CN207318707U - 一种fmcw雷达相位稳定的校准电路 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及雷达电子电路领域，特别涉及一种FMCW雷达相位稳定的校准电路，所述校准电路包括：信号反馈电路，信号发射电路，发射天线，信号接收电路，接收天线，信号处理模块；所述信号反馈电路，包括两个定向耦合器和一个可调衰减器。通过信号每一帧的测量数据，将被测量目标的回波测量结果与校准信号的测量结果进行比较，以消除掉所述信号发射电路和所述信号接收电路的相位波动，获得精确的被测量目标的形变相位差。通过本实用新型能够动态的对雷达信号发射电路和信号接收电路自身受环境和时间变化所带来的信号相位波动进行实时校准，提高检测的精度。

Description

一种FMCW雷达相位稳定的校准电路

技术领域

本实用新型涉及一种雷达电子电路，特别是一种FMCW雷达相位稳定的校准电路。

背景技术

近年来，我国城市交通建设发展迅速，交通运输量大幅提高，使得跨江跨河桥梁和高架桥在城市交通中的重要性与日俱增。随着桥梁建设的增多和众多桥梁的超期超载服役，不断发生垮桥、损桥事故，造成许多人员伤亡和巨大财产损失，因此桥梁的定期形变监测和健康性、安全性评估显得尤为重要。通过早期桥梁病害的发现，能够大大节约桥梁的维修费用，可以避免频繁大修封闭交通引起的重大损失，并最大限度地减小桥梁事故造成的损失。

地基干涉雷达系统应用线性调频连续波(FMCW)和微波干涉测量技术，能够获取目标区域雷达视线向一维距离域的形变信息。相比于精密水准、全站仪和GPS等传统大地测量形变监测方法，地基干涉雷达不需要与观测目标区域有直接接触，受云雾阴雨等气象条件、恶劣环境的影响较小，并且在时域和空域均具有较高的采样率，在桥梁等线形目标的形变监测中有很好的应用前景。

雷达传感器对监测目标区域进行连续采样，通过相邻采样信号间的干涉计算提取形变相位，进而计算形变量。雷达视线向的形变量D与形变相位差Δφ满足以下关系：

其中，λ是雷达发射信号的波长。Δφ是雷达发射波在被测物体在发生变形前后所到达接收端的信号相位变化，也就是相位差。

由式(1)可见，当雷达发射频率也就是波长确定后，所能检测到的物体形变量就只与雷达接收端检测到的信号相位变化精度相关了。

举例说明，当雷达发射信号为20GHz时，对应的波长为15mm。当被测物体发生引起的接收波检测出有1°的相位变化时，说明被测物体的形变为：

参照图1，在实际的雷达电路中，已知的发射信号相位是位于中频也就是发射DA产生的信号相位，测量的回波相位是中频也就是接收AD获得的信号相位。因此这两个相位的差不光有实际被测物体的形变带来的相位变化，还有信号发射电路和信号接收电路的传输相位。一般认为信号发射电路和信号接收电路的传输相位是稳定的，所以测量的发射和接收信号的相位差也就是被测物体的形变相位变化。但是，信号发射电路和信号接收电路的传输相位并非是固定不变的，它会受电压、温度等因素影响发生变化，特别是对于测量超微形变所要求的几度的相位变化，信号发射电路和信号接收电路的相位变化会远远大于这个量级，这样，雷达的检测精度将会大大下降。

实用新型内容

本实用新型的发明目的在于：完成对雷达发射电路和接收电路的相位变化校准，提高雷达对相位参数的检测精度。因此，提供一种FMCW雷达相位稳定的校准电路。

在本实用新型的实施例中，一种FMCW雷达相位稳定的校准电路，包括：信号反馈电路、信号发射电路、发射天线、信号接收电路、接收天线、信号处理模块；

所述信号反馈电路，包括第一定向耦合器，可调衰减器，第二定向耦合器，第一定向耦合器的第一端口连接所述信号发射电路，第二端口连接所述发射天线，第三端口通过连接所述可调衰减器的一端；第二定向耦合器的第一端口连接所述接收天线，第二端口连接所述信号接收电路，第三端口连接所述可调衰减器的另一端。

所述信号处理模块和信号发射电路、信号接收电路均同时连接。

根据一个实施例，所述信号发射电路，包括依次连接的信号产生电路、滤波电路、混频滤波电路、功率放大电路；

所述功率放大电路连接所述第一定向耦合器的第一端口。

根据一个实施例，所述信号接收电路，包括依次连接的前置放大电路、混频滤波电路、视频放大电路、零中频输出电路；

所述前置放大电路连接所述第二定向耦合器的第二端口；

所述零中频输出电路连接所述信号处理模块。

根据一个实施例，所述信号处理模块，包括依次连接的ADC采集模块、抽取滤波模块、相位和幅度以及正交性校准模块、相干积累模块、恒虚景模块、实时校准模块、数据输出模块。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本实用新型的有益效果是：

