一種毫米波雷達(dá)測(cè)距系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種信號(hào)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，具體涉及一種毫米波雷達(dá)測(cè)距系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]毫米波FMCW(調(diào)頻連續(xù)波)雷達(dá)是在連續(xù)波雷達(dá)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，具有連續(xù)波雷達(dá)發(fā)射功率小的特點(diǎn)，又具有脈沖雷達(dá)可以測(cè)量目標(biāo)距離的能力?？梢杂糜谄?chē)防撞系統(tǒng)、液位測(cè)量、交通管制及檢測(cè)等應(yīng)用方面。在測(cè)距應(yīng)用方面，主要有超聲波測(cè)距、毫米波測(cè)距和激光測(cè)距幾種。超聲波測(cè)距的缺點(diǎn)是超聲波傳播速度慢，在某些需要高速運(yùn)動(dòng)的測(cè)距方面無(wú)法實(shí)現(xiàn)快速精確測(cè)距，且方向性差、發(fā)散角大、無(wú)法測(cè)量較遠(yuǎn)距離。激光測(cè)距的缺點(diǎn)是對(duì)人體安全性差、成本高、受環(huán)境影響大等。而毫米波雷達(dá)測(cè)距不僅可以探測(cè)目標(biāo)的距離，還可以測(cè)量運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的速度，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、發(fā)射功率低、接收機(jī)靈敏度高、距離分辨力高、抗干擾能力強(qiáng)、對(duì)環(huán)境要求低等優(yōu)點(diǎn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明的目的是提供一種毫米波雷達(dá)測(cè)距系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)毫米波FMCW雷達(dá)測(cè)距。
[0004]本發(fā)明提供了如下的技術(shù)方案:
[0005]—種毫米波雷達(dá)測(cè)距系統(tǒng)，包括:包括:依次電連接的三角波產(chǎn)生電路、雷達(dá)收發(fā)器、放大濾波電路、電平轉(zhuǎn)換電路、AD轉(zhuǎn)換電路和控制及測(cè)距運(yùn)算電路；所述三角波產(chǎn)生電路用于產(chǎn)生三角波信號(hào)作為雷達(dá)收發(fā)器電路上的調(diào)制信號(hào)進(jìn)行調(diào)頻處理；所述雷達(dá)收發(fā)器用于發(fā)射線性掃頻信號(hào)、接收回波信號(hào)后與本振信號(hào)混頻后產(chǎn)生差頻信號(hào)并輸出；所述放大濾波電路用于將差頻信號(hào)進(jìn)行低噪聲放大后并進(jìn)行帶通濾波，可以濾除信號(hào)中的噪聲及干擾信號(hào)；所述控制及測(cè)距運(yùn)算電路對(duì)所述AD轉(zhuǎn)換電路進(jìn)行控制并進(jìn)行FFT運(yùn)算，將差頻信號(hào)中的頻率取出并根據(jù)公式計(jì)算出所測(cè)距離。
[0006]所述雷達(dá)收發(fā)器為K波段雷達(dá)收發(fā)器。
[0007]本發(fā)明的有益效果是:系統(tǒng)采用通用FPGA作為控制部分對(duì)信號(hào)處理部分AD轉(zhuǎn)換進(jìn)行控制，并實(shí)現(xiàn)用FFT簡(jiǎn)單算法進(jìn)行差頻信號(hào)的頻率提取和距離計(jì)算。系統(tǒng)的特點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，降低了硬件成本，實(shí)現(xiàn)測(cè)距算法簡(jiǎn)單，運(yùn)算速度快等。
