毫米波雷达远程测量技术研究

毫米波雷达远程测量技术研究

秦英武

蒙东协合新能源有限公司 010000

摘要：为进一步提升对风电项目相关参数的精准测量水平，在本次研究中，设计并搭建了一套K波段毫米波雷达，通过对其相关功能模块的设计，以实现其远程测量技术的应用。在该毫米波雷达实际性能测试的过程中发现，其在运行效率和数据采集精确度方面与既有设备相比并无明显差异，证明该器件的设计取得了初步成功，预计在今后的相关领域具有潜在的应用价值。

关键词：毫米波雷达；远程测量技术；风电；参数

前言：近年来，在风电技术不断发展的大背景下，各地区风电机组建设仍在不断推进。在风电机组的实际运行过程中，为确保机组发电性能始终处于较高水平，对风电相关参数进行准确测量则是一项不容忽视的内容。为实现上述目标，首要的任务则是对风电系统周边区域的风量进行测量，应用毫米波雷达远程测量技术则具有相对更高的可行性，可基于此展开更为深入的探究。

1毫米波雷达整体架构设计

结合本次将毫米波雷达应用于风电项目相关参数测定的实际需要，在本次设计中，采用零中频接收机架构作为毫米波雷达设计及技术应用的技术架构。这种架构相较于传统的超外差架构而言，免去了多次变频的复杂情况，可将接收信号直接变频到基带。同时，零中频接收机不需要考虑镜像信号。因此不需要设计复杂的镜像抑制滤波器，只需结构简单的低通滤波器滤除带外杂散信号以及高次谐波信号即可[1-2]。

在此基础上，为进一步消除可能存在的原始信号上、下边带的相互混叠，因此采用IQ解调方式避免上述问题。另一方面，考虑到风电测量的实际需求，在工作频段上，研究人员选择K波段（24GHz）作为探测频段，以总体上实现对地表上空一定距离范围内三维风场的实时探测[3-4]。由此，进一步对测风雷达整体架构进行设计。

该雷达主要由五个大部分构成，分别是天线部分、发射链路部分、接收链路部分、基带电路部分以及数据处理与显示部分。

2毫米波雷达主要功能模块设计

2.1发射链路设计

根据前期调研工作可知，为确保对风电信号的有效探测，本次设计的毫米波雷达在24GHz左右的工作频率下，其需要采用脉冲工作模式运行，并确保运行过程中的输出功率位于30dBm以上。同时，该雷达的锁定时间需要位于200μs以下，且需要将带内平坦度控制在1dB以内。

在本次设计的发射链路中具备四波束的特点，以此实现对风量的测量。在该框架内，每个波束分别与垂直法向夹角为10°，并通过一个SP4T射频开关来分时切换天线通道。与以往设计不同之处在于，本次设计采用介质锁相振荡器取代传统的锁相环电路，使得本次设计的发射链路电路的整体相位噪声要低15dB，降低因系统自身的噪声对湍流回波信号的干扰[5]。

在该发射链路的实际运行过程中，先由高稳定度的温补晶振元件产生100 MHz的参考信号fr，经过驱动放大器将信号放大至合适功率后，再经过梳状谱发生器，即脉冲形成电路，从而产生高次谐波梳状谱，其中包括需要的24 GHz的射频信号分量。而后该参考信号fr进一步作用在鉴相器的阶跃恢复二极管上，产生频率仍为24GHz的窄脉冲，该脉冲信号的高频成分通过电容将肖特基二极管导通，从而实现对介质振荡器的振荡信号的采样环节，进一步产生一个差拍电压Vc。在此基础上，该差拍电压将经过环路滤波器对其进行积分处理，形成调谐电压Vtune，该调谐电压信号的主要作用是进一步调整介质振荡器的输出频率，使电路达到稳态，也即进入“锁定状态”。在进入“锁定状态”后，电路将产生一个稳定的射频信号f0，对该信号进行滤波和放大处理后，输出漏极电压Vd，以完成脉冲调制，被调制的脉冲射频信号由射频接口与天线连接，最终完成发射。

2.2接收链路设计

结合风电项目风量测量的实际需要，本次接收链路设计中，工作频率仍为24GHz，其他技术参数则按照以下要求进行：噪声系数为常温条件4dB以下；链路增益为45-75dB，且可按2dB的等级调整；通道隔离度为30dB以上；增益平坦度为2dB以下；输出1dB增益压缩点为5dBm以上。

据此，同时考虑该模块与发射链路的对应关系，接收链路设计采用四接收通道设计模式，并由SP4T射频开关控制相应的通道之间实现同步切换。

回波信号经低噪声放大器完成一系列放大之后，进入数控衰减器，此衰减器具有30 dB的衰减范围，可用程序实时控制衰减系数，从而增大链路的接收动态范围。同时，为综合考虑天气状况带来的影响，研究人员在接收链路设置了一个耦合器，将耦合的部分能量送到检波器进行功率实时监测，从而反馈给控制系统完成自动控制。最终被放大滤波的射频信号经过射频开关后，通过混频器与本振信号完成混频，输出I/Q两路中频信号[6]。

