FMCW雷达控制与信息实时处理单元设计
发布时间：2021-06-19 18:17
调频连续波（Frequency Modulated Continuous Wave,FMCW）雷达以其带宽高、波束窄、方向性好等优点,在工业物位测量、交通检测等领域得到了广泛的应用。在FMCW雷达的信号处理中,传统的基于傅里叶变换的高分辨率频率测量方法对信号处理系统的性能有较大的要求,增加了雷达系统的硬件成本。因此,研究适用于低成本微控制器的高分辨率、快速的信号处理算法和实现方法,不仅对频率分析技术具有理论意义,而且可显著地降低FMCW雷达系统成本。论文首先分析了FMCW雷达测量原理和影响FMCW雷达目标测量精度的关键因素,然后采用了120GHz雷达收发前端芯片,并针对雷达前端压控震荡器存在的寄生调幅及FMCW雷达差频信号的特征,设计出调制信号频率源和滤波放大电路,最终实现了基于STM32F303的实时信号处理单元。其次针对利用快速傅里叶（Fast Fourier Transform,FFT）方法对雷达差频信号进行分析时测距精度不高的问题,采用了基于傅里叶变换的局部细化高分辨率频率估计算法减小测距误差,并在原有算法的基础上,针对原算法计算量大及真实频率位于频率谱线附近时误差增大的问题做...
【文章来源】：中北大学山西省
【文章页数】：77 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
FMCW雷达系统基本组成结构图
`中北大学学位论文7的信息，并输出结果进行显示。2.2FMCW体制雷达测距测速原理2.2.1三角波调制的FMCW雷达测距原理雷达发射信号频率呈线性递增或递减，这种信号调制方式称为线性调频信号[41]。常用的线性调频方法为锯齿波调制和三角波调制，锯齿波调制方式可以通过差频信号获得目标的距离信息，而三角波调制方式不仅能实现测距功能，还可以解算出目标的速度信息[42]。三角波调制方式下的雷达发射信号频率呈三角波线性变化。其调制原理如图2-2所示[43]。图2-2三角波调制发射与差频信号频率与时间关系图Figure2-2Triangularwavemodulationtransmissionanddifferencefrequencysignalfrequencyandtime在图2-2中，0f、tf、B依次是发射信号的中间频率、发射信号的频率以及扫频带宽。T为发射信号的调制周期。df、rf、1f、2f、f分别为动目标产生的多普勒频率、静止目标反射回接收天线的频率、运动目标在上半周期的差频频率、运动目标在下半周期的差频频率、静止目标的差频频率。是从调制信号发射起至信号从目标反射回接受天线的时延，c是光速，R是测量
`中北大学学位论文11两者都会使差频信号的目标测量产生误差，使得雷达灵敏度、分辨率等测量性能下降。因此，在FMCW雷达系统中，高调频线性度的频率源对于雷达测量精度是至关重要的。在一个雷达系统的设计中，可以采用锁相环（PLL）或直接频率合成技术（DDS）保证FMCW雷达频率源的调频线性度。后续也可以采用一定的数字信号处理算法来提高距离分辨率。2.4.2差频信号频谱能量泄露与栅栏效应对测量精度的影响一段采样点数为N点的采样序列nx)(的离散傅里叶(DFT)变换公式为：1,...,1,0,)()(102NkenxkxNnknNj（2-21）在对信号作DFT之前，需要对连续的差频信号进行AD采样，转换为离散的序列。根据2.2节，理想条件下，采样后的离散差频信号可以表示为：)cos()(00nnAx（2-22）其中Nn1,0，N为采样点数，角频率2,0,/2000sff，sf为采样频率。对信号作DFT（FFT）后，得到的是一系列离散的谱线，两条相邻谱线的间隔为Nffs/。根据上述公式可以看出，信号只在特定的区间内有非零值，可以理解为采样的信号序列是加矩形窗截断后的信号，所以信号作DFT后将会引入矩形窗的影响，这就是能量泄露现象的来源。图2-3非整周期采样下的正弦信号幅度谱Figure2-3Sinusoidalsignalamplitudespectrumundernon-periodicsampling
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于改进的Quinn测频算法及其FPGA实现[J]. 周胜文,詹磊,廖春兰,马凡,刘平原,董晖. 太赫兹科学与电子信息学报. 2019(02)
