【文章內(nèi)容簡介】 毫米波雷達(dá)原理 （ 1） 毫米波簡介 毫米波是介于微波與光波之間的電磁波 ,通常毫米波頻段是指 30～300GHz,相應(yīng)波長為 1～ 10mm ， 毫米波 波長 位于微波與遠(yuǎn)紅外波相交疊的波長范圍，因而兼有兩種波譜的特點(diǎn)。各自的理論和技術(shù)分別是微波向高頻的延伸和光波向低頻的發(fā)展。 毫米波 波長介于厘米波和光波之間，因此毫米波 雷達(dá)制導(dǎo) 兼有微波制導(dǎo)和光電制導(dǎo)的優(yōu)點(diǎn)。同厘米波導(dǎo)引頭相比，毫米波導(dǎo)引頭具有體積小、質(zhì)量輕和空間分辨率高的特點(diǎn)。與紅外、激光、電視等光學(xué)導(dǎo)引頭相比，毫米波導(dǎo)引頭穿透霧 、煙、灰塵的能力強(qiáng)，具有全天候 (大雨天除外 )全天時(shí)的特點(diǎn)。另外，毫米波導(dǎo)引頭的抗干擾、反隱身能力也優(yōu)于其他微波導(dǎo)引頭。 發(fā)射 接收 發(fā)聲報(bào)警裝置 單片機(jī)AT89C2051 集 成 霍爾 元件 測速裝置 毫米波雷達(dá) 測距測速裝置 河南理工大學(xué)萬方科技學(xué)院本科畢業(yè)論文 14 與較低頻段的微波相比， 優(yōu) 點(diǎn)是： ① 可利用的頻譜范圍寬，信息容量大。 ② 易實(shí)現(xiàn)窄波束和高增益的天線，因而分辨率高，抗干擾性好。 ③ 穿透等離子體的能力強(qiáng)。 ④ 多普勒頻移大，測速靈敏度高。 缺點(diǎn)是： ① 大氣中傳播衰減嚴(yán)重。 ② 器件加工精度要求高。 與光波相比，它們利用大氣窗口（毫米波與亞毫米波在大氣中傳播時(shí)，由于氣體分子諧振吸收所致的某些衰減為極小值的頻率）傳播時(shí)的衰減小，受自然光和熱輻射源影響小。為此，它 們在通信、雷達(dá)、制導(dǎo)、遙感技術(shù)、射電天文學(xué)和波譜學(xué)方面都有重大的意義。 目前絕大多數(shù)的應(yīng)用研究集中在幾個(gè) “ 窗口 ” 頻率 ,包括 3 49 1 220GHz 和三個(gè)吸收峰 (60、 1 200GHz 頻率上 )。 毫米波電子系統(tǒng)具有如下特性 : ① 小天線孔徑具有較高的天線增益 。 ② 高跟蹤精度和制導(dǎo)精度 。 ③ 不易受電子干擾 。 ④ 低角跟蹤時(shí)多徑效應(yīng)和地雜波干擾小 。 ⑤ 多目標(biāo)鑒別性能好 。 ⑥ 雷達(dá)分辨率高 。 ⑦ 大氣衰減 “ 諧振點(diǎn) ” 可作保密傳輸。 利用大氣窗口的毫米波頻率可實(shí)現(xiàn)大容量的衛(wèi)星 地面通信或地面中繼通信。利用毫米波天線 的窄波束和低旁瓣性能可實(shí)現(xiàn)低仰角精密跟蹤雷達(dá)和成像雷達(dá)。在遠(yuǎn)程導(dǎo)彈或航天器重返大氣層時(shí)，需采用能順利河南理工大學(xué)萬方科技學(xué)院本科畢業(yè)論文 15 穿透等離子體的毫米波實(shí)現(xiàn)通信和制導(dǎo)。高分辨率的毫米波輻射計(jì)適用于氣象參數(shù)的遙感。用毫米波和亞毫米波的射電天文望遠(yuǎn)鏡探測宇宙空間的輻射波譜可以推斷星際物質(zhì)的成分。用在軍事領(lǐng)域比較多比如在雷達(dá)、制導(dǎo)、戰(zhàn)術(shù)和戰(zhàn)略通信、電子對抗、遙感、輻射測量等 。 （ 2） 毫米波的接受與發(fā)射 發(fā)射／接收技術(shù)是毫米波雷達(dá)的另一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。 毫米波發(fā)射系統(tǒng)的射頻源大致可分為三類：第一類是電真空器件構(gòu)成的源：第二類是固態(tài)器件構(gòu)成的源；第三 類是其他方式產(chǎn)生的源，例如光導(dǎo)毫米波源等。在電真空器件中，已得到成熟發(fā)展的是回旋管。目前回旋管毫米波源的效率可達(dá) 40％， 60GHz 頻率上源的連續(xù)功率達(dá)200kW。俄羅斯和美國已經(jīng)采用回旋管器件裝備雷達(dá)和制導(dǎo)系統(tǒng)。