微型雷達在電子信息類人才培養(yǎng)中的應(yīng)用

周劍雄 石志廣 李昊潤 付 強

(國防科技大學(xué) 電子科學(xué)學(xué)院， 長沙 410000)

實踐教學(xué)可以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、鍛煉動手能力、推動團隊合作，契合“新工科”的人才培養(yǎng)理念[1-2]。雷達通過發(fā)射電磁波對遙遠的目標進行探測和跟蹤，是維護國家安全的重要裝備，也是電子信息工程、電磁場與無線技術(shù)等專業(yè)的一個重要應(yīng)用方向[3]。傳統(tǒng)的雷達設(shè)備功率高、體積大、操作復(fù)雜，學(xué)生只能從書本中學(xué)習(xí)相關(guān)的知識或通過計算機仿真軟件進行模擬操作，很難獲得親身動手實踐的機會。

隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，天線、射頻電路、信號處理器的集成度不斷提高，微小型雷達在醫(yī)療、交通、安全等領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用前景。近年來，市場上出現(xiàn)了若干基于射頻集成電路的微型雷達貨架產(chǎn)品。微型雷達功率小、重量輕、系統(tǒng)集成度高、性能穩(wěn)定，部分產(chǎn)品還提供了二次開發(fā)的接口。筆者所在的課題組從2018年起將微型雷達用于不同層次的教學(xué)實踐，在激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、培養(yǎng)工程素養(yǎng)、提高動手能力、支持創(chuàng)新研究等方面都取得了較好的效果。

1 貨架式微型雷達產(chǎn)品

傳統(tǒng)的雷達裝備主要用于探測遠距離目標，作用距離達到幾十甚至上千公里，由發(fā)射機、天線、接收機、信號處理機等設(shè)備組成，功率高且體積大。隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，射頻電路尤其是毫米波頻段射頻電路的集成度越來越高，目前在邊長為幾個毫米的芯片上，就可以集成發(fā)射機和接收機，在印刷電路板上再配上天線和信號處理芯片，便形成一個完整的微型雷達系統(tǒng)，總尺寸也不過幾個平方厘米[4]。微型雷達功率低，作用距離近，一般用于探測100 m以內(nèi)的目標。雖然作用距離近，但它仍然具有能全天候工作、能穿透煙霧、非接觸測量、能精確測量目標的距離和速度等功能優(yōu)勢。在民用市場需求的推動下，毫米波集成芯片發(fā)展迅速，價格不斷下降，為普及應(yīng)用提供了條件。

由于價格低、功率小，微型雷達又是多通道的寬帶全相參系統(tǒng)，其信號處理過程全面覆蓋了現(xiàn)代雷達時、頻、空域的基本處理步驟，因此大受歡迎。表1列出了幾種貨架式微型雷達產(chǎn)品的主要參數(shù)，圖1給出了若干產(chǎn)品的實物圖。

表1 幾種貨架式微型雷達產(chǎn)品的主要參數(shù)

(a)IWR1443

(b)BGT24LTR11

(c)BGT24MTR22

(d)DEMORAD24G圖1 幾種微型雷達評估板實物圖

2 微型雷達在人才培養(yǎng)中的應(yīng)用

2.1 低年級本科生體驗式教學(xué)

雷達感知環(huán)境的方式與人感知環(huán)境的方式完全不同。人眼是可見光波段的傳感器，空間分辨力高，但對距離和速度等縱深信息的判斷能力相對較低；而雷達的空間分辨力較低，但距離和速度的測量精度非常高。因此雷達“圖像”是與光學(xué)圖像含義不同的距離-速度二維圖像。圖2給出了同一道路場景的光學(xué)圖像和距離-速度雷達圖像，此時不經(jīng)過進一步的處理很難把兩種場景下的目標對應(yīng)起來。

圖2 同一道路場景光學(xué)圖像和距離-速度二維雷達圖像

正是由于雷達圖像的特殊性，剛?cè)腴T的學(xué)生很難建立起對雷達圖像的基本認識。如何讓學(xué)生們直觀地理解雷達圖像是電子信息導(dǎo)論類課程的一個教學(xué)難點。而微型雷達則為解決這一問題提供了途徑。讓學(xué)生分成小組親自操作微型雷達，在各種場景下進行實地測量，可以反復(fù)對比自己觀察到的場景和雷達輸出的圖像，逐漸建立起目標的雷達反射、距離-多普勒測量等基本概念。

