毫米波雷達測距系統設計目錄TOC\o"1-2"\h\u11239引言 132121第1章緒論 3158591.1背景 3234601.2國內外研究現狀 3105291.3主要研究內容及目標 4166851.4本章小結 423282第2章毫米波雷達測距原理 5321502.1毫米波雷達組成 5176012.2毫米波雷達特性 595142.3調制連續波測距原理 622687(a)發射信號，接收信號頻率時間曲線 773932.4本章小結 724103第3章電路設計 8129003.1電路系統結構 8263503.2電路系統組成 823653.3本章小結 1210106第4章軟件設計 12118924.1測距系統軟件設計 12248044.2本章小結 1428201第5章測試與實驗 15103835.1雷達系統組裝 1589405.2實驗數據的采集 1516945.3本章小結 1613534第6章總結與展望 17268926.1總結 17283916.2展望 17引言毫米波雷達（millimeter-wave

radar）是一種基于K毫米波段的調頻毫米波微波天線測距感應雷達。現如今有三種比較通常的毫米波雷達，其中包括24GHz頻段，77GHz頻段及81GHz頻段。毫米波的波長較短，穿透能力很好，測量精度相對很高，故應用于多種應用程序。如汽車、發動機直接碰撞預防系統、戰場監視測量和目標捕獲等。短距離測距是科學研究的重要目標，無接觸式測距方式具有維護簡單，工作效率極高等優點，很受大眾市場的喜歡。目前距離測量的應用主要有超聲波雷達測距法、毫米波雷達測距法和激光雷達測距法幾種。超聲波雷達測量的特點是超聲波在介質中傳輸的距離很遠，穿透力很好，具有很好的方向性，但傳播緩慢，不能在需要快速移動的某些區域快速準確地測量距離，不能測量更大的距離，用激光雷達測定距離的特點是精度高，測量范圍很大，有很好的穩定性，但對人的安全性下降，費用昂貴，而且暴露在環境中，使用很有局限性。毫米波頭具有良好的抗煙、霧、塵能力，具有全天候特性，毫米波雷達不僅能探測到目標的距離，而且還能測定移動目標的速度，具有結構性簡單，低排放電力，高接收感應度，距離差別，障礙阻力及低環境要求等優點。因此，毫米波自動控制通信系統在目前現代化的軍事，農業，交通等很多工業技術創新方面都已經有著廣泛的技術研究。在實際生活中，在很多領域都有著廣闊的使用空間。其中，在軍事領域，用于戰場監測和目標捕獲以及毫米波跟蹤引導和火控；在汽車駕駛領域，可實現汽車的防碰撞系統；在飛行領域，可用于直升機防撞系統。這幾年以來，隨著農產業的不斷興起，毫米波雷達應用更加廣泛，將毫米波雷達應用于無人機上，通過精準測量到地面距離，向農作物噴灑農藥，這大大提高了工作效率，同時也減少了人力。本文章主要介紹了24G微波毫米波感應雷達模塊短距離測距的工作原理及內部設計，并給出測量結果。第1章緒論1.1背景隨著科學技術的日益發展，電子信息技術等許多當代高科技技術廣泛地應用到軍用系統和民用系統的各個方面。無接觸式的測距方式工作效率很高，很受現代化市場的喜愛。在所有的電磁頻帶中，毫米波頻帶的雷達通信系統具有傳播快，設備靈巧，發展大等優點，軍事應用前景廣闊。對于民用來說，它在探測，農業，醫學，交通防撞等方面也有廣泛的用途。短距離測距是毫米波測距實現的重要目標，其中無接觸測量距離的方法包括三種：超聲波測距法、毫米波測距法及激光測距。超聲波測量的缺點是超聲波傳播緩慢，不能在需要快速移動的某些區域快速準確地測量距離，方向性差，發散角大，不能測量更大的距離。用激光測定距離的缺點是，對人的安全性下降，費用昂貴，而且暴露在環境中。