一種K波段FMCW測(cè)距雷達(dá)設(shè)計(jì)

韓俊輝 周浩 郝邵杰 葛新靈

摘要：針對(duì)無(wú)人機(jī)避障和測(cè)高需求，設(shè)計(jì)了一種K波段FMCW測(cè)距雷達(dá)。雷達(dá)采用高集成度的24GHz頻段雷達(dá)芯片設(shè)計(jì)方案，實(shí)現(xiàn)測(cè)距雷達(dá)的低成本、低功耗以及小型化設(shè)計(jì)。針對(duì)VCO輸出頻率與調(diào)諧電壓的非線性問(wèn)題，進(jìn)行了VCO線性校正。采用FPGA+ADC的采集電路設(shè)計(jì)方案實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、綜合控制以及信號(hào)處理功能，實(shí)現(xiàn)了測(cè)距雷達(dá)對(duì)目標(biāo)物距離和速度等信息的提取。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該雷達(dá)測(cè)量范圍和測(cè)量精度符合設(shè)計(jì)指標(biāo)，且運(yùn)行穩(wěn)定可靠，滿足使用要求。

關(guān)鍵詞：線性調(diào)頻連續(xù)波;測(cè)距雷達(dá);信號(hào)處理;VCO非線性校正

1 引言

毫米波雷達(dá)探測(cè)具有全天時(shí)、全天候以及抗干擾能力強(qiáng)的特點(diǎn)，大量使用在軍事目標(biāo)的探測(cè)。隨著電子技術(shù)發(fā)展，特別是單片微波集成電路（MMIC）的迅速發(fā)展，毫米波雷達(dá)向小體積、輕重量和低成本方向發(fā)展，使得毫米波雷達(dá)逐漸在工業(yè)和民用領(lǐng)域中廣泛使用[1]。其中調(diào)頻連續(xù)波（FMCW）雷達(dá)具有高靈敏度、高距離分辨率、高可靠性和體積小的優(yōu)勢(shì)，近年來(lái)在汽車防撞、智能駕駛、智能交通以及無(wú)人機(jī)避障等領(lǐng)域發(fā)展迅速，成為當(dāng)前研究的重點(diǎn)和熱點(diǎn)[2-5]。

當(dāng)下無(wú)人飛行器的研究與應(yīng)用方興未艾，如無(wú)人機(jī)避障，無(wú)人機(jī)農(nóng)作物噴藥，無(wú)人機(jī)電力傳輸線巡檢等均需要對(duì)障礙物或目標(biāo)物進(jìn)行探測(cè)。常用的探測(cè)方式包括激光探測(cè)、可見(jiàn)光探測(cè)、紅外探測(cè)和毫米波探測(cè)等，可見(jiàn)光探測(cè)和紅外探測(cè)對(duì)環(huán)境比較敏感抗高干擾能力較差，激光探測(cè)則體積較大而難以搭載，毫米波探測(cè)以其全天時(shí)、全天候以及抗干擾能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)成為無(wú)人機(jī)目標(biāo)探測(cè)的上佳選擇[6-7]。本文針對(duì)某無(wú)人機(jī)避障和測(cè)高的應(yīng)用需求，開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)一種K波段FMCW測(cè)距雷達(dá)。文中給出了雷達(dá)系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)方案，詳細(xì)介紹了射頻部分電路設(shè)計(jì)，VCO線性校正和數(shù)字信號(hào)處理的流程，并對(duì)該雷達(dá)系統(tǒng)進(jìn)行了測(cè)試。

2 FMCW測(cè)距雷達(dá)工作原理

FMCM雷達(dá)工作的基本原理是：雷達(dá)產(chǎn)生一系列連續(xù)調(diào)頻連續(xù)波，通過(guò)天線向外輻射;接收端接收目標(biāo)反射回來(lái)的信號(hào)并與發(fā)射信號(hào)進(jìn)行混頻，根據(jù)混頻后信號(hào)的頻率來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)距離和速度的測(cè)量。常用的調(diào)制信號(hào)波形有正弦波、三角波和鋸齒波[1]。本文FMCW測(cè)距雷達(dá)系統(tǒng)的調(diào)制信號(hào)為三角波。

