基于FMCW的近距離測距系統(tǒng)設(shè)計(jì)

杭州電子科技大學(xué)新型電子器件與應(yīng)用研究所 公 帥 秦會斌

南京電子技術(shù)研究所 董勝奎

引言

近距離測距技術(shù)是一種探測距離從零點(diǎn)幾米到幾百米的非接觸式探測技術(shù)，與目標(biāo)不直接接觸，但與目標(biāo)聯(lián)系緊密。

調(diào)頻連續(xù)波FMCW（Frequency Modulation Continuous Wave）雷達(dá)具有輻射功率小、測距精度高、設(shè)備固化設(shè)計(jì)簡單、具有良好的電子對抗和低截獲頻率性能等優(yōu)點(diǎn)。國內(nèi)外FMCW體制的高精度測距雷達(dá)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于汽車防撞、導(dǎo)彈導(dǎo)航、工業(yè)測距測量等方面，具有重要的理論研究意義與廣闊市場經(jīng)濟(jì)前景。本文采用的IVS-162傳感器成本低廉，在信號發(fā)生與調(diào)理電路中運(yùn)用可編程器件，可根據(jù)實(shí)際要求調(diào)整信號幅度，提高測量精度。

1.FMCW雷達(dá)測距系統(tǒng)的基本工作原理

FMCW雷達(dá)的基本原理是通過天線向外發(fā)射一列連續(xù)調(diào)頻連續(xù)波，然后接收目標(biāo)物體反射回來的反射信號。該反射信號與發(fā)射信號混頻，得到差頻信號。如果被測物體是靜止目標(biāo)，則反射信號在形狀上與發(fā)射信號相同，只是在時(shí)間上有一個(gè)延遲；如果被測物體是移動目標(biāo)，則反射信號中包括一個(gè)延遲和一個(gè)由相對運(yùn)動所引起的多普勒頻移。

圖1 FMCW雷達(dá)測距原理

圖1 中粗實(shí)線表示發(fā)射信號，細(xì)實(shí)線表示靜止目標(biāo)的反射信號，虛線表示運(yùn)動目標(biāo)的反射信號。其中發(fā)射信號和回波信號頻率都按三角波形周期性變化，ΔF（Hz）為調(diào)制信號調(diào)頻帶寬，T（s）為調(diào)制信號周期，Δt（s）為發(fā)射信號與回波信號的信號延時(shí)，Δf（Hz）為由相對運(yùn)動引起的多普勒頻移。

由靜止目標(biāo)差頻信號與延時(shí)信號之間的關(guān)系：

可得靜止目標(biāo)的距離公式：

同理，運(yùn)動目標(biāo)的距離公式：

分析雷達(dá)傳感器所輸出的差頻信號，得到的信息，再根據(jù)距離公式，即可得到目標(biāo)的距離。

2.系統(tǒng)構(gòu)成

2.1 FMCW雷達(dá)測距系統(tǒng)組成

圖2 系統(tǒng)框圖

本設(shè)計(jì)的系統(tǒng)框圖如圖2所示：系統(tǒng)工作時(shí)，先由調(diào)制發(fā)生器產(chǎn)生三角波，控制雷達(dá)收發(fā)器IVS-162，使其產(chǎn)生射頻段的線性調(diào)頻信號，該信號經(jīng)被測目標(biāo)反射后所得到的回波信號再與發(fā)射信號進(jìn)行混頻，最終得到包含距離信息的差頻信號，將該差頻信號經(jīng)過濾波、增益調(diào)整等信號預(yù)處理后送入數(shù)字轉(zhuǎn)換電路，經(jīng)AD轉(zhuǎn)換及數(shù)字濾波后通過SPI通信接口串行送入FPGA進(jìn)行數(shù)字信號處理，最后將獲取的精度較高的頻率值進(jìn)行計(jì)算得到被測目標(biāo)的距離信息。

IVS-162是Innosent公司推出一款K波段雷達(dá)收發(fā)器，其內(nèi)部集成了VCO（壓控振蕩器），使得該雷達(dá)收發(fā)器能夠更簡單的應(yīng)用于工程項(xiàng)目中。由于IVS-162天線的方位角和仰角角度相同，所以在探測目標(biāo)時(shí)能夠有效地避免能量衰減。

IVS-162模塊主要由三部分組成：信號源部分，混拼輸出部分及信號收發(fā)部分：

1）信號源部分：包括嚴(yán)控振蕩器VCO和供電電源，通過控制三角波信號幅值實(shí)現(xiàn)VCO發(fā)射信號頻率的改變。三角波信號的幅值在0.5V-8V的范圍內(nèi)，調(diào)節(jié)輸入的最大頻率不超過150kHz。測量距離10m-20m范圍內(nèi)的近距離目標(biāo)時(shí)，采用頻率范圍在500Hz～1kHz的調(diào)制信號。

2）混頻輸出信號：信號源產(chǎn)生的三角波控制壓控振蕩器輸出頻率為f的發(fā)射信號，該信號經(jīng)過分流一路通過天線發(fā)射出去，另一路進(jìn)入I、Q通道分別與回波信號進(jìn)行混頻，并輸出含有目標(biāo)信息距離的差頻信號。

