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基于FMCW的近距离测距系统设计
一、引言
随着科技的发展，越来越多的应用需要实现对物体的测距，比如机器人感知环境、无人驾驶避免撞车、智能家居安防等等。因此，近距离测距系统的研究和设计变得十分重要。
本文主要研究基于FMCW（FrequencyModulatedContinuousWave）的近距离测距系统设计，先介绍FMCW原理，然后对系统的硬件、软件进行详细分析，最后给出实验结果和总结。
二、FMCW原理
FMCW是一种现已广泛应用于毫米波雷达和光子学雷达系统中的技术。它可以实现高分辨率、高精度的测距。FMCW技术的基本原理是：两个不同频率信号的变化频率之差就可以表示出目标物体到雷达的距离。
具体来讲，对于发射的信号，将其频率调制成固定的中心频率加上一个斜率，这个斜率就是频率变化率，通过这种调制方式，发出的一段信号的频带宽度就是频率差，也就是“带宽”。接收到反射信号后，分析反射信号和发射信号的频率差，就能准确计算目标物体到雷达的距离。
三、系统设计
1.硬件设计
硬件设计包括：发射与接收模块、微控制器、电源、天线等。
发射与接收模块主要包括一个可调谐振荡器、一个频率可编程信号发生器、一个混频器、一个低通滤波器等组件。可调谐振荡器可生成中心频率为f0的载波信号，并且该信号频率可以通过电压调节。频率可编程信号发生器的频率变换范围为f0±Δf，可以得到一个带宽为Δf的信号。混频器接收到这两个信号，将它们混频得到下变频信号，通过低通滤波器去除杂散信号。接收端也会有这些硬件设备，接收到的信号通过同样的方式被处理。
微控制器一般选用高速、低功耗、集成硬件定时器的芯片，比如STM32，可控制发射端输出信号的频率和幅度，完成对系统的控制和处理，把接收的信息存储在内存中。
2.软件设计
软件设计主要包括：控制程序设计、信号处理程序设计、数据处理程序设计等。
控制程序设计主要负责控制发射端和接收端的硬件，完成对数据采集和处理的初始化，同时控制光电编码器获得系统实时的位置信息。FMCW信号的生成是由微控制器输出，如：选定输出频率、调制频率、幅度谐波，并保证工作可重复性。
信号处理程序设计在接受方主要执行如下功能：采样信号、精确计算接收信号的频率变化，最终计算目标物体到雷达的距离；在发射方主要完成信号的发射并与接受方进行信号匹配处理。
数据处理程序设计的任务是对采集到的数据进行处理和分析，提取所需的距离数据信息。通过将时间域数据变换到频率域，可以获得该频率所对应的距离，从而得到物体与雷达的距离信息。
3.实验结果与总结
实验结果表明，基于FMCW的近距离测距系统可以实现高分辨率和高精度的测距。在系统硬件方面，需要选用尽量优化的器件，用高质量的电源满足系统的充电需求。在软件方面，计算方法的准确性和数据的精度应得到保证。因此，后续的开发和实验应考虑如何增加系统的性能和提高系统的可靠性。
综上所述，基于FMCW的近距离测距系统设计是易于实现且具有实际用途的，可以解决近距离测距方面的应用需求。