调频连续波(FMCW)雷达微波物位计的工作原理

2024-07-01

调频连续波(FMCW)雷达微波物位计的工作原理（精选2篇）

调频连续波(FMCW)雷达微波物位计的工作原理第1篇

调频连续波（FMCW）雷达/微波物位计的工作原理

FMCW是取英文Frequency Modulated Continuous Wave的词头的缩写。FMCW 技术是在雷达物位测量设备中最早使用的技术。

FMCW微波物位计采用线性的调制的高频信号，一般都是采用10GHz或24GHz微波信号。它是一种基于复杂数学公式的间接测量方法，由频谱计算出物位距离。天线发射出被线性调制的连续高频微波信号并进行扫描，同时接收返回信号。发射微波信号和返回的微波信号之间的频率差与到介质表面的距离成一定比例关系。

如果我们认为被线性调制的发射微波信号的斜率为K,发射信号和反射信号的频率为rf,滞后时间差为rt,发射天线到介质表面的距离为R，C为光速。

那么我们可以得到：rt = 2R/C

由于采用的是调频的微波信号，因此我们可得：rf = K×rt；两式合并后，我们得到公式： R = C× rf/2K（公式2）

根据公式2，我们可以看到，天线到介质表面的距离R与发射频率和反射频率差rf成正比关系。

信号处理部分将发射信号和回波信号进行混合处理，得到混合信号频谱，并通过独立的快速傅立叶（FFT）变化来区分不同的频率信号，最后得到准确地数字回波信号，计算出天线到介质表面的距离。

实际上，FMCW信号是在两个不同的频率之间循环。目前市场上的FMCW微波物位计主要以两种频率为主：9到10GHz和24.5到25.5GHz。

采用FMCW原理的微波物位计都具有连续自校准的处理功能。被处理的信号与一个表示已知固定距离的内部参照信号进行比较。任何差值会自动得到补偿，这样消除了由温度波动或变送器内部电子部件老化引起的可能的测量漂移。

2.2、脉冲

脉冲雷达物位计，与超声波技术相似，使用时差原理计算到介质表面的距离。设备传输固定频率的脉冲，然后接收并建立回波图形。信号的传播时间直接与到介质的距离成一定比例。但是与超声波使用声波不同，雷达使用的是电磁波。它利用好几万个脉冲来 “扫描”容器并得到完整的回波图。

通常，采用脉冲方式的微波物位计的精度和可靠性都不如FMCW微波位计，但是脉冲物位计因为价格较FMCW低很多，因此是目前市场应用得最多的微波物位计。当然，很多生产厂商通过增强回波处理功能等方式大大提高了脉冲雷达的可靠性。

2.3、导波雷达

也被称作时域反射式雷达，即TDR。导波雷达是非接触式雷达和导波天线相结合的产物。它将微波信号发射到导波杆或缆上，使微波能量集中在导波杆或缆周围而不会“扩散”。它一般都是采用脉冲波，但也有采用连续波的。这种工作原理的测量方式使它具有了能够测量较低的介电常数的介质、能够有效的避开容器内干扰物的影响、不受水蒸汽的影响、可以用于测量固体等优点，但同时它像所有的接触式物位测量设备一样，具有易粘附、易磨损，甚至造成断缆、受粉尘影响较大的缺点。

2.4、技术评论

我曾经在用户处，听说一种说法，采用脉冲技术比连续调频原理的雷达要好得多。我觉得这种说法是不科学。固然，FMCW技术的雷达存在着：成本相对较高，功耗较大等缺陷，但是它的工作方式保证了它的可靠性更优，信号的失真度也会降到最低。因此在一些工况较复杂的应用，依然能体现出它的优势来。当然，脉冲雷达技术经过近几年的大力发展，也有了巨大的飞跃，克服了很多技术上的缺陷，可靠性也大大地提高了。

前段时间我们有家代理商跟我说，有某雷达供应商的销售跟客户提到，脉冲雷达可以实现在同一个安装多台雷达，而信号不会相互影响；而FMCW技术的雷达就会有问题。但是没有解释因为什么原因。我听了之后，觉得很诧异，市场竞争已经到这种程度了？其实，安装在同一个仓上的雷达信号相互影响，恰恰是脉冲雷达的一个缺点，由于它的工作状态是相当于通讯里面“单工”方式，因此容易把其他同规格雷达发出的信号接受到而产生错误测量信号。因此需要通过做“同步”功能的设置来修正个问题，而大部分脉冲雷达都具备这个功能，就相当于将多台雷达的工作状态协调起来，同时发送或同时接受。而连续调频的雷达由于采用类似通讯中“全双工”的工作方式，就不存在这个问题。各种不同的技术，存在就有价值，否则市场就会淘汰它。所以，我的看法是，在市场上能生存的各种技术也好，品牌也好，都有它的价值，不存在单纯意义上的好或者不好，这要看具体用在什么地方，怎么用。最适合的就是最好的。就好比麻将牌，任何一张牌都可能是好牌，也可能是坏牌，就看你怎么打了。

调频连续波车载雷达的原理及应用第2篇

车载雷达自20世纪70年代起开始发展，主要用于检测车前、车附近及车后的物体。在各种环境条件下，准确测量前后方车辆速度和距离是系统设计的关键。目前测定汽车之间距离和速度的方法主要有超声波法、激光法和微波雷达法。微波雷达与其它两种方式相比具有显著的优点，因为其工作频率高、波长短，可有效地缩小波束角度、减小天线尺寸。它不但可以探测目标的距离，而且还可以测定相对速度和方位。同时微波雷达还适合在恶劣气候条件下工作，并能够在汽车制造中方便地将其置于塑料挡板之后。因此，本文主要研究微波雷达技术的相关原理，并给出了其电路的一种具体实现方法。

