一种经济型短距测距雷达的设计和实现方法技术

提出一种经济型FMCW短距测距雷达，能够测量静止或移动目标相对雷达的距离。雷达有两种实现方案，方案一中收发共用一个微带阵列天线，附加环形器实现收发信道隔离；方案二中收发用分离的两个天线。雷达构成还包括微波功分器、平衡混频器、压控振荡器、调制电压产生器、温度传感控制器、同步时基电路、接收放大器、解调滤波电路、模拟数字变换器、数字信号处理器、距离数据输出和显示组合。对线性调频按基准频率稳定化和调频宽度稳定化实施稳定性控制。硬件设计中引入解调滤波设计方案，容许对测距功能进行扩展。用DSP处理器和快速傅里叶变换提取目标距离信息。雷达输出是目标距离数据，也能用波形显示方式输出雷达波束照射方位上的目标距离分布图。

Design and implementation of a new economic type short range radar

Put forward a kind of economical FMCW short range radar, capable of measuring stationary or moving target relative to the radar distance. There are two implementations of radar. In the first scheme, a microstrip array antenna is shared by the transceiver, and the transceiver channel is isolated by adding the annulus. The two antennas are separated and sent in the second plan. The radar also includes a microwave power divider, balanced mixer, voltage controlled oscillator, modulation voltage generator, temperature sensing controller, synchronous time base circuit, receiving amplifier, demodulation filter circuit, analog digital converter, digital signal processor, data output and display a combination of distance. The stability control is carried out for the linear frequency modulation according to the stabilization of the base frequency and the stabilization of the frequency modulation width. The design of the demodulation filter is introduced in the hardware design, which allows the range finder to be extended. The target distance information is extracted with the DSP processor and the fast Fourier transform. The radar output is the target distance data, and can also use the waveform display mode to output the target distance distribution map of the radar beam direction.

