任建 丁旭 郭國發(fā)

摘? 要：連續(xù)波體制雷達的發(fā)射功率可在一段時間內(nèi)實現(xiàn)功率平均分配，發(fā)射峰值功率小、環(huán)境適應(yīng)性強，因此易于結(jié)構(gòu)優(yōu)化、電路簡單。文章在STM32架構(gòu)上設(shè)計了一款24GHz 毫米波調(diào)頻連續(xù)波（frequency modulation continuous wave，F(xiàn)MCW）雷達系統(tǒng)。經(jīng)LabView平臺仿真和實物驗證，最終可生成頻率為100Hz，峰值為2.56V的調(diào)頻連續(xù)波。該系統(tǒng)由于易實現(xiàn)、效率高，可在自適應(yīng)巡航和交通監(jiān)管等方向開展應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：調(diào)頻連續(xù)波;差頻信號;測距雷達;STM32單片機;

Abstract：The transmission power of the continuous wave radar can realize the average power distribution within a period of time，the transmission peak power is small，and the environmental adaptability is strong，so it is easy to optimize the structure and the circuit is simple.This paper designs a 24GHz millimeter wave frequency modulation continuous wave （FMCW） radar system on the STM32 architecture.Through LabView platform simulation and physical verification，it can finally generate a frequency-modulated continuous wave with a frequency of 100Hz and a peak-to-peak value of 2.56V. Due to its easy implementation and high efficiency，this system can be applied in adaptive cruise and traffic supervision.

Key words： FM continuous wave; Difference frequency signal; Ranging radar; STM32 microcontroller;

一、引言

FMCW雷達是基于連續(xù)波雷達技術(shù)而來的，與脈沖體制雷達相比，它具有高帶寬、工作電壓低、大時帶積等優(yōu)點[1-3]。隨著集成電路工藝的不斷提高，硬件成本降低，高性能的毫米波雷達研制成為可能[4-6]。

2017年南京理工大學(xué)的李健以TMS320C6748核心板來搭建雷達平臺[7]。2018年11月1日，國內(nèi)首輛配備毫米波雷達的自動駕駛出租車正式問世。由于高頻器件較貴，鮮有電子廠商在這個領(lǐng)域有重大突破。國內(nèi)雷達傳感器開發(fā)難度大[8]。筆者所設(shè)計的基于FMCW雷達系統(tǒng)是一款簡單高精度的雷達系統(tǒng)，可以為大規(guī)模生產(chǎn)提供幫助。

二、FMCW雷達測距基本原理

連續(xù)波雷達發(fā)射信號有非調(diào)制、多頻和調(diào)頻三種。調(diào)頻連續(xù)波雷達測距性能較好。調(diào)頻連續(xù)波雷達的主流工作頻段是24GHz、77GHz，目前24GHz調(diào)頻連續(xù)波雷達是大多數(shù)廠家的主流選擇。

發(fā)射信號在傳播過程中遇到障礙物發(fā)生散射，散射信號向所有方向傳播，部分信號被接收天線接收。發(fā)射到接收有時間上的延時，回波信號相對于本振信號有頻率差，分析頻率值可得目標物體的距離信息。

如圖1所示，黃色實線為發(fā)射信號（Ftransmit），藍色虛線為接收信號（Freceive），某時刻t0的接收信號頻率低于發(fā)射信號頻率，生成具有基本固定值的差頻信號fD。雷達信號由鋸齒波調(diào)制，發(fā)射信號與回波信號幾乎相同，延遲時間τ，c0是光速，Δf為調(diào)頻寬度。目標距離R的值與τ之間的關(guān)系如式（1）所示。

二、雷達系統(tǒng)硬件實現(xiàn)

筆者實現(xiàn)的連續(xù)波雷達系統(tǒng)如圖2描述，最后系統(tǒng)實現(xiàn)接收到FMCW信號并顯示。

雷達前端傳感器使用德國 InnoSenT 公司雙通道24GHz雷達前端傳感器IVS-465。該模塊包含了收發(fā)天線以及混頻器，具有FSK/FMCW/CW工作模式，傳感器基本結(jié)構(gòu)如圖3所示，傳感器調(diào)制頻率最大為150KHz。

前端傳感器以1kHz 的鋸齒波為調(diào)制信號，探測距離為0.3米～5米。由于前端傳感器沒有集成中頻輸出放大極，輸出信號只有幾毫伏，還存在調(diào)制信號的泄露。筆者設(shè)計濾波放大電路對傳感器輸出信號進行濾波放大，濾波增益電路如圖4所示。

FMCW雷達信號源輸出的是經(jīng)過調(diào)制產(chǎn)生的調(diào)頻信號。信號源的控制端輸入的不同調(diào)諧電壓可以使輸出信號產(chǎn)生不同的信號頻率。信號源通常使用壓控振蕩器VCO（Voltage Controlled Oscillator，VCO）來產(chǎn)生不同頻率的信號， 輸出信號的頻率f與調(diào)諧電壓Vmod可以表示為線性關(guān)系式（3），但Vmod有一定的范圍限制。

其中f0對應(yīng) Vmod=0時的截距，而k表示VCO的輸出增益。

通常調(diào)諧電壓Vmod是與時間有關(guān)的函數(shù)，所以VCO輸出電壓信號的頻率f也可以根據(jù)式（4）表示成與時間相關(guān)的函數(shù) f（t）：