在目前研制出來的各類固態(tài)器件中。雪崩二極管 (IMPATT)和耿氏二極管(Gunn)是最適合做毫米波射頻源的。準(zhǔn)光學(xué)功率合成是美國提出的一種具有很好的應(yīng)用前景的功率合成技術(shù)，利用它能制造出更為緊湊的毫米波導(dǎo)引頭。準(zhǔn)光學(xué)合成利用天線和透鏡在空間將微波及毫米波固態(tài)器件的功率組合在一起來實(shí)現(xiàn)。將光學(xué)導(dǎo)電效應(yīng) 用來控制毫米波固態(tài)器件時(shí)。其寬帶寬、損耗低、在控制和被控制元件之間幾乎完全隔離、抗電磁干擾性好、質(zhì)量小、緊湊、響應(yīng)迅速且可單片集成。 近年來，毫米波接收機(jī)技術(shù)已取得相當(dāng)?shù)倪M(jìn)展，非冷卻式毫米波外差接收機(jī)的性能水平已達(dá)到可與微波頻段的水平相比較的程度。實(shí)踐證明，在這些接收機(jī)中采用梁式引線的砷化鎵半導(dǎo)體器件，對于頻率在30～ 100GHz 范圍內(nèi)的接收機(jī)設(shè)計(jì)也是很合適的。隨著毫米波集成電路技術(shù)的發(fā)展，通常把振蕩、放大、混頻和其他控制器件集成為一個(gè)子系統(tǒng)，這樣接收機(jī)／發(fā)射機(jī)集成在一起，能大幅度降低尺寸和質(zhì)量，同時(shí)也降低 了成本。目前，頻率高達(dá) 94GHz 的集成振蕩器、放大器、混頻器、河南理工大學(xué)萬方科技學(xué)院本科畢業(yè)論文 16 衰減器和相移器已批量生產(chǎn)。特別是在利用光學(xué)外差作用產(chǎn)生精確的毫米波信號，準(zhǔn)光學(xué)極化處理、濾波、功率合成、收發(fā)雙工、控制放大器增益。毫米波檢波和下變頻，光電轉(zhuǎn)換等方面具有獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)?？梢源蟠筇岣吆撩撞▽?dǎo)引頭的性能。 信號處理器是導(dǎo)引頭的核心部件。它要完成許多重要的工作，例如控制發(fā)射機(jī)的工作射頻和脈沖重復(fù)頻率，多普勒頻率跟蹤，目標(biāo)識別和抗干擾，末制導(dǎo)指令計(jì)算，導(dǎo)彈自檢和導(dǎo)引頭工作邏輯控制等。厘米波雷達(dá)中已廣泛采用的信號處理技術(shù)，諸如脈沖壓縮、 視頻積累、極化分集、動(dòng)目標(biāo)顯示 (MTI)、擴(kuò)頻、頻率捷變、極化捷變和合成孔徑以及線性預(yù)測法、 Capon 型法、信號子空間法、參量目標(biāo)模型濾波法等這些超分辨技術(shù)都已經(jīng)在毫米波雷達(dá)中得到應(yīng)用。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、光學(xué)技術(shù)以及毫米波技術(shù)的不斷發(fā)展，采用光學(xué)互連的極高速信號處理器正受到技術(shù)先進(jìn)國家的重視。美國國防高級研究項(xiàng)目局于 2020 年啟動(dòng)了一項(xiàng)模擬光學(xué)信號處理技術(shù)研究計(jì)劃，旨在研究工作頻段在 20MHz～ 100GHz頻段范圍內(nèi)的光學(xué)信號處理技術(shù) （ 3） 毫米波雷達(dá)測距原理 毫米波雷達(dá)向外發(fā)射的頻率隨時(shí)間線性變化，若有目 標(biāo)時(shí)反射回波，將發(fā)射波和回波信號混頻，從混頻器輸出，再從頻譜信號中提取含目標(biāo)相對距離和速度信息。對 FMCW（調(diào)頻連續(xù)波）汽車?yán)走_(dá)，發(fā)射波頻率按周期性三角波變化，設(shè)發(fā)射波和回波時(shí)間差 td，則： 2R＝ C td (1) 式中： R 為目標(biāo)距離； C 為光速。