摘要：微波雷达传感技术作为一种特殊的距离/位移测量手段，能够解决近程目标的测量问题，因而也被称为近程雷达，并已从军用领域扩展到民用领域，并在物位测量、目标识别、速度测量、振动监测、位移监测等方面逐步得到应用。相对于其他传感技术，雷达传感技术具有非接触、抗雨雾粉尘等独特优点，逐渐成为近程目标位移测量领域的一种重要传感手段。文中对微波雷达的位移/距离测量技术进行了分析。
关键词：微波雷达；位移测量；测距；干涉；脉冲；频率
1导言
当前结构位移监测方法无法同时达到大型建筑的全天候、高精度(毫米级)、远距离(上百米)、低成本等位移测量要求，也就难以及时有效地监测建筑状态安全并预警损伤或事故发生。因此，研究开发一种新的位移监测方法显得十分迫切和需要。研究发现，微波相位雷达因采用微波作为传播介质、能全天候工作，且其理论精度可达毫米级甚至亚毫米级，具有巨大潜力。然而，它却存在发射机泄漏及多路径回波干扰等问题，这些问题会降低雷达测量精度、限制有效工作距离，严重时甚至使雷达无法工作。
2干涉雷达位移测量原理
CW雷达系统通过雷达发射天线向被测目标发射单频微波信号，根据目标回波信号与发射信号之间的相位差进行目标位移的测量，由雷达主机发出的发射信号与由目标反射的回波信号之间的相位差。CW雷达系统测距原理其实很简单，通过雷达向被测目标发射单频微波信号，然后根据从目标出传回来的回波信号与发射信号之间的相位差来计算与目标之间的位移。通过数学关系式用发射信号的频率和初相来表示出发射信号和回波信号，然后通过回波信号的时间延迟来计算出目标距雷达的距离。在这个计算过程中，对于相位的测量有一个小小的问题，那就是相位存在周期性，所以在计算相位差时有一个只能得到相位差的余数部分，这并不影响对目标位移的测量。当目标发生位移时，距离就会发生改变，这时候可以通过计算得到目标的位移。这种计算方法有个局限就是智能计算相对位移，对于那些需要测量绝对距离的，无法用这种方法来测量。
3干涉雷达的主要结构
干涉雷达顾名思义是需要通过干涉来获取图像，针对这种解调方式干涉雷达的系统结构有很多种，目前研究最多的系统属基带结构，它是通过正交同相信号解调的方式来完成解调。目前有两种系统应用较多的系统，第一种是基于正交混频器的雷达系统，它通过混频器输出两路正交信号，然后计算这两路信号的正反切来得到回波信号与发射信号的干涉结果；另一种系统是基于六口器件的雷达系统，它是将发射信号和接收信号作为六口器件的两个输入信号，在器件的内部通过电桥耦合来达到相位延迟的效果，然后和输入信号叠加得到输出信号，最后经过功率检波器得到对应的电压幅值，再根据各电压幅值得到相应的复信号，计算雷达干涉相位。这两种是干涉雷达的常用方式，理论上都能符合要求，但是由于实际操作或者使用的器件会产生误差，可能结果不够理想。
4干涉雷达的主要研究进展
目前干涉雷达的主要研究方向还是基于它本身的优势所在，比如近距离测距、高精度测量等，所以在位移测量、微弱的人体心肺信号探测方面的研究比较多。
4.1目标位移测量
目标位移测量是目前干涉雷达的主要应用之一。有科学家在2003年就开始用实验来研究干涉雷达在位移测量方面的误差，在近距离位移测量的实验中，干涉雷达的位移误差极小，而且主要误差还是因为正交混频器的输出相位为非线性，所以科学家们又通过实验不断改进，最后用数字正交混频器来取代原先的模拟混频器，这样一来误差被控制在了微米级别，精确度得到了很大的提升。国内科学家针对干涉雷达的量程有限这一问题做了很多研究，发现可以通过改变信号幅度的方法来扩大干涉雷达的有效测量量程，并且加以验证。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆在上述系统中，干涉信号解调采用的是正交混频器，另外六口器件是能够完成系统信号解调的另一个重要器件，大量研究论文采用六口器件进行干涉信号解调。