2. FMCW雷达测距测速原理

车载微波雷达主要分为两种：脉冲多普勒雷达和调频连续波 (FMCW) 雷达。脉冲多普勒雷达系统测量精度高、数据刷新快，但系统复杂，成本较高。调频连续波雷达系统则具有电路简单、成本较低的优点。其基本原理是通过连续周期性地调制发射信号频率，并分析接收信号频率，从而得出汽车周围物体的相对距离和速度。

为了探测汽车周围的动态物体，雷达发射信号可以采用时域中线性的三角形频率扫描，如图1所示。这里△f是扫描频率的最大和最小值之差，Tm是扫描的时间。

雷达接收到的物体反射信号与发射信号存在2R/c时间的延迟，如图2所示。其中R是车与物体的相对距离，c是真空中的光速，虚线表示的是物体静态时雷达对应的接收频率。

fb称为拍频，它等同于对静态物体的发射和接收频率之差。根据简单的三角关系可得：

对于一个动态的物体，当观察者以v的相对速度向波源移动时，他所接收到的波长为λ的信号的频率相对于波源发出的频率会有一个v/λ数量的频移，即多普勒频移。对雷达来说，这个效应在信号的往返过程中发生了两次。因此总的多普勒频移可以表示为：

对动态物体的发射和接收频率之差可以表示为：

△f1和△f2即中频信号，它们是实际电路中需要通过雷达探测获得的结果。通过简单的公式变换可得：

将 (5) (6) 两式带入公式 (1) 并做适当变换即可得到距离R的公式：

将 (5) (6) 两式带入公式 (2) 并做适当变换即可得到相对速度v的公式：

3. 雷达电路设计

3.1 整体电路系统

完整的连续波频率调制车载雷达电路系统框图如图3所示。该系统可以分为高频微波模块和低频电路模块。实线框中的部分即微波模块，其工作在频率高达77GHz的频段，采用砷化镓微波单片集成电路。剩下部分为低频电路模块，可以进一步分为两个部分：USB左边的信号产生、控制以及传输部分，以及USB右边的信号接收和处理部分。

雷达电路中的USB芯片采用CYPRESS公司的CY7C68013A，它是一款8051系列的单片机，通过USB接口连接到电脑，与Labview软件进行通信，从而完成对电路的数据控制和分析的功能。ADC模块采用Analog Devices公司的AD9244，它具有14bits的数据精度和65MSPS的数据采样率，能够支持对所研究的雷达电路中频信号的数据采样功能。频率合成器（Synth）采用Analog Devices公司的AD9956，它含有2.7GHz的DDS模块，可以通过适当的连接实现锁相环的功能。在Labview软件的帮助下，系统将通过频率合成器产生调频连续波 (FMCW) 信号至发射端，并在接收端获得中频 (IF) 信号，通过滤波即模数转换等处理，最终通过软件计算得出被测目标的相对距离和速度。下面对信号发生和接收的核心模块再做一些具体的介绍。

3.2 锁相环

锁相环 (PLL) 是发射信号的产生及控制模块的重要部分。在无线电发射机中，锁相环常被用于合成所需的频率。这个频率是参考频率的整数倍，同时拥有与参考频率相同的稳定性。

在本电路的具体应用中，锁相环电路主要由AD9956芯片构成，它具体包括了：频率合成器 (Synthesizer) 、低通滤波器 (LP) 、晶振 (作为参考时钟信号) 、环路滤波器 (LOOP filter) 和电压控制振荡器 (VCO) 。锁相环采用了部分分频环路的连接方式。这种连接在直接数字频率合成器 (DDS) 的反馈回路部分提供了精确的分频功能。同时它也支持直接数字频率合成器的频率扫描功能。频率合成器可以进一步分成：直接数字频率合成器 (DDS) 、数模转换器 (DAC) 、相位探测器 (PD) 和电流泵 (CP) 。雷达电路中采用的锁相环电路框图如图4所示。

调频连续波信号将由电压控制振荡器 (VCO) 输出，经过倍频之后达到77GHz左右，作为发射信号送至雷达的发射端。

3.3 中频 (IF) 的信号处理

接收端的中频信号携带着雷达电路中重要的信息，即目标物体的距离和速度。在本电路中，它是通过将本地振荡器的信号LO（发射信号）和射频信号RF（接收信号）混合在一起而得到的，如图5所示。

这个混合器即一个乘法器，它所得出的中频信号可由下式计算得出：

从中我们可以得到中频 (IF) ：wIF= (wLO-wRF) 。通过进一步的数据处理，我们即可得到被测目标的相对距离和速度。

4. 结束语

经过初步测试，该车载雷达电路系统能够正确产生FMCW信号，并在接收端正确接收IF信号。通过对软硬件的进一步完善，将有望实现商用化，具有良好的应用前景。

参考文献

[1]Amjad Altaf, "Design of Millimeter-wave SiGe FrequencyDoubler and Output Buffer for Automotive Radar Applications", LiTH-ISY-EX--07/3978--SE, 2007

[2]Jonny Svensson, "Implementation of an FMCW Radar Plat-form With High-Speed Real-Time Interface", LITH-ISY-EX--06/3779--SE, 2006

[3]Oscar Eriksson, "Filterdesign och h?rdvarukonstruktion f?rFMCW-radar", LiTH-ISY-EX-ET--06/0320--SE, 2006

[4]张大彪, 王艳菊.微波测速、测距系统的设计.仪表技术与传感器, 2004 (4) :11-12