如圖1（a）所示，F(xiàn)MCW雷達(dá)發(fā)射信號(hào)和接收信號(hào)的瞬時(shí)頻率與時(shí)間的變化的波形為三角波，實(shí)線表示雷達(dá)發(fā)射信號(hào)瞬時(shí)頻率與時(shí)間的關(guān)系，虛線表示回波信號(hào)瞬時(shí)頻率與時(shí)間的關(guān)系，頻率變化范圍為ΔF，調(diào)制周期為T。反射信號(hào)和發(fā)射信號(hào)形狀相同，只是在時(shí)間上有一個(gè)延遲，兩者混頻產(chǎn)生中頻信號(hào)IF，如圖1（b）所示。設(shè)待測(cè)目標(biāo)距離為R，電波速度為c，則被測(cè)目標(biāo)距離的計(jì)算公式為：

由公式（1）可知，在頻率變化范圍ΔF和調(diào)制周期T確定的情況下，目標(biāo)距離R僅跟中頻信號(hào)IF有關(guān)，得到IF即可得到目標(biāo)的距離信息。

3 FMCW測(cè)距雷達(dá)設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的測(cè)距雷達(dá)主要應(yīng)用于無(wú)人機(jī)的避障和測(cè)高，由于無(wú)人機(jī)載重和續(xù)航的要求，該雷達(dá)系統(tǒng)必須要求低功耗和小型化。同時(shí)相對(duì)于目前常用的紅外測(cè)距或可見(jiàn)光測(cè)距，成本上也需要具有一定的競(jìng)爭(zhēng)力。基于雷達(dá)系統(tǒng)低成本、低功耗和小型化的設(shè)計(jì)要求，本文采用零中頻接收機(jī)的設(shè)計(jì)思路，直接將接收信號(hào)與發(fā)射信號(hào)同頻的本振信號(hào)進(jìn)行混頻，得到中頻信號(hào)。相對(duì)于超外差接收機(jī)，減少了大量的混頻、本振源以及濾波器等電路，結(jié)構(gòu)更為簡(jiǎn)潔，具有小體積、輕重量、低功耗和低成本等優(yōu)勢(shì)。

雷達(dá)系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)方案如圖2所示，F(xiàn)PGA實(shí)現(xiàn)雷達(dá)系統(tǒng)的信號(hào)處理和控制;DAC實(shí)現(xiàn)調(diào)制信號(hào)產(chǎn)生;BGT24MTR11實(shí)現(xiàn)調(diào)制信號(hào)的產(chǎn)生，信號(hào)發(fā)射、信號(hào)接收和混頻，產(chǎn)生兩路正交的I、Q基帶信號(hào);天線實(shí)現(xiàn)信號(hào)的發(fā)射和接收;中頻信號(hào)經(jīng)過(guò)帶通濾波和放大，采用ADC進(jìn)行中頻信號(hào)的采集。此外，EPROM實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能，交互接口實(shí)現(xiàn)雷達(dá)系統(tǒng)數(shù)據(jù)交互，電源實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的供電。

3.2 射頻部分電路設(shè)計(jì)

雷達(dá)射頻前端選用英飛凌公司的24GHz單芯片雷達(dá)收發(fā)器BGT24MTR11。如圖3所示，它將低相位噪聲的壓控振蕩器、分頻器、差分正交混頻器、單端射頻、低噪聲放大器以及溫度傳感器等集成到單片芯片，采用業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)的QFN封裝，大大減少外部匹配組件和射頻傳輸鏈路所占用的空間，可滿足系統(tǒng)小型化、低功耗和低成本的設(shè)計(jì)要求[8]。

由圖3可以看出，BGT24MTR11內(nèi)部集成的VCO，并由FINE和COARSE兩個(gè)調(diào)諧管腳控制，可產(chǎn)生24GHz-26GHz的射頻信號(hào)。射頻信號(hào)經(jīng)過(guò)器件內(nèi)部的放大器功率放大，以差分的形式進(jìn)行輸出，輸出功率最高可達(dá)15dBm。輸入的射頻信號(hào)經(jīng)內(nèi)部的LNA放大后進(jìn)入差分正交混頻器，與VCO產(chǎn)生的信號(hào)進(jìn)行混頻，獲得兩路正交的中頻信號(hào)，且兩路中頻信號(hào)都是差分輸出。FPGA可通過(guò)SPI接口控制BGT24MTR11內(nèi)部16位寄存器，實(shí)現(xiàn)內(nèi)部LNA、放大器、分頻器等模塊的控制，使用靈活。