HaddadiK等人采用以六口器件作为相位解调部件的多普勒雷达系统，研究了综合考虑回波幅度、相位的测距系统，利用反射信号的幅度特性，在一定程度上解决了模糊距离问题。实验结果表明，该测量方法实现了5～27.5mm(共4.5倍波长)距离的测量，最大相对误差为2.5%，该测量技术是传统FMCW/六口技术的可行替代方案。HaddadiK等人以四口器件作为解调器件开展了微波测距仪的研究，给出了距离的测量公式以及双频模式下的最大非模糊测量距离公式。采用频率为2.45GHz的微波信号进行了系统验证实验，结果表明了基于四口器件微波测距仪是可行的。LindnerS等人分析了基于六口器件多普勒干涉雷达的非模糊距离问题，同样采用双频模式完成较大距离的测量。BarbonF等人研究了基于六口器件干涉雷达的位移/振动测量系统，雷达系统发射24GHz的微波信号，通过六口器件4个输出口输出信号电平间的关系完成位移、振动的测量，实验结果表明雷达的位移测量精度高达0.5μm。针对正交混频器和六口器件基带转换过程的信号非平衡、直流偏置问题，LiCL等人利用时间数字转换器(timetodigitalconverter，TDC)进行多普勒雷达的相位测量，通过采用两级外差结构完成了基于TDC的外差式多普勒雷达位移测量系统，理论上分析了雷达系统的位移测量分辨率、测量精度，并通过位移实验验证了系统高精度位移测量的可行性。实验结果表明，在采用2.4GHz微波频率的情况下，雷达系统能够分辨50μm位移步距间隔的移动目标，最大测量误差为30μm。针对多普勒雷达的量程有限、远距离目标测量等问题，郑大青等人通过研究天线间泄露对目标有效信号的影响，分析了多普勒雷达远距离应用的限制，提出采用有源目标的结构实现远距离的目标测量，通过理论分析验证了有源目标距离、位移测量系统的可行性，基于调频发射接收机完成了测距实验系统的搭建，实验结果表明系统能够完成最远160m目标距离的测量。进一步ZhengDQ等人研究了采用幅度调制的方案解决多普勒雷达量程有限的问题，通过搭建实验系统验证了调幅测距系统完成目标大量程测量的可行性。
4.2人体心肺信号探测
前面也提到了干涉雷达在近距离位移测量上有着高精度的优势，所以近些年很多科学家将它应用到了心肺信号探测的研究上面，希望能够在医学方面做出贡献。通过大量的实验研究科学家们终于发现了干涉雷达在人体心肺信号探测方面有着很广阔的应用前景。通过改变干涉雷达的信号解调部分，可以有效解决信号丢失、混频器不平衡、校准复杂等问题。甚至已经有科学家做了成功的尝试，用特殊的干涉雷达来完成相位的调解，实现心肺运动信号的测量，并且实验结果十分精确，迈出了成功的第一步，证明了干涉雷达在人体心肺信号探测方面应用的可行性。根据科学资料显示，干涉雷达在位移测量方面的精度可以达到压毫米甚至微米级别，在同类型产品中遥遥领先，所以一般是高精度位移测量的首先目标。但是它也存在一定的缺陷，比如它只能用来测量相对位移而不能用来测量绝对距离，这是由它发射的微波类型所决定并且不可改变的。
5结束语
总之，根据对微波雷达系统的总结可以看出，雷达测距传感技术的应用领域广泛，在工业应用的各个领域几乎都有研究报道，但由于软硬件等方面的限制，在很多领域还没有可靠稳定的产品，因此，在未来的工程应用中，雷达测距传感器的研究依然极具吸引力，在医疗器械、无源探测、有源探测、多目标监测等多方面都尚需进一步研究。
参考文献
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论文作者:焦利朋,陈碧文
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2018年第27期
论文发表时间:2018/12/26
标签：位移论文; 测量论文; 信号论文; 目标论文; 口器论文; 系统论文; 多普勒论文; 《建筑学研究前沿》2018年第27期论文;