基于IWR1642的雷達水位計設(shè)計

汪義東， 鄭 宏

(1.水利部水文水資源監(jiān)控工程技術(shù)研究中心， 江蘇 南京 210012；2.江蘇南水科技有限公司， 江蘇 南京 210012； 3.水利部南京水利水文自動化研究所， 江蘇 南京 210012)

水位測量是水文工作中必不可少的環(huán)節(jié)，與傳統(tǒng)接觸式測量及超聲波測量相比，采用雷達水位計進行水位測量具有測量精度高、安裝維護方便等優(yōu)點。目前市面上大部分雷達水位計是引進國外的脈沖型雷達水位計，脈沖型雷達水位計的成本較高，而調(diào)頻連續(xù)波雷達水位計還處于起步階段，并且雷達天線前端模擬電路復(fù)雜，調(diào)試困難。因此本文設(shè)計了一種基于毫米波雷達傳感器IWR1642的77GHz調(diào)頻連續(xù)波雷達水位計，此芯片集成了天線前端所需要的模擬電路，大大降低了雷達電路設(shè)計的難度。

1 雷達測距原理

在雷達測距系統(tǒng)中[1-2]，其基本概念是指電磁信號發(fā)射過程中被其發(fā)射路徑上的物體阻擋進行的反射。FMCW雷達系統(tǒng)所用信號的頻率隨時間變化呈線性升高，這種類型的信號也稱為線性調(diào)頻脈沖。

FMCW 雷達系統(tǒng)發(fā)射線性調(diào)頻脈沖信號，并捕捉其發(fā)射路徑中的物體反射的信號，該線性調(diào)頻脈沖由發(fā)射天線(TX天線)發(fā)射，物體對該線性調(diào)頻脈沖的反射生成由接收天線(RX 天線)捕捉的反射線性調(diào)頻脈沖，TX信號和RX信號進入混頻器(混頻器是電子組件，將信號合并到一起生成一個具有新頻率的新信號)生成中頻 (IF) 信號。對于2個正弦輸入可以寫成以下方程：

x1=sin(ω1t+φ1)

(1)

x2=sin(ω2t+φ2)

(2)

輸出xout有一個瞬時頻率，等于2個輸入正弦函數(shù)的瞬時頻率之差，輸出xout的相位等于2個輸入信號的相位之差：

xout=sin((ω1-ω2)t+(φ1-φ2))

(3)

計算IF信號的頻率可以得到測量的距離，距離可以表示為

(4)

式中，d是與被檢測物體的距離，c是光速，f0是IF信號的頻率。

在本方法中可以忽略IF信號的頻率與物體速度的依賴關(guān)系，快速FMCW中，物體速度對其影響通常非常小，且在處理完成多普勒傅里葉變換后，即可對其進行進一步校正。

2 硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計

雷達水位計采用輕量化、小型化設(shè)計，雷達核心電路板固定在托架上，托架通過四周的定位孔安裝在外殼中。整個外殼的殼體部分采用鋁合金材料，從而減輕自身重量，頂部通過密封圈和塑料蓋進行密封，達到防塵防水的效果。底部設(shè)有兩個航空插頭，一個引出電源和通信線，另一個引出調(diào)試線。殼體外部預(yù)留安裝孔，可以加裝二維萬向節(jié)支架，以便調(diào)整雷達水位計水平角度。雷達水位計結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，其中1為鋁合金外殼，2為密封圈，3為ABS材質(zhì)前蓋，4為雷達核心電路板，5為雷達核心電路板托架。

圖1 雷達水位計結(jié)構(gòu)示意圖

2.1 77GHz平面微帶天線的設(shè)計

目前77GHz雷達在汽車方面應(yīng)用較為廣泛，技術(shù)成熟，國內(nèi)外對汽車雷達天線及相關(guān)核心技術(shù)也進行了研究[3-6]。但是77GHz雷達在水文行業(yè)的應(yīng)用相對匱乏，針對雷達水位計對雷達面積以及測量距離要求，設(shè)計了一款小尺寸、高增益的77 GHz平面微帶天線。天線由一發(fā)一收兩個10×8的微帶陣列單元組成，天線在水平方向和垂直方向都具有較高的增益和較低的波束寬度，E面的3 dB波束寬度約為9°，H面的3 dB波束寬度約為9°，增益為24 dBi，滿足雷達水位計的探測要求。平面微帶天線示意圖如圖2所示。

圖2 平面微帶天線示意圖

天線由矩形貼片組成的串饋微帶天線陣模型，其中介質(zhì)基板使用TI推薦的高頻板材Rogers4835，板材厚度為4 mil，相對介電常數(shù)為3.480。由于天線的饋電網(wǎng)絡(luò)中的阻抗需要與毫米波傳感器IWR1642要求的相匹配，而阻抗匹配的過程復(fù)雜，計算量較大，在電路設(shè)計中過孔的阻抗相對于線路的阻抗更加難以控制，因此饋電網(wǎng)絡(luò)中不宜有過孔，因此天線需要與毫米波傳感器IWR1642布置在高頻板材的同一面。

2.2 硬件電路設(shè)計

雷達水位計的硬件電路主要由毫米波傳感器IWR1642、超低功耗加速度傳感器iNEMO、電源管理系統(tǒng)PMIC以及RS485通訊接口組成，雷達水位計結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