我們在為電子信息類大一新生開設(shè)的“電子信息導(dǎo)論”課中，就將微型雷達體驗做為一個實踐選題，3～5名學(xué)員一組操作一部Infineon公司的Distance2Go-24 GHz微型雷達。該雷達通過USB線與筆記本電腦相連實現(xiàn)供電和數(shù)據(jù)傳送，在電腦上安裝相應(yīng)的軟件就可以設(shè)置和修改雷達參數(shù)、直觀認識雷達圖像。我們還通過設(shè)置若干探索性學(xué)習(xí)主題，讓學(xué)生們自己設(shè)計實驗方案，通過實際操作尋找答案。例如：對典型目標(如小轎車)的探測距離、速度測量范圍是多少，測量精度如何；調(diào)整雷達參數(shù)是否影響以上指標的結(jié)果，影響的規(guī)律如何，等等。提出這些問題，一方面使學(xué)生們超越直觀認識，進入定量評價和規(guī)律探索的階段，培養(yǎng)工程素養(yǎng)；另一方面激發(fā)起學(xué)生們探究原因的興趣，為后續(xù)深入的專業(yè)學(xué)習(xí)埋下伏筆。

2.2 高年級本科生專業(yè)課實踐

“雷達原理”是電子信息類相關(guān)專業(yè)的一門專業(yè)課，為雷達、電子對抗等方向的學(xué)生開設(shè)，開課時間為大三下學(xué)期或大四上學(xué)期。將微型雷達引入“雷達原理”課程的教學(xué)實踐，不但可以幫助學(xué)生們更好地認識雷達尤其是全相參數(shù)字陣列雷達的工作原理和工作過程，還為學(xué)生們掌握和運用雷達信號處理方法提供了實踐平臺。

微型雷達雖然功率小價格低，但采用了非常先進的全相參數(shù)字陣列雷達體制。在距離測量方面，它的信號帶寬大，測距精度非常高。例如TI公司的IWR1443雷達評估板最高帶寬可以達到4 GHz，距離測量精度約為4 cm。在速度測量方面，微型雷達相參性也非常好，可以在長達數(shù)秒的時間內(nèi)進行相參積累，測速精度非常高，并且具有雜波對消、動目標指示的能力；在角度測量方面，微型雷達具有多個發(fā)射或接收天線，采用獨立的接收通道，是典型的數(shù)字陣列雷達，能支持自適應(yīng)波束形成處理。因此，將微型雷達引入“雷達原理”課程教學(xué)實踐，不僅可以通過一個簡化的系統(tǒng)演示雷達的基本工作原理，還由于這個系統(tǒng)在很多方面都采用了最先進的技術(shù)，學(xué)生們在了解原理的同時，還能體驗到前沿技術(shù)的先進效果。

雷達進行距離測量、速度測量、角度測量的原理和方法是“雷達原理”課程的一個教學(xué)重點和難點。一方面，這部分內(nèi)容理論性較強，涉及很多公式推導(dǎo)；另一方面，這部分內(nèi)容對學(xué)生的實踐能力也有要求，學(xué)員們不但要理解測量原理，還要能夠?qū)y量算法編程實現(xiàn)。因此，傳統(tǒng)的教學(xué)手段除了理論學(xué)習(xí)，教師往往還會提供一些雷達原始回波數(shù)據(jù)，讓學(xué)生編程完成目標的距離、速度、角度估計。微型雷達的出現(xiàn)，提供了讓學(xué)生自主獲取原始回波數(shù)據(jù)的新途徑。例如Distance2Go雷達板本身具有數(shù)據(jù)集采模塊，可以通過USB線將數(shù)據(jù)實時傳輸給電腦，學(xué)生們分成小組，自主選擇目標進行測量并錄取數(shù)據(jù)，編程估計目標的距離、速度、角度信息。在這個過程中，學(xué)生的參與程度大，可以控制的條件多，例如可以在同一參數(shù)下反復(fù)測量評估測量精度，在不同參數(shù)下反復(fù)測量研究影響性能的參數(shù)，并將實驗結(jié)果與理論知識進行對比驗證。這樣的實踐性學(xué)習(xí)不但能調(diào)動學(xué)習(xí)興趣，鍛煉動手能力，還能加深對知識的理解和運用，提升理論課的教學(xué)效果。

