目录
- 1. FMCW雷达基本原理
- 1.1 基本结构与原理
- 2. L波段FMCW雷达的基本介绍
- 2.1 参数配置
- 2.2 数据采集板
- 2.3 雷达测距实验
- 2.4 干扰机实验
本文介绍如何设计FMCW雷达测距实验。
1. FMCW雷达基本原理
1.1 基本结构与原理
雷达系统所用信号的频率随时间变化呈线性升高，这种类型的信号也称为线性调频信号，图1、图2分别展示了FMCW信号的幅度-时间图和频率-时间图。
图 3 所示为FMCW雷达射频组件的简化框图。雷达的工作原理如下：FMCW信号由信号合成器产生，分为两路，一路作为本振信号，另一路经TX（发射）天线发出，遇到障碍物后返回，由RX（接收）天线接收并与本振信号混频产生IF（中频）信号，距离信息就包含在IF信号中。
为单个目标的 TX 和 RX 信号，从图中可知，RX信号是TX的延时的结果。计算目标的距离的核心就是计算出延时τ，得到τ，用其乘以光速c就是目标距离d的2倍，即：
而延时𝜏可通过数学方法推导出, 延时𝜏、扫频周期Tc、中频fIF、BW在图4的三角形中成比例，故可得：
因此知道了公式右侧的三个变量，就可以计算出延时𝜏，就可以计算出目标距离d。扫频周期Tc和带宽BW由雷达本身决定，中频信号的频率可以从频谱仪中读出，从而完成计算。
2. L波段FMCW雷达的基本介绍
2.1 参数配置
在《AN015 L波段FMCW雷达数据手册》中有设备的详细介绍以及操作方法，本文只针对教学应用做简单介绍，更为详细的内容请查阅手册。本套雷达根据客户要求订制了下表的扫频周期Tc和带宽BW，通过串口助手发送不同指令即可配置相应的参数。
2.2 数据采集板
本设备采用redpitaya作为数据采集板，redpitaya提供了大量的API程序接口，可供教师、学生、工程师等开发者使用matlab、python等语言对其编程，比如目前其频谱仪功能显示的横轴坐标是频率，完全可以作为一个实验项目或者小论文，由学生编写程序将其改为距离，甚至改成多目标探测的热点图、时频图等等。处理器是Zynq，功能强大，可以支持很多开发应用。Redpitaya的具体指标与介绍参见资料包中的数据手册、文档等资料。
2.3 雷达测距实验
本实验采用满洲里国峰电子科技有限公司提供的L波段FMCW雷达主机作为实验主题设备，连接方式如下图所示：
两个天线相距20cm摆放，被测目标为天线对面的墙体，距离天线1m，天线与主机使用2m同轴线连接，实际场景如下图所示：
以0x0C指令为例，按《AN015 L波段FMCW雷达数据手册》和教学视频中的讲解连接设备，启动雷达后，redpitaya数据采集板传递采样数据给计算机，在计算机屏幕上可见下图所示图样：
合理设置横轴最大频率数值，上图中为100kHz，点击屏幕上的cursor按键可以调出上图中虚线的光标，标记出频谱中两个最高的峰，左侧第一个峰为发射天线到接收天线的耦合，第二个高峰即为墙体的反射，用虚线光标标出两个峰值的频率差，这个频率差就是公式𝜏=fIFTc/2BW中的fIF。很多客户使用第二个峰值的绝对频率即图中的33.71kHz带入公式计算，这样的计算方法是错误的，得到的距离有和真实距离相差很大，其原因详见我们的博客文章：《FMCW雷达距离计算与测量不符的原因》。
以上图的1m距离为例，指令0x0C对应的扫频周期Tc/为2ms、带宽BW为2GHz，从频谱中测量得到的fIF为7kHz，带入公式计算可得1.05m，与实际距离1m相差仅0.05m（这其中有天线相位中心的偏差和米尺测量等误差），符合前面介绍的理论测距理论。在实际应用中由于连接同轴线的线长不同、环境不同、非同一批次器件的不同等因素，会导致第一个峰和第二个峰的绝对横轴频率不同，但是只要是相同的指令，天线的摆放按照本文的介绍摆放，其两个峰之间的频率差是相同的，这也是为什么使用频率差的原因之一。
2.4 干扰机实验
干扰机实验相对简单，开启干扰机后可在频谱上看到如下图所示的受到干扰的频谱：
受到干扰的中频频谱中出现多个峰值，出现许多伪目标，原有的目标不能从频谱中直接分辨出来。除此之外，还可以做干扰天线位置实验，可以做如下操作，对比干扰效果：
（1） 将干扰天线对准发射天线
（2） 对准接收天线
（3） 远离主机vs靠近主机
（4） 利用天线极化特性，改变天线水平、垂直、多角度放置
（5） 在干扰机发射端加衰减器（额定功率5W的衰减器）
通过这些以及其他的扩展实验可以增强学生对于功率、距离、极化等概念的认知。
引用：
[1]: 毫米波雷达传感器基础知识, Cesar Iovescu, Texes Instrument
作者：潇洒的电磁波（专业：射频芯片设计、雷达系统、嵌入式。欢迎大家项目合作交流。）
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