由于BGT24MTR11射頻輸出為差分信號(hào)，為了便于天線發(fā)射，需要將差分信號(hào)轉(zhuǎn)換為單端信號(hào)，本文采用合路器將兩路差分信號(hào)合成一路進(jìn)行輸出，同時(shí)由于差分信號(hào)中兩路信號(hào)是正交的，在其中一路利用微帶線調(diào)整相位后再進(jìn)行功率合成，如圖4所示。

其中，合路器的仿真結(jié)果為：在24GHz頻點(diǎn)時(shí)，S21和S31均在-3.08dB，S11在-21.8dB，S22在-27.1dB，且在雷達(dá)使用頻率范圍內(nèi)（24GHz～25.5GHz）均滿足系統(tǒng)的使用要求。

3.3 VCO調(diào)制曲線校正

采用DAC生成壓控振蕩器的調(diào)諧電壓的設(shè)計(jì)方案，電路實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)潔，數(shù)字直接合成調(diào)諧電壓，控制靈活快捷。但由于VCO內(nèi)部變?nèi)荻O管固有的非線性，使得VCO的調(diào)諧電壓和輸出頻率并不是線性關(guān)系[9]。圖5為BGT24MTR11內(nèi)置VCO輸出頻率與調(diào)諧電壓的曲線圖[8]，隨著調(diào)諧電壓線性變化VCO輸出頻率并不是線性增加的。參考圖1和公式（1），當(dāng)發(fā)射信號(hào)和接收信號(hào)非線性時(shí)，最終得到中頻信號(hào)準(zhǔn)確度會(huì)變差，進(jìn)而影響FMCW雷達(dá)測(cè)距結(jié)果的準(zhǔn)確度。

常用的VCO線性校正方法包括開(kāi)環(huán)校正法、閉環(huán)和軟件校正法。其中閉環(huán)校正需要采用鎖相環(huán)的思路設(shè)計(jì)新的測(cè)試電路，軟件校正方法校正精度不高，而開(kāi)環(huán)校正法可以直接采用本文設(shè)計(jì)的雷達(dá)系統(tǒng)硬件進(jìn)行[9]，所以采用開(kāi)環(huán)校正法進(jìn)行VCO的線性校正。

本文VCO線性校正系統(tǒng)由計(jì)算機(jī)、測(cè)距雷達(dá)和頻譜儀組成，系統(tǒng)校正過(guò)程如下：1）如圖2，F(xiàn)PGA控制DAC產(chǎn)生線性三角波形的調(diào)諧電壓，通過(guò)頻譜儀測(cè)試?yán)走_(dá)系統(tǒng)的發(fā)射信號(hào)的頻率值，計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的測(cè)試控制，最終得到BGT24MTR11內(nèi)部VCO的頻率和調(diào)諧電壓變化的特征曲線。2）為提高系統(tǒng)測(cè)試的精度，在DAC位數(shù)滿足的情況下，盡可能增加測(cè)試點(diǎn)數(shù);同時(shí)采用多次測(cè)量求取平均值的方式，減少測(cè)試的誤差。3）根據(jù)雷達(dá)系統(tǒng)調(diào)頻的范圍和斜率，在測(cè)試數(shù)據(jù)中挑選相應(yīng)的數(shù)據(jù)存放至雷達(dá)系統(tǒng)存儲(chǔ)器中，并通過(guò)FGPA控制DAC進(jìn)行播放。利用圖7系統(tǒng)繼續(xù)進(jìn)行測(cè)試校正，往復(fù)循環(huán)直至得到線性的調(diào)制波形。

校正后結(jié)果如圖6所示。針對(duì)VCO不同頻率下調(diào)諧電壓和輸出頻率特性的不同，可利用上述方法測(cè)試不同溫度下的電壓-頻率數(shù)據(jù)。

