[发明专利]一种经济型短距测距雷达的设计和实现方法

说明书

技术领域

本发明涉及电子信息领域，提出一种经济型短距测距雷达的设计和实现方法。

技术背景

许多应用中提出了对短距测距雷达的需求。例如建筑物内进行喷涂作业的机器人，需要随时调整它自身在工作区中的位置，避免和墙体及其他障碍物发生碰撞，就要随时测量机器人与它的环境物之间的距离。由于作业处于严重污染条件下，其他传感器难以应用。另一个例子是农用飞机、民用小型无人机、环境监测用气球的高度测量。使用气压表、地磁感应等物理方法难以得到对地的准确高度。而激光测距方法容易受树木植被影响变得难以应用，微波雷达测距才是合理选择。工程设备移动时，要求保证环境安全，这可以求助于测距雷达。防止船舶相互碰撞或保持船舶航行安全需要测量船舶之间的距离或船舶与河岸或水上标记物的距离，并且要求雷达能够全天候工作。

以上列举的应用中，要求雷达能够测量与目标的距离，但雷达和目标之间可能是相对静止的或相对径向速度较小，这决定了所说的雷达不适合单靠多普勒效应来设计。另一方面，所说的测距雷达和工程测量中使用的激光或微波测距机又不一样。工程测量中的测距机要求合作目标完全静止，可以达到很高的测量精度；而本发明关注的经济型测距雷达容许目标相对雷达完全静止或有相对运动，并且实际应用中对测距精度的要求不是那样苛刻。

军用雷达测距仪和测高仪不是新的，但价格昂贵，完全不适合民用经济型的要求。民用雷达使用的基本原理与军用雷达不会有重大差别。然而由于受价格限制，军用雷达上可以使用的技术、部件在民用雷达上可能必须避免和改变。例如脉冲测距机或测高器需要使用较高的发射功率，导致整个雷达硬件价格高，在民用雷达设计中要尽量避免，而调频连续波(FMCW)体制是更经济的选择。国外厂商推出了若干专用集成芯片能够使FMCW雷达的实现方案变得简化，意在利用专用芯片的知识产权获得民用雷达市场的利益。然而对非器件制造商来说，这些专用芯片的价格就太贵了。本发明的目的是创造自己的技术方案和产品，用以取代国外的技术和产品。

FMCW雷达体制常用于设计交通管理用雷达，例如德国的SmartMicro多目标交通雷达，美国的SmartSensor交通流检测器。这些雷达的生产商指标和实际应用都表明，雷达的设计目标是适合于探测移动速度大于10公里/小时的车辆目标；当目标径向速度小于5公里/小时，对目标的检测误差会变得很大。这明显不适合于本发明关注的各种应用。

民用雷达需保证在工业温度范围内正常工作。对调频连续波体制，必须保证在工业温度范围内雷达调制发射信号的频率参数符合稳定性要求。需要做的工作是保证最低频率(通常作为基准频率)和最高频率或频率调制宽度的温度稳定性。国外器件商推出了用锁相环(PLL)方法以细步逐步调整跟踪方式调整频率来实现线性频率调制(锯齿波、三角波等)。这种方法能够保证调频微波频率的准确性，达到参照晶振稳定的水平。不过，这种器件没有得到民用雷达市场的成量应用，据分析主要原因是调制噪声比较高。事实上，国外雷达发展商都致力于自主发展线性频率调制方法和组件，并且将其作为重要的核心技术。本发明的一个创新点正是提出一种自主发展的线性频率调制测距雷达系统方案，保证雷达调频信号的基准频率和调频宽度具有温度稳定性，使雷达测距能够满足安全管理和产业应用需求。

发明内容

基本原理

本发明中的经济型短距测距雷达使用线性调频方法。参考图1所示的一种雷达调制波形图，假定调频宽度为f_sweep，调频时间长度为T_chirp，目标离开雷达的距离为R，雷达接收信号相对发射信号的延时等于

其中c＝2.997925e8米/秒是电磁波的传播速度。这个延时造成接收信号与同时出现的发射信号之间有一个频率差为

在电子信息领域中，这个频率差常常称为“拍频”。将接收信号和发射信号进行混频，能够将拍频信号检测出来。实际中可以对混频后得到的拍频信号在放大后进行模拟数字变换，得到的数字信号送到一个数字信号处理器中，利用快速傅里叶变换可以计算出拍频f_r。目标相对雷达距离于是可以立即得到

在原理说明中的频率调制锯齿波通常指连续线性锯齿波，然而在本发明中也包括阶梯线性锯齿波。所谓阶梯线性锯齿波，是指一个锯齿波由许多小阶梯上升的波形构成，每个小阶梯的时长和上升幅度都相等。连续线性或阶梯线性两种调制波对雷达测距而，其工作原理并无区别。