商 瑩，李 煥，袁戰(zhàn)軍

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

雷達系統(tǒng)在軍事領域、民用領域等均有著重要的作用。因此雷達系統(tǒng)伴隨著科技的發(fā)展在不斷的進步，用于雷達測試的雷達測試控制系統(tǒng)也需要不停的更新?lián)Q代[1]。

高性能的雷達測試控制系統(tǒng)有助于更加快速、精確地測試目標距離和速度。

本系統(tǒng)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(tài)或動態(tài)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(tǒng)能夠更快速、準確地進行對目標的測量。

1 系統(tǒng)組成

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

圖1 系統(tǒng)組成框圖

調(diào)制信號模塊電路中所需的三角波信號由數(shù)據(jù)采集卡的DA輸出口產(chǎn)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(diào)頻信號的發(fā)射帶寬。

輸入調(diào)制電壓由傳感器內(nèi)部的壓控振蕩源（VCO）轉(zhuǎn)化為線性調(diào)頻的發(fā)射信號，此發(fā)射信號頻率隨調(diào)制電壓線性變化。完成毫米波信號的發(fā)射。

信號的調(diào)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(jīng)過數(shù)據(jù)采集卡采集回后經(jīng)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(tǒng)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(diào)制信號為三角波或鋸齒波，輸入調(diào)制電壓由傳感器內(nèi)部的壓控振蕩源（VCO）轉(zhuǎn)化為線性調(diào)頻的發(fā)射信號，此發(fā)射信號頻率隨調(diào)制電壓線性變化。

由于收到的回波信號與發(fā)射信號有一定時延，在此時延上發(fā)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(diào)制的FMCW（可調(diào)連續(xù)波雷達）雷達[3]系統(tǒng)的發(fā)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(fā)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(diào)制信號為固定直流電壓信號，雷達發(fā)射信號的頻率不變，由于目標運動而產(chǎn)生的多普勒效應會使回波的頻率產(chǎn)生相應變化。回波信號與發(fā)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(guān)系即可確定。由頻率和兩路輸出信號的前后相位關(guān)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(tài)或動態(tài)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(shù)據(jù)發(fā)送給上位機進行分析處理[6-8]。

4 系統(tǒng)電路

IVS-179毫米波雷達測試系統(tǒng)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(xù)的濾波和放大處理，因此需要先經(jīng)過電壓跟隨電路，增強信號的驅(qū)動能力，便于后續(xù)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(jīng)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(diào)制信號，便于后續(xù)進一步放大處理，系統(tǒng)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(xù)的數(shù)據(jù)處理造成一定的干擾。其次，本系統(tǒng)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(chǎn)生的附加噪聲，有利于后續(xù)數(shù)據(jù)的處理。

5 測試條件及測試結(jié)果

系統(tǒng)測試時采用0.5～4 V，頻率為200 Hz的三角波調(diào)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?？梢杂行П苊獗尘皦Ρ诘葘走_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(jīng)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(jīng)測試系統(tǒng)測得回波經(jīng)過FFT變換結(jié)果如圖7所示。

圖7 雷達輸出波形圖和系統(tǒng)測得回波數(shù)據(jù)經(jīng)過FFT變換結(jié)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(jīng)測試系統(tǒng)測得回波經(jīng)過FFT變換結(jié)果如圖8所示。

圖8 雷達輸出波形圖和系統(tǒng)測得回波數(shù)據(jù)經(jīng)過FFT變換結(jié)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(jīng)測試系統(tǒng)測得回波經(jīng)過FFT變換結(jié)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(tǒng)測試結(jié)果的分析得出，所有測得結(jié)果均有正向誤差，經(jīng)過對系統(tǒng)及測試結(jié)果數(shù)據(jù)分析得知存在誤差的主要原因有線性調(diào)頻在所選取的電壓段不是完全線性和調(diào)頻帶寬有誤差，在0.5～4 V調(diào)頻時，真實的頻帶寬度可略小于理論的200 M，造成測量結(jié)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(diào)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(shù)據(jù)分析結(jié)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(tǒng)測得回波數(shù)據(jù)經(jīng)過FFT變換結(jié)果

表1 3種情況下測得數(shù)據(jù)分析結(jié)果

6 結(jié) 論

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

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