2.3基带电路设计

在基带电路设计环节中，研究人员兼顾了单端信号和差分信号两方面的输入要求，采用5MHz工作带宽模式对基带电路进行设计

在基带电路的设计中，涵盖了电源、模拟电路和数字电路三个部分。其中，模拟电路的主要作用是，对混频以后的零中频信号完成放大、滤波功能，以避免回波信号弱难以完成数模转换的局限问题；同时，为增大链路的灵活性，使用程控增益放大器实现可编程放大，相应的滤波器作为抗混叠滤波器，对带外信号予以抑制，避免出现过多的噪声信号。数字电路部分的主要作用则分为以下几点：（1）基于电路中的ADC芯片，快速完成模拟信号转换为数字信号的流程，并将采样后的数字信号送至FPGA进行处理；（2）控制DAC芯片输出固定频率及幅度的低频信号，该信号经过基带电路处理后FPGA即可获知处理后的信号幅度及频率，从而换算出此时链路的增益带宽情况，确保正常工作。

2.4阵列天线设计

在本环节设计中，结合实际需要，采用基于连续横向肢节的CTS阵列天线进行阵列天线的设计工作。同时，为最大程度上消除CTS阵列模式存在的高成本与难以同后端电路集成的局限，研究人员进一步引入基片集成波导技术（下简称SIW），SIW结构包括上下两层金属板与介质基板两侧的金属化通孔，内部为介质填充，通过合理调节金属化通孔的间距与直径可束缚电磁能量在其中沿着特定的方向传播。基于这一理念，本次采用将四个H面喇叭集成在一起通过射频开关芯片进行切换实现多波束的信号发射，电磁能量依次经过射频控制开关，线源发生器LSG，耦合槽，耦合层，最终通过辐射枝节辐射到自由空间中。芯片选通的射频信号经GCPW转SIW-H面喇叭，所传输的柱面波经抛物面挡板耦合到上层介质中，准TEM波经耦合缝隙耦合到上层介质板后转化为平面波对天线的辐射层进行馈电。

在此基础上，为进一步实现增益与辐射效率的提升，在本环节的设计中，在每个辐射枝节的正下方加载匹配枝节以实现阻抗匹配提高辐射效率与带宽，进而获得高增益。此设计目标通过在每个CTS天线单元下方挖槽即增加匹配枝节，以吸收多余的电磁能量。从理论角度分析可知，加载匹配枝节后的CTS天线辐射层具有更高的带宽，尤其是在工作频率24.0 GHz附近，同时增加匹配枝节还可有效解决此处的阻抗不匹配现象。

2.5数据处理模块设计

在本次设计的毫米波雷达应用于测风环节当中时，受到外界环境因素的干扰，其不可避免将出现噪声等无关信号的影响。为最大程度上消除上述影响，并提升数据的有效性，本次针对探测所得到的原始数据进行处理，将处理后的数据作为傅里叶运算的样本，以实现效率和准确性的双重提升[7]。

主要包含以下几个功能模块：（1）ADC×M：对原始信号进行M倍过采样处理，以降低量化噪声；（2）BPF：带通滤波器，其主要作用是滤除ADC采样环节所带来的镜像频谱分量；（3）DN×M：对信号进行M倍降采样抽取，以降低数据率，提高数据的处理速度；（4）COACC：主要作用是进行时域相干积累；（5）M1：主要用于生成脉冲数据矩阵；（6）FFT：主要用于生成脉冲多普勒数据矩阵；（7）CALI：基于杂波图校准，消除杂波；（8）Spectrum Calculation：通过计算谱矩，实现风速及强度信息的提取。

基于以上功能模块及数据处理架构，本次数据处理的主要流程如下：在毫米波雷达采集到时域信号a(t)后，该信号由高速ADC过采样得到离散序列，经帯通滤波器滤波后降采样抽取得到预处理后的离散序列d(n)。该离散序列d(n)经过相干积累运算之后，生成脉冲数据矩阵m1，对矩阵m1的每一列做FFT运算，运算结果为每一个距离层上的多普勒功率谱，即m2。傅里叶运算后的矩阵m2经过动态幅度矫正以及打包处理后由以太网口发送至上位机端，上位机按相关协议接收数据，并通过静态杂波谱对实时的功率谱进行矫正，完成杂波抑制，并将结果显示。最终上位机根据综合处理后的距离—多普勒功率谱完成谱矩计算，得到各个波束的径向风速信息，到此完成一次完整的单波束工作时隙数据处理，经过四波束分时切换工作，最终可得到在各个波束指向上的风速信息。在此基础上，基于风廓线相关理论即可得到不同距离层的风速风向信息。

