0 引言
    隨著電子技術(shù)的飛速發(fā)展,，雷達(dá)技術(shù)也得到了長(zhǎng)足的進(jìn)步。雷達(dá)是以軍事目的發(fā)展起來(lái)的,，在當(dāng)今主基調(diào)為和平與發(fā)展的年代,，雷達(dá)技術(shù)越來(lái)越多地向民用方面轉(zhuǎn)移,。像我國(guó)普遍用于交通方面的測(cè)速雷達(dá)，正在飛速發(fā)展的汽車防撞雷達(dá)等,。隨著成本的不斷降低,，雷達(dá)在民用方面的用途會(huì)越來(lái)越廣泛。
    雷達(dá)進(jìn)行測(cè)距,，與激光測(cè)距相比,，不受氣候條件限制，距離遠(yuǎn),，精度高,。本文將主要敘述微型測(cè)距雷達(dá)的原理及組成。
    微型測(cè)距雷達(dá)主要用于以下幾個(gè)方面：
    (1)導(dǎo)彈和炮彈的微波引信,；
    (2)汽車前視防撞雷達(dá)；
    (3)堆積物和小山頭的高度測(cè)量,；
    (4)高速公路及城市道路的機(jī)動(dòng)車流量測(cè)量,；
    (5)建筑行業(yè)的樓層測(cè)量；
    (6)罐裝液面高度測(cè)量,；
    (7)其他要求精確近距離測(cè)量的地方,。

1 微型測(cè)距雷達(dá)的原理及組成
1．1 測(cè)距方法
    通常雷達(dá)測(cè)距的方法有三種：脈沖法測(cè)距；調(diào)頻連續(xù)波法測(cè)距,；相位法測(cè)距,。常用的為前兩種。脈沖法測(cè)距分辨率要達(dá)到距離精度1 m以下,，脈沖寬度必須小于6．67 ns,，即使當(dāng)今脈沖雷達(dá)普遍采用脈沖壓縮的情況下，精度要做到厘米級(jí)是相當(dāng)困難的,，何況是以增大接收機(jī)帶寬,，降低接收靈敏度為代價(jià)，電路上也難以實(shí)現(xiàn),。因而對(duì)于較精確的距離測(cè)量,，一般都采用調(diào)頻連續(xù)波測(cè)距的方法。
    調(diào)頻連續(xù)波測(cè)距有三角波調(diào)制和正弦波調(diào)制兩種,，這里選擇三角波調(diào)制,。
    在三角波調(diào)制中，測(cè)距公式為：
   
式中：R為距離,；c為光速,；為三角波正向發(fā)射頻率與接收頻率之差，fb-為三角波負(fù)向發(fā)射頻率與接收頻率之差,；f為三角波調(diào)制頻率,；△fm為受調(diào)制的發(fā)射頻率最大頻偏的二分之一,。
    三角波調(diào)制頻率的選擇與距離分辨率有關(guān)。假如選擇f=200 Hz,，△fm=100 MHz,，而此時(shí)測(cè)出的頻率fbav為50 kHz，則可以計(jì)算出R≈ 93．750 0 m,；如果測(cè)出的頻率fbav=50．001 kHz,，R=93．751 8 m，二者之差為1．8 mm,，即每1 Hz代表1．8 mm的距離,。提高調(diào)制頻率f的值，分辨率還可以增加,。假如f=1 000 Hz,，其他參數(shù)不變，同樣測(cè)出的頻率fbav=50 kHz,，R=18．750 O m,；fbav=50．001 kHz，R=18．750 4 m,，相差0．4 mm,，每1 Hz代表O．4 mm的距離。
    如果是運(yùn)動(dòng)目標(biāo),，根據(jù)測(cè)速公式：
   
    求出運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的速度,。式中V為目標(biāo)的徑向速度，λ為發(fā)射微波的波長(zhǎng),。當(dāng)然,，固定目標(biāo)的fb+與fb-的值相等。
1．2 組成
    根據(jù)三角波調(diào)制的雷達(dá)原理,，首先必須有一個(gè)微波頭,，微波頭可在測(cè)速微波頭的基礎(chǔ)上，將體效應(yīng)振蕩器加一個(gè)變?nèi)莨芨臑閴嚎厥秸袷?，直接混頻,。同時(shí)還需要一個(gè)三角波發(fā)生器。為了修正壓控振蕩器的非線性,，使之頻率線性變化,，必須進(jìn)行非線性修正。
    為了增強(qiáng)效果,，可采用模擬濾波器組進(jìn)行積累處理,。當(dāng)然也可以通過(guò)高速A／D采樣后將模擬信號(hào)變?yōu)閿?shù)字信號(hào)用DSP進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理，不過(guò)成本較高,。
    和工控機(jī),、PC104模塊相比,，采用單片機(jī)控制電路比較簡(jiǎn)單，且成本較低,，由于沒(méi)有復(fù)雜的運(yùn)算,，速度完全能夠滿足要求。
    這個(gè)設(shè)計(jì)功耗較小,，用電池就可滿足電源供給要求,。
    微型測(cè)距雷達(dá)的組成框圖如圖1所示。