毫米波頭具有良好的抗煙、霧、塵能力，具有全天候特性，毫米波雷達不僅能探測到目標的距離，而且還能測定移動目標的速度，具有結構性簡單，低排放電力，高接收感應度，距離差別，障礙阻力及低環境要求等優點。因此，通過比較毫米波雷達在測距方面有很大的優勢。 表1.1毫米波雷達、通信等系統發展的平均形態系統最廣泛研制的頻率(GHz)衛星通信28本地通信65雷達87遙感176射電天文學460由表1.1可以看出，毫米波雷達與其他通信系統相比較在測距功能上有很大的優勢，這也讓毫米波雷達不僅僅是在軍用上，在實際生活中，在許多畛域都有著寬泛的使用。因此毫米波雷達未來的潛力巨大，具有很大的研究意義。1.2國內外研究現狀毫米波雷達是一種傳感器，是系統的前面部分，它能準確的發射和接收毫米波，是一種很重要的系統器件，在國內外有著非常長遠的發展進程。西方國家的毫米波雷達史：在早期產生毫米波能量的最重要信號是通過復印機和熱電毫米波能量。毫米波的使用開始于毫米波雷達。在二戰后期，英，法等國家開始使用的雷達從10G赫茲擴展到了ka頻率。和20世紀80年代的毫米波雷達相比，光學電磁波雷達等有其自身的特色，主要應用在短距離范圍全天候和電場的環境，在生產和精確毫米波元件等克服困難方面應用了毫米波技術。在20世紀90年代，出現了幾十種毫米波的軍用防空雷達控制系統，它的主要用途廣泛，并可用于低空自動防控以及火力自動控制，戰場遙控監測，機載監控制度，導彈遠程制導和船載制導遠程導彈，精品武器導彈，戰術攻擊目標的跟蹤截取，分類，識別等多個方面。1978年，美國陸軍研制出一架定位，攔截和目標毫米波雷達，它裝在坦克上，無論在干凈的環境還是在惡劣的環境中，都具有探測和跟蹤目標的能力，在能見度低，煙霧彌漫的情況下，都比紅外線系統要好得多，目前正在開發出1800-Ⅱ型和1800-Ⅲ型，已經體現出小體積，數字化等優點。英國宇航公司為了成功研制出毫米波雷達，在探測系統的兩個階段地面實驗結束后，十年后，三個階段的飛機搭載雷達實驗都識別了綜合參數，并在應用在軍用飛機的船艙內，完成了飛行性能的檢驗。在荷蘭被稱為“gb球探”的FMCW雷達可以測定人們進入的飛機及車輛的距離，它體積小，而且可以裝在吉普車上，因此可以作為“便攜式”使用。在20世紀80年代，我國在石家莊首次開展了毫米波雷達研究會議。從那時起，許多研究所開展了毫米波元件和系統的開發研究工作，成功開發出了許多新款的毫米波元件，如轉軸及4毫米波紋前進動機等電子真空器件，特別是轉軸研制取得了很大進展。2009年，湖南華諾成功地開發出了生物探測器等裝置。沈陽自動化研究所開發出了利用交通現狀等的監視雷達系統、產業探測和防止沖擊雷達的監視雷達系統。目前，我國境內的毫米波雷達企業有很多家，如深圳安智杰的24G后向雷達已經開始大批量出貨并且已經擁有了77G的相關產品。此外，我國還研制出了毫米波儀器，研制出了Ka,U,W波段的天線，收發系統。總體上看，與其他西方發達的國家相比較，我國毫米波雷達應用技術還存在很大的晉升空間。不過我們會不斷的改進和研究，借鑒其他成功的例子，努力趕上世界的腳步。1.3主要研究內容及目標 毫米波雷達最基本的功能是捕捉目標，測定目標距離，通過接收的后端中頻信號通過回路處理中頻信號，包括對測定目標的各種雜波，以及不同變調波在內的目標信息的測量應用線性fm波，無論用哪種調制方式，處理必要時的中頻信號的系統都是關鍵。目標的信息體現在頻率上，可以用快速傅立葉變換進行快速計算。根據天線已經知道的雷達對接收到的毫米波進行發射，接收機傳播途徑和目標的參數等計算反射信號的強度，基本關系式是所研究雷達的方程，我們的雷達方程的目的當然是研究出毫米波雷達的作用距離，還有在毫米波雷達設計中對正確選擇雷達的各內線因子有著極其重要的指導意義。1.4本章小結本文主要設計了一個24G毫米波微波毫米波雷達，通過實現毫米波距離測定電路和軟件設計及程序設計，通過實驗驗證及實驗結果數據分析等結果，實現課題設計的目標。

