Digital Signal Processing. The system works in the ISM band of 2.45GHz and uses a modular design.Each module can be tested and debugged separately.The basic principle and experimental teaching methods of the system are given.The students can make ample use of many courses knowledge for module design and engineering verification.The developed comprehensive innovation experimental teaching system has the characteristics of portability and practicability.It is easy to cultivate the innovative spirit and the comprehensive ability of students,and meet the needs of teaching and research.

FMCW radar; experimental teaching; comprehensive innovation experiment; modular design

2014- 12- 10 修改日期：2015- 01- 17

遼寧省教育廳教改項目(遼教發(fā)[2012]130號，序號122)；大連海事大學(xué)教改項目(2013Q02)

傅世強(1981—)，男，山東龍口，博士，副教授，主要從事天線與射頻電路方面的教學(xué)和科研工作.

E-mail：fushq@dlmu.edu.cn

TN957;G484

A

1002-4956(2015)7- 0049- 05