LFMCW雷達的差頻信號采集系統設計*

王斯盾, 涂亞慶, 牟澤龍, 閆隆基, 劉 鵬

(后勤工程學院 后勤信息與軍事物流工程系，重慶 401311)

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LFMCW雷達的差頻信號采集系統設計*

王斯盾, 涂亞慶, 牟澤龍, 閆隆基, 劉 鵬

(后勤工程學院 后勤信息與軍事物流工程系，重慶 401311)

差頻信號采集系統是線性調頻連續波(LFMCW)雷達的核心部件之一。針對國產某新型LFMCW雷達傳感器，設計并實現了基于C8051F120的LFMCW雷達差頻信號采集系統，包括調制信號產生模塊、差頻信號采集模塊以及串口通信模塊。主要實現的功能有：產生非線性校正后的鋸齒波調制信號；采集雷達差頻信號并搭建二階有源帶通濾波器進行放大濾波；發送差頻信號至上位機等。實驗驗證了LFMCW雷達差頻信號采集系統的有效性。

線性調頻連續波雷達； 差頻信號； 采集系統； C8051F120

0 引 言

線性調頻連續波(linear frequency modulated continuous wave，LFMCW)雷達具有時寬帶寬積大、最小測量距離近、測量精度高，受自然環境因素影響小等特性。常用于物位、液位的測量。LFMCW雷達一般由24 GHz或77 GHz雷達傳感器、信號采集及處理系統、信號處理算法及應用軟件三部分構成。目前，LFMCW雷達設計主要朝著小型化和精確化的方向發展，但由于雷達傳感器核心技術由國外壟斷，國內將研究的突破口一般放在信號采集系統與信號處理算法上[1～3]。

針對LFMCW雷達的研究現狀，本文設計并實現了LFMCW雷達的差頻信號采集系統，包括調制信號產生模塊、差頻信號采集模塊以及串口通信模塊，旨在為后端的雷達信號處理算法研究與二次儀表開發提供穩定、可靠的原始信號支持。

1 LFMCW雷達測距原理及信號采集系統方案

1.1 LFMCW雷達測距原理

以測距為例，在調制信號為鋸齒波的情況下，LFMCW雷達發射信號、回波信號時頻圖如圖1所示。

圖1 發射信號與回波信號時頻圖

其中，f0,B,T分別為發射信號的調頻中心頻率、調頻帶寬、調頻周期；μ=B/T為鋸齒波調頻斜率；tdmax為發射信號和回波信號的時延。因此,將一個調頻周期T分為非規則區(時寬為T1)和規則區(時寬為T2)。在非規則區內，差頻信號頻率急劇下降至零，難以從中提取距離信息;在規則區內，差頻信號頻率fBS(t)為一個單頻正弦信號，計算得到公式

(1)

式中 R為測量距離;c為電磁波速度[4]。

1.2 差頻信號采集系統方案

差頻信號采集系統是LFMCW雷達的核心部件之一，其整體設計方案如圖2所示。設計以單片機為核心，控制D/A轉換器產生調制信號，驅動雷達傳感器產生差頻信號，通過有源帶通濾波器對差頻信號進行放大濾波，再經過A/D轉換，最后,利用串口將濾波后的差頻信號傳送到上位機。

圖2 信號采集系統硬件結構

單片機C8051F120為核心處理器，主頻速度高達100 MHz,具有12位數模轉換器(digital to analog converter,DAC)，可編程更新數據；12位100 kSPS的ADC；128 kB FLASH存儲器, 可在系統進行編程；8448B的片內RAM；5個通用16位的計數器/定時器；2個全雙工UART。

設計采用國產新型高性能24 GHz LFMCW雷達傳感器。該雷達傳感器采用單片微波集成電路(MMIC)壓控振蕩器(VCO)設計，最高具有500 MHz高線性調頻帶寬，輸出功率為 23 dB·m，雷達天線波束角度(-3 dB)10°×10°，雷達天線波束旁瓣抑制優于-19 dB。其VCO調制信號電壓與發射頻率曲線如圖3所示。