1、技术手段简单，只需要在以前的雷达系统中增加校准回路，并在信号处理后端改进实时校准模块即可。

2、有效降低因为信号发射电路和信号接收电路内部各个器件因为温度漂移、频率漂移而造成的测量误差。

3、对于测量建筑物移位与变形、桥梁移位与变形、包括山体滑坡等自然现象实现高精度测量；经过试验，使用校准信号的测量结果与不使用校准信号相比，测量结果至少提高1到2个数量级，有效实现对建筑、桥梁进行验收检测和进行风险性评估，对山体的测量有效避免自然灾害对人类的伤害。

附图说明

图1是现有的雷达电原理框图。

图2是本实用新型实施例的电路原理图。

图3是本实用新型实施例的系统详细原理框图。

图中标记：1-第一定向耦合器，2-发射天线，3-可调衰减器，4-第二定向耦合器，5-接收天线。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

参照图2，本实用新型实施例提供的一种FMCW雷达相位稳定的校准电路，包括：信号反馈电路，信号发射电路，发射天线2，信号接收电路，接收天线5，信号处理模块；

所述信号反馈电路，包括第一定向耦合器1，可调衰减器3，第二定向耦合器4，第一定向耦合器1的第一端口连接所述信号发射电路，第二端口连接所述发射天线2，第三端口通过连接所述可调衰减器3的一端；第二定向耦合器4的第一端口连接所述接收天线5，第二端口连接所述信号接收电路，第三端口连接所述可调衰减器3的另一端。

所述信号处理模块和信号发射电路、信号接收电路均同时连接。

参照图3，所述信号发射电路，包括依次连接的信号产生电路、滤波电路、混频滤波电路、功率放大电路；

所述功率放大电路连接所述第一定向耦合器1的第一端口。

所述信号接收电路，包括依次连接的前置放大电路、混频滤波电路、视频放大电路、零中频输出电路；

所述前置放大电路连接所述第二定向耦合器4的第二端口。

所述信号处理模块，包括依次连接的ADC采集模块、抽取滤波模块、相位和幅度以及正交性校准模块、相干积累模块、恒虚景模块、实时校准模块、数据输出模块。

以下结合本实用新型实施例提供的校准电路的工作过程进一步说明：

(1)信号发射电路产生并发射信号；

(1.1)信号产生：信号产生电路产生同步的低频线性调频连续波作为雷达信号；整个校准电路工作过程的时钟均采用同一时钟源，使得各个功能电路和模块的时钟相同或者成整倍数关系，避免时钟不同步带来的系统误差；

(1.2)滤波：通过滤波电路减少雷达信号中的干扰信号；

(1.3)混频滤波：通过混频滤波电路将低频的雷达信号转换为高频的雷达信号，以满足微动测量精度要求，并再次对雷达信号滤波，去除干扰信号；

(1.4)功率放大：通过功率放大电路将雷达信号的功率放大至1W或10W甚至更大，以此满足远距离目标的测量；

(2)信号接收电路接收信号；

雷达信号经过第一定向耦合器1的第一端口输入，从第二端口输出至所述发射天线2发射，视为测量信号，同时雷达信号从第三端口输出，视为校准信号(该校准信号功率会小于所述测量信号)，所述测量信号经过被测量目标后返回至所述接收天线5，视为测量信号回波，所述测量信号回波输入第二定向耦合器4第一端口，同时校准信号经过可调衰减器3输入至第二定向耦合器4的第三端口，视为校准信号回波，所述校准信号回波通过第二定向耦合器4与测量信号回波耦合，视为回波信号，所述回波信号从第二定向耦合器4第二端口输出至信号接收电路；

由于测量信号经过测量目标后功率减小，通过可调衰减器3适当减小校准信号功率以配合测量信号回波，提高校准效果；

(2.1)前置放大：通过前置放大电路为低噪声放大电路，在放大信号的同时，减小噪声干扰；所述前置放大电路为低噪声放大电路；

(2.2)混频滤波：通过混频滤波，将回波信号从高频转换为低频，并去除干扰信号；

(2.3)视频放大：对回波信号进行视频放大，所述视频放大采用灵敏度频率控制(即通常使用的SFC，sensitivity frequency control)设计，以实现对远目标信号放大倍数大，对近目标放大倍数小，使得本实施例的校准电路可以满足测量远、近目标；

(2.4)零中频输出：通过零中频输出对回波信号进行小带宽滤波再输出至信号处理模块；

(3)信号处理模块进行信号校准并输出；所述信号处理模块采用FPGA加DSP架构；

(3.1)ADC采集：此时的回波信号为模拟信号，无法进行数字信号处理，通过ADC采集模块，将回波信号从模拟信号转换为数字信号，并进行信号采集，在该设计中采用低通信号采集，该采集时钟大于奈奎斯特采样定理所要求的时钟，可以提高采集效率；并且所述ADC采集模块的采集时钟，采用与信号产生电路同源的时钟信号，具体为采用信号产生电路时钟分频后输出作为ADC采集的时钟，可以有效降低采集时钟带来的测量误差；