根據(jù)多譜勒效應(yīng)原理，當(dāng)發(fā)射物體和反射物體相對運(yùn)動(dòng)時(shí)，將產(chǎn)生頻移 fd，并且以下公式成立： V＝ [(C*fd)/2f0] (2) 河南理工大學(xué)萬方科技學(xué)院本科畢業(yè)論文 17 圖 22 發(fā)射波與回波波形 如圖 22，設(shè)發(fā)射信號上升和下降階段分別為 f(t+)、 f(t)， K 為斜率， 則： f(t+)＝ fmin+k t (3) f(t)＝ fmaxk t (4) 對應(yīng)回波信號為 fb(t+)、 fb(t)： fb(t+)＝ fmin+k(tτ)+fd (5) fb(t)＝ fmink(tτ)+fd (6) 混頻后輸出的差拍信號為： fe (t + ) = ︱ f (t + ) ? fb(t +)︱ = k * t fd (7) fe (t ) = ︱ f (t ) ? fb(t )｜ = k * t + fd (8) 計(jì)算出目標(biāo)的相對距離 R 和相對速度 V 為： R = C*T[fe (t ) + fe (t+ )]/（ 4Δ F） V = C*[fe(t) fe(t+)]/（ 4f0） ΔF 為發(fā)射波帶寬， f0 為發(fā)射波中心頻率。 AT89C2051 單片機(jī)的性能及特點(diǎn) AT89C2051 是由 ATMEL 公司推出的一種小型單片機(jī)。其主要特點(diǎn)為采用 Flash 存貯器技術(shù)，降低了制造成本，其軟件、硬件與 MCS51 完河南理工大學(xué)萬方科技學(xué)院本科畢業(yè)論文 18 全兼容，可 以很快被中國廣大用戶接受，其程序的 可擦寫特性，使得開發(fā)與試驗(yàn)比較容易。 (1) 引腳 AT89C2051 的共有 20 條引腳，引腳如圖 23所示 ： 圖 23 AT89C2051引腳圖 引腳功能說明 ： ① Vcc:電源端 ② GND:接地端 ③ P1 口 : P1 口共 8腳，準(zhǔn)雙向端口。 P1 口是一 8 位雙向 I/O 口。引腳 ~ 提供內(nèi)部上拉電阻。 和 還分別作為片內(nèi)精密模擬比較器的通向輸入（ AIN0）和反相輸入（ AIN1） P1口輸出緩沖器可吸收 20mA 的電流，并能直接驅(qū)動(dòng) LED 顯示。當(dāng)P1 口引腳寫入 “ 1” 時(shí)，可用作輸入端。當(dāng)引腳 ~ 用作河南理工大學(xué)萬方科技學(xué)院本科畢業(yè)論文 19 輸入端并被外部拉低時(shí)，將因內(nèi)部的上拉電阻而輸出電流（ IIL）。P1 口還在 Flash 編程和程序校驗(yàn)期間接收代碼數(shù)據(jù)。 ④ P3 口： P3 口的 ~, 是帶有上拉電阻的 7個(gè)雙向 I/O引腳。 用于固定輸入片內(nèi)比較器的輸入信號，并且作為一通用 I/O 引腳而不訪問。 P3 口緩沖器可吸收 20mA 電流。當(dāng) P3口引腳寫入 “ 1” 時(shí)，它們被內(nèi)部上拉電阻拉高并可用作輸入端。用作輸出端時(shí)，被外部拉底的 P3口引腳將用上拉電阻而輸出電流（ IIL）。 P3 口還用于實(shí)現(xiàn) AT89C2051 的各種功能，如表 11 所示 表 11 AT89C2051 引腳 P3的各種功能 端 口 /引腳 功能 RXD(串行輸入端口 ) TXD(串行輸出端口 ) INT0(外中斷 0) INT1(外中斷 1) T0(定時(shí)器 0外部輸入 ) T1(定時(shí)器 1外部輸入 ) P3 口還接收一些用于 Flash 存儲器編程和程序校驗(yàn)控制信號。 ～ 共 7腳，準(zhǔn)雙向端口，并且保留了全部的 P3 的第二功能，如 、 P3..1 的串行通訊功能， 、 P3..3 的中斷輸入功能 ,、 的定時(shí)器輸入功能。 ⑤ RST：復(fù)位輸入。 RST 一旦變成高電平所有的 I/O 引腳復(fù)位到“ 1” 。當(dāng)振蕩器正在運(yùn)行時(shí)，持續(xù)給 RST引腳的兩個(gè)機(jī)器周期需要 12個(gè)振蕩器和時(shí)鐘周期。 ⑥ XTAL1:作為振蕩器反相放大器的輸入和內(nèi)部時(shí)鐘發(fā)生器的輸入。 河南理工大學(xué)萬方科技學(xué)院本科畢業(yè)論文 20 ⑦ XTAL2:作為振蕩器反相放大輸出。 在引腳的驅(qū)動(dòng)能力上面， AT89C2051 具有很強(qiáng)的下拉能力， P1,P3 口的下拉能力均可達(dá)到 20mA。 