基于IWR1642的雷達水位計設計

汪義東， 鄭 宏

(1.水利部水文水資源監控工程技術研究中心， 江蘇 南京 210012；2.江蘇南水科技有限公司， 江蘇 南京 210012； 3.水利部南京水利水文自動化研究所， 江蘇 南京 210012)

水位測量是水文工作中必不可少的環節，與傳統接觸式測量及超聲波測量相比，采用雷達水位計進行水位測量具有測量精度高、安裝維護方便等優點。目前市面上大部分雷達水位計是引進國外的脈沖型雷達水位計，脈沖型雷達水位計的成本較高，而調頻連續波雷達水位計還處于起步階段，并且雷達天線前端模擬電路復雜，調試困難。因此本文設計了一種基于毫米波雷達傳感器IWR1642的77GHz調頻連續波雷達水位計，此芯片集成了天線前端所需要的模擬電路，大大降低了雷達電路設計的難度。

1 雷達測距原理

在雷達測距系統中[1-2]，其基本概念是指電磁信號發射過程中被其發射路徑上的物體阻擋進行的反射。FMCW雷達系統所用信號的頻率隨時間變化呈線性升高，這種類型的信號也稱為線性調頻脈沖。

FMCW 雷達系統發射線性調頻脈沖信號，并捕捉其發射路徑中的物體反射的信號，該線性調頻脈沖由發射天線(TX天線)發射，物體對該線性調頻脈沖的反射生成由接收天線(RX 天線)捕捉的反射線性調頻脈沖，TX信號和RX信號進入混頻器(混頻器是電子組件，將信號合并到一起生成一個具有新頻率的新信號)生成中頻 (IF) 信號。對于2個正弦輸入可以寫成以下方程：

x1=sin(ω1t+φ1)

(1)

x2=sin(ω2t+φ2)

(2)

輸出xout有一個瞬時頻率，等于2個輸入正弦函數的瞬時頻率之差，輸出xout的相位等于2個輸入信號的相位之差：

xout=sin((ω1-ω2)t+(φ1-φ2))

(3)

計算IF信號的頻率可以得到測量的距離，距離可以表示為

(4)

式中，d是與被檢測物體的距離，c是光速，f0是IF信號的頻率。

在本方法中可以忽略IF信號的頻率與物體速度的依賴關系，快速FMCW中，物體速度對其影響通常非常小，且在處理完成多普勒傅里葉變換后，即可對其進行進一步校正。

2 硬件結構設計

雷達水位計采用輕量化、小型化設計，雷達核心電路板固定在托架上，托架通過四周的定位孔安裝在外殼中。整個外殼的殼體部分采用鋁合金材料，從而減輕自身重量，頂部通過密封圈和塑料蓋進行密封，達到防塵防水的效果。底部設有兩個航空插頭，一個引出電源和通信線，另一個引出調試線。殼體外部預留安裝孔，可以加裝二維萬向節支架，以便調整雷達水位計水平角度。雷達水位計結構示意圖如圖1所示，其中1為鋁合金外殼，2為密封圈，3為ABS材質前蓋，4為雷達核心電路板，5為雷達核心電路板托架。

圖1 雷達水位計結構示意圖

2.1 77GHz平面微帶天線的設計

目前77GHz雷達在汽車方面應用較為廣泛，技術成熟，國內外對汽車雷達天線及相關核心技術也進行了研究[3-6]。但是77GHz雷達在水文行業的應用相對匱乏，針對雷達水位計對雷達面積以及測量距離要求，設計了一款小尺寸、高增益的77 GHz平面微帶天線。天線由一發一收兩個10×8的微帶陣列單元組成，天線在水平方向和垂直方向都具有較高的增益和較低的波束寬度，E面的3 dB波束寬度約為9°，H面的3 dB波束寬度約為9°，增益為24 dBi，滿足雷達水位計的探測要求。平面微帶天線示意圖如圖2所示。

圖2 平面微帶天線示意圖

天線由矩形貼片組成的串饋微帶天線陣模型，其中介質基板使用TI推薦的高頻板材Rogers4835，板材厚度為4 mil，相對介電常數為3.480。由于天線的饋電網絡中的阻抗需要與毫米波傳感器IWR1642要求的相匹配，而阻抗匹配的過程復雜，計算量較大，在電路設計中過孔的阻抗相對于線路的阻抗更加難以控制，因此饋電網絡中不宜有過孔，因此天線需要與毫米波傳感器IWR1642布置在高頻板材的同一面。

2.2 硬件電路設計

雷達水位計的硬件電路主要由毫米波傳感器IWR1642、超低功耗加速度傳感器iNEMO、電源管理系統PMIC以及RS485通訊接口組成，雷達水位計結構框圖如圖3所示。