2.3 研究生創(chuàng)新性研究支撐平臺

由于微型雷達采用了先進的工作體制，能支持復(fù)雜的信號處理方法，因此，它不僅能用于本科生的基礎(chǔ)學(xué)習(xí)，還能為研究生開展創(chuàng)新性工作提供平臺支持。在我們目前的教學(xué)實踐中，微型雷達在研究生培養(yǎng)中的應(yīng)用主要體現(xiàn)在以下兩個方面：

(1)利用微型雷達的能力，設(shè)計新的應(yīng)用場景，通過參數(shù)、波形、信號處理方法和搭載平臺的創(chuàng)新，實現(xiàn)新的功能。在2019年的第14屆中國研究生電子設(shè)計競賽中，我校有多個基于微型雷達的作品參賽，其中不乏市場前景看好的新方案。例如采用微型陣列雷達+合成孔徑技術(shù)對室內(nèi)場景三維成像，并對場景中的人進行姿態(tài)監(jiān)控，初步的結(jié)果如圖3所示。學(xué)生們完成這些作品，不但要掌握微型雷達的原理和特點，還要將先進的技術(shù)與現(xiàn)有平臺能力相結(jié)合才能最后如愿。更重要的是，這樣的科技活動鍛煉了學(xué)生們運用新技術(shù)解決應(yīng)用需求的思維習(xí)慣，符合創(chuàng)新驅(qū)動的時代對新型人才的要求。

圖3 研究生作品“基于多通道陣列雷達的跌倒檢測系統(tǒng)”處理結(jié)果

(2)利用微型雷達的全相參、大帶寬、多通道數(shù)據(jù)采集能力，將微型雷達作為試驗平臺，獲得前期研究需要的試驗數(shù)據(jù)。而一般雷達設(shè)備的專用性很強，形成產(chǎn)品后修改參數(shù)、增加接口都很困難，因此新的研究設(shè)想在提出之初，很難有實際的測量數(shù)據(jù)支撐，往往通過計算機仿真獲得數(shù)據(jù)作為研究的輸入。但仿真數(shù)據(jù)的場景一般比較簡單，在目標與環(huán)境相互作用、傳輸和處理環(huán)節(jié)引入的誤差等方面體現(xiàn)不充分，在此基礎(chǔ)上開發(fā)的算法應(yīng)用于實際系統(tǒng)很可能還要做大的修正。而微型雷達具有很好的通用性，參數(shù)修改靈活方便，例如表1中給出幾款雷達的帶寬、重頻、脈寬、幀周期、幀內(nèi)脈沖數(shù)等都可以通過GUI界面設(shè)置，IWR1443雷達板還可以設(shè)置脈間捷變參數(shù)、通道補償參數(shù)等等，靈活度更高。將微型雷達作為試驗平臺，可以在設(shè)計參數(shù)下獲得測量數(shù)據(jù)，為算法驗證提供保真度更高的試驗途徑。

3 結(jié)語

微型雷達“麻雀雖小五臟俱全”，雖然價格低、功率小，但體制先進、功能完備、使用方便靈活，這些特點使它成為電子信息類相關(guān)專業(yè)實踐性教學(xué)的新平臺，可以應(yīng)用于本科至研究生各個不同階段的人才培養(yǎng)。借助微型雷達開展團隊式學(xué)習(xí)、實踐性學(xué)習(xí)、探究式學(xué)習(xí)，符合新工科人才培養(yǎng)的要求，收到了很好的教學(xué)效果。在后續(xù)工作中，需要進一步拓展應(yīng)用場景，創(chuàng)新與工業(yè)界的合作模式，加強嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)，更好地服務(wù)于培養(yǎng)實踐能力強、創(chuàng)新能力強、具備國際競爭力的高素質(zhì)復(fù)合型新工科人才。