【附圖說(shuō)明】
[0008]附圖用來(lái)提供對(duì)本發(fā)明的進(jìn)一步理解，并且構(gòu)成說(shuō)明書(shū)的一部分，與本發(fā)明的實(shí)施例一起用于解釋本發(fā)明，并不構(gòu)成對(duì)本發(fā)明的限制。在附圖中:
[0009]圖1是本發(fā)明結(jié)構(gòu)示意圖；
[0010]圖2是三角波產(chǎn)生電路圖；
[0011]圖3是帶通濾波器電路圖；
[0012]圖4是MATLAB仿真下的IKHz?50KHz帶通濾波器幅頻響應(yīng)圖；
[0013]圖5是電平轉(zhuǎn)換電路及其與AD轉(zhuǎn)換電路的連接圖；
[0014]圖6是FPGA控制AD轉(zhuǎn)換電路圖。
【具體實(shí)施方式】
[0015]如圖1-6所示，本發(fā)明公開(kāi)一種毫米波雷達(dá)測(cè)距系統(tǒng)，包括:雷達(dá)收發(fā)器、三角波產(chǎn)生電路、放大濾波電路、AD轉(zhuǎn)換電路、FPGA控制及測(cè)距運(yùn)算電路。其中雷達(dá)收發(fā)器為K波段雷達(dá)收發(fā)器，用于發(fā)射線性掃頻信號(hào)、接收回波信號(hào)后與本振信號(hào)混頻后產(chǎn)生差頻信號(hào)并輸出。三角波產(chǎn)生電路用于產(chǎn)生三角波信號(hào)作為雷達(dá)收發(fā)器電路上的調(diào)制信號(hào)進(jìn)行調(diào)頻處理。放大濾波電路用于將差頻信號(hào)進(jìn)行低噪聲放大后并進(jìn)行帶通濾波，可以濾除信號(hào)中的噪聲及干擾信號(hào)。FPGA控制電路對(duì)AD轉(zhuǎn)換電路進(jìn)行控制并進(jìn)行FFT運(yùn)算，將差頻信號(hào)中的頻率取出并根據(jù)公式計(jì)算出所測(cè)距離。
[0016]在本實(shí)施例中，雷達(dá)收發(fā)器采用Innosent公司的IVS-163，為雙通道K波段帶VCO的雷達(dá)傳感器，中心頻率24GHz，可工作于FMCW模式，可用于測(cè)距和探測(cè)靜止目標(biāo)。利用集成電路ICL8038產(chǎn)生三角波，對(duì)其發(fā)射信號(hào)進(jìn)行調(diào)制，線性FMCW雷達(dá)采用三角波調(diào)制方式，處理簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)。在處理雷達(dá)混頻輸出信號(hào)時(shí)，利用芯片ADS7890進(jìn)行對(duì)其進(jìn)行快速模/數(shù)轉(zhuǎn)換，再利用DSP芯片實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的FFT轉(zhuǎn)換，最終計(jì)算得出所測(cè)移動(dòng)或靜止物體與測(cè)量點(diǎn)間距離。差頻信號(hào)的頻率為IKHz到50KHz，故選用高邊截止頻率應(yīng)為50KHz，底邊截止頻率應(yīng)為IKHz的帶通濾波，帶通濾波器采用0P07芯片。本設(shè)計(jì)以ALTERA公司生產(chǎn)的芯片EP4CE6E22C8為控制器件，采用ADS7890進(jìn)行信號(hào)的模數(shù)轉(zhuǎn)換處理。ADS7890是一種高位快速AD轉(zhuǎn)換芯片，為2.5V內(nèi)部參考電壓的模擬14位串行AD轉(zhuǎn)換器。從雷達(dá)傳感器輸出的模擬信號(hào)，經(jīng)過(guò)了帶通濾波，由AD轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號(hào)，再經(jīng)過(guò)傅里葉變換得到了 N點(diǎn)的數(shù)據(jù)，最后是對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，最終得到待測(cè)物的距離信息。雷達(dá)輸出的差頻信號(hào)經(jīng)過(guò)系統(tǒng)處理得到了 N點(diǎn)的浮點(diǎn)FFT結(jié)果數(shù)據(jù)，緩存于FIFO存儲(chǔ)器中，在幅值峰值處即為信號(hào)差頻頻率，由于采用快浮點(diǎn)計(jì)數(shù)方式，只需要對(duì)輸出實(shí)部、虛部求模取出極大值即可。對(duì)于靜態(tài)物體，只有一個(gè)峰值，由其差率可計(jì)算出距離信息；對(duì)于動(dòng)態(tài)物體，擁有兩個(gè)峰值，同樣由差率也可計(jì)算出距離信息。