1．3 工作原理
    三角波調(diào)制頻率選200 Hz,，D／A選擇12位,，ROM為16位數(shù)據(jù)輸出，12位數(shù)據(jù)作為D／A的輸入,；一位作為三角波正斜率和負(fù)斜率變化時(shí)的脈沖輸出,，正斜率為“1”，負(fù)斜率為“0”,；另一位作為一個(gè)三角波周期間的過(guò)零信號(hào),，送單片機(jī)的中斷INT0，當(dāng)三角波正負(fù)斜率變化時(shí),，輸出脈沖信號(hào),。單片機(jī)產(chǎn)生過(guò)零中斷后,，判斷正負(fù)信號(hào),，為“1”，得到的是fb+,；為“O”,，得到的是fb-。
    雷達(dá)工作時(shí),，單片機(jī)控制窄帶濾波器不斷的進(jìn)行掃描,，當(dāng)某一個(gè)濾波器有信號(hào)時(shí)，由可重觸發(fā)單穩(wěn)態(tài)電路組成的信號(hào)檢測(cè)電路輸出由“0”變?yōu)?ldquo;1”,，單片機(jī)根據(jù)輸出的窄帶濾波器獲得帶內(nèi)頻率,，判斷出精度不太高的距離范圍，利用放大整形輸出進(jìn)行計(jì)數(shù)或測(cè)量脈沖的周期,，獲得足夠精確的頻率值,，即為準(zhǔn)確距離。根據(jù)公式計(jì)算出R和V送顯示器予以顯示,，或通過(guò)RS 232串口送上一級(jí)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng),。

2 各部分的組成
2．1 微波頭
    微波頭包括喇叭天線、體效應(yīng)振蕩器,、環(huán)行器,、混頻器,。體效應(yīng)振蕩器產(chǎn)生發(fā)射微波，喇叭天線作為微波對(duì)外收發(fā)之用,，環(huán)行器將收發(fā)進(jìn)行隔離,，混頻器取出發(fā)射頻率和接收頻率的差值。微波頭國(guó)外常用的有24 GHz,，35 GHz和77 GHz,，可采用Wisewave公司的產(chǎn)品。其功率輸出為+10 dBm,，頻偏DC為100 MHz,，波束寬度120，園極化,。
2．2 三角波發(fā)生器
    三角波發(fā)生器采用數(shù)字形成,。D／A為12位，要產(chǎn)生200 Hz的調(diào)制頻率,，則振蕩器約為0．819 2 MHz,。考慮到一般晶體的頻率為MHz量級(jí),，地址產(chǎn)生器為一個(gè)13位的計(jì)數(shù)器,，選用74HC4040，計(jì)數(shù)器不用最低位,，那么振蕩器的頻率為200 Hz×212×2=1．638 4 MHz,，可以用TTL門電路作振蕩器，這個(gè)設(shè)計(jì)用的是74HC04,。
    波形存儲(chǔ)選用E2PROM芯片AT28C64,，晶體選用1．683 4MHz。最重要的一點(diǎn)是必須測(cè)出微波頭的非線性曲線,，以便在非線性修正ROM中裝入修正數(shù)據(jù),，簡(jiǎn)化起見(jiàn)，可以在波形存儲(chǔ)ROM中燒制修正數(shù)據(jù),，無(wú)須再加專用的非線性修正電路,。
2．3 窄帶濾波器
    模擬器件的發(fā)展與集成為小型化提供了充分的條件，像松下公司的MN6515,，僅為8腳,，其帶通濾波器的中心頻率f0可由外加的時(shí)鐘頻率fcp控制，其比值fcp／f0約為15．7,。只要改變fcp的值,，帶通濾波器的中心頻率就會(huì)在O～32 kHz范圍內(nèi)移動(dòng)，非常方便,，可采用圖2方式進(jìn)行控制,。

    另外還有一種窄帶濾波器MAXIM的MAX262,，由編碼輸入控制f0和Q的值，共有64階濾波器,，128級(jí)Q值控制,。同時(shí)也可以控制振蕩頻率，由多片MAX262組成,，使窄帶濾波器的階數(shù)達(dá)到幾百甚至上千,。控制Q值的不同,，在頻率的低端到高端,，可以將窄帶濾波器的3 dB帶寬設(shè)計(jì)成相同或相近的寬度。
2．4 放大與AGC放大電路
    前級(jí)放大電路可采用各公司的低噪聲運(yùn)放,，AGC電路選用AD公司的AD603,，或BB公司的VGA610，放大整形可選用TI公司或其他公司新出的R～R輸出的運(yùn)放,。
2．5 單片機(jī)
    單片機(jī)選用Atmel公司的AT89C51,，也可選用其他公司的單片機(jī)，如PIC或AVR系列,。這些單片機(jī)都是低成本且為人們所常用,。

3 軟件組成
    軟件用匯編語(yǔ)言編寫，流程圖如圖3所示,。

4 結(jié)語(yǔ)
    低成本微型測(cè)距雷達(dá)經(jīng)實(shí)驗(yàn)在原理上是行得通的,，但距離較近，實(shí)際測(cè)試后發(fā)現(xiàn)微波頭采用直接混頻方式輸出靈敏度較低,。下一步改進(jìn)需要增加一個(gè)中頻,，放大后解調(diào),，再進(jìn)行視頻放大,。
    對(duì)于要求測(cè)距更遠(yuǎn)的雷達(dá)，可通過(guò)增加發(fā)射功率,，增大天線面積的方法,。當(dāng)功率較大時(shí)，考慮到連續(xù)波雷達(dá)泄露的影響,，需要將發(fā)射天線與接收天線分開(kāi),。對(duì)于更近距離的測(cè)量，例如小于2～3 m,，可采用超聲波測(cè)量,。微型測(cè)距雷達(dá)的用途非常廣闊，今后必將大量用于民用的許多領(lǐng)域,。