相比之下， AT89C51/AT87C51 的端口下拉能力每腳最大為 15mA。但是限定 9 腳電流之和小于 71mA。 這樣，引腳的平均電流只 9mA。 AT89C2051 驅(qū)動(dòng)能力的增強(qiáng)，使得它可以直接驅(qū)動(dòng) LED數(shù)碼管。 為了增加對模擬量的輸入功能， 2051 在內(nèi)部構(gòu)造了一個(gè)模擬信號比較器，其輸入端連到 和 口，比較結(jié)果存入 對應(yīng)寄存器，（ 在 2051 外部無引腳），原理見圖 24。 圖 24 比較器圖 圖 25為測量示意圖。其中， R 用于測量門限的調(diào)節(jié)， IN 端接輸入模擬信號。 圖 25 測量示意圖 (2) 電源 AT89C2051 有很寬的工作電源電壓，可為 ～ 6V,當(dāng)工作在 3V時(shí)，電流相當(dāng)于 6V 工作時(shí)的 1/4。 89C2051 工作于 12Hz 時(shí)，動(dòng)態(tài)電流為，空閑態(tài)為 1mA,掉電態(tài)僅為 20nA。這樣小的功耗很適合于電池供VOC R 內(nèi)部寄存器 河南理工大學(xué)萬方科技學(xué)院本科畢業(yè)論文 21 電的小型控制系統(tǒng)。 （ 3） 存儲器 AT89C2051 片內(nèi)含有 2k 字節(jié)的 Flash 程序存儲器， 128字節(jié)的片內(nèi)RAM,與 80C31 內(nèi)部完全類似。由于 2051 內(nèi)部設(shè)計(jì)全靜態(tài)工作，所以允許工作的時(shí)鐘為 0～ 20MHz,也就是說，允許在低速工作時(shí)，不破壞 RAM內(nèi)容。相比 之下，一般 8031 對最低工作時(shí)鐘限制為 ，因?yàn)槠鋬?nèi)部的 RAM 是動(dòng)態(tài)刷新的。 89C2051 不允許構(gòu)造外部總線來擴(kuò)充程序 /數(shù)據(jù)存儲器，所以它也不需要 ALEPSEN、 RD、 WR一類的引腳。 （ 4） 內(nèi)部 I/O 控制 AT89C2051 在內(nèi)部 I/O 控制上繼承了 MCS51 的特性： 5路 2 級優(yōu)待中斷，串等口， 2 路定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器，內(nèi)部組成參見圖 26 圖 26 AT89C2051內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 河南理工大學(xué)萬方科技學(xué)院本科畢業(yè)論文 22 AT89C2051 是一個(gè)低功耗、高性能的 CMOS 8位微處理器 , 與 MCS251 系列指令集和引腳兼容 , 具有以 下特點(diǎn) : 128 bytes內(nèi)部 RAM , 2K bytes EPROM（ Erasable Programmable ROM，可擦除可編程 ROM） , 15 根 IO線 , 2 個(gè) 16 位定時(shí)計(jì)數(shù)器 , 5 個(gè)兩級中斷源 , 1 個(gè)全雙工串行口 , 一個(gè)片內(nèi)精密模擬比較器和片內(nèi)振蕩器 , 低功耗的閑置和掉電模式。工作電壓范圍 ～ , 工作頻率取 12MHz。 AT89C2051 中的兩個(gè) 16 位定時(shí)計(jì)數(shù)器寄存器 T0 和 T1, 作定時(shí)器時(shí) , 可計(jì)數(shù)機(jī)器周期 , 計(jì)數(shù)頻率為振蕩頻率的 1/12。 作計(jì)數(shù)器時(shí) , 可對外部輸 入引腳 和 上出現(xiàn)從 1 至 0 的變化時(shí)增 1, 計(jì)數(shù)頻率為振蕩頻率的 1/24。 霍爾 集成 器件 測速 原理 （ 1） 霍爾效應(yīng) 1879 年，美國物理學(xué)家 Edwin Herbert Hall 在研究金屬的導(dǎo)電機(jī)構(gòu)時(shí) 發(fā)現(xiàn) 當(dāng) 磁場作用于載流金屬