[0017]如圖2所示，為三角波產(chǎn)生電路，由ICL8038芯片及外圍電路構(gòu)成，可以輸出頻率和幅度可調(diào)的三角波信號(hào)。輸出的三角波的線性度可以達(dá)到0.1%，可以滿足雷達(dá)收發(fā)器對(duì)調(diào)制波形線性度的要求。電路中的電位器RVl負(fù)責(zé)調(diào)節(jié)占空比，當(dāng)電位器RVl滑塊置于中間時(shí)輸出信號(hào)占空比為50 %，調(diào)節(jié)電位器RV4的值可以改變輸出三角波頻率。
[0018]如圖3所示，為帶通濾波電路，由于雷達(dá)收發(fā)器IVS-163輸入信號(hào)為毫伏，輸出信號(hào)除了設(shè)計(jì)所需的差頻信號(hào)外，還存在10Hz的調(diào)制信號(hào)和24GHz左右的載波信號(hào)產(chǎn)生的雜波，因此需要設(shè)計(jì)濾波及放大電路，以滿足信號(hào)之后的AD轉(zhuǎn)換要求。差頻信號(hào)的頻率為IKHz到50KHz，故選用高邊截止頻率應(yīng)為50KHz，底邊截止頻率應(yīng)為IKHz的帶通濾波。帶通濾波器采用0P07芯片。
[0019]在這級(jí)電路中，需要兩個(gè)放大器，選用擁有四個(gè)放大器的MC33079，是因?yàn)樵谏衔娜遣óa(chǎn)生處同樣需要一個(gè)放大器，為此提高了芯片利用率。AD轉(zhuǎn)換的輸入要求為伏特級(jí)，本次放大主要作用為將毫伏級(jí)放大至伏特級(jí)，放大倍數(shù)設(shè)計(jì)為60dB。通過(guò)Matlab功能仿真，其幅頻響應(yīng)如圖4所示，由圖中可以看出，在50KHz附近，放大倍數(shù)達(dá)到最大值，約為60dB，另外幾種主要雜波都得到了有效抑制，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。
[0020]由圖4可以看出，此時(shí)的信號(hào)波形為雙極性，幅值達(dá)到了伏特級(jí)。但模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片ADS7890的輸入電壓要求為OV?2.5V，因此需要再進(jìn)行一次放大調(diào)整，使其完全滿足于之后電路要求。選擇低噪聲高速運(yùn)算放大芯片THS4031，其主要外圍電路圖如圖5所示。根據(jù)AD轉(zhuǎn)換芯片需要，+IN輸出為即將進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換的輸入波形，-1N輸出是用于補(bǔ)償雷達(dá)收發(fā)器與AD7890之間電壓的不匹配，其電壓范圍為±200mV。
[0021]在本設(shè)計(jì)中，需要AD轉(zhuǎn)換芯片具有高速、精確等要求，其影響著測(cè)距計(jì)算結(jié)果的精度，并最終影響雷達(dá)測(cè)距系統(tǒng)精度?；诖耍驹O(shè)計(jì)中選用了芯片高位快速AD轉(zhuǎn)換芯片ADS7890為模/數(shù)轉(zhuǎn)換器件，主要電路框圖如圖6所示，其中CS、SCLK和SDO三個(gè)控制管腳與FPGA芯片的1接口連接。經(jīng)FPGA芯片進(jìn)行FFT算法處理數(shù)據(jù)后，測(cè)距的結(jié)果經(jīng)由數(shù)碼管顯示輸出。
