电子技术
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DIY简易5.8G FMCW雷达
radio 2019-2-11 00:26:44


原理:雷达发射带宽为Bw,长度为T的线性调频信号,则

$$ s(t)=\exp(k\pi jt^2){\rm rect}( \frac{t}{T}) $$

其中

$$ k=\frac{Bw}{T} $$

 为信号调频率

若为正扫频,将发射信号与从距离为r的目标反射回来的延迟了

$ \tau $

的回波信号

$$ s_{return}(t)=\exp(k\pi j(t-\tau)^2){\rm rect}(\frac{t-\tau}{T})$$


混频,则会得到

$$ s_{mixed}(t)=\exp(k\pi j(t^2-(t-\tau)^2))=\exp(k\pi j(2\tau t-\tau^2)) $$

$${\rm where}(\frac{T}{2}>t>-\frac{T}{2}+\tau)$$

将混频后的信号进行FFT,则可以得到在

$$f=k\tau=\frac{2kr}{c}$$

处的目标尖峰,通过与距离成正比的频率f则可求出目标距离r。

设计:

结构框图:

 部分设计参考了http://hforsten.com/homemade-synthetic-aperture-radar.html,更换了射频放大和基带部分的设计以期实现更高的射频和动态性能。

感谢@虎哥提供有关射频性能指标要求的指导。

此设计通过PLL+VCO产生高线性度的LFMCW信号,混频后使用一个二阶的有源高通滤波器去除馈通,二阶巴特沃兹滤波器提供40dB/dec的滚降,正好能补偿雷达回波随距离的四次方衰减,降低后级信号处理电路的动态范围需求。

滤波器响应仿真:

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 PCB:

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 焊接完:

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 使用一个带FX2 USB接口的FPGA开发板驱动并与PC连接。

DEBUG完成的样子:

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 使用衰减器+同轴线直接连接收发端测试:

VCO输入:

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 混频器输出(经过第一级放大):

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 经过高通滤波:

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 末级射频功放看起来很烫的样子。。

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 实际测试:

测试场地:某马路边

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 可以明显看出移动的车辆(斜线),但场景中也有大量的静止反射体干扰,不容易看清。同时也可以看出车辆经过时对后方景物的遮掩效果。通过将多普勒频率接近零的回波成分过滤掉可以去除静止物体:

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 去除后:

 

 


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 测试参数:中心频率5.8G,扫频带宽640MHz,有效带宽384MHz(去除扫频开始时PLL未锁定的一段),脉冲重复频率1kHz。基带采样率10Msps。

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设计资料与代码:https://github.com/gym487/FMCW_Radar/

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 PS:DEBUG时曾使用过这种淘宝山寨天线

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 距离超过5m就看不见。。

上网一搜:https://www.maartenbaert.be/quadcopters/antennas/measurements/aomway-patch-ant005/

表面上这是个平板天线,其实是个全向的GP天线,真正的辐射体是馈线同轴电缆外皮。。。

[修改于 11 天前 - 2019-02-12 04:04:12]

2019-2-11 02:03:41
1楼
0

效果不错,真是很亲民的DIY方案。

通过将多普勒频率接近零的回波成分过滤掉可以去除静止物体:

参考作品(http://hforsten.com/third-version-of-homemade-6-ghz-fmcw-radar.html)文中提到他的做法:

The above time-range plot is recorded with a single horn antenna so there is no angle information. Clutter is removed by subtracting the previous sweep from the current one leaving just the moving objects. Without the clutter reduction there are so many targets that it's hard to see anything.

看他的效果对比图,可能与静背景作差效果好一些,也许可以对比一下试试。

PS:国外那位做了N个版本了,我觉得第一版的选型性能不是很好,但他的新作品改进得比较完善。


2楼
0

现在用的什么天线

radio(作者)
3楼
0
引用:ddomax 发表于1 楼的内容:
效果不错,真是很亲民的DIY方案。通过将多普勒频率接近零的回波成分过滤掉可以去除静止物体:参考作品(.....