圖3 雷達水位計結構框圖

雷達水位計硬件電路的核心是毫米波傳感器IWR1642[7]，是一款能夠在76～81 GHz頻帶中運行且基于FMCW雷達技術的集成式單芯片毫米波傳感器，具有高達4 GHz的連續線性調頻脈沖，該傳感器采用TI的低功耗45 nm、RFCMOS工藝進行構建，并且在極小的封裝中實現了前所未有的集成度，有效解決了雷達模擬前端電路的復雜性。毫米波傳感器包括整個毫米波射頻前端和模擬基帶信號鏈，最多可用于2個發射器和4個接收器，以及可編程的MCU和高速DSP。毫米波傳感器的射頻/模擬前端包括三角波發生器(DDS)、調制器(MOD)、壓控振蕩器(VCO)、功率放大器(PA)、低噪聲放大器(LNA)、正交混頻器(MIX)、中頻濾波器(IFF)。

此外核心電路還集成了加速度傳感器，用于計算安裝角度是否水平；電源管理芯片，用于具有過壓、過流斷電保護功能以及RS485通訊接口電路，用于與外部設備通訊。

3 測距算法設計

距離測量的關鍵在于計算IF信號的頻率，根據式(4)推出距離，再消除物體位移帶來的微小誤差。

根據數字信號處理的理論，使用傅里葉變換求取IF信號的頻率是實際信號頻率的近似值，在非同步采樣時，由于各次諧波分量并未能剛好落在頻率的分辨點上，而是落在各個頻率分辨點之間，實際測量的頻率值大概率不會落在分辨點上，因此就不能直接得到各次諧波分量的準確值，而只能用臨近的頻率分辨點的值來近似替代，這個就稱之為FFT 的“柵欄效應”。由于存在“柵欄效應”，使得直接使用FFT所獲得的頻率因為有固定的采樣間隔△f而產生△f/2的測量誤差。

為了解決上述問題，本文采用增加窗函數的方式抑制傅里葉變換的頻譜泄露，設置帶寬為4 GHz，單次發射持續時間為40 μs，單次采樣點數為1024，窗函數選擇漢寧窗，則理論上距離的分辨率可達到3.75 cm。在水文儀器規范中，雷達水位計的測量精度最低要求為2 cm以下，因此需要在傅里葉變換的基礎上使用選帶傅里葉變換提高精度。

對于無限長序列，可以增加采樣點數N，增加譜線數量，提高頻譜分辨率，以削弱柵欄效應的影響，而采集信號的長度會極大影響著運算速度，為了在不增加分析數據長度的情況下提高分辨率，本文采用在傅里葉變換的基礎上使用選帶傅里葉變換提高分辨率。使用選帶傅里葉變換可以識別頻譜的細微結構，對感興趣頻段進行高頻率分辨率的分析[8-9]。該算法對特征諧波所在局部頻段進行細化，細化倍數為D，細化譜的頻譜間隔Δf′=DΔf為全景譜頻譜間隔的1/D，頻率分辨率提高了D倍。具體步驟如下。

(1)復調制移頻：將目標頻帶的中心頻率移至頻率軸的零點處。

(2)低通濾波：對移頻后的信號進行低通濾波，以濾除分析頻段以外的高頻信號。

(3)抽取：對信號進行系數為D的抽樣，即對時域上每D個序列點保留1個，其余的序列點舍棄，抽取后相當于采樣率降低了D倍。

(4)傅里葉變換頻譜分析：對抽取之后的時域信號進行傅里葉變換。

(5)頻率調整：經過傅里葉變換得到的是以零頻點為中心的一段頻譜，將其移至實際頻率處方求出細化之后的真實頻譜。

經過細化后的距離分辨率可達到毫米級別，完全能夠滿足水文儀器規范的要求。

4 實驗測試

將測試使用的雷達水位計樣機安裝在可移動的標尺軌道的一端，標尺上固定一平面代替水面，移動標尺模擬水位的變化，使用激光測距儀測量的數據作為標準值。在0～10 m范圍內，按步進50 cm進行3次實驗，求得最大絕對值誤差和平均值誤差，測試數據如表1。

表1 步進50 cm測試結果 單位：cm

實驗結果表明，在0～10 m實驗量程范圍內，最大誤差和平均誤差均小于1 cm，滿足對水位實時測量的精度要求。

5 結 論

本文從非接觸式雷達水位計的測量原理入手，詳細敘述了雷達水位計的硬件及軟件，基于測距算法提出在快速傅里葉變換的基礎上使用選帶傅里葉變換進行局部細化，提高差頻測量精度，滿足了水溫測量規范要求。雷達水位計的測試樣機尺寸小，質量輕，方便集成安裝，但是河水表面情況復雜，再加上高頻電磁波容易受到雨水的干擾，因此還需要在硬件和算法上做進一步提高和完善。