[0022]綜上，本發(fā)明雷達(dá)收發(fā)器、三角波產(chǎn)生電路、放大濾波電路、AD轉(zhuǎn)換電路、FPGA控制及測(cè)距運(yùn)算電路。其中雷達(dá)收發(fā)器，用于發(fā)射線性掃頻信號(hào)、接收回波信號(hào)后與本振信號(hào)混頻后產(chǎn)生差頻信號(hào)并輸出。三角波產(chǎn)生電路用于產(chǎn)生三角波信號(hào)作為雷達(dá)收發(fā)器電路上的調(diào)制信號(hào)進(jìn)行調(diào)頻處理，波形產(chǎn)生電路采用集成芯片ICL8038實(shí)現(xiàn)，不僅實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，波形參數(shù)可調(diào)，還可以產(chǎn)生鋸齒波信號(hào)。放大濾波電路用于將差頻信號(hào)進(jìn)行低噪聲放大后并進(jìn)行帶通濾波，可以濾除信號(hào)中的噪聲及干擾信號(hào)。FPGA控制電路對(duì)AD轉(zhuǎn)換電路進(jìn)行控制并進(jìn)行FFT運(yùn)算，將差頻信號(hào)中的頻率取出并根據(jù)公式計(jì)算出所測(cè)距離，算法簡(jiǎn)單，測(cè)距精度高，實(shí)時(shí)性較好。
[0023]以上所述僅為本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例而已，并不用于限制本發(fā)明，盡管參照前述實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)的說(shuō)明，對(duì)于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，其依然可以對(duì)前述各實(shí)施例所記載的技術(shù)方案進(jìn)行修改，或者對(duì)其中部分技術(shù)特征進(jìn)行等同替換。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種毫米波雷達(dá)測(cè)距系統(tǒng)，其特征在于，包括:依次電連接的三角波產(chǎn)生電路、雷達(dá)收發(fā)器、放大濾波電路、電平轉(zhuǎn)換電路、AD轉(zhuǎn)換電路和控制及測(cè)距運(yùn)算電路；所述三角波產(chǎn)生電路用于產(chǎn)生三角波信號(hào)作為雷達(dá)收發(fā)器電路上的調(diào)制信號(hào)進(jìn)行調(diào)頻處理；所述雷達(dá)收發(fā)器用于發(fā)射線性掃頻信號(hào)、接收回波信號(hào)后與本振信號(hào)混頻后產(chǎn)生差頻信號(hào)并輸出；所述放大濾波電路用于將差頻信號(hào)進(jìn)行低噪聲放大后并進(jìn)行帶通濾波，可以濾除信號(hào)中的噪聲及干擾信號(hào)；所述控制及測(cè)距運(yùn)算電路對(duì)所述AD轉(zhuǎn)換電路進(jìn)行控制并進(jìn)行FFT運(yùn)算，將差頻信號(hào)中的頻率取出并根據(jù)公式計(jì)算出所測(cè)距離。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種毫米波雷達(dá)測(cè)距系統(tǒng)，其特征在于，所述雷達(dá)收發(fā)器為K波段雷達(dá)收發(fā)器。
【專(zhuān)利摘要】本實(shí)用新型提供一種毫米波雷達(dá)測(cè)距系統(tǒng)，包括：依次電連接的三角波產(chǎn)生電路、雷達(dá)收發(fā)器、放大濾波電路、電平轉(zhuǎn)換電路、AD轉(zhuǎn)換電路和控制及測(cè)距運(yùn)算電路。本實(shí)用新型結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，測(cè)距算法簡(jiǎn)單，距離分辨力高。
【IPC分類(lèi)】G01S13/34
【公開(kāi)號(hào)】CN204925384
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201520531100
【發(fā)明人】祁博宇, 陳輝
【申請(qǐng)人】南京信息工程大學(xué)
【公開(kāi)日】2015年12月30日
【申請(qǐng)日】2015年7月21日