简易FMCW雷达探测系统实验平台设计

简易ＦＭＣＷ雷达探测系统实验平台设计　・１０７・　简易ＦＭＣＷ雷达探测系统实验平台设计　宋星秀　，曲（１．武警福州指挥学院，福建福州毅　，邱晓华　７１００８６）　３５０００２；２．武警工程大学信息工程学院，陕西西安摘要：根据调频连续波（ＦＭＣＷ）雷达探测的基本原理和微波器件的特点，设计了一款简易ＦＭＣＷ雷达　探测系统实验平台。通过硬件电路设计和元器件的选择，实验测试证明该实验平台具有成本低、体积　小、简单实用的特点，可应用于ＦＭＣＷ雷达回波信号采集，对ＦＭＣＷ信号处理算法的验证具有重要意义。　关键词：调频连续波雷达；硬件电路；信号采集；实验平台　中图分类号：ＴＮ９５７　文献标识码：Ａ　文章编号：１０００—８８２９（２０１５）０５—０１０７—０４　Ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　Ｏｎｅ　Ｌｏｗ—Ｃｏｓｔ　ＦＭＣＷ　Ｒａｄａｒ　Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ　Ｐｌａｔｆｏｒｍ　ＳＯＮＧ　Ｘｉｎｇ—ｘｉｕ　，ＱＵ　Ｙｉ　，ＱＩＵ　Ｘｉａｏ—ｈｕａ　（１．Ａｒｍｅｄ　Ｐｏｌｉｃｅ　Ｃｏｍｍａｎｄ　Ｃｏｌｌｅｇｅ　ｏｆ　Ｆｕｚｈｏｕ，Ｆｕｚｈｏｕ　３５０００２，Ｃｈｉｎａ；　２．Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆ　Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｃｈｉｎｅｓｅ　Ａｒｍｅｄ　Ｐｏｌｉｃｅ　Ｆｏｒｃｅ，Ｘｉ’ａｎ　７１００８６，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｂａｓｉｃ　ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ　ｏｆ￣ｅｑｕｅｎｃｙ　ｍｏｄｕｌａｔｅｄ　ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ　ｗａｖｅ（ＦＭＣＷ）ｒａｄａｒ　ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ　ｏｆ　ｍｉｃｒｏｗａｖｅ　ｄｅｖｉｃｅｓ，ａ　ｓｉｍｐｌｅ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ　ｐｌａｔｆｏｒｍ　ｆｏｒ　ＦＭＣＷ　ｒａｄａｒ　ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ　ｓｙｓｔｅｍ　ｉｓ　ｉｍｐｌｅｍｅｎｔｅｄ　ｂｙ　ｄｅｓｉｇｎｉｎｇ　ｔｈｅ　ｈａｒｄｗａｒｅ　ｃｉｒｃｕｉｔ　ａｎｄ　ｃｈｏｏｓｉｎｇ　ｔｈｅ　ｃｉｒｃｕｉｔ　ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ．Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ　ｔｅｓｔｓ　ｓｈｏｗ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ　ｐｌａｔｆｏｒｍ　ｈａｓ　ｔｈｅ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ　ｏｆ　ｌｏｗ　ｃｏｓｔ，ｓｍａｌｌ　ｓｉｚｅ，ｓｉｍｐｌｅ　ａｎｄ　ｐｒａｃｔｉｃａｌ，ｗｈｉｃｈ　ｃａｎ　ｂｅ　ａｐ—　ｐｌｉｅｄ　ｔｏ　ＦＭＣＷ　ｒａｄａｒ　ｅｃｈｏ　ｓｉｇｎａｌ　ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ，ａｎｄ　ｈａｓ　ｉｍｐｏｒｔａｎｔ　ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｃｅ　ｆｏｒ　ｖｅｒｉｆｉｃａｔｉｏｎ　ｏｆ　ＦＭＣＷ　ｓｉｇｎａｌ　ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ　ａｌｇｏｒｉｔｈｍｓ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ＦＭＣＷ；ｈａｒｄｗａｒｅ　ｃｉｒｃｕｉｔ；ｓｉｇｎａｌ　ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ；ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ　ｐｌａｔｆｏｒｍ　调频连续波（ＦＭＣＷ）雷达是通过对连续波的频率　调制实现测速及测距的雷达体制。