輸出信號的頻率f與輸入電壓在部分區(qū)間內(nèi)似線性關(guān)系，VCO輸出電壓信號可以表示為式（5）：

At為VCO輸出的發(fā)射信號的幅值;ψ（t） 為發(fā)射信號的相位。

設(shè)計調(diào)制信號由STM32F103RCT6單片機的DAC產(chǎn)生，調(diào)制信號的電壓值為0.5V～3V時VCO的線性度較好，輸出電壓范圍在0V到3.3V之間。配合直接存儲器訪問使用來減少CPU資源占用，更加高效。

A/D采集使用MP4623采集卡，上位機使用LabView開發(fā)，其程序圖形化如圖5所示

調(diào)用VI啟動校準采集卡，獲取緩沖區(qū)數(shù)據(jù)長度并值返回到A/D數(shù)據(jù)讀取函數(shù)，將讀取到的數(shù)組類型的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換進行顯示，并對數(shù)據(jù)進行傅立葉變換。

整套FMCW測距雷達系統(tǒng)實物如圖6所示。

雷達系統(tǒng)各部分為：

1.STM32單片機;2.MP4623數(shù)據(jù)采集卡;3.IVS-465傳感器;4.差頻信號濾波增益電路;5.±5V電源轉(zhuǎn)換模塊。

三、實驗結(jié)果

經(jīng)過硬件調(diào)試，得到如下結(jié)果。

使用60dB增益帶通濾波放大電路對傳感器輸出信號進行濾波放大，截止頻率約為32.17KHz，防止信號泄露的濾波結(jié)果如圖7所示。

使用DAC輸出鋸齒波，使輸入值從500到3000進行遞增，此過程在while循環(huán)中進行。設(shè)定好合適參數(shù)值即可得到較穩(wěn)定、符合要求的波形。由采集卡采集，LabView上位機顯示，三角波輸出如圖8所示。

通過波形控件將讀取到的數(shù)組類型的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為波形數(shù)據(jù)，并連接到波形顯示控件上進行顯示，至此可觀察到采集的波形，上位機運行效果圖如圖9。

由圖9可見，該設(shè)計穩(wěn)定實現(xiàn)了24G調(diào)頻連續(xù)波的雷達，完成了波形設(shè)計、發(fā)射和接收，為以后的測量、跟蹤等應(yīng)用提供前端基礎(chǔ)。

四、結(jié)束語

綜上，對FMCW雷達系統(tǒng)使用鋸齒波調(diào)制的工作原理進行了分析，并設(shè)計了整套系統(tǒng)的各部分組件，主要包括調(diào)制信號信號源、差頻信號處理電路、基于LabView的采集卡上位機程序，實現(xiàn)了基本的測距功能，性能良好。2020年開年，新冠疫情全球肆虐，在中國本土管控良好的同時，對外來輸入病例的防范成為抗疫的重中之重。在這樣的大背景下，海關(guān)的非接觸測量顯得尤為關(guān)鍵。24GHz調(diào)頻連續(xù)波作為測距的主要雷達機制，終于可以大展身手。因此，該設(shè)計電路對于便攜式微波設(shè)備開發(fā)具有重要的參考意義。

參考文獻

[1]陶明亮. 毫米波FMCW雷達信號處理關(guān)鍵技術(shù)研究 [D].廈門：廈門大學(xué)，2016.

[2]武守俊. 毫米波汽車防撞雷達設(shè)計及其信號處理算法研究 [D].成都：電子科技大學(xué)，2007.

[3]張鵬，熊杰.基于DSP的FMCW雷達泄漏對消系統(tǒng)分析[J].火控雷達技術(shù)，2015（01）：43-48.

[4]曹和.8mm連續(xù)波多普勒近程探測系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn) [D].南京：南京理工大學(xué)，2010.

[5]王明剛.24GHz調(diào)頻連續(xù)波雷達信號處理技術(shù)應(yīng)用[J].電子技術(shù)與軟件工程，2018（15）：71-72.

[6]艾俊軼. 毫米波高精度測距雷達信號處理及實現(xiàn)[D].成都：電子科技大學(xué)，2006.

[7]李健. 24GHz調(diào)頻連續(xù)波雷達信號處理技術(shù)研究[D].南京：南京理工大學(xué)，2017.

[8]湯家俊. 24GHz調(diào)頻連續(xù)波雷達前端的研究和設(shè)計[D].合肥：安徽大學(xué)，2017.

[9]丁海鳳. 汽車主動防撞預(yù)警系統(tǒng)雷達信號處理研究[D].長春：吉林大學(xué)，2013.

[10] Park J D ，Kim W J . An efficient method for decreasing the problems of transmitter leakages on low‐cost homodyne FMCW radar with a signal‐antenna configuration[J]. Microwave & Optical Technology Letters，2005，46（5）：512-515.

[11] 王碩，殷樹娟，李翔宇.一種低成本FMCW雷達測距系統(tǒng)中頻電路設(shè)計[J].微處理機，2019（02）：52-56.

[12] 任建，許會，李邦宇.穿墻雷達圖像CS編碼算法設(shè)計[J].沈陽工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2016（01）：80-85.