3.4 數(shù)字信號(hào)處理流程

本文雷達(dá)系統(tǒng)數(shù)字信號(hào)處理基于FPGA實(shí)現(xiàn)，主要包括綜合控制、信號(hào)采集、數(shù)字信號(hào)處理、交互接口通信等四部分。雷達(dá)系統(tǒng)整體流程如圖7所示：系統(tǒng)上電后，進(jìn)行系統(tǒng)硬件的初始化和系統(tǒng)自檢。自檢無(wú)異常后，系統(tǒng)開(kāi)始進(jìn)行工作，F(xiàn)PGA控制DAC實(shí)現(xiàn)VCO三角調(diào)制波控制電壓的產(chǎn)生。為防止近距離目標(biāo)時(shí)，大的反射信號(hào)使低噪聲放大器或中頻放大器過(guò)載而影響測(cè)量結(jié)果，F(xiàn)PGA根據(jù)檢測(cè)到的信號(hào)幅度進(jìn)行通道的自動(dòng)增益控制，以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)性能最優(yōu)。之后，F(xiàn)PGA通過(guò)ADC實(shí)現(xiàn)中頻信號(hào)的采集，將模擬的中頻信號(hào)數(shù)字化，方便后續(xù)的數(shù)字信號(hào)處理。中頻信號(hào)經(jīng)量化后，再進(jìn)行數(shù)字濾波和數(shù)據(jù)加窗處理，之后進(jìn)行FFT得到中頻信號(hào)的頻域信息。為保證系統(tǒng)在雜波邊緣環(huán)境中獲得較好的控制虛警性能，采用GO-CFAR處理算法進(jìn)行恒虛警檢測(cè)[10]。最后得到目標(biāo)的距離信息，并通過(guò)交互接口將目標(biāo)信息上傳。

4 雷達(dá)系統(tǒng)測(cè)試

為驗(yàn)證雷達(dá)系統(tǒng)性能，在暗室環(huán)境下搭建測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行驗(yàn)證。測(cè)試結(jié)果如圖8所示，測(cè)試目標(biāo)對(duì)應(yīng)的中頻頻率為61.04KHz。雷達(dá)掃頻帶寬為100MHz，掃描周期為200μs，根據(jù)公式（1）可計(jì)算出測(cè)試目標(biāo)的距離為9.156m。

為驗(yàn)證雷達(dá)系統(tǒng)在復(fù)雜環(huán)境下的測(cè)試效果和性能，本文在室外環(huán)境進(jìn)了測(cè)試。測(cè)試結(jié)果如圖9所示，幅度最大的441.9KHz信號(hào)為被測(cè)目標(biāo)1對(duì)應(yīng)的中頻信號(hào)，根據(jù)公式（1）可計(jì)算出被測(cè)目標(biāo)距離為66.285m，頻點(diǎn)693.4KHz為被測(cè)目標(biāo)2對(duì)應(yīng)的中頻信號(hào)，根據(jù)公式（1）可計(jì)算出被測(cè)目標(biāo)距離為104.01m，利用激光測(cè)距儀測(cè)試被測(cè)目標(biāo)1的距離約66m，被測(cè)目標(biāo)2的距離約103m。圖中其他頻點(diǎn)則對(duì)應(yīng)了環(huán)境中其他物體的反射信號(hào)。根據(jù)對(duì)比測(cè)試結(jié)果，設(shè)計(jì)的測(cè)距雷達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

5 結(jié)論

本文針對(duì)無(wú)人機(jī)避障和測(cè)高應(yīng)用需求，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了一種k波段FMCW測(cè)距雷達(dá)。該雷達(dá)具有探測(cè)距離遠(yuǎn)，探測(cè)精度高，體積小，功耗低的特點(diǎn)，具有較好的工程應(yīng)用價(jià)值。由于本系統(tǒng)只采用了單斜率的三角波的調(diào)制波形，在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的多目標(biāo)探測(cè)，存在多普勒模糊問(wèn)題。后續(xù)在實(shí)際應(yīng)用中，還需要考慮選擇合適調(diào)頻序列來(lái)滿足多目標(biāo)的探測(cè)需求。

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（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第41研究所，山東 青島 266555）