《毫米波雷达测距系统设计》7400字

毫米波雷达测距系统设计目录TOC\o"1-2"\h\u11239引言 132121第1章绪论 3158591.1背景 3234601.2国内外研究现状 3105291.3主要研究内容及目标 4166851.4本章小结 423282第2章毫米波雷达测距原理 5321502.1毫米波雷达组成 5176012.2毫米波雷达特性 595142.3调制连续波测距原理 622687(a)发射信号，接收信号频率时间曲线 773932.4本章小结 724103第3章电路设计 8129003.1电路系统结构 8263503.2电路系统组成 823653.3本章小结 1210106第4章软件设计 12118924.1测距系统软件设计 12248044.2本章小结 1428201第5章测试与实验 15103835.1雷达系统组装 1589405.2实验数据的采集 1516945.3本章小结 1613534第6章总结与展望 17268926.1总结 17283916.2展望 17引言毫米波雷达（millimeter-wave

radar）是一种基于K毫米波段的调频毫米波微波天线测距感应雷达。现如今有三种比较通常的毫米波雷达，其中包括24GHz频段，77GHz频段及81GHz频段。毫米波的波长较短，穿透能力很好，测量精度相对很高，故应用于多种应用程序。如汽车、发动机直接碰撞预防系统、战场监视测量和目标捕获等。短距离测距是科学研究的重要目标，无接触式测距方式具有维护简单，工作效率极高等优点，很受大众市场的喜欢。目前距离测量的应用主要有超声波雷达测距法、毫米波雷达测距法和激光雷达测距法几种。超声波雷达测量的特点是超声波在介质中传输的距离很远，穿透力很好，具有很好的方向性，但传播缓慢，不能在需要快速移动的某些区域快速准确地测量距离，不能测量更大的距离，用激光雷达测定距离的特点是精度高，测量范围很大，有很好的稳定性，但对人的安全性下降，费用昂贵，而且暴露在环境中，使用很有局限性。毫米波头具有良好的抗烟、雾、尘能力，具有全天候特性，毫米波雷达不仅能探测到目标的距离，而且还能测定移动目标的速度，具有结构性简单，低排放电力，高接收感应度，距离差别，障碍阻力及低环境要求等优点。因此，毫米波自动控制通信系统在目前现代化的军事，农业，交通等很多工业技术创新方面都已经有着广泛的技术研究。在实际生活中，在很多领域都有着广阔的使用空间。其中，在军事领域，用于战场监测和目标捕获以及毫米波跟踪引导和火控；在汽车驾驶领域，可实现汽车的防碰撞系统；在飞行领域，可用于直升机防撞系统。这几年以来，随着农产业的不断兴起，毫米波雷达应用更加广泛，将毫米波雷达应用于无人机上，通过精准测量到地面距离，向农作物喷洒农药，这大大提高了工作效率，同时也减少了人力。本文章主要介绍了24G微波毫米波感应雷达模块短距离测距的工作原理及内部设计，并给出测量结果。第1章绪论1.1背景随着科学技术的日益发展，电子信息技术等许多当代高科技技术广泛地应用到军用系统和民用系统的各个方面。无接触式的测距方式工作效率很高，很受现代化市场的喜爱。在所有的电磁频带中，毫米波频带的雷达通信系统具有传播快，设备灵巧，发展大等优点，军事应用前景广阔。对于民用来说，它在探测，农业，医学，交通防撞等方面也有广泛的用途。短距离测距是毫米波测距实现的重要目标，其中无接触测量距离的方法包括三种：超声波测距法、毫米波测距法及激光测距。超声波测量的缺点是超声波传播缓慢，不能在需要快速移动的某些区域快速准确地测量距离，方向性差，发散角大，不能测量更大的距离。用激光测定距离的缺点是，对人的安全性下降，费用昂贵，而且暴露在环境中。毫米波头具有良好的抗烟、雾、尘能力，具有全天候特性，毫米波雷达不仅能探测到目标的距离，而且还能测定移动目标的速度，具有结构性简单，低排放电力，高接收感应度，距离差别，障碍阻力及低环境要求等优点。