圖3 調制信號電壓與發射頻率曲線

由圖3可知，當調制信號電壓在1.20～2.46 V之間，發射信號線性度較好，發射頻率為24.040～24.505 GHz，調頻帶寬B=465 MHz。

2 功能模塊設計

2.1 調制信號產生模塊

雷達前端VCO一般具有非線性，利用標準鋸齒波作為調制信號輸出的連續波頻率往往不成線性變化[5]。為了改善VCO輸出信號的線性度，需要對雷達前端進行開環校正或閉環校正。工程中普遍采用開環校正，即根據調制信號電壓與發射頻率的關系，采用非線性的調制電壓信號，抵消VCO 的非線性影響[6，7]。本文采用C8051F120片內DAC，將經過非線性校正的鋸齒波波形數據存儲到Flash中，運用直接數字頻率合成(DDS)的原理，生成經過非線性校正后的調制信號，從而提高發射信號的調頻線性度。

1)頻率分辨率

在給定了DAC的采樣速率fs后，可以確定調制信號頻率分辨率為fs/216。采樣速率通過定時器周期寄存器值(PRD)設置，可由式(2)計算該值

fs=-S/P

(2)

式中S為系統時鐘，由于C8051F定時器是向上計數的，因此,該數值是負數;P為定時器周期寄存器值。

2)產生波形

鋸齒波產生在定時器中斷服務程序(ISR)中完成，使用一個16位的相位累加器，分3級實現。每次調用定時器ISR時，相位累加器的值增加一個PHASE-ADD，同時查表尋找下一個DAC輸出值。PHASE-ADD的大小根據式(3)計算得出

(3)

式中 f為鋸齒波頻率; fs為DAC的采樣速率。

3)放大濾波

DDS輸出信號的頻譜里一般包含理想輸出頻率、高頻干擾和DDS數字雜散，因此，需要進行濾波處理[8]。DAC生成的鋸齒波信號首先經過低通濾波器(LPF)，濾除其中的高頻干擾,然后，利用放大器OP284將信號放大。放大電路的輸出直接作為雷達前端的調制信號輸入，其電路如圖4所示。

圖4 調制信號濾波電路原理圖

2.2 差頻信號采集模塊

由雷達方程可知，LFMCW雷達測量的距離與差頻信號的功率成4次方的關系，當測量距離較遠時，有用信號往往被淹沒在噪聲信號之中[4]。同時，差頻信號中含有固定頻率的鋸齒波調幅信號干擾，直接進行頻率估計誤判幾率較高[9]，因此，需要對差頻信號進行濾波處理。

本設計理論測距范圍R為2～20 m，調制信號帶寬B=465 MHz，掃頻周期T=4 ms，由式(1)計算可知，差頻信號最低頻率為fBS(min)=1.55 kHz，最高頻率為fBS(max)=15.50 kHz。設計采用雙運放NE5532，搭建了二階巴特沃斯有源低通濾波器和高通濾波器，然后通過低通濾波器與高通濾波器級聯的方式構成帶通濾波器，電路如圖5所示。

圖5 差頻信號濾波電路原理圖

帶通濾波器通帶范圍為1.55～15.5 kHz，放大倍數為1倍，2倍頻衰減24 dB，滿足差頻信號濾波需求。

按照奈奎斯特采樣定理，工程上一般選取3～5倍進行采樣，故采樣率fADC=15.5 kHz×5=77.5 kHz，即，ADC采樣率大于 77.5 kSPS即可滿足需求。ADC轉換位數一般選擇12位即可。參考電壓采用內置參考電壓或者外置高精度的參考電壓。綜合考慮系統需求和成本，選擇C8051F120內置 ADC可以滿足系統需要。同時，通過內置ADC模塊的直接存儲器訪問(DMA)傳輸通道可以在不占用CPU運行周期的情況下將數字信號存儲到單片機內置的SRAM存儲器中。與目前大部分的雷達差頻信號采集系統采用外置的ADC模塊和外置的SRAM存儲器，以及外加FPGA實現FIFO的方案相比，本文設計的差頻信號采集模塊結構簡單，成本較低，可靠性更高。