第2章毫米波雷達測距原理2.1毫米波雷達組成毫米波發射雷達系統是一種非接觸型微波傳感器，由發射器，接收器，信號處理器，天線和圖像顯示器五大部分共同組成。它的工作原理是雷達發射器發射信號，通過接收器傳給天線，天線把電磁波能量結合到大氣中，雷達天線通常情況下會向一個方向大量傳播，其中一部分傳輸的電磁能量會被目標物體反射到雷達方向，把反射回來的能量傳播出去，然后再返回發射器中。毫米波雷達測距原理應用了多普勒效應。一天，多普勒正在過一個十字路口，當火車駛近時，汽笛聲變大了，而當火車靠近時，汽笛聲變細變長了，而當火車靠近時，汽笛聲變小了，而音符卻變得雄健起來。他對這一物理現象進行了很有興趣的研究，進而產生了多普勒效應。多普勒效應可以應用于各種波中，毫米波也同樣適用。2.2毫米波雷達特性2.2.1多普勒效應雷達目標回波的多普勒頻移fd表示為Fd=-2νr/λ(2.1)其中，νr為徑向速度，λ為波長。2.2.2天線波束寬度“分辨率的含義是雷達在顯示器上可以分別出的兩個測量物體的最小實際距離，雷達的角分辨率主要與天線的波束寬度有關”REF_Ref9709\r\h[1]。其中，天線孔徑為D的天線方向圖的波束寬度θ與天線波長λ的關系式可表示為θ=kλ/D(rad)(2.2)其中，k為常數。表2.1中分別列舉了一些通用天線發射直徑和電波束寬與無線雷電發射頻率的對應關系，從上圖表中我們可以明顯看出，雷達的天線應用波束頻率與雷達天線的應用波束寬度之間呈現反比例關系。表2.1天線波束寬度與雷達頻率關系天線孔徑/m波束寬度頻率/GH01—55.416.78.90.120.85.71.80.91.02.20.380.210.11因此，對于毫米波雷達來說提供的窄天線波束具有許多優勢，毫米波雷達可以獲得非常高的角分辨率，在云雨天氣下依然可實現目標的空間分辨，同時減少地雜波影響，可以分辨出多個近距離目標。2.3調制連續波測距原理“毫米微波的波形主要的產生方式有直接或者間接，波形的直接獲取和產生的方法通常都是由射頻調整的毫米波波源進行直接獲取，實現一個預期的無線波形”REF_Ref2330\r\h[2]。間接獲得的產生波形的途徑一般為先在毫米波或無線不同頻率兩個波段中直接出現一個具有預期的無線波形，再使用一些信號變換處理技術來間接獲得毫米或微波的預期波形。在載波的應用中主要采取兩種濾波方式，包括單載頻連續波以及調制連續波，單載頻連續波雷達與調制連續波雷達相比較不僅僅因為它可以確定測量速度，它還能夠確定測量距離。因此選用連續波。發射器的信號波為TX

，其輸出頻率與發射時間長度存在一定的度量關系。發射器送出去的信號波TX在遇到接收目標信號物體之后會被激光反射，接收器則用于接收目標信號的波RX，信號從終端發射到達接收器的過程之間存在固定的一段時間間隔，以這一段時間間隔為一個間隔，即可得到一個頻率差值輸出信號，將這個頻率差值輸出信號進行FFT頻率變換，兩個波峰之間的頻率差和目標物體距離D之間存在一定的頻率關系,進而算出目標距離。1.FMCW調制“FMCW連續波雷達主要包括兩種雷達調頻方式，即采用鋸齒波和三角波調制進行雷達調制，調頻連續波雷達系統主要工作原理是通過改變雷達發射信號的時間頻率以及通過測量雷達接收到的信號和發射出的信號之間的相對頻率(即頻率差)從而來確定雷達到目標物體之間的相對距離”REF_Ref77\r\h[16]。