因此，通过比较毫米波雷达在测距方面有很大的优势。 表1.1毫米波雷达、通信等系统发展的平均形态系统最广泛研制的频率(GHz)卫星通信28本地通信65雷达87遥感176射电天文学460由表1.1可以看出，毫米波雷达与其他通信系统相比较在测距功能上有很大的优势，这也让毫米波雷达不仅仅是在军用上，在实际生活中，在许多畛域都有着宽泛的使用。因此毫米波雷达未来的潜力巨大，具有很大的研究意义。1.2国内外研究现状毫米波雷达是一种传感器，是系统的前面部分，它能准确的发射和接收毫米波，是一种很重要的系统器件，在国内外有着非常长远的发展进程。西方国家的毫米波雷达史：在早期产生毫米波能量的最重要信号是通过复印机和热电毫米波能量。毫米波的使用开始于毫米波雷达。在二战后期，英，法等国家开始使用的雷达从10G赫兹扩展到了ka频率。和20世纪80年代的毫米波雷达相比，光学电磁波雷达等有其自身的特色，主要应用在短距离范围全天候和电场的环境，在生产和精确毫米波元件等克服困难方面应用了毫米波技术。在20世纪90年代，出现了几十种毫米波的军用防空雷达控制系统，它的主要用途广泛，并可用于低空自动防控以及火力自动控制，战场遥控监测，机载监控制度，导弹远程制导和船载制导远程导弹，精品武器导弹，战术攻击目标的跟踪截取，分类，识别等多个方面。1978年，美国陆军研制出一架定位，拦截和目标毫米波雷达，它装在坦克上，无论在干净的环境还是在恶劣的环境中，都具有探测和跟踪目标的能力，在能见度低，烟雾弥漫的情况下，都比红外线系统要好得多，目前正在开发出1800-Ⅱ型和1800-Ⅲ型，已经体现出小体积，数字化等优点。英国宇航公司为了成功研制出毫米波雷达，在探测系统的两个阶段地面实验结束后，十年后，三个阶段的飞机搭载雷达实验都识别了综合参数，并在应用在军用飞机的船舱内，完成了飞行性能的检验。在荷兰被称为“gb球探”的FMCW雷达可以测定人们进入的飞机及车辆的距离，它体积小，而且可以装在吉普车上，因此可以作为“便携式”使用。在20世纪80年代，我国在石家庄首次开展了毫米波雷达研究会议。从那时起，许多研究所开展了毫米波元件和系统的开发研究工作，成功开发出了许多新款的毫米波元件，如转轴及4毫米波纹前进动机等电子真空器件，特别是转轴研制取得了很大进展。2009年，湖南华诺成功地开发出了生物探测器等装置。沈阳自动化研究所开发出了利用交通现状等的监视雷达系统、产业探测和防止冲击雷达的监视雷达系统。目前，我国境内的毫米波雷达企业有很多家，如深圳安智杰的24G后向雷达已经开始大批量出货并且已经拥有了77G的相关产品。此外，我国还研制出了毫米波仪器，研制出了Ka,U,W波段的天线，收发系统。总体上看，与其他西方发达的国家相比较，我国毫米波雷达应用技术还存在很大的晋升空间。不过我们会不断的改进和研究，借鉴其他成功的例子，努力赶上世界的脚步。1.3主要研究内容及目标 毫米波雷达最基本的功能是捕捉目标，测定目标距离，通过接收的后端中频信号通过回路处理中频信号，包括对测定目标的各种杂波，以及不同变调波在内的目标信息的测量应用线性fm波，无论用哪种调制方式，处理必要时的中频信号的系统都是关键。目标的信息体现在频率上，可以用快速傅立叶变换进行快速计算。根据天线已经知道的雷达对接收到的毫米波进行发射，接收机传播途径和目标的参数等计算反射信号的强度，基本关系式是所研究雷达的方程，我们的雷达方程的目的当然是研究出毫米波雷达的作用距离，还有在毫米波雷达设计中对正确选择雷达的各内线因子有着极其重要的指导意义。1.4本章小结本文主要设计了一个24G毫米波微波毫米波雷达，通过实现毫米波距离测定电路和软件设计及程序设计，通过实验验证及实验结果数据分析等结果，实现课题设计的目标。