ＦＭＣＷ雷达由于　成本低、精度高、体积小，没有距离盲区，在高精度距离　１　ＦＭＣＷ雷达的探测原理与系统构成　１．１探测原理　测量上比其他体制的雷达更具有优越性等诸多优点，　在精确制导武器系统、交通管制与检测、汽车防撞系　统、楼层测量、液面高度测量等领域具有广阔的应用前　旦　京［１］　Ｏ　根据ＦＭＣＷ体制雷达的特点，设计了一款基于电　路设计和微波元器件选择的ＦＭＣＷ雷达实验平台。　该平台由外围电路、收发天线和微波器件３个部分组　成，主要用于实验的数据采集。经过对系统的分析和　测试，结果显示该实验平台能够实现ＦＭＣＷ雷达对目　标的探测。　收稿日期：２０１４—０３—２０　ＦＭＣＷ雷达将回波信号与一部分从发射信号直　接耦合过来的本振信号进行混频，从而得到了包含目　标距离和速度信息的差频信号，对差频信号进行放大、　限幅和处理可得到目标的距离和速度信息。ＦＭＣＷ　雷达探测系统处理简单，易于实现。连续波的调制方　式有锯齿波调制和三角波调制两种，采用三角波调制　方式，可同时获得目标的距离和速度信息。对于三角　波形调制的连续波探测系统，测距测速公式　为　Ｒ＝　，＂＝Ａ／４（　一一　＋）　（１）　式中，Ｒ为目标距离；　为目标运动的径向速度；．　为　基金项目：国家自然科学基金青年科学基金资助项目（６１１０１２３８）　作者简介：宋星秀（１９８８一），女，湖南张家界人，硕士研究生，主　要研究方向为雷达与通信信号处理；曲毅（１９７６一），男，山东莱　州人，副教授，硕士生导师，主要研究方向为雷达与通信信号处　理；邱晓华（１９８１一），男，福建上杭人，硕士，助教，主要研究方　向为通信与信息系统。　调制频率；Ａｆ为发射频率调制的最大频偏；Ｃ为光速；　和　一分别代表前半周正向调频和后半周负向调频　所得的差频。因此，只要能分别测出　＋和　一，就可求　得目标的距离和速度信息。　采用锯齿波调制时，ＦＭＣＷ雷达的测距公式为　＋Ｒ＝　－１０８・　《测控技术｝２０１５年第３４卷第５期　１．２系统构成　ＦＭＣＷ雷达探测系统实验平台的整体结构框图　如图１所示。当ＦＭＣＷ雷达实验平台正常工作时，电　源给三角波发生电路供电，产生连续三角波。连续三　角波输入至压控振荡器的电压控制端，控制压控振荡　２系统实验平台设计　２．１外围电路设计　将系统中用到的硬件电路集中设计是ＦＭＣＷ雷　达探测系统实验平台建立的关键。射频单元的正常工　作是与外围电路密切相关的。外围电路总体图如图２　所示，包含３个模块：三角波发生电路、信号处理电路　和电源电路。　器输出中心频率为２．４　ＧＨｚ的宽带信号。信号经过衰　减器衰减之后送入低噪声放大器中，降低了系统自身　噪声和外界干扰对信号产生的影响。随后信号输入至　功分器中分为两路信号，其中一路信号作为定向发射　天线的发射信号发出，另一路信号作为系统本振信号　输入混频器中。为了节约成本，采用功分器而不是耦　合器。当发射波接触到目标之后反射回来，被定向接　收天线接收；接收到的微弱回波信号进入低噪声放大　器经过降噪放大后输入混频器中，与功分器分割出的　本振信号进行混频，将得到的差频信号输入至信号处　理电路中，经过滤波、放大处理之后信号通过音频线输　入至电脑中。　三角波ＶＣＯ　低噪声　放大器　功分器　发送　皇　＿＿Ｊ混频器　／ｒ　＼厂　Ｉ　．８２４－－４２００ＭＨｚ　ｌ　ｌ．。＋１７ｄＢ　混频信号　ｌ　处理模块　产生三角波　模块　藤　丽酒广　音频插头　Ｉ　同步信号输出　①三角波发生电路。使用ＸＲ一２２０６芯片产生信　号，ＸＲ－２２０６芯片是一种单片集成函数发生器，能产生　高稳定度和高精度的正弦波、方波、三角波和矩形脉冲　波，这些输出信号受外加电压控制，从而实现振幅调制　（ＡＭ）或频率调制（ＦＭ）。其工作频率范围为０．０１　Ｈｚ　１　ＭＨｚ　ｊ该芯片在系统中利用引脚２产生三角波　信号，并将三角波信号传输至压控振荡器中，同时由引　脚１１产生用于与三角波信号同步的方波信号，由音频　线传入至计算机的音频的右声道中。