作差的方法其实效果不是特别好,特别是背景有被遮挡的情况下,这点那篇文章作者也有提到。用多普勒的话可以消除一定速度范围内的目标,个人感觉更好一些。

radio(作者)
4楼
0
引用:20!Dopaminor 发表于2 楼的内容:
现在用的什么天线

目前用的这种,据说性能不错。随盒附带方向图和参数,看起来靠谱不少

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[修改于 12 天前 - 2019-02-11 16:33:36]

5楼
0
引用:radio 发表于3 楼的内容:
作差的方法其实效果不是特别好,特别是背景有被遮挡的情况下,这点那篇文章作者也有提到。用多普勒的话可以.....

原来如此。我开始看了一眼图,看起来作差还行;以前我也是和静止画面归一化后减了一下,没试过别的方法

6楼
0
引用:radio 发表于4 楼的内容:
目前用的这种,据说性能不错。随盒附带方向图和参数,看起来靠谱不少 

4x5dbi的天线阵,实际应该不到11dbi增益才对

这个天线结构看起来没有明显毛病

[修改于 11 天前 - 2019-02-11 22:16:18]

7楼
0

去年底还在探讨框图,过了个春节就做出来了,简直可怕。

话说调频是用数字方式不停的刷PLL实现的吗,示波器上的200us是每格还是整个屏幕,这个PLL最快能跟上多快。整个屏幕的话,大概会在15km距离上发生混叠,似乎还有很大加速空间。

[修改于 10 天前 - 2019-02-12 21:30:57]

8楼
2

看PLL的资料,大概2us能刷一个寄存器。总扫描时间几百us,够刷很多次寄存器了。

“通过将多普勒频率接近零的回波成分过滤掉可以去除静止物体”

这个还真一下子没想通原理。撸主能否细说一下?我现在纠结的地方在,即使对于远处的静止物体,回波信号也已经是和当前本振信号频率不一样了。如何区分出频差是因为物体距离导致的还是因为物体速度导致的?

9楼
0
引用:量子隧道 发表于8 楼的内容:
看PLL的资料,大概2us能刷一个寄存器。总扫描时间几百us,够刷很多次寄存器了。“通过将多普勒频率.....

要保证“高度线性”,点之间距离似乎不可太远,不然VCO的驱动电路就比较讲究技术了。总扫描时间其实只有100μs,也就最多50个点,每个点相距十多兆啦。设计技巧要请radio解惑。

移动物体的多普勒频移会叠加在距离变化率(导致的频差变化)上。此时还有一个已知条件是瞬时发射频率,而多普勒频移的大小与瞬时发射频率是相关的。未知数是距离、速度,方程是距离频移、速度频移,距离变化率是速度的积分,两个方程解两个未知数,似乎有希望。。。

radio(作者)
10楼
0
引用:虎哥 发表于7 楼的内容:
去年底还在探讨框图,过了个春节就做出来了,简直可怕。话说调频是用数字方式不停的刷PLL实现的吗,示波.....

那个其实是200us/div,总的扫频周期是1ms..在目前设置的带宽下从扫频开始大概需要0.3-0.4ms才能锁定。换成三角波扫频会好一些,但是太快的扫频速度其实没有太大必要,也会增加基带处理和数据储存的难度。这款PLL自带扫频功能,只需要上电配置一次寄存器就可以自动扫。

[修改于 10 天前 - 2019-02-13 00:36:39]

radio(作者)
11楼
0
引用:量子隧道 发表于8 楼的内容:
看PLL的资料,大概2us能刷一个寄存器。总扫描时间几百us,够刷很多次寄存器了。“通过将多普勒频率.....

这个多普勒其实要观察多次回波(之间的相位变化)才能看出来(因为对于测试中的条件而言,多普勒频率大概在一两百Hz的范围,在不足1ms的单次回波数据中即使有也没法分辨出来),参考SAR中的处理方法。

简单来说,就是将单次(fft后)的回波数据看作一横行,多行排成一个二维数组,然后在纵向上做滤波。

1kHz的脉冲重复频率(相当于对多普勒的采样率)在5.8G下最高可以分辨+-12m/s的径向速度(过高就会混叠),对于搭载在四轴之类的低速飞行器上做SAR成像足够了。。

[修改于 10 天前 - 2019-02-13 00:46:06]

12楼
0
引用:radio 发表于11 楼的内容:
这个多普勒其实要观察多次回波(之间的相位变化)才能看出来(因为对于测试中的条件而言,多普勒频率大概在.....

一语道破。涨知识了。

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