第2章毫米波雷达测距原理2.1毫米波雷达组成毫米波发射雷达系统是一种非接触型微波传感器，由发射器，接收器，信号处理器，天线和图像显示器五大部分共同组成。它的工作原理是雷达发射器发射信号，通过接收器传给天线，天线把电磁波能量结合到大气中，雷达天线通常情况下会向一个方向大量传播，其中一部分传输的电磁能量会被目标物体反射到雷达方向，把反射回来的能量传播出去，然后再返回发射器中。毫米波雷达测距原理应用了多普勒效应。一天，多普勒正在过一个十字路口，当火车驶近时，汽笛声变大了，而当火车靠近时，汽笛声变细变长了，而当火车靠近时，汽笛声变小了，而音符却变得雄健起来。他对这一物理现象进行了很有兴趣的研究，进而产生了多普勒效应。多普勒效应可以应用于各种波中，毫米波也同样适用。2.2毫米波雷达特性2.2.1多普勒效应雷达目标回波的多普勒频移fd表示为Fd=-2νr/λ(2.1)其中，νr为径向速度，λ为波长。2.2.2天线波束宽度“分辨率的含义是雷达在显示器上可以分别出的两个测量物体的最小实际距离，雷达的角分辨率主要与天线的波束宽度有关”REF_Ref9709\r\h[1]。其中，天线孔径为D的天线方向图的波束宽度θ与天线波长λ的关系式可表示为θ=kλ/D(rad)(2.2)其中，k为常数。表2.1中分别列举了一些通用天线发射直径和电波束宽与无线雷电发射频率的对应关系，从上图表中我们可以明显看出，雷达的天线应用波束频率与雷达天线的应用波束宽度之间呈现反比例关系。表2.1天线波束宽度与雷达频率关系天线孔径/m波束宽度频率/GH01—55.416.78.90.120.85.71.80.91.02.20.380.210.11因此，对于毫米波雷达来说提供的窄天线波束具有许多优势，毫米波雷达可以获得非常高的角分辨率，在云雨天气下依然可实现目标的空间分辨，同时减少地杂波影响，可以分辨出多个近距离目标。2.3调制连续波测距原理“毫米微波的波形主要的产生方式有直接或者间接，波形的直接获取和产生的方法通常都是由射频调整的毫米波波源进行直接获取，实现一个预期的无线波形”REF_Ref2330\r\h[2]。间接获得的产生波形的途径一般为先在毫米波或无线不同频率两个波段中直接出现一个具有预期的无线波形，再使用一些信号变换处理技术来间接获得毫米或微波的预期波形。在载波的应用中主要采取两种滤波方式，包括单载频连续波以及调制连续波，单载频连续波雷达与调制连续波雷达相比较不仅仅因为它可以确定测量速度，它还能够确定测量距离。因此选用连续波。发射器的信号波为TX