【技术实现步骤摘要】
一种经济型短距测距雷达的设计和实现方法
本专利技术涉及电子信息领域，提出一种经济型短距测距雷达的设计和实现方法。技术背景许多应用中提出了对短距测距雷达的需求。例如建筑物内进行喷涂作业的机器人，需要随时调整它自身在工作区中的位置，避免和墙体及其他障碍物发生碰撞，就要随时测量机器人与它的环境物之间的距离。由于作业处于严重污染条件下，其他传感器难以应用。另一个例子是农用飞机、民用小型无人机、环境监测用气球的高度测量。使用气压表、地磁感应等物理方法难以得到对地的准确高度。而激光测距方法容易受树木植被影响变得难以应用，微波雷达测距才是合理选择。工程设备移动时，要求保证环境安全，这可以求助于测距雷达。防止船舶相互碰撞或保持船舶航行安全需要测量船舶之间的距离或船舶与河岸或水上标记物的距离，并且要求雷达能够全天候工作。以上列举的应用中，要求雷达能够测量与目标的距离，但雷达和目标之间可能是相对静止的或相对径向速度较小，这决定了所说的雷达不适合单靠多普勒效应来设计。另一方面，所说的测距雷达和工程测量中使用的激光或微波测距机又不一样。工程测量中的测距机要求合作目标完全静止，可以达到很高的测量精度；而本专利技术关注的经济型测距雷达容许目标相对雷达完全静止或有相对运动，并且实际应用中对测距精度的要求不是那样苛刻。军用雷达测距仪和测高仪不是新的，但价格昂贵，完全不适合民用经济型的要求。民用雷达使用的基本原理与军用雷达不会有重大差别。然而由于受价格限制，军用雷达上可以使用的技术、部件在民用雷达上可能必须避免和改变。例如脉冲测距机或测高器需要使用较高的发射功率，导致整个雷达硬件价格高，在民用雷达设计中要尽量避免，而调频连续波(FMCW)体制是更经济的选择。国外厂商推出了若干专用集成芯片能够使FMCW雷达的实现方案变得简化，意在利用专用芯片的知识产权获得民用雷达市场的利益。然而对非器件制造商来说，这些专用芯片的价格就太贵了。本专利技术的目的是创造自己的技术方案和产品，用以取代国外的技术和产品。FMCW雷达体制常用于设计交通管理用雷达，例如德国的SmartMicro多目标交通雷达，美国的SmartSensor交通流检测器。这些雷达的生产商指标和实际应用都表明，雷达的设计目标是适合于探测移动速度大于10公里/小时的车辆目标；当目标径向速度小于5公里/小时，对目标的检测误差会变得很大。这明显不适合于本专利技术关注的各种应用。民用雷达需保证在工业温度范围内正常工作。对调频连续波体制，必须保证在工业温度范围内雷达调制发射信号的频率参数符合稳定性要求。需要做的工作是保证最低频率(通常作为基准频率)和最高频率或频率调制宽度的温度稳定性。国外器件商推出了用锁相环(PLL)方法以细步逐步调整跟踪方式调整频率来实现线性频率调制(锯齿波、三角波等)。这种方法能够保证调频微波频率的准确性，达到参照晶振稳定的水平。不过，这种器件没有得到民用雷达市场的成量应用，据分析主要原因是调制噪声比较高。事实上，国外雷达发展商都致力于自主发展线性频率调制方法和组件，并且将其作为重要的核心技术。本专利技术的一个创新点正是提出一种自主发展的线性频率调制测距雷达系统方案，保证雷达调频信号的基准频率和调频宽度具有温度稳定性，使雷达测距能够满足安全管理和产业应用需求。
技术实现思路
基本原理本专利技术中的经济型短距测距雷达使用线性调频方法。参考图1所示的一种雷达调制波形图，假定调频宽度为fsweep，调频时间长度为Tchirp，目标离开雷达的距离为R，雷达接收信号相对发射信号的延时等于其中c＝2.997925e8米/秒是电磁波的传播速度。这个延时造成接收信号与同时出现的发射信号之间有一个频率差为在电子信息领域中，这个频率差常常称为“拍频”。将接收信号和发射信号进行混频，能够将拍频信号检测出来。实际中可以对混频后得到的拍频信号在放大后进行模拟数字变换，得到的数字信号送到一个数字信号处理器中，利用快速傅里叶变换可以计算出拍频fr。目标相对雷达距离于是可以立即得到在原理说明中的频率调制锯齿波通常指连续线性锯齿波，然而在本专利技术中也包括阶梯线性锯齿波。所谓阶梯线性锯齿波，是指一个锯齿波由许多小阶梯上升的波形构成，每个小阶梯的时长和上升幅度都相等。连续线性或阶梯线性两种调制波对雷达测距而，其工作原理并无区别。既然某个目标的距离表现为混频后的一个拍频频率，不同距离的目标将表现为混频后得到的不同拍频频率值。只要不同的拍频频率能够被信号处理算法区分开，就能够区分处于不同距离的多个目标。因此，本专利技术的技术原则上具有对多个目标同时测距的能力。同时，虽然原理解说中利用了锯齿波线性调频方式，这个解说对于三角波线性调频方式也成立，只是在三角波的下降斜坡时段上的拍频取负值，实际计算与上升斜坡时段无区别。本专利技术中关注目标相对雷达的径向速度为零或较小的应用场合，假定目标移动引起的距离估计误差可以忽略。如果目标径向移动速度较快，本专利技术的硬件设计中安排了解调及双通道处理的扩展模式，容许同时估计目标的距离和速度，不过具体处理算法不列入本专利技术的主张范围。经济型测距雷达的一个设计方案如图2所示。该设计方案中，1是微带阵列天线，2a和2b分别是微波环形器和功分器，3是微波平衡混频器，4是微波压控振荡器，5是调制电压产生器，6是温度传感控制器，7是同步时基电路，8是接收放大器，9是解调滤波电路，10是模拟数字变换器，11是DSP处理器，12是距离数据输出和显示组合。图2的设计方案在本专利技术中称为设计方案1，其中雷达发射和接收共用同一个天线。本专利技术还包括一个略有不同的设计方案2，其中雷达的发射和接收分别使用不同的天线，设计方案2的原理框图如图3所示，其中1a和1b分别是发射和接收天线。设计方案1和2的区别仅在于发射和接收共用一个天线或是分别使用不同的天线，以及由此要求在功分器和混频器设计上做适应性改变：在设计方案2中不再需要微波环形器。设计方案2中其余各个功能块与设计方案1的各个功能块是相同的。此外，以下更改在电子系统设计中是常规技术：加入微波功率放大器将压控振荡器输出的微波功率加以放大，然后再馈送给功分器或功分混频单元；以及在平衡混频器之前插入微波低噪声放大器使接收灵敏度得到改善。这些更改包含在本专利技术的方案中。本专利技术的测距雷达方案1，其工作过程说明如下。锯齿波调制电压产生器5产生连续线性或阶梯线性控制电压。在该电压控制下，压控振荡器4产生出连续线性调频或阶梯线性调频的微波信号。所说微波信号的大部分经过功分器2b和环形器2a馈送给天线1发射出去，并由功分器分出一部分微波信号作为混频需要的本振信号。天线接收的雷达回波信号经环形器送给混频器。由于收发共用天线，环形器的插入可以保证发射信号和接收信号的主体部分按希望的路径传送。因此环形器的隔离度指标直接影响雷达性能。平衡混频器的输出信号频率为雷达接收信号和接收时刻的发射信号两个信号频率的差频，也就是所说的拍频频率。拍频信号经过接收放大器8放大到适当的信号电平后，送到解调-滤波电路9中。解调的作用是将单路接收拍频信号分拆为时间上交替的两路信号(因此也成为两个信道)，两路信号经过低通滤波后得到的两路连续信号之间的相位差带有目标相对雷达的距离和速度信息(其原理类似于频移键控调制)，连同拍频信号频率，能够决定本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种经济型短距测距雷达，能够测量静止目标或移动目标相对雷达的距离，其特征在于雷达使用调频连续波(FMCW)体制，有两种差别不大的实现方案：雷达实现方案一由一个收发共用的微带阵列天线、微波环形器、微波功分器、微波平衡混频器、微波压控振荡器、调制电压产生器、温度传感控制器、同步时基电路、接收放大器、解调滤波电路、模拟数字变换器、数字信号处理器、和距离数据输出和显示组合组成；而雷达实现方案二与实现方案一的区别仅在于方案二中发射和接收不共用天线而是两个分离的天线，以及方案二中不需要微波环形器，除这些区别外，方案一和方案二的其余构成完全相同。

