IVS-179毫米波雷達測試系統的研究

商 瑩，李 煥，袁戰軍

（1.陜西國際商貿學院陜西咸陽712046；2.北京市第八中學北京100071）

雷達系統在軍事領域、民用領域等均有著重要的作用。因此雷達系統伴隨著科技的發展在不斷的進步，用于雷達測試的雷達測試控制系統也需要不停的更新換代[1]。

高性能的雷達測試控制系統有助于更加快速、精確地測試目標距離和速度。

本系統中采用了VS-179毫米波雷達傳感器，該傳感器能夠探測運動目標速度，辨別運動目標方向，尤其適用于探測靜態或動態目標的距離信息，應用該傳感器設計的毫米波雷達測試系統能夠更快速、準確地進行對目標的測量。

1 系統組成

IVS-179毫米波雷達測試系統由調制信號模塊，測量模塊，信號調理模塊和信號采集模塊組成，系統框圖如圖1所示。

圖1 系統組成框圖

調制信號模塊電路中所需的三角波信號由數據采集卡的DA輸出口產生，為一個100 Hz～1 kHz的三角波或鋸齒波信號，低電平為0.5 V高電平不能超過10 V，三角波的幅值決定了傳感器線性調頻信號的發射帶寬。

輸入調制電壓由傳感器內部的壓控振蕩源（VCO）轉化為線性調頻的發射信號，此發射信號頻率隨調制電壓線性變化。完成毫米波信號的發射。

信號的調理模塊電路主要包含電壓跟隨、信號濾波、信號放大3個部分，最后放大的信號經過數據采集卡采集回后經上位機進行處理。

2 毫米波原理

IVS-179毫米波雷達[2]測試系統中主要使用毫米波進行測距和測速，當使用毫米波進行測距時，Vtune端輸入的調制信號為三角波或鋸齒波，輸入調制電壓由傳感器內部的壓控振蕩源（VCO）轉化為線性調頻的發射信號，此發射信號頻率隨調制電壓線性變化。

由于收到的回波信號與發射信號有一定時延，在此時延上發射信號與回波信號的差頻就對應目標的距離。對輸出的差頻信號進行濾波放大處理后，由FFT變換可得到這一信號的頻率，即可求得目標距離。采用三角波調制的FMCW（可調連續波雷達）雷達[3]系統的發射信號和回波信號時頻曲線以及對應的差頻信號時頻曲線如圖2所示。

圖2 FMCW雷達發射和回波信號時頻曲線及對應差頻信號視頻曲線

當使用毫米波進行測速時，Vtune端輸入的調制信號為固定直流電壓信號，雷達發射信號的頻率不變，由于目標運動而產生的多普勒效應會使回波的頻率產生相應變化。回波信號與發射信號的差頻即對應目標的速度，而目標的運動方向由兩路輸出信號的前后相位關系即可確定。由頻率和兩路輸出信號的前后相位關系，即可求得目標的運動速度并辨別目標運動方向[4-5]。

3 IVS-179毫米波雷達傳感器原理

采用IVS-179毫米波雷達傳感器，可用于探測固定目標的距離，作用距離可達300 m到500 m，運動目標速度并辨別目標的運動方向，尤其適用于探測靜態或動態目標的距離信息，采用24 GHz雙通道K波段雷達傳感器作為前端測速傳感器，取得I、Q兩路信號后，通過信號采集器將采集的數據發送給上位機進行分析處理[6-8]。

4 系統電路

IVS-179毫米波雷達測試系統的電路部分主要包含電壓跟隨部分、信號濾波、信號放大3部分組成。由于IVS-179毫米波雷達傳感器采集回的I路、Q路信號十分微弱，不能直接做后續的濾波和放大處理，因此需要先經過電壓跟隨電路，增強信號的驅動能力，便于后續的濾波和放大[9-10]。電壓跟隨部分的電路如圖3所示。

圖3 電壓跟隨電路

圖4 1 kHz高通濾波電路

經過電壓跟隨器后，需要對信號進行高通濾波，用來濾掉低頻的三角波調制信號，便于后續進一步放大處理，系統中采用1 kHz的高通濾波電路[11-13]，其電路圖4所示。

最后，為了便于采集卡的電壓采集，需要對信號進一步做放大處理，滿足AD的電壓采集要求。本設計中采用的放大電路為常見的比例同相運算放大器[14-17]，其電路圖5所示。

圖5 同相比例放大器電路

由于毫米波雷達傳感器的輸出具有一定的噪聲干擾，因此需要首先進行濾波，然后進行放大，否則，噪聲也會被進一步放大，對后續的數據處理造成一定的干擾。其次，本系統中所有的運放芯片均應當考慮低噪聲的要求，采用低噪音芯片可大大減少芯片本身產生的附加噪聲，有利于后續數據的處理。

