微型雷达在电子信息类人才培养中的应用

周剑雄 石志广 李昊润 付 强

(国防科技大学 电子科学学院， 长沙 410000)

实践教学可以激发学生的学习兴趣、锻炼动手能力、推动团队合作，契合“新工科”的人才培养理念[1-2]。雷达通过发射电磁波对遥远的目标进行探测和跟踪，是维护国家安全的重要装备，也是电子信息工程、电磁场与无线技术等专业的一个重要应用方向[3]。传统的雷达设备功率高、体积大、操作复杂，学生只能从书本中学习相关的知识或通过计算机仿真软件进行模拟操作，很难获得亲身动手实践的机会。

随着半导体技术的发展，天线、射频电路、信号处理器的集成度不断提高，微小型雷达在医疗、交通、安全等领域展现出巨大的应用前景。近年来，市场上出现了若干基于射频集成电路的微型雷达货架产品。微型雷达功率小、重量轻、系统集成度高、性能稳定，部分产品还提供了二次开发的接口。笔者所在的课题组从2018年起将微型雷达用于不同层次的教学实践，在激发学生的学习兴趣、培养工程素养、提高动手能力、支持创新研究等方面都取得了较好的效果。

1 货架式微型雷达产品

传统的雷达装备主要用于探测远距离目标，作用距离达到几十甚至上千公里，由发射机、天线、接收机、信号处理机等设备组成，功率高且体积大。随着半导体技术的发展，射频电路尤其是毫米波频段射频电路的集成度越来越高，目前在边长为几个毫米的芯片上，就可以集成发射机和接收机，在印刷电路板上再配上天线和信号处理芯片，便形成一个完整的微型雷达系统，总尺寸也不过几个平方厘米[4]。微型雷达功率低，作用距离近，一般用于探测100 m以内的目标。虽然作用距离近，但它仍然具有能全天候工作、能穿透烟雾、非接触测量、能精确测量目标的距离和速度等功能优势。在民用市场需求的推动下，毫米波集成芯片发展迅速，价格不断下降，为普及应用提供了条件。

由于价格低、功率小，微型雷达又是多通道的宽带全相参系统，其信号处理过程全面覆盖了现代雷达时、频、空域的基本处理步骤，因此大受欢迎。表1列出了几种货架式微型雷达产品的主要参数，图1给出了若干产品的实物图。

表1 几种货架式微型雷达产品的主要参数

(a)IWR1443

(b)BGT24LTR11

(c)BGT24MTR22

(d)DEMORAD24G图1 几种微型雷达评估板实物图

2 微型雷达在人才培养中的应用

2.1 低年级本科生体验式教学

雷达感知环境的方式与人感知环境的方式完全不同。人眼是可见光波段的传感器，空间分辨力高，但对距离和速度等纵深信息的判断能力相对较低；而雷达的空间分辨力较低，但距离和速度的测量精度非常高。因此雷达“图像”是与光学图像含义不同的距离-速度二维图像。图2给出了同一道路场景的光学图像和距离-速度雷达图像，此时不经过进一步的处理很难把两种场景下的目标对应起来。

图2 同一道路场景光学图像和距离-速度二维雷达图像

正是由于雷达图像的特殊性，刚入门的学生很难建立起对雷达图像的基本认识。如何让学生们直观地理解雷达图像是电子信息导论类课程的一个教学难点。而微型雷达则为解决这一问题提供了途径。让学生分成小组亲自操作微型雷达，在各种场景下进行实地测量，可以反复对比自己观察到的场景和雷达输出的图像，逐渐建立起目标的雷达反射、距离-多普勒测量等基本概念。

我们在为电子信息类大一新生开设的“电子信息导论”课中，就将微型雷达体验做为一个实践选题，3～5名学员一组操作一部Infineon公司的Distance2Go-24 GHz微型雷达。该雷达通过USB线与笔记本电脑相连实现供电和数据传送，在电脑上安装相应的软件就可以设置和修改雷达参数、直观认识雷达图像。我们还通过设置若干探索性学习主题，让学生们自己设计实验方案，通过实际操作寻找答案。例如：对典型目标(如小轿车)的探测距离、速度测量范围是多少，测量精度如何；调整雷达参数是否影响以上指标的结果，影响的规律如何，等等。提出这些问题，一方面使学生们超越直观认识，进入定量评价和规律探索的阶段，培养工程素养；另一方面激发起学生们探究原因的兴趣，为后续深入的专业学习埋下伏笔。

2.2 高年级本科生专业课实践

“雷达原理”是电子信息类相关专业的一门专业课，为雷达、电子对抗等方向的学生开设，开课时间为大三下学期或大四上学期。将微型雷达引入“雷达原理”课程的教学实践，不但可以帮助学生们更好地认识雷达尤其是全相参数字阵列雷达的工作原理和工作过程，还为学生们掌握和运用雷达信号处理方法提供了实践平台。