圖3 雷達水位計結(jié)構(gòu)框圖

雷達水位計硬件電路的核心是毫米波傳感器IWR1642[7]，是一款能夠在76～81 GHz頻帶中運行且基于FMCW雷達技術(shù)的集成式單芯片毫米波傳感器，具有高達4 GHz的連續(xù)線性調(diào)頻脈沖，該傳感器采用TI的低功耗45 nm、RFCMOS工藝進行構(gòu)建，并且在極小的封裝中實現(xiàn)了前所未有的集成度，有效解決了雷達模擬前端電路的復(fù)雜性。毫米波傳感器包括整個毫米波射頻前端和模擬基帶信號鏈，最多可用于2個發(fā)射器和4個接收器，以及可編程的MCU和高速DSP。毫米波傳感器的射頻/模擬前端包括三角波發(fā)生器(DDS)、調(diào)制器(MOD)、壓控振蕩器(VCO)、功率放大器(PA)、低噪聲放大器(LNA)、正交混頻器(MIX)、中頻濾波器(IFF)。

此外核心電路還集成了加速度傳感器，用于計算安裝角度是否水平；電源管理芯片，用于具有過壓、過流斷電保護功能以及RS485通訊接口電路，用于與外部設(shè)備通訊。

3 測距算法設(shè)計

距離測量的關(guān)鍵在于計算IF信號的頻率，根據(jù)式(4)推出距離，再消除物體位移帶來的微小誤差。

根據(jù)數(shù)字信號處理的理論，使用傅里葉變換求取IF信號的頻率是實際信號頻率的近似值，在非同步采樣時，由于各次諧波分量并未能剛好落在頻率的分辨點上，而是落在各個頻率分辨點之間，實際測量的頻率值大概率不會落在分辨點上，因此就不能直接得到各次諧波分量的準確值，而只能用臨近的頻率分辨點的值來近似替代，這個就稱之為FFT 的“柵欄效應(yīng)”。由于存在“柵欄效應(yīng)”，使得直接使用FFT所獲得的頻率因為有固定的采樣間隔△f而產(chǎn)生△f/2的測量誤差。

為了解決上述問題，本文采用增加窗函數(shù)的方式抑制傅里葉變換的頻譜泄露，設(shè)置帶寬為4 GHz，單次發(fā)射持續(xù)時間為40 μs，單次采樣點數(shù)為1024，窗函數(shù)選擇漢寧窗，則理論上距離的分辨率可達到3.75 cm。在水文儀器規(guī)范中，雷達水位計的測量精度最低要求為2 cm以下，因此需要在傅里葉變換的基礎(chǔ)上使用選帶傅里葉變換提高精度。

對于無限長序列，可以增加采樣點數(shù)N，增加譜線數(shù)量，提高頻譜分辨率，以削弱柵欄效應(yīng)的影響，而采集信號的長度會極大影響著運算速度，為了在不增加分析數(shù)據(jù)長度的情況下提高分辨率，本文采用在傅里葉變換的基礎(chǔ)上使用選帶傅里葉變換提高分辨率。使用選帶傅里葉變換可以識別頻譜的細微結(jié)構(gòu)，對感興趣頻段進行高頻率分辨率的分析[8-9]。該算法對特征諧波所在局部頻段進行細化，細化倍數(shù)為D，細化譜的頻譜間隔Δf′=DΔf為全景譜頻譜間隔的1/D，頻率分辨率提高了D倍。具體步驟如下。

(1)復(fù)調(diào)制移頻：將目標頻帶的中心頻率移至頻率軸的零點處。

(2)低通濾波：對移頻后的信號進行低通濾波，以濾除分析頻段以外的高頻信號。

(3)抽?。簩π盘栠M行系數(shù)為D的抽樣，即對時域上每D個序列點保留1個，其余的序列點舍棄，抽取后相當(dāng)于采樣率降低了D倍。

(4)傅里葉變換頻譜分析：對抽取之后的時域信號進行傅里葉變換。

(5)頻率調(diào)整：經(jīng)過傅里葉變換得到的是以零頻點為中心的一段頻譜，將其移至實際頻率處方求出細化之后的真實頻譜。

經(jīng)過細化后的距離分辨率可達到毫米級別，完全能夠滿足水文儀器規(guī)范的要求。

4 實驗測試

將測試使用的雷達水位計樣機安裝在可移動的標尺軌道的一端，標尺上固定一平面代替水面，移動標尺模擬水位的變化，使用激光測距儀測量的數(shù)據(jù)作為標準值。在0～10 m范圍內(nèi)，按步進50 cm進行3次實驗，求得最大絕對值誤差和平均值誤差，測試數(shù)據(jù)如表1。

表1 步進50 cm測試結(jié)果 單位：cm

實驗結(jié)果表明，在0～10 m實驗量程范圍內(nèi)，最大誤差和平均誤差均小于1 cm，滿足對水位實時測量的精度要求。

5 結(jié) 論

本文從非接觸式雷達水位計的測量原理入手，詳細敘述了雷達水位計的硬件及軟件，基于測距算法提出在快速傅里葉變換的基礎(chǔ)上使用選帶傅里葉變換進行局部細化，提高差頻測量精度，滿足了水溫測量規(guī)范要求。雷達水位計的測試樣機尺寸小，質(zhì)量輕，方便集成安裝，但是河水表面情況復(fù)雜，再加上高頻電磁波容易受到雨水的干擾，因此還需要在硬件和算法上做進一步提高和完善。