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智能家居低功耗微波雷达测距模块测距解决方案测距雷达探测距离

智能家居低功耗微波雷达测距模块测距解决方案测距雷达探测距离

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智能家居低功耗微波雷达测距模块测距解决方案测距雷达探测距离

智能家居低功耗微波雷达测距模块测距解决方案测距雷达探测距离

智能家居低功耗微波雷达测距模块测距解决方案测距雷达探测距离,针对其他各类传感器在复杂条件下测距的局限性及微波雷达的全天候工作特点,提出了一种基于调频连续波(FMCW)工作方式的低功耗微波雷达测距模块。该模块功耗为150mW,以24GHz毫米波雷达传感器芯片为核心,使用ST2芯片进行控制及信号处理,基于FR5815模组完成所需的调频源输出。在对弱差频信号作滤波、放大、采集及频域处理后,通过上位机进行距离显示。实验结果表明:在15m的单目标距离测试范围内,测距精度为3cm。对推进雷达传感器的实际应用具有重要价值。微波雷达测距模块技术自军用领域向民用开放以来,已被广泛用于生活的方方面面,如:防撞控制系统、液位测量、对接系统、交通监测、智能家居、安防管理等。其他测距系统,如:压力式测量系统,原理简单、成本低,但测试精度和应用场合有一定的局限性;超声及激光、红外测量系统易受大气、温度等影响,对测试环境要求较高;视频成像系统等,成本高,对外界敏感,在恶劣环境下无法得到广泛应用。微波雷达抗电磁干扰能力及穿透性强,在高温、高压及灰尘环境下相比激光、红外、超声波、图像检测等具有更好的抗干扰能力。此外,半导体技术及先进封装工艺的快速发展,使得微波雷达测距模块从体积、功耗以及设计等方面都表现出很大优势。24GHz单片雷达传感器全带宽可达7GHz,高频段使得与波长相关的微波元器件、天线体型更小,质量更轻,角分辨率更高,波束更窄,抗多径效应好,空间分辨率也更高;雷达传感器简化了系统设计的复杂度,其体积小、灵敏度高,集成的平面微带天线采用收发隔离方式,使频率泄漏对回波信号的影响相对减小。主要适用于近距离范围。


智能家居低功耗微波雷达测距模块采用调频连续波方式,通过对静止待测目标发射周期性的调频连续波(FMCW)信号,并对目标反射的回波信号与相参本振信号进行混频,获得与距离信息线性相关的差频信号,经过处理分析该差频信息,求取静目标距离。1)射频前端采用了高集成度的24GHz毫米波雷达传感器以提高系统的可靠性;2)Beat为两路的差频差分对信号;3)调制单元经过滤波后为压控震荡器(VCO)提供稳定的控制信号。


在不考虑多普勒效应和寄生调幅的情况下,根据线性调频连续波测距原理,系统发射频率呈锯齿波变化的等幅连续波信号。由于发射信号变化的线性特点及时间延迟效应,表现在时频坐标上为回波信号相对发射信号产生的等距延时。


采用负反馈结构的锁相环频率合成技术完成频综信号的合成,锁相环路一般由三部分组成:误差检波器、环路滤波器、压控振荡器。通过对反馈信号分频来降低对鉴相器的要求,压控振荡器和相位比较器的连接,使得振荡器可以相对参考信号维持恒定的相位角度。当反馈分频输出和基准频率处于锁相和锁频状态且输出频率为鉴相器输入参考频率的分频比倍时,负反馈强制误差信号接近0。24GHz微波雷达测距模块支持CW及FMCW方式,其主要集成了低噪声放大器、正交混频器、多相滤波器、带数字频带切换的压控振荡器、功率探测器及微带贴片收发天线等;模组供电电压为2.5V~5V,频率范围为:5.8GHz±75MHz,调谐输入端口vt分为3位的粗调及1位的精细调谐,根据vt端口的连接方式有不同的调谐灵敏度,方案中选择全带宽模式;div_o为发射信号的64分频后的反馈信号,与参考频率完成鉴频鉴相,控制电荷泵输出与鉴相误差成比例的电流信号,通过三阶无源环路滤波器,将该信号积分为要调谐电压完成反馈。工作时,调谐电压控制VCO输出两路信号,其中一路经发射天线发射出去,另一路分流成两路信号,分别作为正交I/O通道混频器的本振信号,其中,I为同相分量,Q为正交分量。接收天线接收到回波信号后,先经低噪声放大处理,再分别经混频器与实时分流的两路信号进行混频,双通道传感器输出两路正交中频信号IF_I和IF_Q。


通过多次测试,在15m的空旷距离范围内,显示距离与实际测试距离的误差小于3cm,适当缩小被测目标,其显示距离大误差不变。


基于集成的FR5815智能家居微波雷达测距模块完成了近距离单目标毫米波雷达测距,采用低相噪高集成的集成芯片减小了开发的周期,相同带宽要求下,简化了VCO的线性补偿及复杂算法。随着后期算法等进一步改善,提高频谱估计误差,补偿调频线性度等因素后,将在更宽的带宽范围内存在更大的提升空间。

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