基于FMCW雷達(dá)的差頻信號采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

（陸軍炮兵防空兵學(xué)院電子工程教研室 合肥 230031）

1 引言

調(diào)頻連續(xù)波（Frequency Modulated Continuous Wave，F(xiàn)MCW）雷達(dá)是一種最小測量距離近、測量精度高的測量技術(shù)，具有體積小、結(jié)構(gòu)相對簡單、成本和功耗較低、受環(huán)境影響小等優(yōu)點(diǎn)［1］，常用于汽車、火車防撞，液位、物位測量。近年來，隨著無人駕駛技術(shù)的迅速發(fā)展，F(xiàn)MCW雷達(dá)作為重要的傳感器，應(yīng)用更加廣泛［4～5］。

2 FMCW雷達(dá)測距原理

FMCW雷達(dá)通過發(fā)射天線向目標(biāo)發(fā)射調(diào)頻連續(xù)波信號并接收目標(biāo)的反射信號，用回波信號和發(fā)射信號的一部分進(jìn)行相干混頻，得到包含目標(biāo)距離和速度信息的差頻信號，然后對差頻信號進(jìn)行處理和檢測，從而得到目標(biāo)的距離和速度信息。通常線性調(diào)頻有鋸齒波和三角波兩種調(diào)制方式，前者可獲得目標(biāo)的距離信息，后者可同時獲得目標(biāo)的距離和速度信息，本系統(tǒng)線性調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)采用三角波調(diào)制方式，處理簡單，易于實(shí)現(xiàn)。

在靜止目標(biāo)情況下，假定調(diào)制信號為理想的三角波，且不考慮寄生調(diào)幅、噪聲和雜波的影響，由于目標(biāo)和雷達(dá)之間是相對靜止的，F(xiàn)MCW雷達(dá)系統(tǒng)的發(fā)射信號頻率按三角波的規(guī)律周期性變化，發(fā)射信號和回波信號時頻曲線如圖1（a）中所示，對應(yīng)的差頻信號時頻曲線圖如圖1（b）所示，其中T為調(diào)頻連續(xù)波周期，Δt為延時時間，ΔF為調(diào)頻帶寬，Δf為差頻信號頻率。

由圖1可知，回波信號與發(fā)射信號的時頻曲線形狀相同，僅僅在時間上滯后Δt，則延遲時間Δt與目標(biāo)距離R的關(guān)系為

其中R為目標(biāo)到雷達(dá)天線的距離，c為在自由空間的電磁波傳播速度，由圖1（a）所含的三角關(guān)系可知：

圖1 三角波調(diào)制的雷達(dá)信號時頻曲線

結(jié)合式（1）和式（2）可得目標(biāo)靜止模式下，目標(biāo)與雷達(dá)之間的距離公式［2～3］：

由上式可見差頻信號頻率Δf與距離R成線性關(guān)系，因此FMCW雷達(dá)測距系統(tǒng)的關(guān)鍵就在于測量差頻信號的頻率，在調(diào)制信號參數(shù)ΔF和T一定的情況下，只要測得差頻信號的頻率Δf，就可利用式（3）得到雷達(dá)天線與目標(biāo)之間的距離R。

在運(yùn)動目標(biāo)情況下，采用三角波調(diào)制的FMCW雷達(dá)系統(tǒng)的發(fā)射信號和回波信號時頻曲線如圖1（a）中所示，對應(yīng)的差頻信號時頻曲線如圖1（c）所示。

當(dāng)由于目標(biāo)與雷達(dá)天線之間存在相對徑向運(yùn)動，此時接收回波信號的載波相對于發(fā)射信號載波將產(chǎn)生一個頻移，即為多普勒頻移fd，根據(jù)多普勒頻移原理可知：

其中，f為發(fā)射信號的中心頻率，v為目標(biāo)與雷達(dá)的相對徑向運(yùn)動速度。對于運(yùn)動目標(biāo)，在三角波前半周上升沿和后半周下降沿期間的差頻信號不同，fb+為反射信號與發(fā)射信號上升沿期間得到的一個差頻信號即上掃頻段頻率，fb+為下降沿期間得到的一個差頻信號即下掃頻段頻率，Δf為目標(biāo)相對靜止時的差頻信號頻率，三者之間的關(guān)系為