[2]基于改进Quinn算法的LFMCW雷达高精度测距[J]. 李玲霞,贾帅,谢良波,蒋智. 雷达科学与技术. 2018(05)
[3]基于IRife算法的高精度LFMCW雷达测距方法[J]. 张海燕,汪润,万健中. 电子测量与仪器学报. 2017(02)
[4]C波段调频连续波天气雷达探测系统及观测试验[J]. 阮征,金龙,葛润生,李丰,吴俊. 气象学报. 2015(03)
[5]基于振动的发动机转速高精度动态测量新方法[J]. 林慧斌,丁康. 振动工程学报. 2012(05)
[6]FFT+FT离散频谱校正法参数估计精度[J]. 丁康,朱文英,杨志坚,李巍华. 机械工程学报. 2010(07)
[7]低信噪比下的高精度复正弦频率估计算法[J]. 李小捷,许录平,周雪松. 西安电子科技大学学报. 2009(06)
[8]非高斯色噪声条件下的最小二乘单音频率估计[J]. 刘双平,闻翔,王志刚. 通信学报. 2008(07)
[9]离散实正弦信号参数估计的Cramer Rao方差下限[J]. 齐国清. 数据采集与处理. 2003(02)
[10]FMCW毫米波雷达中频滤波器的研究[J]. 盛怀茂,李玉芳,夏冠群,孙晓玮,李洪芹,金昶明. 红外与毫米波学报. 2001(06)
博士论文
[1]毫米波前端电路研究[D]. 唐聪.电子科技大学 2018
[2]基于FFT和DTFT插值的正弦信号频率估计[D]. 樊磊.大连海事大学 2018
[3]含噪实信号频率估计算法研究[D]. 曹燕.华南理工大学 2012
[4]FMCW液位测量雷达系统设计及高精度测距原理研究[D]. 齐国清.大连海事大学 2001
硕士论文
[1]蓄能器活塞位移测试系统设计[D]. 焦丽.中北大学 2019
[2]便携FMCW雷达系统设计与硬件实现[D]. 李勇.电子科技大学 2018
[3]小型化FMCW雷达测量系统研究与实现[D]. 李小双.西安电子科技大学 2017
[4]FMCW测角雷达频率源的设计与实现[D]. 张凯.电子科技大学 2017
[5]24GHz调频连续波雷达信号处理技术研究[D]. 李健.南京理工大学 2017
[6]面向大型结构的调频连续波雷达位移测量系统VCO及回波的影响研究[D]. 陈丽.重庆大学 2015
[7]FMCW激光雷达信号处理与研究[D]. 赵昊.哈尔滨工业大学 2014
[8]FMCW测距雷达的信号处理技术研究与实现[D]. 侯盼卫.中北大学 2014
[9]频率合成器的研究[D]. 张凤珍.北京交通大学 2007
本文编号：3238305
【文章来源】：中北大学山西省
【文章页数】：77 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
FMCW雷达系统基本组成结构图
`中北大学学位论文7的信息，并输出结果进行显示。2.2FMCW体制雷达测距测速原理2.2.1三角波调制的FMCW雷达测距原理雷达发射信号频率呈线性递增或递减，这种信号调制方式称为线性调频信号[41]。常用的线性调频方法为锯齿波调制和三角波调制，锯齿波调制方式可以通过差频信号获得目标的距离信息，而三角波调制方式不仅能实现测距功能，还可以解算出目标的速度信息[42]。三角波调制方式下的雷达发射信号频率呈三角波线性变化。其调制原理如图2-2所示[43]。图2-2三角波调制发射与差频信号频率与时间关系图Figure2-2Triangularwavemodulationtransmissionanddifferencefrequencysignalfrequencyandtime在图2-2中，0f、tf、B依次是发射信号的中间频率、发射信号的频率以及扫频带宽。T为发射信号的调制周期。df、rf、1f、2f、f分别为动目标产生的多普勒频率、静止目标反射回接收天线的频率、运动目标在上半周期的差频频率、运动目标在下半周期的差频频率、静止目标的差频频率。是从调制信号发射起至信号从目标反射回接受天线的时延，c是光速，R是测量