5 測試條件及測試結果

系統測試時采用0.5～4 V，頻率為200 Hz的三角波調制信號，信號采集卡的采樣率為50 k/s。當測試點目標的距離較遠時，由于雷達墻壁對雷達回波具有一定的干擾，因此測試時盡量選擇在空曠的室外進行，同時，在測試進行時，采用了將目標架在高處，采用大仰角的方式測量。可以有效避免背景墻壁等對雷達回波造成影響。測試進行時的測試效果如圖6所示。

圖6 測試進行時的測試效果圖

實驗場地選在較為空曠的樓頂進行，通過較大的仰角可以有效避免墻壁以及其他建筑物的干擾。其中雷達與目標的實際距離，可以通過勾股定理較為容易的求得。測試得到經過放大的波形和計算機的處理效果如下：

測試1：測試條件為雷達和目標高度差2 m，水平距離10 m，實際距離10.2 m，測試中雷達輸出波形和經測試系統測得回波經過FFT變換結果如圖7所示。

圖7 雷達輸出波形圖和系統測得回波數據經過FFT變換結果

測試2：測試條件為雷達和目標高度差為2 m，水平距離12 m，實際距離12.1 m，測試中雷達輸出波形和經測試系統測得回波經過FFT變換結果如圖8所示。

圖8 雷達輸出波形圖和系統測得回波數據經過FFT變換結果

測試3：測試條件為雷達和目標高度差2 m，水平距離18 m，實際距離18.1 m，測試中雷達輸出波形和經測試系統測得回波經過FFT變換結果如圖9所示。

通過表1對上述3種情況下對IVS-179毫米波雷達測試系統測試結果的分析得出，所有測得結果均有正向誤差，經過對系統及測試結果數據分析得知存在誤差的主要原因有線性調頻在所選取的電壓段不是完全線性和調頻帶寬有誤差，在0.5～4 V調頻時，真實的頻帶寬度可略小于理論的200 M，造成測量結果普遍偏大。再進一步的測試及分析中，通過研究得出減小正向誤差的解決方案，其一為測得0.5～4 V調頻時的真實頻帶寬度取代理論計算出的200 M，其二為進行一定程度的非線性補償，通過解決方案在上述3種同樣的情況下測得的數據分析結果后得到測量誤差分別為0.011、0.015、0.015。

圖9 雷達輸出波形圖和系統測得回波數據經過FFT變換結果

表1 3種情況下測得數據分析結果

6 結 論

IVS-179毫米波雷達測試系統的設計解決了對目標的快速、準確測量問題，系統能夠應用于工業、醫療、交通等方面，通過對實驗測得數據的分析及對系統進行的一系列改進后系統的測量精度顯著系統，測量誤差約為0.01，對存在的誤差會在后續的研究中繼續提出系統的改進措施，盡量減小誤差，使系統的測試結果更加精確。

參考文獻：

[1]喻江波.毫米波雷達對電力線檢測的關鍵技術研究[D].南京：南京理工大學，2015.

[2]宗蓉.毫米波雷達對云宏微觀特性的探測和研究[D].南京：南京信息工程大學，2013.

[3]柯振宇.基于毫米波雷達的車輛向碰撞預警系統設計[D].武漢：武漢理工大學，2014.

[4]張小紅.淺談毫米波雷達研究及應用[J].現代導航，2013（4）：270-274.

[5]毛茅，李玉書.毫米波寬帶成像測量雷達及其關鍵技術研究[J].飛行器測控學報，2015：42-47.

[6]彭剛鋒，崔強，王國東.新一代測試總線標準—AXIe綜述[J].測控技術，2012（7）：6-9，19.

[7]劉華軍，賴少發.汽車毫米波雷達目標跟蹤的快速平方根CFK算法[J].南京理工大學學報，2016：56-61.

[8]駱云志，雷雨能.基于毫米波雷達和CCD攝像機信息的D-S融合方法[J].數據采集與處理，2014，29（4）：52-58.

[9]程蕾，基于毫米波雷達和機器視覺的夜間前方車輛檢測研究[D].長春：吉林大學，2016.

[10]戴作寧.毫米波雷達高速運動目標精確測速研究[D].南京：南京大學，2016.

[11]劉曰.基于組合毫米波雷達的智能車環境感知方法[D].煙臺：煙臺大學，2016.

[12]胡彬.基于毫米波雷達的車輛防碰撞預警[J].微型機與應用，2016：48-54.

[13]祝大同.基板材料在車載毫米波雷達中應用及技術進展[J].印制電路信息，2016：67-72.

[14]嚴思寧.基于信息融合的智能車輛前方目標識別技術研究[D].南京：東南大學，2015.

[15]張亞婷.毫米波多普勒雷達收發前端關鍵技術研究[D].成都：電子科技大學，2015.

[16]宋平.毫米波雷達天線測試系統的研究[D].沈陽：沈陽航空航天大學，2015.

[17]高振海，王竣，佟靜，等.車載毫米波雷達對前方目標的運動狀態估計[J].吉林大學學報，2014，44（6）：1537-1544.