微型雷达虽然功率小价格低，但采用了非常先进的全相参数字阵列雷达体制。在距离测量方面，它的信号带宽大，测距精度非常高。例如TI公司的IWR1443雷达评估板最高带宽可以达到4 GHz，距离测量精度约为4 cm。在速度测量方面，微型雷达相参性也非常好，可以在长达数秒的时间内进行相参积累，测速精度非常高，并且具有杂波对消、动目标指示的能力；在角度测量方面，微型雷达具有多个发射或接收天线，采用独立的接收通道，是典型的数字阵列雷达，能支持自适应波束形成处理。因此，将微型雷达引入“雷达原理”课程教学实践，不仅可以通过一个简化的系统演示雷达的基本工作原理，还由于这个系统在很多方面都采用了最先进的技术，学生们在了解原理的同时，还能体验到前沿技术的先进效果。

雷达进行距离测量、速度测量、角度测量的原理和方法是“雷达原理”课程的一个教学重点和难点。一方面，这部分内容理论性较强，涉及很多公式推导；另一方面，这部分内容对学生的实践能力也有要求，学员们不但要理解测量原理，还要能够将测量算法编程实现。因此，传统的教学手段除了理论学习，教师往往还会提供一些雷达原始回波数据，让学生编程完成目标的距离、速度、角度估计。微型雷达的出现，提供了让学生自主获取原始回波数据的新途径。例如Distance2Go雷达板本身具有数据集采模块，可以通过USB线将数据实时传输给电脑，学生们分成小组，自主选择目标进行测量并录取数据，编程估计目标的距离、速度、角度信息。在这个过程中，学生的参与程度大，可以控制的条件多，例如可以在同一参数下反复测量评估测量精度，在不同参数下反复测量研究影响性能的参数，并将实验结果与理论知识进行对比验证。这样的实践性学习不但能调动学习兴趣，锻炼动手能力，还能加深对知识的理解和运用，提升理论课的教学效果。

2.3 研究生创新性研究支撑平台

由于微型雷达采用了先进的工作体制，能支持复杂的信号处理方法，因此，它不仅能用于本科生的基础学习，还能为研究生开展创新性工作提供平台支持。在我们目前的教学实践中，微型雷达在研究生培养中的应用主要体现在以下两个方面：

(1)利用微型雷达的能力，设计新的应用场景，通过参数、波形、信号处理方法和搭载平台的创新，实现新的功能。在2019年的第14届中国研究生电子设计竞赛中，我校有多个基于微型雷达的作品参赛，其中不乏市场前景看好的新方案。例如采用微型阵列雷达+合成孔径技术对室内场景三维成像，并对场景中的人进行姿态监控，初步的结果如图3所示。学生们完成这些作品，不但要掌握微型雷达的原理和特点，还要将先进的技术与现有平台能力相结合才能最后如愿。更重要的是，这样的科技活动锻炼了学生们运用新技术解决应用需求的思维习惯，符合创新驱动的时代对新型人才的要求。

图3 研究生作品“基于多通道阵列雷达的跌倒检测系统”处理结果

(2)利用微型雷达的全相参、大带宽、多通道数据采集能力，将微型雷达作为试验平台，获得前期研究需要的试验数据。而一般雷达设备的专用性很强，形成产品后修改参数、增加接口都很困难，因此新的研究设想在提出之初，很难有实际的测量数据支撑，往往通过计算机仿真获得数据作为研究的输入。但仿真数据的场景一般比较简单，在目标与环境相互作用、传输和处理环节引入的误差等方面体现不充分，在此基础上开发的算法应用于实际系统很可能还要做大的修正。而微型雷达具有很好的通用性，参数修改灵活方便，例如表1中给出几款雷达的带宽、重频、脉宽、帧周期、帧内脉冲数等都可以通过GUI界面设置，IWR1443雷达板还可以设置脉间捷变参数、通道补偿参数等等，灵活度更高。将微型雷达作为试验平台，可以在设计参数下获得测量数据，为算法验证提供保真度更高的试验途径。

3 结语

微型雷达“麻雀虽小五脏俱全”，虽然价格低、功率小，但体制先进、功能完备、使用方便灵活，这些特点使它成为电子信息类相关专业实践性教学的新平台，可以应用于本科至研究生各个不同阶段的人才培养。借助微型雷达开展团队式学习、实践性学习、探究式学习，符合新工科人才培养的要求，收到了很好的教学效果。在后续工作中，需要进一步拓展应用场景，创新与工业界的合作模式，加强嵌入式系统的开发，更好地服务于培养实践能力强、创新能力强、具备国际竞争力的高素质复合型新工科人才。