在引脚３处连接　５０　ｋＱ的滑动变阻器，可以调节三角波的波形，引脚７　处连接的２　Ｍｎ滑动变阻器，可以调节三角波的周　期。　②信号处理电路。混频器的输出信号通过射频　线传输至信号处理电路中，在这个模块中，使用了　ＭＡＸ４１４ＣＰＤ＋芯片。ＭＡＸ４１４ＣＰＤ＋为４路、２８　ＭＨｚ、低噪声、低电压、精密运算放大器　ｊ，差频信号　经过滤波、放大之后转换为音频信号，通过音频线输　入至笔记本电脑的音频口的左声道中，最后由电脑　声卡进行采集并使用计算机软件进行数据采集和处　～。图１　ＦＭＣＷ雷达探测系统实验平台结构框图　理。　Ｄ　４７ｋＱ　图２外围电路　简易ＦＭＣＷ雷达探测系统实验平台设计　・１０９・　③电源电路。使用两组４节ＡＡ电池提供１２　Ｖ　电压，并使用ＬＭ２４９０ＣＴ一５．０芯片提供电路中需要的５　Ｖ电压，使得微波器件的供电电压更为稳定，输出更加　恒定　。　２．２射频信号的收发　式。天线的作用主要有两点：能量转换和定向辐射或　接收。在ＦＭＣＷ雷达探测系统实验平台中，使用了反　射面天线，其工作频率范围为２．３～２．５　ＧＨｚ，增益为　２３　ｄＢ，电压驻波比小于１．５。　２．３微波器件模块　不同频段的雷达通常具有不同的性能和特性，Ｓ　实验平台中所选用的微波器件均为Ｍｉｎｉ—Ｃｉｒｃｕｉｔｓ　波段一般用于中距离的探测，该波段雷达收发机体积　小，重量轻，成本低，在此波段范围内的ＩＳＭ频段为　２．４　ＧＨｚ。此外，由于２．４　ＧＨｚ频段的商业应用规模，　微波器件便宜，所以本实验平台选择了２．４　ＧＨｚ频段　作为实验频段。为了对ＦＭＣＷ雷达的探测信号进行　发送与接收的隔离，将其收发设备设计为双天线的模　公司生产的产品。器件类型与特性如表１所示。　ＶＣＯ（压控振荡器）是ＦＭＣＷ雷达测距系统的关　键部件之一，ＦＭＣＷ雷达测距系统的距离分辨率正比　于ＶＣＯ的调频线性度　Ｊ。实验平台中所使用的ＶＣＯ　电调特性曲线的最佳调制电压范围为０．５～２．５　Ｖ　ｊ，　实验中主要采用这段调制范围内的信号。　表１微波器件列表　衰减器将ＶＣＯ的输出功率衰减到低噪声放大器　以及对准操作的方便，反射目标的截面积取１　１３＇１　左　右。　的输入信号功率范围，同时降低系统自身噪声和外界　干扰对信号产生的影响。低噪声放大器在避免自身噪　声干扰的情况下将微弱信号放大。功分器将放大后的　信号分为本振信号和发射信号。本振信号与经过低噪　声放大器后的回波信号进入混频器后得到差频信号。　３数据处理流程　差频信号的数据处理流程：提取音频信号，设置同　步信号的上升沿为触发，差频采样，算法应用，输出结　果。　通过右声道同步信号，可以知道差频信号的每一　点所对应的三角波时刻点，因此根据同步信号，可以选　取三角波不同时段所对应的差频数据，然后使用各种　ＦＭＣＷ测距、测速和连续波成像算法完成结果输出。　４　系统分析与测试　本设计雷达的中心频率为２．４　ＧＨｚ，对应波长为　０．１２５　ｍ。目标按金属表面圆盘考虑，直径取０．５　ｍ，　过圆心截面周长为１．５７　ｍ，远大于波长，落在光学区，　结合系统设计可分析出探测系统实验平台的性能　指标为：使用连续的三角波调制信号为工作体制，调制　信号的调制周期为２０　ｍｓ，通过与同步信号的配合，在　处理数据时截取一部分调制线性区内的信号。工作在　２．４　ＧＨｚ的ＩＳＭ频段，实验平台的输出功率约２５　ｍｗ。　雷达散射截面约０．７９　ｍ　。对输出的音频数据通过　Ｍａｔｌａｂ进行数据录取和处理。　运用示波器和频谱分析仪测试实验平台发射端信　号的频谱，利用软件记录和处理通过音频线输人至电　脑中的差频信号波形，如图３所示。　从测试的发射信号频谱和差频信号波形的显示结　果可分析出：发射信号的带宽为６７　ＭＨｚ，差频信号在　段时间范围内呈周期变化，符合周期性调制的规律。　经过系统分析和测试，接收机灵敏度为一１０５　ｄＢｍ，运　用雷达方程可以计算出实验平台的测距范围为５～　６６５　ｍ，测距精度为２．２３　ｍ。　一５　结束语　设计了一款ＦＭＣＷ雷达探测系统实验平台，主要　用于实验中实测数据的采集，将采集到的差频信号经　因此反射截面积可以利用物理截面　ｒ　＝０．１９６　ｍ　估　计。在实验中，为了保证雷达测距范围比指标要求高　过滤波、放大后，以音频方式输入到计算机的音频端，