（信号与信息处理专业论文）fmcw车辆检测雷达数据处理系统的研究与设计.pdf

分类号： tp 274 密 级： 公 开 学 号： 092030048 工学硕士学位论文 fmcw 车辆检测雷达数据处理系统 的研究与设计 学生姓名 张宁 指导教师 林明 教授 江苏科技大学 二零一二年三月 a thesis submitted in fulfillment of the requirements for the degree of master of engineering research and design of vehicle detection radar data processing system based on fmcw submitted by zhang ning supervised by professor lin ming jiangsu university of science and technology march，2012 江苏科技大学学位论文原创性声明江苏科技大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进 行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含 任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。 对本文的研究做出重 要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声 明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 年 月 日 江苏科技大学学位论文版权使用授权书江苏科技大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文 被查阅和借阅。 本人授权江苏科技大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存 和汇编本学位论文。 本学位论文属于： (1)保密，在 年解密后适用本授权书。 (2)不保密。 学位论文作者签名： 指导教师签名： 年 月 日 年 月 日 摘 要 - i - 摘 要 智能交通系统是城市规划的一个重要方面，使用调频连续波（fmcw）雷达的车 流量检测系统作为智能交通系统的一个子系统，主要用于获取路面信息，具有极其广 阔的应用前景。本文的重点就是研究和设计基于调频连续波雷达的车辆检测数据处理 系统。 根据高速公路的实际情况以及交通部的规范，本文确定了车流量检测雷达的工作 体制、工作频段、距离分辨率等性能参数。并根据调频连续波雷达的检测原理，分析 了雷达差拍信号的形式、影响车流量检测效果的环境问题、系统噪声及其消除方法。 由于调频连续波雷达测距方法主要是通过检测差拍信号频率来测距，因此在算法分析 中，本文对可用于本系统中实现时域-频域转换的 chirp-z 算法以及基 2-fft 算法做了 充分比较。在系统设计中，本文设计了以 fpga 为控制和处理核心、以 usb2.0 接口 为传输手段、 以 dds+vco+nios的方式作为高性能信号源设计方法的 fmcw 车辆 检测雷达数据处理系统。该设计充分发挥了 fpga 在逻辑控制方面的优势，结合 usb 传输稳定、高效、低成本的特性，达到了车辆检测数据处理系统对于实时性好、成本 低、调试方便的要求。经内场实验和路面实况验证表明，本设计检测结果与理论分析 的结果相符，效果良好。 关键字关键字 车辆检测；快速傅里叶变换；现场可编程门阵列；通用串行总线 江苏科技大学硕士学位论文 ii abstract - iii - abastract intelligent traffic system (its) is a key aspect of urban planning. the vehicle flow detector used frequency modulated continuous wave radar is a very import part in the system. it is one of accesses for road information will have broad application prospects in its. this paper focuses on the research and design of vehicle detection data processing system based on frequency modulated continuous wave radar. according to the actual conditions of expressway and the standard of communication ministry, the paper set down the radars working system, working frequency and range resolution. the paper analysis the form of beat signal and the influence of detection environment, the effects of white noise, zero signal and their elimination methods based on the the principle of fmcw radar detection. because the technical means used in fmcw radar ranging is to detect the frequency of beat signal, the paper fully compared the chirp-z algorithm radix-2 fft algorithm which can be used in this system. in system design, fpga is the controller and the processer, usb2.0 interface is used for transmit data, dds+vco+niosis used to design the high performance signal source. the design highly leverages the advantage of fpga in logic control and fft operation. combined with the characteristics of usb in stability of soliton, high efficiency and low cost, the design is up to the requirements of the vehicle detection data processing system. and the requirements are great real-time characteristic, low cost and convent of debugging. the results of the laboratory tests and road tests show that this design has great effect and is consistent with the theoretical analysis. keywords vehicle detection；fft；fpga；usb 江苏科技大学硕士学位论文 - iv - 目 录 - v - 目 录 摘 要 . i abstract . 错误错误!未定义书签。未定义书签。 第 1 章 绪论 . 1 1.1 引言 . 1 1.2 车辆检测系统研发现状 . 1 1.3 连续波雷达数据处理的技术背景 . 5 1.3.1 连续波雷达的特征及相关应用 . 5 1.3.2 雷达数据处理的发展和实现 . 6 1.4 本论文研究主要内容及结构安排 . 6 1.4.1 主要研究内容 . 6 1.4.2 文章结构安排 . 7 第 2 章 fmcw 雷达车辆检测理论与系统概述 . 