，其输出频率与发射时间长度存在一定的度量关系。发射器送出去的信号波TX在遇到接收目标信号物体之后会被激光反射，接收器则用于接收目标信号的波RX，信号从终端发射到达接收器的过程之间存在固定的一段时间间隔，以这一段时间间隔为一个间隔，即可得到一个频率差值输出信号，将这个频率差值输出信号进行FFT频率变换，两个波峰之间的频率差和目标物体距离D之间存在一定的频率关系,进而算出目标距离。1.FMCW调制“FMCW连续波雷达主要包括两种雷达调频方式，即采用锯齿波和三角波调制进行雷达调制，调频连续波雷达系统主要工作原理是通过改变雷达发射信号的时间频率以及通过测量雷达接收到的信号和发射出的信号之间的相对频率(即频率差)从而来确定雷达到目标物体之间的相对距离”REF_Ref77\r\h[16]。通过对雷达芯片进行调频，可以清楚地看出通过雷达发射的信号与接收的信号频率随时间而变化的基本规律曲线图如图2.3所示，在时间轴上存在接收信号和发射信号的时间差τ，即两个连续波峰之间的距离，即从雷达上发射到目标再返回到雷达接收器上的时间。则距离R可表示为:R=cτ/2(2.3)其中，c为电磁波的传播速度。fbfbfb+Δfb+Δf发射接收接收ttττfb-Δfb-ΔfTM(a)发射信号，接收信号频率时间曲线fbfbffb+fbfb-tt(b)差频信号频率时间曲线图2.1收发信号的频率时间曲线由图2.1中图形的几何关系得：τ/Δf=TM/2B(2.4)其中，TM表示周期，B表示调制带宽，将(2.3)代进(2.4)中，化简后可得到距离R：R=(cTM/4B)Δf(2.5)由此我们可充分看出，雷达的信号调制距离带宽和目标调制周期在一定情况下，目标距离R和雷达信号频率Δf成一个比例关系，所以若我们能从频谱中得知中频雷达信号调制频率Δf，即可以计算出目标物体的距离。因此，FMCW调制的雷达计算相对简单，只需要计算出两波峰之间的频率差，再通过公式就很容易计算出目标物体的距离了。2.4本章小结本章分析了毫米波雷达的组成，基本特性以及利用线性调制连续波的测距原理，既可以测速也可以测量距离，根据收发信号的频率变化曲线图，得出目标距离的计算公式,进而求出目标距离。第3章电路设计3.1电路系统结构毫米波天线雷达的系统功能框图设计如图3.1所示，其中本系统应用的是24G微波毫米波测距感应天线雷达控制模块FM24-NP100，FM24-NP100是一种基于K毫米波段的调频毫米波微波天线测距感应雷达，采用调频收、发天线合为一体的设计方式。它的主要工作原理是采用调频连续接收波即FMCW调制模式，可以准确测量从雷达输出到静止的目标物体的距离。电源(5v)电源(5v)控制器MCU接口24GHz收发器3.1雷达系统框图3.2电路系统组成3.2.1雷达芯片设计雷达集成芯片BGT24MTR11是24G单片微波毫米波感应雷达芯片，它的内部集成了微波雷达的所有信号处理单元，它采用接收发一体的设计，雷达的无线电通信链具有较高的分布图，具有无线频率MMIC和天线的共同面，有效地减少了无线频率链的损失。测距范围从0.6m到2.30m，最大供给电压8V，最大功率可达0.39W，芯片中有四个通道，其中，PIN1接电源，PIN2接地，PIN3为接收信号，PIN4为发射信号，串口默认波特率为57600，调制带宽为240MHZ。其内部结构如图3.2所示。图3.2BGT24MTR11内部结构图3.2.2雷达信号波形设计ADF4158是6.1千赫(GHz)少数N分钟不同频率的微型反应器，具有自动完成调制和快速转换不同波形发射信号及形成的工作能力。其中一个波形发生器包括25位固定发射频率光谱模式，它可提供6.1HZ的稳固频率分辨率。它的组成包括精巧的电荷泵、低噪音数字检测器(PFD)以及可编程频率分辨器。其中内部器件Σ-Δ的小数插值控制装置，这种可编程系数少数N的分频器件才能成功实现。ADF4158可用于调制解调器(FSK)和调制解调器(PSK)，ADF4158可以减少回路，大大缩短了回路通过时间，不必改变回路。其主体内部结构设计如下图3.3所示。BGT24MTR11与ADF4158连接图如图3.5所示。图3.3ADF4158结构图3.2.3测距处理器设计中央处理器通常是整个系统的最为重要的部分。他的工作性能直接影响整个系统的工作性能，由于本系统设计的是毫米波测距电路，因此要求处理器必须有强大的计算功能，满足系统的实时性。本设计选用STM32F303处理器，它是一款性能很好的MCU处理器。它既具有强大的运算能力，能够同时将DSP和FPU运算端子集合起来处理数据，同时又有集成运算端口(OPAMP)。这种运算放大器可以放大很微小的信号，放大之后会被ADC采样。STM32F303内部结构图如图3.4所示。图3.4STM32F303内部结构图图3.5BGT24MTR11与ADF4158连接图3.3本章小结本章主要完成了毫米波雷达硬件电路的设计，以及主要器件BGT24MTR11及处理器等的相关介绍及结构图，完成了系统硬件电路的具体设计。第4章软件设计4.1测距系统软件设计毫米波系统的应用软件设计由初始化，数据采集，信号处理以及串口数据通讯几个部分组成，具体工作流程及框图设计如图4.1所示。 开始系统初始化开始系统初始化数据采集，信号处理串口通讯图4.1系统程序总流程图(1)系统初始化系统的初始化是指系统数据结构初始化，各个芯片的配置，外部中断，内部中断以及对串口进行初始化。初始化程序如下：#defineADF4158_CS_EN()