在数据处理完成后，为实现数据信息的显示，在本环节的设计中，为确保数据达到“可视化”的效果，向平台工作人员予以直观展示，设计人员基于数据关联性的数据可视化技术，并采用间接体绘制方法加以进行，具体来看，第一阶段是根据特定阈值从数据集中提取等值面，采用Marching Cubes算法进行提取；第二阶段则是基于特定数据集的特定特征的特殊算法来改进等值面提取，然后用LightningChart的网格模型构建可视化多边形模型，用以实现相关数据的直观展示。

3实际测试结果与讨论

3.1发射与接收链路测试

在各个功能模块全部设计完成后，研究人员对初步设计完成的毫米波雷达的远程测量技术效果进行测试，首先对发射与接收链路进行测试。在本环节中，将发射链路部分通过相应的接口分别与控制器，稳压源和频谱仪相连接，测试其输出信号。

本次技术方案在发射链路中，所获得的脉冲调制信号的峰值包络呈现反三角函数特性，与理论上脉冲调制的信号频谱一致。同时，经该曲线测试知，所设计模块的输出1 dB增益压缩点为31 dBm，输出饱和功率为32.4dBm，故测试结果正常，符合预期目标。

而后对接收链路部分进行测试，在该步骤中，接收电路通过接口分别与控制器，稳压源和矢量网络分析仪相连接。由此，对接收链路的程控增益曲线进行控制以判别其性能。

接收链路的工作带宽为23.5 GHz~25.5 GHz, 最大增益为75 dB,通过控制4 bit衰减器的状态，完成从0~32 dB衰减范围内以2 dB为步进的衰减状态控制，这与预期指标高度一致，证明该模块符合预期目标。

3.2室外测风实验及对比

在本环节的测试中，研究人员将设计完成的毫米波雷达模型安装于风场探测标准场地，与测风塔及既有的WindcubeV2激光测风雷达进行对比测试分析。首先将毫米波雷达与测风塔进行对比分析，选取一定时间内的样本进行拟合，结果如下：15min风速时，高度、拟合直线斜率、拟合直线截距、相关系数R2分别为：70、1.00、0.01              、0.97；140、1.00、0.03、0.99。15min风向时候，各参数分别为：70、0.99、6.05、0.99；140、0.98、7.65、0.98。

在此基础上，以相同方式对毫米波雷达与激光雷达的数据进行拟合分析，其参数如下：15min风速时，高度、拟合直线斜率、拟合直线截距、相关系数R2分别为：70、0.99、0.06、0.95；140、0.97、0.21、0.96。15min风向时候，各参数分别为：70、0.96、9.93、0.98；140、0.98、4.15、0.99。

结合表2与表3中的数据可知，本次设计的毫米波雷达与既有的两种设备相比，在15min平均风速和风向的拟合度均在0.95及更高，证明二者测量结果具有较高相关度，据此推断，该毫米波雷达可获得较为准确的测量结果，预计其在未来的实际工作中也将具有一定的应用价值。

4结束语

整体来看，在本次研究中，结合风电领域测量工作的实际需要，设计并搭建了一套K波段脉冲多普勒测风雷达，完成了射频源、发射链路以及零中频接收链路的指标论证、链路设计以及加工测试，最终试制雷达模型样品。在对雷达模型样品的测试后，结果显示，该毫米波测风雷达基本实现了既定指标，能准确地探测出目标空域内不同距离的风速风向信息。当然，由于各种原因限制，本次设计难免存在一定不足，因此在今后的工作中，将针对大气湍流等相关理论做进一步深入研究，以期进一步提升该毫米波雷达的性能。

参考文献

[1]高世宇. 基于毫米波雷达的自组网高精度定位研究与实现[D].北京邮电大学,2021.

[2]刘志平,罗翔,何秀凤.利用毫米波雷达测量系统的高铁车桥振动检测[J].同济大学学报(自然科学版),2021,49(04):561-568.

[3]刘上. 毫米波雷达形变测量算法研究[D].湖南大学,2021.

[4]庄天海,张轩轩,刘志钢.基于毫米波雷达的高精度液位测量方法[J].电子世界,2020(21):118-122.

[5]罗翔. 毫米波雷达信号处理与精密测量应用研究[D].中国矿业大学,2020.

[6]崔雄文,刘传银,周杨,等.毫米波雷达房间尺寸测量方法研究[J].科技视界,2020(11):57-59.

[7]向易,汪毅,张佳琛,等.基于无损卡尔曼滤波的车载双雷达目标位置估计方法[J].光电工程,2019,46(07):102-110.

作者简介：秦英武（出生1979年10月29日） 性别：男  民族：汉族   籍贯：内蒙古呼和浩特   单位：蒙东协合新能源有限公司 学历：硕士研究生  研究方向：工商管理、电气工程及其自动化  职称：高级工程师