聯(lián)合式（3）和式（4），可得目標(biāo)的距離和速度［2～3］：

其中v的符號由目標(biāo)與雷達(dá)天線之間相對運(yùn)動方向決定，當(dāng)目標(biāo)靠近雷達(dá)天線時，v為正值，反之為負(fù)值。由式（3）和式（7）分析可得，靜止模式下目標(biāo)距離與一個完整的調(diào)制周期內(nèi)的差頻信號頻率有關(guān)，在運(yùn)動模式下，目標(biāo)距離與前半周期上升沿和后半周期下降沿兩段差頻信號頻率的平均值相關(guān)，在實(shí)際應(yīng)用中，不管目標(biāo)是處于相對運(yùn)動還是相對靜止，只要分別求出調(diào)制三角波的上升沿和下降沿的差頻信號的頻率，就可以利用式（7）和式（8）來計(jì)算目標(biāo)的距離和速度信息，這就是FMCW雷達(dá)測距測速的原理。

采用三角波調(diào)制信號進(jìn)行調(diào)頻時，由圖1（b）和圖1（c）的差頻信號時頻特性曲線可以看出，每一個調(diào)制周期內(nèi)都會存在兩處不規(guī)則的時間區(qū)域，在此區(qū)間上差頻信號頻率和目標(biāo)距離沒有直接關(guān)系，因此在進(jìn)行雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)計(jì)時，應(yīng)使得T＞＞Δt，以減小不規(guī)則區(qū)；另外也應(yīng)盡可能地在規(guī)則區(qū)域內(nèi)對差頻信號進(jìn)行采樣從而減少不規(guī)則區(qū)域上的影響。受FMCW雷達(dá)發(fā)射機(jī)功率的限制，F(xiàn)MCW雷達(dá)一般應(yīng)用于近程測距，存在T＞＞Δt，因此從時域來看差頻信號在絕大部分時間上的頻率是Δf，從頻域來看規(guī)則區(qū)域上差頻信號能量遠(yuǎn)大于不規(guī)則區(qū)域上差頻信號的能量，差頻信號的頻譜能量集中在以Δf為中心的頻帶內(nèi)，所以可在頻域上對差頻信號進(jìn)行處理，計(jì)算差頻信號的中心頻率，從而實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)信息的提取。

3 FMCW雷達(dá)近程測距系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)采用Innosent公司生產(chǎn)的FMCW雷達(dá)收發(fā)器 IVS-162［6～8］負(fù)責(zé)發(fā)射和接收雷達(dá)信號，利用單片機(jī)控制DAC產(chǎn)生雷達(dá)工作所需的三角波調(diào)制信號，VCO接收三角波調(diào)頻信號后，輸出一個發(fā)射信號，發(fā)射信號分成二路，一路經(jīng)發(fā)射天線發(fā)射出去，一路進(jìn)入混頻器；接收天線接收到回波信息，經(jīng)去噪放大處理后，進(jìn)入混頻器與發(fā)射信號進(jìn)行混頻，從而形成差頻信號；經(jīng)過差頻信號處理（處理后的差頻信號也稱為中頻信號）完成濾波放大后送入單片機(jī)，由單片機(jī)進(jìn)行AD采樣和信號處理，從而獲取目標(biāo)的相對速度和距離信息。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

收發(fā)前端是雷達(dá)系統(tǒng)的核心，主要包括壓控振蕩器VCO、混頻器、定向耦合器等，其中VCO輸出信號的頻率受到三角波調(diào)制信號的控制；定向耦合器是把VCO輸出功率的一部分耦合到混頻器的輸入端，作為混頻器的本征信號，混頻器的作用是完成回波和本征信號的差頻，從而輸出差頻信號。

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理框圖

4 前端數(shù)據(jù)采集模塊設(shè)計(jì)