GPIO_ResetBits(GPIOC,GPIO_Pin_9)#defineADF4158_CS_DIS()

GPIO_SetBits(GPIOC,GPIO_Pin_9)#defineBGT24MTR11_CS_EN()GPIO_ResetBits(GPIOC,GPIO_Pin_10)#defineBGT24MTR11_CS_DIS()GPIO_SetBits

(GPIOC,GPIO_Pin_0)#define

RF_CLK_HIGH()

GPIO_SetBits

(GPIOC,GPIO_Pin_11)#define

RF_CLK_LOW()GPIO_ResetBits(GPIOC,GPIO_Pin_11)

#define

RF_DATA_HIGH()

GPIO

SetBits

(GPIOC,GPIO_Pin

_12)

#define

RF_DATA_LOW()

GPIO_ResetBits(GPIOC,GPIO_Pin_12)将串口进行初始化：设置其波特率为57600.(2)数据采集 在一个波形的数据接收器中，如果接收到一个具有一定周期性的调制波形，这个波形器就可以随机自动地向外发送一个高电平，软件中每当给波形器设置一个波形的上升沿时，就会自动触发外部终止，当MUX_TX引脚输出一个高电平的时候，就会进入内部终止，从那之后，为了收集数据并且同时安装调制波形的25us中断来实现外部数据的自动收集，即从每一段波形中提取一个中断数据，这样可以同时获得制造波形所需要的数据，收集整个波形数据，而不是混乱的数据。(3)数据的输出数据输出包括两种方式：1.当系统选择端口6接地，表示距离及频谱信号数据的同时输出。此时，数据可分为数据头、距离数据、频谱数据和数据尾五个组成，格式定义如下：

0xff，0xff，0xff，0x**，0x**，0x##.….0x##，0×00，0×00，0×00前面三个0xff指的就是一个开始数据的8位信息开始,下面的0x**指的就是16位一个信息开始距离一个单位信息的高8位,第二个0x**指的就是一个信息距离8位一个信息的低8位。其中它的平均距离测量系数通常可用16位的一个二进制数字来精确化地表示，单位为米。第一个0x##的值是曲线距离谱面的第一个谱面曲线距离幅度，然后的值就是第二条谱面曲线的距离幅度，以此类推，总共可以有126条谱面曲线。谱面曲线的最小幅度变化范围一般为1-44。最后三组0x00表示一个数据尾，代表一组数据的完成。2.当系统选择端口悬空，输出数据仅有距离信息，格式定义如下：0xff，0xff，0xff，0x**，0x**，0×00，0×00，0×00

前面三个0xff指的就是一个数据源开始，后面的0x**则用来表示16位信息距离一个数据信息的高8位，第二个0x**则用来表示16位数据信息距离一个信息的低8位。其中它的距离可通过16位的一个二进制数字来表示，单位为米。剩下的三组0x00用来表示每个数据的结尾。(4)串口的通讯串口通讯将测量的距离数据传送给屏幕，显示测量结果，以及数据的采集和分析。(5)信号处理信号处理流程图如图4.1所示，在两条数据中，直流的时候，会产生复数的数据。通过数据运行窗口及FFT变换，获得对应频率，进而计算出距离。计算距离原始数据1计算距离原始数据1原始数据2去直流去直流合成复合数据加窗FFTT 图4.1信号处理流程图4.2本章小结本章主要完成了毫米波雷达模块的软件设计，系统初始化，信号的处理以及串口的设置。

第5章测试与实验5.1雷达系统组装图5.1将FM24-NP100毫米波雷达测距模块与 雷达配套显示器demo组装连接，使毫米波雷达测距模块测得的距离以及距离谱线实时显示在显示器上，便于读数