基于Rife法的线性调频连续波雷达测距算法及实现

发布时间：2020-01-23 01:54

【摘要】：介绍了基于Rife法的线性调频连续波(LFMCW)雷达测距算法的原理,给出该算法的实现步骤,并从理论上分析了算法的测距性能。结合可编程门阵列(FPGA)EP3C55F484C8N芯片,进行该算法的编程实现,并将算法嵌入高精度LFMCW雷达中。利用LFMCW雷达进行现场测距实验,实验结果验证了该算法的有效性。
【图文】：

谱线,谱线,变量,真实距离

釫钆男?号x(n)．2)对信号x(n)做N点FFT，找出X(k)前N/2点中的最大幅值A1和次大幅值A2，及其各自的位置k1和k2．3)利用(2)式估计信号x(n)的频率^f0．4)利用(3)式计算距离Ｒ．1.3算法性能为便于分析本文算法的测距性能，给出FFT距离谱的概念及其获取方式如下:假设FFT幅度谱的横轴变量为频率fi=iΔf(i=0，1，…，N－1)，纵轴变量为傅里叶系数的绝对值|X(i)|，将其横轴变量fi转换为距离Ｒi=Kfi，纵轴变量保持不变，所得新FFT谱本文将其称之为FFT距离谱，如图1所示。图1FFT距离谱Fig．1FFTrangespectrum图1中ΔＲ=KΔf为相邻谱线之间的间隔，即距离分辨力，Δf为频率分辨率;δＲ为真实距离与距离谱中最大谱线所对应距离的差值与ΔＲ的比值。在理想无噪声环境下，X(k)幅度最大值A1=|S1|，次大值A2=|S2|，第3大值A3=|S3|，k3=k2±2．不加窗(即加矩形窗)FFT距离谱中最大谱线和次大谱线始终位于sinc函数的主瓣内，第3大谱线则位于最大谱线另一侧的第1旁瓣内，可证明始终有A2＞A3［12］．文献［12］表明在无噪声环境下Ｒife法可获得准确的频率估计值，故根据(3)式本文算法同环境下可准确获得距离值。但在实际工程应用中，信号不可避免存在噪声的干扰，A1、A2和A3确切应表示为A1=|S1|+|W1|，A2=|S2|+|W2|，A3=|S3|+|W3|{，(4)式中:W1、W2、W3分别为迭加在S(k)幅度最大值、次大值、第3大值处的噪声。噪声环境下算法的性能分析可分为2种情况:1)当δＲ接近0时，即真实距离位于量化距离点附近时，|S2|与|S3|均接近0，由于存在迭加噪声W2

功率谱,模块,AM模块,差拍信号

3|，即使存在迭加噪声W2和W3也不会出现A2＜A3的情况。此时测距误差较小，其误差主要来源于噪声对|S1|和|S2|幅值估计的影响。2算法实现实验室现有LFMCW雷达应用FPGA进行规则区差拍信号的处理，FPGA型号为Altera公司的CycloneⅢ系列EP3C55F484C8N．基于该FPGA芯片探索实现本文算法，并将算法嵌入LFMCW雷达中。2.1FPGA设计利用QuartusⅡ软件新建一个目标器件为EP3C55F484C8N的可编辑工程文件，针对该器件进行程序设计、编译、绑定管脚和再编译等步骤，得到的设计结果如图2所示。图2FPGA设计的ＲTL图Fig．2ＲTLdiagramofdesignforFPGA程序设计主要由1个FFT模块、2个控制模块、1个功率计算模块、2个ＲAM模块、2个功率谱搜索模块和1个距离计算模块组成。各模块功能如下:1)控制模块1用于控制FFT模块仅对规则区差拍信号做FFT运算;2)功率计算模块用于实现FFT模块输出的实部和虚部到功率的换算，并输出功率值;3)控制模块2用于实现将功率值同时存入2个ＲAM模块中;4)2个功率谱搜索模块用于实现对2个ＲAM模块中功率值的搜索，找出最大功率值和次大功率值，并记录其各自的位置;5)距离计算模块用于实现对功率值进行开方，，并根据(2)式和(3)式获得距离值。设计中FFT模块通过配置FFTIP核来实现，其他模块采用VHDL语言编程实现。此外，规则区差拍信号以16位二进制表示，FFT运算点数为4096，时钟频率取500kHz．2.2FPGA资源消耗应用QuartusⅡ软件对所建工程文件进行编译，得到FPGA资源使用情况如表1所示。表1FPGA资源消耗表Tab．1ＲesourceconsumptionofFPGA编译设备EP3C55F484C8N总逻辑单元数11565/55856(25%)总寄存器数0/7005(0%)管脚数50/328(15%)存储器容量753920/2396160(31%)

【参考文献】