`中北大学学位论文11两者都会使差频信号的目标测量产生误差，使得雷达灵敏度、分辨率等测量性能下降。因此，在FMCW雷达系统中，高调频线性度的频率源对于雷达测量精度是至关重要的。在一个雷达系统的设计中，可以采用锁相环（PLL）或直接频率合成技术（DDS）保证FMCW雷达频率源的调频线性度。后续也可以采用一定的数字信号处理算法来提高距离分辨率。2.4.2差频信号频谱能量泄露与栅栏效应对测量精度的影响一段采样点数为N点的采样序列nx)(的离散傅里叶(DFT)变换公式为：1,...,1,0,)()(102NkenxkxNnknNj（2-21）在对信号作DFT之前，需要对连续的差频信号进行AD采样，转换为离散的序列。根据2.2节，理想条件下，采样后的离散差频信号可以表示为：)cos()(00nnAx（2-22）其中Nn1,0，N为采样点数，角频率2,0,/2000sff，sf为采样频率。对信号作DFT（FFT）后，得到的是一系列离散的谱线，两条相邻谱线的间隔为Nffs/。根据上述公式可以看出，信号只在特定的区间内有非零值，可以理解为采样的信号序列是加矩形窗截断后的信号，所以信号作DFT后将会引入矩形窗的影响，这就是能量泄露现象的来源。图2-3非整周期采样下的正弦信号幅度谱Figure2-3Sinusoidalsignalamplitudespectrumundernon-periodicsampling
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于改进的Quinn测频算法及其FPGA实现[J]. 周胜文,詹磊,廖春兰,马凡,刘平原,董晖. 太赫兹科学与电子信息学报. 2019(02)
[2]基于改进Quinn算法的LFMCW雷达高精度测距[J]. 李玲霞,贾帅,谢良波,蒋智. 雷达科学与技术. 2018(05)
[3]基于IRife算法的高精度LFMCW雷达测距方法[J]. 张海燕,汪润,万健中. 电子测量与仪器学报. 2017(02)
[4]C波段调频连续波天气雷达探测系统及观测试验[J]. 阮征,金龙,葛润生,李丰,吴俊. 气象学报. 2015(03)
[5]基于振动的发动机转速高精度动态测量新方法[J]. 林慧斌,丁康. 振动工程学报. 2012(05)
[6]FFT+FT离散频谱校正法参数估计精度[J]. 丁康,朱文英,杨志坚,李巍华. 机械工程学报. 2010(07)
[7]低信噪比下的高精度复正弦频率估计算法[J]. 李小捷,许录平,周雪松. 西安电子科技大学学报. 2009(06)
[8]非高斯色噪声条件下的最小二乘单音频率估计[J]. 刘双平,闻翔,王志刚. 通信学报. 2008(07)
[9]离散实正弦信号参数估计的Cramer Rao方差下限[J]. 齐国清. 数据采集与处理. 2003(02)
[10]FMCW毫米波雷达中频滤波器的研究[J]. 盛怀茂,李玉芳,夏冠群,孙晓玮,李洪芹,金昶明. 红外与毫米波学报. 2001(06)
博士论文
[1]毫米波前端电路研究[D]. 唐聪.电子科技大学 2018
[2]基于FFT和DTFT插值的正弦信号频率估计[D]. 樊磊.大连海事大学 2018
[3]含噪实信号频率估计算法研究[D]. 曹燕.华南理工大学 2012
[4]FMCW液位测量雷达系统设计及高精度测距原理研究[D]. 齐国清.大连海事大学 2001
硕士论文
[1]蓄能器活塞位移测试系统设计[D]. 焦丽.中北大学 2019
[2]便携FMCW雷达系统设计与硬件实现[D]. 李勇.电子科技大学 2018
[3]小型化FMCW雷达测量系统研究与实现[D]. 李小双.西安电子科技大学 2017
[4]FMCW测角雷达频率源的设计与实现[D]. 张凯.电子科技大学 2017
[5]24GHz调频连续波雷达信号处理技术研究[D]. 李健.南京理工大学 2017
[6]面向大型结构的调频连续波雷达位移测量系统VCO及回波的影响研究[D]. 陈丽.重庆大学 2015
[7]FMCW激光雷达信号处理与研究[D]. 赵昊.哈尔滨工业大学 2014
[8]FMCW测距雷达的信号处理技术研究与实现[D]. 侯盼卫.中北大学 2014
[9]频率合成器的研究[D]. 张凤珍.北京交通大学 2007
本文编号：3238305
本文链接：https://www.wllwen.com/shoufeilunwen/xixikjs/3238305.html