(3.2)抽取滤波：通过ADC采集模块提高采集效率的同时，采集数据量相对较大，因此通过抽取滤波模块减少该数据量；

(3.3)相位和幅度以及正交性校准：通过相位和幅度以及正交性校准模块进行第一校准部分：采集的回波信号由于器件因素，硬件电路的不一致性等原因，从信号接收电路输入至ADC采集这个过程，回波信号的幅度、相位、正交性等参数会受影响，降低测量结果，因此，在每次测量时对采集信号的幅度、相位、正交性做测量，并将对应的补偿参数补偿到相应的回波信号中，降低电路对信号测量的影响。

(3.4)相干积累：通过相干积累模块，将回波信号的多帧数据整合为一帧数据：目标回波信号功率跟据目标距离和目标反射截面的大小会有较大变化，当目标很近，反射面很大时，回波功率会较大，但目标距离变大，反射面变小后，功率会明显变小。由于测量的结果是对目标的微动进行长时间测量的结果，因此可认为目标在短时间内是不动的，或者目标自震荡频率很小，因此采用相干积累将回波信号的多帧数据整合为一帧数据，以降低测量结果的随机误差，提高系统灵敏度，提高对远距离目标的测量结果的准确度；

更进一步，根据相干积累次数，测量结果输出速率为每秒几百次或几十次或几次不等，本实施例的校准电路工作时，其相干积累模块还可以对相干积累次数进行设置，以满足测量要求；

(3.5)恒虚景：通过恒虚景模块，将回波信号功率过小的数据和噪声去除，进一步减小数据量；

(3.6)实时校准：通过实时校准模块进行第二校准部分：回波信号经过恒虚景过后，数据量明显减小，同时回波信号的相关测量结果也具体量化了，因此可区分出测量信号回波与校准信号回波，根据测量信号、测量信号回波、校准信号、校准信号回波的相关参数，对目标测量结果做出校准，输出最终的单帧数据测量结果。

其校准原理为：由于第一定向耦合器1输出的校准信号(相位为θ₁)与所述发射天线发射的测量信号(相位为Φ₁)所经过发射路径完全一致，所述接收电路接收到并经过信号处理后的校准信号回波(相位为θ₂)与被测量目标反射的测量信号回波(相位为Φ₂)的接收电路完全一致，唯一不同的是回波路径不同，因此可通过校准信号的检测相位实现对整个信号发射电路和信号接收电路的相位误差进行实时校准。具体为在每一帧的测量数据中，将被测量目标的反射信号的测量结果Φ(Φ＝Φ₂-Φ₁)与校准信号的测量结果θ(θ＝θ₂-θ₁)进行比较，以消除所述信号发射电路和所述信号接收电路的相位波动，得到Δφ(Δφ＝Φ-θ)，即为校准后的被测量目标的形变相位差；

(3.7)数据输出：通过数据输出模块，打包数据并输出被测量目标的形变量D：形变量D与形变相位差Δφ的关系为：其中，λ是回波信号的波长，整个校准电路工作过程中未改变信号的速度和周期，因此λ不变(即回波信号的波长就是雷达发射信号的波长)；

更进一步，所述数据输出模块还带有显控模块，以实现被测量目标的形变结果的输出和显示。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种FMCW雷达相位稳定的校准电路，其特征在于，包括：信号反馈电路、信号发射电路、发射天线、信号接收电路、接收天线、信号处理模块；

所述信号反馈电路，包括第一定向耦合器，可调衰减器，第二定向耦合器，第一定向耦合器的第一端口连接所述信号发射电路，第二端口连接所述发射天线，第三端口连接所述可调衰减器的一端；第二定向耦合器的第一端口连接所述接收天线，第二端口连接所述信号接收电路，第三端口连接所述可调衰减器的另一端；

所述信号处理模块和信号发射电路、信号接收电路均同时连接。

2.根据权利要求1所述的校准电路，其特征在于，所述信号发射电路，包括依次连接的信号产生电路、滤波电路、混频滤波电路、功率放大电路；

所述功率放大电路连接所述第一定向耦合器的第一端口。

3.根据权利要求1所述的校准电路，其特征在于，所述信号接收电路，包括依次连接的前置放大电路、混频滤波电路、视频放大电路、零中频输出电路；

所述前置放大电路连接所述第二定向耦合器的第二端口；

所述零中频输出电路连接所述信号处理模块。

4.根据权利要求1所述的校准电路，其特征在于，所述信号处理模块，包括依次连接的ADC采集模块、抽取滤波模块、相位和幅度以及正交性校准模块、相干积累模块、恒虚景模块、实时校准模块、数据输出模块。