【技术特征摘要】
1.一种经济型短距测距雷达，能够测量静止目标或移动目标相对雷达的距离，其特征在于雷达使用调频连续波(FMCW)体制，有两种差别不大的实现方案：雷达实现方案一由一个收发共用的微带阵列天线、微波环形器、微波功分器、微波平衡混频器、微波压控振荡器、调制电压产生器、温度传感控制器、同步时基电路、接收放大器、解调滤波电路、模拟数字变换器、数字信号处理器、和距离数据输出和显示组合组成；而雷达实现方案二与实现方案一的区别仅在于方案二中发射和接收不共用天线而是两个分离的天线，以及方案二中不需要微波环形器，除这些区别外，方案一和方案二的其余构成完全相同。2.属于权利要求1的一种经济型短距测距雷达，其特征在于调频连续波体制实现中使用连续线性锯齿波调频；或使用阶梯线性锯齿波调频；或使用连续线性三角波调频；或使用阶梯线性三角波调频。3.属于权利要求1的一种经济型短距测距雷达，其特征在于微波压控振荡器的输出可以附加或不附加微波功率放大器；在平衡混频器之前可以附加或不附加微波低噪声放大器对接收信号进行放大。4.属于权利要求1的一种经济型短距测距雷达，其特征在于，对微波压控振荡器产生的振荡频率按基准频率稳定化和调频宽度稳定化的方式分别实施稳定性控制；对基准频率稳定...

【专利技术属性】
技术研发人员：邹谋炎，
申请(专利权)人：邹谋炎，
类型：发明
国别省市：北京,11