通過對雷達芯片進行調頻，可以清楚地看出通過雷達發射的信號與接收的信號頻率隨時間而變化的基本規律曲線圖如圖2.3所示，在時間軸上存在接收信號和發射信號的時間差τ，即兩個連續波峰之間的距離，即從雷達上發射到目標再返回到雷達接收器上的時間。則距離R可表示為:R=cτ/2(2.3)其中，c為電磁波的傳播速度。fbfbfb+Δfb+Δf發射接收接收ttττfb-Δfb-ΔfTM(a)發射信號，接收信號頻率時間曲線fbfbffb+fbfb-tt(b)差頻信號頻率時間曲線圖2.1收發信號的頻率時間曲線由圖2.1中圖形的幾何關系得：τ/Δf=TM/2B(2.4)其中，TM表示周期，B表示調制帶寬，將(2.3)代進(2.4)中，化簡后可得到距離R：R=(cTM/4B)Δf(2.5)由此我們可充分看出，雷達的信號調制距離帶寬和目標調制周期在一定情況下，目標距離R和雷達信號頻率Δf成一個比例關系，所以若我們能從頻譜中得知中頻雷達信號調制頻率Δf，即可以計算出目標物體的距離。因此，FMCW調制的雷達計算相對簡單，只需要計算出兩波峰之間的頻率差，再通過公式就很容易計算出目標物體的距離了。2.4本章小結本章分析了毫米波雷達的組成，基本特性以及利用線性調制連續波的測距原理，既可以測速也可以測量距離，根據收發信號的頻率變化曲線圖，得出目標距離的計算公式,進而求出目標距離。第3章電路設計3.1電路系統結構毫米波天線雷達的系統功能框圖設計如圖3.1所示，其中本系統應用的是24G微波毫米波測距感應天線雷達控制模塊FM24-NP100，FM24-NP100是一種基于K毫米波段的調頻毫米波微波天線測距感應雷達，采用調頻收、發天線合為一體的設計方式。它的主要工作原理是采用調頻連續接收波即FMCW調制模式，可以準確測量從雷達輸出到靜止的目標物體的距離。電源(5v)電源(5v)控制器MCU接口24GHz收發器3.1雷達系統框圖3.2電路系統組成3.2.1雷達芯片設計雷達集成芯片BGT24MTR11是24G單片微波毫米波感應雷達芯片，它的內部集成了微波雷達的所有信號處理單元，它采用接收發一體的設計，雷達的無線電通信鏈具有較高的分布圖，具有無線頻率MMIC和天線的共同面，有效地減少了無線頻率鏈的損失。測距范圍從0.6m到2.30m，最大供給電壓8V，最大功率可達0.39W，芯片中有四個通道，其中，PIN1接電源，PIN2接地，PIN3為接收信號，PIN4為發射信號，串口默認波特率為57600，調制帶寬為240MHZ。其內部結構如圖3.2所示。圖3.2BGT24MTR11內部結構圖3.2.2雷達信號波形設計ADF4158是6.1千赫(GHz)少數N分鐘不同頻率的微型反應器，具有自動完成調制和快速轉換不同波形發射信號及形成的工作能力。其中一個波形發生器包括25位固定發射頻率光譜模式，它可提供6.1HZ的穩固頻率分辨率。它的組成包括精巧的電荷泵、低噪音數字檢測器(PFD)以及可編程頻率分辨器。其中內部器件Σ-Δ的小數插值控制裝置，這種可編程系數少數N的分頻器件才能成功實現。ADF4158可用于調制解調器(FSK)和調制解調器(PSK)，ADF4158可以減少回路，大大縮短了回路通過時間，不必改變回路。其主體內部結構設計如下圖3.3所示。BGT24MTR11與ADF4158連接圖如圖3.5所示。圖3.3ADF4158結構圖3.2.3測距處理器設計中央處理器通常是整個系統的最為重要的部分。他的工作性能直接影響整個系統的工作性能，由于本系統設計的是毫米波測距電路，因此要求處理器必須有強大的計算功能，滿足系統的實時性。本設計選用STM32F303處理器，它是一款性能很好的MCU處理器。它既具有強大的運算能力，能夠同時將DSP和FPU運算端子集合起來處理數據，同時又有集成運算端口(OPAMP)。