2.3 串口通信模塊

設計通過C8051F120的通用異步收發傳感器(UART)連接TRSF3221E，實現TTL電平到RS—232電平的轉換。只需連接發送信號線、接收信號線和地線即可實現全雙工通信，硬件電路如圖6所示。

圖6 RS—232電平轉換電路

3 系統實驗

為了驗證設計的LFMCW雷達差頻信號采集系統的有效性，對調制信號源、差頻信號濾波電路進行了測試實驗。

3.1 調制信號源實測實驗

實驗參數設置為：采樣速率為80 kHz；存儲波形為VCO經過非線性校正后的512點鋸齒波；調制信號電壓在1.20～2.46 V，峰—峰值電壓為1.26 V,頻率為250 Hz。圖7給出了該參數下調制信號在示波器上的波形。

圖7 調制信號實測波形

3.2 差頻信號采集實驗

采用上述實驗產生的調制信號驅動前端雷達傳感器，產生的差頻信號經過濾波放大，AD采樣，由串口傳輸到上位機。實驗參數為：測量距離2.8 m；調制信號頻率250 Hz；調頻帶寬465 MHz。采集得到濾波前的差頻信號波形及頻譜如圖8所示。濾波后的差頻信號波形及頻譜如圖9所示。

圖8 濾波前的差頻信號及頻譜

圖9 濾波后的差頻信號及頻譜

由圖8可以看出，由于沒有經過任何信號調理，雷達差頻信號在低頻部分有明顯的鋸齒波調幅干擾，同時有大量高頻噪聲，難以直接從差頻信號中提取有用信息。

由圖9可以看出：經過濾波放大處理后，調制信號干擾、高頻噪聲基本消除，差頻信號較為純凈，規則區、非規則區明顯，后期算法研究，提取有用信息幾乎無干擾影響。但同時也可以看到，通帶內信號能量也有一定衰減。

4 結束語

本文設計并實現了基于C8051F120的LFMCW雷達差頻信號采集系統。該系統采用直接數字頻率合成的方法，產生經過非線性校正后的調制信號，驅動某國產新型24 GHz LFMCW雷達傳感器。針對雷達傳感器輸出差頻信號的特點，搭建了二階有源巴特沃斯帶通濾波器進行濾波處理，為后期從差頻信號中提取尺寸、形狀、方向、距離和速度等信息提供了高質量的原始信號支持。經過實驗驗證：系統結構簡單，成本較低，實用性較強，極大地方便了雷達信號處理算法研究與二次儀表軟件開發。

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Design of beat signal acquisition system for LFMCW radar*

WANG Si-dun, TU Ya-qing, MOU Ze-long, YAN Long-ji, LIU Peng

(Department of Logistics Information & Logistics Engineering,Logistical Engineering University,Chongqing 401311,China)

Beat signal acquisition system is one of the core components of linear frequency modulated continuous wave(LFMCW)radar.A LFMCW radar beat signal acquisition system based on C8051F120 is designed and implemented for a new LFMCW radar sensor,which includes modulation signal generation module,beat signal acquisition module and serial communication module.It can complete the functions such as the generation of non-linear correction of the sawtooth wave modulation signal;radar beat signal acquisition and build a second-order active bandpass filter for amplification;sending beat signal to the host computer and so on.The experimental results verify the effectiveness of the LFMCW radar beat signal acquisition system.

linear frequency modulated continuous wave(LFMCW)radar; beat signal; acquisition system; C8051F120

10.13873/J.1000—9787(2017)07—0093—03

2017—05—08

國家自然科學基金資助項目(61271449，61302175)；重慶市自然科學基金資助項目(CSTC2015JCYJBX0017)；重慶市首批百名學術學科領軍人才專項項目(渝教人2012—44號)

TP 274

A

1000—9787(2017)07—0093—03

王斯盾(1993-)，男，碩士研究生，研究方向為智能檢測與智能控制，E—mail:danube.live@qq.com。