1 微型測距雷達的原理及組成
1.1 測距方法
通常雷達測距的方法有三種：脈沖法測距;調頻連續(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到距離精度1 m以下，脈沖寬度必須小于6.67 ns,，即使當今脈沖雷達普遍采用脈沖壓縮的情況下,，精度要做到厘米級是相當困難的，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,，一般都采用調頻連續(xù)波測距的方法,。
調頻連續(xù)波測距有三角波調制和正弦波調制兩種，這里選擇三角波調制,。
在三角波調制中,，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-為三角波負向發(fā)射頻率與接收頻率之差;f為三角波調制頻率;△fm為受調制的發(fā)射頻率最大頻偏的二分之一,。
三角波調制頻率的選擇與距離分辨率有關,。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。提高調制頻率f的值,，分辨率還可以增加,。假如f=1 000 Hz，其他參數不變，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,，根據測速公式：
求出運動目標的速度,。式中V為目標的徑向速度，λ為發(fā)射微波的波長,。當然,，固定目標的fb+與fb-的值相等。
1.2 組成
根據三角波調制的雷達原理,，首先必須有一個微波頭,，微波頭可在測速微波頭的基礎上，將體效應振蕩器加一個變容管改為壓控式振蕩,，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,，必須進行非線性修正。
為了增強效果,，可采用模擬濾波器組進行積累處理,。當然也可以通過高速A/D采樣后將模擬信號變?yōu)閿底中盘栍肈SP進行數字信號處理，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,，由于沒有復雜的運算，速度完全能夠滿足要求,。
這個設計功耗較小,，用電池就可滿足電源供給要求。
微型測距雷達的組成框圖如圖1所示,。
1.3 工作原理
三角波調制頻率選200 Hz,，D/A選擇12位，ROM為16位數據輸出,，12位數據作為D/A的輸入;一位作為三角波正斜率和負斜率變化時的脈沖輸出,，正斜率為“1”，負斜率為“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,，當三角波正負斜率變化時,，輸出脈沖信號。單片機產生過零中斷后,，判斷正負信號,，為“1”，得到的是fb+;為“O”,，得到的是fb-,。
雷達工作時，單片機控制窄帶濾波器不斷的進行掃描,，當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”，單片機根據輸出的窄帶濾波器獲得帶內頻率,，判斷出精度不太高的距離范圍,，利用放大整形輸出進行計數或測量脈沖的周期，獲得足夠精確的頻率值,，即為準確距離,。根據公式計算出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,、體效應振蕩器、環(huán)行器,、混頻器,。體效應振蕩器產生發(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)生器采用數字形成,。D/A為12位，要產生200 Hz的調制頻率,，則振蕩器約為0.819 2 MHz,。考慮到一般晶體的頻率為MHz量級，地址產生器為一個13位的計數器,，選用74HC4040,，計數器不用最低位，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中裝入修正數據,，簡化起見，可以在波形存儲ROM中燒制修正數據,，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范圍內移動，非常方便,，可采用圖2方式進行控制,。
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達到幾百甚至上千?？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 結語
低成本微型測距雷達經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,。下一步改進需要增加一個中頻,，放大后解調，再進行視頻放大,。
對于要求測距更遠的雷達,，可通過增加發(fā)射功率，增大天線面積的方法,。當功率較大時,，考慮到連續(xù)波雷達泄露的影響，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,。微型測距雷達的用途非常廣闊,，今后必將大量用于民用的許多領域。