這種運算放大器可以放大很微小的信號，放大之后會被ADC采樣。STM32F303內部結構圖如圖3.4所示。圖3.4STM32F303內部結構圖圖3.5BGT24MTR11與ADF4158連接圖3.3本章小結本章主要完成了毫米波雷達硬件電路的設計，以及主要器件BGT24MTR11及處理器等的相關介紹及結構圖，完成了系統硬件電路的具體設計。第4章軟件設計4.1測距系統軟件設計毫米波系統的應用軟件設計由初始化，數據采集，信號處理以及串口數據通訊幾個部分組成，具體工作流程及框圖設計如圖4.1所示。 開始系統初始化開始系統初始化數據采集，信號處理串口通訊圖4.1系統程序總流程圖(1)系統初始化系統的初始化是指系統數據結構初始化，各個芯片的配置，外部中斷，內部中斷以及對串口進行初始化。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)將串口進行初始化：設置其波特率為57600.(2)數據采集 在一個波形的數據接收器中，如果接收到一個具有一定周期性的調制波形，這個波形器就可以隨機自動地向外發送一個高電平，軟件中每當給波形器設置一個波形的上升沿時，就會自動觸發外部終止，當MUX_TX引腳輸出一個高電平的時候，就會進入內部終止，從那之后，為了收集數據并且同時安裝調制波形的25us中斷來實現外部數據的自動收集，即從每一段波形中提取一個中斷數據，這樣可以同時獲得制造波形所需要的數據，收集整個波形數據，而不是混亂的數據。(3)數據的輸出數據輸出包括兩種方式：1.當系統選擇端口6接地，表示距離及頻譜信號數據的同時輸出。此時，數據可分為數據頭、距離數據、頻譜數據和數據尾五個組成，格式定義如下：

0xff，0xff，0xff，0x**，0x**，0x##.….0x##，0×00，0×00，0×00前面三個0xff指的就是一個開始數據的8位信息開始,下面的0x**指的就是16位一個信息開始距離一個單位信息的高8位,第二個0x**指的就是一個信息距離8位一個信息的低8位。其中它的平均距離測量系數通常可用16位的一個二進制數字來精確化地表示，單位為米。第一個0x##的值是曲線距離譜面的第一個譜面曲線距離幅度，然后的值就是第二條譜面曲線的距離幅度，以此類推，總共可以有126條譜面曲線。譜面曲線的最小幅度變化范圍一般為1-44。最后三組0x00表示一個數據尾，代表一組數據的完成。2.當系統選擇端口懸空，輸出數據僅有距離信息，格式定義如下：0xff，0xff，0xff，0x**，0x**，0×00，0×00，0×00

前面三個0xff指的就是一個數據源開始，后面的0x**則用來表示16位信息距離一個數據信息的高8位，第二個0x**則用來表示16位數據信息距離一個信息的低8位。其中它的距離可通過16位的一個二進制數字來表示，單位為米。剩下的三組0x00用來表示每個數據的結尾。(4)串口的通訊串口通訊將測量的距離數據傳送給屏幕，顯示測量結果，以及數據的采集和分析。(5)信號處理信號處理流程圖如圖4.1所示，在兩條數據中，直流的時候，會產生復數的數據。通過數據運行窗口及FFT變換，獲得對應頻率，進而計算出距離。計算距離原始數據1計算距離原始數據1原始數據2去直流去直流合成復合數據加窗FFTT 圖4.1信號處理流程圖4.2本章小結本章主要完成了毫米波雷達模塊的軟件設計，系統初始化，信號的處理以及串口的設置。

第5章測試與實驗5.1雷達系統組裝圖5.1將FM24-NP100毫米波雷達測距模塊與 雷達配套顯示器demo組裝連接，使毫米波雷達測距模塊測得的距離以及距離譜線實時顯示在顯示器上，便于讀數