3）信號收發(fā)部分：發(fā)送部分和接收部分集成在一起，信號的發(fā)送與接收路徑一致。

2.2 三角波信號生成電路

AD9833是ADI公司的一款低功耗、DDS器件，能夠輸出多種波形。AD9833無需外接元件，輸出頻率和相位可通過軟件編程設(shè)置，失真度低，線性度高，易于調(diào)節(jié)。通過軟件控制AD9833輸出三角波，探測近距離目標(biāo)（0.5m-10m）時(shí)采用500Hz的三角波調(diào)制信號。

三角波信號發(fā)生電路如圖3所示。

圖3 三角波發(fā)生電路

2.3 差頻信號處理電路

本系統(tǒng)測量范圍為0.5m-50m，回波信號的動態(tài)范圍比較大，為了將不同強(qiáng)度的信號調(diào)整到一定的幅度，需要利用可變增益調(diào)整電路對回波信號進(jìn)行幅度調(diào)整。可變增益電路由LMH6505組成，LMH6505是一款高動態(tài)范圍的低功耗寬帶高速可變增益放大器，增益可調(diào)整范圍為80dB，能夠適應(yīng)一般中高頻信號對自動增益控制電路的要求。可以通過DSP與外接穩(wěn)壓電路控制輸入電壓VG（0V-2V），對增益電路的增益進(jìn)行調(diào)節(jié)，使得接收回波信號調(diào)整到一定幅值，以便后續(xù)AD處理部分能夠正常工作，并由AD8051構(gòu)成帶通濾波電路，收集正確的回波信號。差頻信號處理電路如圖4所示。

圖4 差頻信號處理電路

2.4 A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換ADS8661

DSP不能直接處理模擬信號，經(jīng)信號調(diào)理電路處理的高頻信號需經(jīng)過AD轉(zhuǎn)換成離散的數(shù)字信號才能被DSP分析處理。串行A/D轉(zhuǎn)換器體積小，采用串行總線控制，具有節(jié)省空間、硬件電路設(shè)計(jì)簡單、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，所以本設(shè)計(jì)采用12位串行式數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器AD7893。A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換電路工作流程如圖5所示。

圖5 A/D轉(zhuǎn)換電路工作流程圖

3.系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)FMCW雷達(dá)的工作原理，要得到物體的距離與速度信息，就必須對差頻信號做頻譜分析，一般采用的方法是直接對差頻信號做快速傅里葉變換（FFT）處理找出峰值譜線位置，再根據(jù)峰值譜線位置得到相應(yīng)頻率，利用該頻率通過公式計(jì)算出目標(biāo)的距離和相對速度。由于差頻信號是分散、不連續(xù)的，采用FFT進(jìn)行頻譜分析時(shí)很難做到同步采樣和整周期截?cái)?，因此會產(chǎn)生誤差。

為了保證系統(tǒng)的運(yùn)算精度和運(yùn)算速度，本系統(tǒng)采用FFT/Chirp-Z聯(lián)合算法，其基本原理是：首先對差頻信號做N點(diǎn)的FFT運(yùn)算，找出信號峰值位置的大概范圍，再對選取范圍內(nèi)的頻譜做M點(diǎn)的Chirp-Z變換運(yùn)算細(xì)化頻譜，頻譜局部細(xì)化后得到的譜線峰值點(diǎn)對應(yīng)的頻率值即為差頻頻率。

表1 實(shí)際距離數(shù)據(jù)與測量距離數(shù)據(jù)對比

比較表1中數(shù)據(jù)可知，目標(biāo)距離越近，系統(tǒng)測量的誤差就會越大，在30M-50M范圍內(nèi)，誤差相對較小。多次試驗(yàn)證明本系統(tǒng)能在近距離范圍內(nèi)有效測量目標(biāo)距離，達(dá)到預(yù)期設(shè)計(jì)目的，在相關(guān)近距離測距應(yīng)用中有較高的實(shí)用價(jià)值。

[1]鐘鵬.FMCW雷達(dá)近程測距系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究[D].武漢科技大學(xué),2014.

[2]陳天琪,楊浩,戴志偉等.24 GHz FMCW車載測距雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電子技術(shù)應(yīng)用,2016,42(12):37-40.DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.2016.12.009.

[3]岳文豹,楊錄,張艷花等.FMCW雷達(dá)近程測距系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電子技術(shù)應(yīng)用,2012,38(4):73-75,79.DOI:10.3969/j.issn.0258-7998.2012.04.023.

[4]朱愷,秦軼煒,許建中等.四種提高FMCW測距精度的方案及性能分析[J].無線電工程,2015,(1):20-25.DOI:10.3969/j.issn.1003-3106.2015.01.06.

[5]安宗營,秦會斌.基于K-LC1a收發(fā)器和DSP的近程測距系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].火力與指揮控制,2016,41(1):157-160.DOI:10.3969/j.issn.1002-0640.2016.01.038.