9 2.1 雷达距离探测 . 9 2.2 调频连续波雷达测距的基本原理 . 10 2.3 锯齿波调制的差拍信号分析 . 13 2.4 检测环境和噪声分析 . 14 2.4.1 检测环境和噪声的干扰 . 14 2.4.2 白噪声的影响与时域叠加平均消去法 . 14 2.4.3 零信号的影响及其处理方法 . 15 2.5 微波车辆检测的特性和主要功能 . 16 2.5.1 两种安装模式下的车辆信息检测 . 17 2.5.2 微波车流量检测雷达的主要功能 . 19 2.6 本章小结 . 19 第 3 章 算法分析和总体设计 . 21 3.1 dft 基本公式 . 21 3.2 基 2 的 dif-fft 算法 . 21 3.3 线性调频 chirp-z 算法 . 21 3.4 算法比较 . 25 3.5 主要性能指标及相关技术要求 . 27 3.5.1 性能指标 . 27 3.5.2 技术要求 . 28 3.6 总体设计 . 29 3.6.1 硬件总体设计 . 30 江苏科技大学工学硕士学位论文 - vi - 3.6.2 软件总体设计 . 31 3.7 本章小结 . 31 第 4 章 车辆检测数据处理系统硬件设计 . 33 4.1 控制和处理单元设计 . 33 4.2 a/d 采样和信号调理电路设计 . 34 4.3 新型信号源硬件设计 . 36 4.3.1 基于 vco 的信号源设计 . 36 4.3.2 新型信号源设计 . 38 4.3.2.1 dds 技术的基本原理和主要特点 . 38 4.3.2.2 线性调频信号的 dds 产生方法 . 39 4.3.2.3 基于 dds+vco+niso的信号源设计方法 . 40 4.3.2.4 ad9954 和 si4112 芯片介绍 . 41 4.3.2.5 实现电路. 43 4.4 数据传输电路 . 44 4.4.1 传输方式选择 . 44 4.4.2 usb2.0 接口电路硬件设计 . 45 4.5 电源设计 . 48 4.6 本章小结 . 49 第 5 章 系统软件设计和调试结果分析 . 51 5.1 usb 固件程序设计 . 51 5.2 usb 驱动程序设计 . 52 5.3 fpga 逻辑设计 . 53 5.3.1 扫频逻辑设计 . 53 5.3.2 a/d 采集逻辑设计 . 55 5.3.3 usb 状态控制 . 57 5.3.4 调制信号控制 . 57 5.3.5 fft 实现 . 59 5.4 应用程序 . 61 5.5 系统调试和结果分析 . 61 5.6 本章小结 . 65 第 6 章 结束语 . 67 参考文献 . 69 致谢 . 73 攻读学位期间发表的学术论文 . 75 目 录 - vii - 附录 . 77 江苏科技大学工学硕士学位论文 - viii - contents - ix - contents abstract(chinese) . i abstract(english) . chapter 1 introduction . 1 1.1 introduction . 1 1.2 present status of research in vehicle detection system . 1 1.3 technical backgruand of cw radar data processing . 5 1.3.1 characteristics and applications of cw radar . 5 1.3.2 development and actualize of radar data processing . 6 1.4 main contents and structure of the thesis . 6 1.4.1 main contents of the research . 6 1.4.2 structure of thesis . 7 chapter 2 theories of fmcw radar vehicle detection and system summarize . 9 2.1 radar distance inspection . 9 2.2 basic principles of fmcw radar ranging . 10 2.3 analyse of beat signal modelated with sawtooth wave . 13 2.4 detection enviroment and noise analysis . 14 2.4.1 interference of detection enviroment and noise . 30 2.4.2 influences of white noise and processing method . 30 2.4.3 influences of zero signal and processing method . 30 2.5 characteristics and main functions of microwave vehicle detection . 16 2.5.1 vehicle information detection in two kinds of installation modes . 30 2.5.2 main functions of microwave vehicle detection . 19 2.6 summary of chapter 2 . 19 chapter 3 algorithm analysis and system design . 21 3.1 basic formulas of dft . 21 3.2 dif-fft based-2 algorithm . 21 3.3 linear frequency modulation chirp-z algorithm . 23 3.4 algorithm compare . 25 3.5 performance indexs and technical requirements . 27 3.5.1 performance indexs . 27 3.5.2 technical requirements . 28 3.6 system overall design . 30 3.6.1 hardware overall design . 31 江苏科技大学工学硕士学位论文 - x - 3.6.2 software overall design . 31 3.7 summary of chapter 3 . 31 chapter 4 vehicle detection data processing hardware design . 33 4.1 control and processing unit design . 33 4.2 a/d samping and signal conditioning . 34 4.3 signal source hardware design . 36 4.3.1 signal source design based on vco . 38 4.3.2 new type signal source design . 38 4.3.2.1 dds technology basic principle and main features . 39 4.3.2.2 method of genreating lfm use dds . 40 4.3.2.3 new type signal source design bansed on dds+vco+niso . 41 4.3.2.4 ad9954 and si4112 chip introduction . 43 4.3.2.5 circuit realize . 44 4.4 data transmission circuit . 44 4.4.1 transmission mode selection . 44 4.4.2 usb2.0 interface hardware circuit design . 45 4.5 power design . 48 4.6 summary of chapter 4 . 49 chapter 5 system software design and debugging result analysis . 51 5.1 usb