4.1 差頻信號處理

FMCW雷達(dá)收發(fā)器輸出的差頻信號含有一定的噪聲和干擾信號，且幅值很小，大約在10mV～20mV之間，由于隨著目標(biāo)距離的增加，目標(biāo)差頻信號很容易淹沒在噪聲和雜波中。可見差頻信號處理的好壞直接將影響到對目標(biāo)回波信號的檢測，進(jìn)而影響到測距測速的精確度［9～10］。差頻信號處理電路如圖3所示。

差頻信號處理電路主要由前置低噪放大、高通濾波器、可變增益調(diào)整電路和低通濾波器四部分組成。前置低噪放大器由OP211構(gòu)成的，OP211是高精度運(yùn)算放大器，可實(shí)現(xiàn)低噪聲、低功耗、高帶寬等特性，可實(shí)現(xiàn)放大接收到的微弱差頻信號和降低噪聲對其的干擾；采用單路、精密、極低噪聲、低輸入偏置電流運(yùn)算放大器的AD8671，搭建了二階巴特沃斯有源高通濾波器和低通濾波器，高通濾波器濾除所泄露的調(diào)制信號、電源噪聲和近距離低頻干擾信號，低通濾波器濾除電路內(nèi)部和信號中的高頻諧波分量；可變增益調(diào)整電路由AD603組成，AGC調(diào)整電路可根據(jù)濾波后信號大小調(diào)整增益，將不同的差頻信號放大到系統(tǒng)可以進(jìn)行采樣分辨的幅度，以便后續(xù)數(shù)字處理部分能夠正常工作。在三角波調(diào)制信號的上升沿和下降沿，通過單片機(jī)改變窄帶濾波器的中心頻率，對去噪處理后的差頻信號進(jìn)行掃描，掃描的寬度可以根據(jù)測距范圍來選擇，通過窄帶濾波器的信號進(jìn)入峰值保持器，A/D采樣后送入單片機(jī)進(jìn)行比較識別。

4.2 AD采樣和信號處理

由于三角波調(diào)頻和AD采樣需要同步，才能正確獲取上升沿和下降沿期間的差頻頻率，系統(tǒng)采用定時器中斷控制DAC模塊產(chǎn)生三角波，定時器中斷函數(shù)內(nèi)，每產(chǎn)生一個DAC電壓值，ADC進(jìn)行一次采樣并保存在一個臨時數(shù)組中，當(dāng)臨時數(shù)組達(dá)到采用點(diǎn)數(shù)，程序進(jìn)入FFT算法部分，通過對采樣點(diǎn)數(shù)進(jìn)行 FFT變化，即可計(jì)算出上/下掃頻段頻率［11～12］，根據(jù)式（7）和式（8）計(jì)算可得目標(biāo)距離和相對速度。當(dāng)增加采樣點(diǎn)數(shù)可以在采樣頻率不變的情況下增加分辨率，如果點(diǎn)數(shù)增加一倍，采樣率也提高一倍，那么分辨率不變，但能識別的最高頻率將提高一倍，這是采樣點(diǎn)數(shù)增加的優(yōu)點(diǎn)，帶來的缺點(diǎn)是同時會減慢運(yùn)算速度［13］。

圖3 差頻信號處理電路原理圖

軟件流程如圖4所示，啟動系統(tǒng)并初始化，進(jìn)入AD采樣，經(jīng)FFT變換和譜峰搜索獲取頻率信息，根據(jù)上/下掃頻段頻率計(jì)算出目標(biāo)距離和相對速度。

圖4 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)軟件流程圖

5 結(jié)語

系統(tǒng)的前端FMCW雷達(dá)性能、差頻信號的處理以及A/D的分辨率都會影響到測距測速的精度，提高前端雷達(dá)性能和減少差頻信號受干擾程度，測量精度就能得到進(jìn)一步提高。

基于FMCW雷達(dá)的差頻信號采集系統(tǒng)具有性能穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)相對簡單、成本較低、功耗較小、精度較高等優(yōu)點(diǎn)，在導(dǎo)彈炮彈引信、灌裝液面高度測量、起重機(jī)防撞報(bào)警、車輛防碰撞主動安全預(yù)警等需要高精度近程測距的場合有著廣闊的應(yīng)用前景。