1 微型測距雷達(dá)的原理及組成
1.1 測距方法
通常雷達(dá)測距的方法有三種：脈沖法測距;調(diào)頻連續(xù)波法測距;相位法測距,。常用的為前兩種。脈沖法測距分辨率要達(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，精度要做到厘米級是相當(dāng)困難的,，何況是以增大接收機帶寬,，降低接收靈敏度為代價，電路上也難以實現(xiàn),。因而對于較精確的距離測量,，一般都采用調(diào)頻連續(xù)波測距的方法。
調(diào)頻連續(xù)波測距有三角波調(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,，而此時測出的頻率fbav為50 kHz，則可以計算出R≈ 93.750 0 m;如果測出的頻率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,。
如果是運動目標(biāo),，根據(jù)測速公式：
求出運動目標(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,。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,，首先必須有一個微波頭,，微波頭可在測速微波頭的基礎(chǔ)上，將體效應(yīng)振蕩器加一個變?nèi)莨芨臑閴嚎厥秸袷?，直接混頻。同時還需要一個三角波發(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)然也可以通過高速A/D采樣后將模擬信號變?yōu)閿?shù)字信號用DSP進(jìn)行數(shù)字信號處理,，不過成本較高,。
和工控機、PC104模塊相比,，采用單片機控制電路比較簡單,，且成本較低，由于沒有復(fù)雜的運算,，速度完全能夠滿足要求,。
這個設(shè)計功耗較小，用電池就可滿足電源供給要求,。
微型測距雷達(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)斜率變化時的脈沖輸出，正斜率為“1”,，負(fù)斜率為“0”;另一位作為一個三角波周期間的過零信號,，送單片機的中斷INT0，當(dāng)三角波正負(fù)斜率變化時,，輸出脈沖信號,。單片機產(chǎn)生過零中斷后，判斷正負(fù)信號,，為“1”,，得到的是fb+;為“O”，得到的是fb-,。
雷達(dá)工作時,，單片機控制窄帶濾波器不斷的進(jìn)行掃描，當(dāng)某一個濾波器有信號時,，由可重觸發(fā)單穩(wěn)態(tài)電路組成的信號檢測電路輸出由“0”變?yōu)?ldquo;1”,，單片機根據(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)行計數(shù)或測量脈沖的周期,，獲得足夠精確的頻率值,，即為準(zhǔn)確距離。根據(jù)公式計算出R和V送顯示器予以顯示,，或通過RS 232串口送上一級的計算機系統(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?？紤]到一般晶體的頻率為MHz量級,，地址產(chǎn)生器為一個13位的計數(shù)器，選用74HC4040,，計數(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,，這個設(shè)計用的是74HC04,。
波形存儲選用E2PROM芯片AT28C64，晶體選用1.683 4MHz,。最重要的一點是必須測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)，簡化起見，可以在波形存儲ROM中燒制修正數(shù)據(jù),，無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在O～32 kHz范圍內(nèi)移動，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Q值控制,。同時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,?？刂芉值的不同，在頻率的低端到高端,，可以將窄帶濾波器的3 dB帶寬設(shè)計成相同或相近的寬度,。
2.4 放大與AGC放大電路
前級放大電路可采用各公司的低噪聲運放，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輸出的運放。
2.5 單片機
單片機選用Atmel公司的AT89C51,，也可選用其他公司的單片機,，如PIC或AVR系列。這些單片機都是低成本且為人們所常用,。
3 軟件組成
軟件用匯編語言編寫,，流程圖如圖3所示。
4 結(jié)語
低成本微型測距雷達(dá)經(jīng)實驗在原理上是行得通的,，但距離較近,，實際測試后發(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)需要增加一個中頻,，放大后解調(diào),，再進(jìn)行視頻放大。
對于要求測距更遠(yuǎn)的雷達(dá),，可通過增加發(fā)射功率,，增大天線面積的方法,。當(dāng)功率較大時，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,。對于更近距離的測量，例如小于2～3 m,，可采用超聲波測量,。微型測距雷達(dá)的用途非常廣闊，今后必將大量用于民用的許多領(lǐng)域,。