FMCW测距雷达设计与实现优秀毕业论文 参考文献 可复制黏贴.pdf

南京航空航天大学硕士学位论文 i 摘 要 fmcw（调频连续波）雷达由于其自身的良好特性，被广泛应用于各种领域。而测距 则是其最基本最重要的功能之一。随着各领域对测距的精度的要求越来越高，对 fmcw 雷达 测距进一步的研究也越来越重要。 本文围绕 fmcw 雷达测距进行了深入分析，设计了一款低成本、小型化 24ghz 雷达测距 系统， 本文首先详细说明了调频连续波雷达的测距原理， 并分别从频域和时域上对系统的差 频信号进行了详细分析，文中根据理论和实际应用需要，确定了测距系统需要设定的参数。 其次，根据各项指标，发射机部分设计了数字化温度补偿非线性 vco 校正方案，并且完成了 实际电路的测试与分析，非线性度小于 5%。本文重点研究在不改变扫频带宽的前提下提高 频率估计精度，从而提高距离测量的精度。本文采取的方法是先采用 fft 法得到 fmcw 雷 达差频信号谱峰的粗略范围， 然后再进一步对这一范围进行谱峰最大值估值， 精确计算出差 频信号频谱的主瓣的峰值点所在位置，从而实现频率的高精度估计，提高了测距精度。在理 论分析的基础上， 本文进一步对系统各部件进行详细设计， 并制作、 调试出了硬件测距系统。 最后，采集了系统的实测的实际数据，并分别对实测信号进行了分析，验证了雷达系统信号 处理方案设计的可行性，雷达的百米相对测距精度达到 5 毫米。 关键词关键词: : fmcw 雷达，差频信号，频率估计，测距，非线性校正，温度补偿，fft fmcw 测距雷达设计与实现 ii abstract frequency modulated continuous wave (fmcw) radar is applied to various fields，owing to its good characteristics. one of the most basic and important functions of fmcw radar is ranging. with the increasing demand for ranging precision, further researches on fmcw radar ranging have become more and more significant. based on analyzing the theory of fmcw radar ranging deeply, a low cost and miniature 24ghz radar ranging system is designed out in this thesis. firstly, the principle of frequency modulated continuous wave (fmcw) radar ranging is introduced in detail, and, beat frequency signal is analyzed respectively in time and frequency domain. subsequently, the parameters of the radar ranging system are established according to theoretic and practical needs. further more, according to each index, a digital temperature-compensation and nonlinear correction vco scheme is designed in transmitter part. the actual circuit test shows that the degree of nonlinearity is less than 5% after using this scheme. this thesis focuses on improving frequency estimation accuracy without changing the sweep bandwidth. the methods are as follows: firstly, the approximate range of beat frequency signal spectrum peak value of fmcw radar is obtained by using fft. then, further estimating the maximum value of the range and calculating the main lobes peak point among beat frequency signals spectrum. thus, the high accuracy frequency estimation is realized and the ranging precision is improved. on the basis of theoretical analysis, each components of the system is further designed and made, and, the hardware of the ranging system is worked out. finally, the measured data of this system is collected and analyzed and the feasibility of the signal processing scheme design is verified. the ranging accuracy is 5mm. keywords: fmcw, beat frequency signal, frequency estimation, distance measure, non-linear correction, temperature-compensation, fft. 南京航空航天大学硕士学位论文 iii 目 录 第一章 绪论 . 1 1.1 背景及研究目的和意义 . 1 1.2 fmcw 雷达的特点及国内外发展现状 . 2 1.2.1 fmcw 雷达的特点 . 2 1.2.2 fmcw 雷达的发展历史与现状 . 2 1.2.3 fmcw 雷达测距的发展现状 . 3 1.3 fmcw 雷达测距的应用 . 4 1.4 论文的主要内容 . 5 第二章 fmcw 雷达测距原理分析 . 7 2.1 fmcw 雷达测距原理 . 7 2.2 差频信号分析 . 8 2.2.1 差频信号的时域分析 . 8 2.2.2 差频信号的频域分析 . 11 2.3 测距系统参数选择 . 14 2.3.1 雷达前端选择 . 14 2.3.2 调制器调制频率的选择 . 15 2.3.3 调制频偏的选择 . 15 2.3.4 带宽的选择 . 16 2.4 本章小结 . 17 第三章 fmcw 雷达测距系统的 vco 非线性度校正 . 18 3.1 调频线性度与测距精度的关系 . 18 3.2 vco 的非线性校正原理分析 . 18 3.2.1 开环非线性校正法的原理 . 20 3.2.2 vco 非线性校正方法比较分析 . 21 3.3 vco 开环非线性校正法电路设计 . 24 3.3.1 非线性校正电路设计 . 24 3.3.2 非线性校正电路的实现 . 24 3.3.3 测试结果分析 . 24 3.4 本章小结 . 25 第四章 提高测距精度的最大值谱线估计 . 26 4.1 连续时间内有限信号的 ft 与 dft(fft) . 26 4.2 影响 fmcw 雷达测距精度的因素分析 . 28 4.3 谱最大值估计算法 . 29 4.4 仿真与分析 . 33 4.5 本章小结 . 34 第五章 fmcw 雷达测距系统部件设计及实现 . 35 5.1 fmcw 雷达测距系统硬件设计 . 35 5.1.1 信号处理器模块的设计与实现 . 36 5.1.2 信号产生 . 44 5.1.3 雷达发射前端 . 45 fmcw 测距雷达设计与实现 iv 5.1.4 模数转换模块 . 46 5.1.5 滤波放大模块 . 49 5.1.6 串行通信方案设计 . 50 5.2 系统软件设计 . 52 5.2.1 dsp 中的 fft 实现 . 53 5.2.2 谱峰最大值估计算法 . 55 5.3 fmcw 雷达测距系统测试分析 . 55 5.4 本章小结 . 56 第六章 总结与展望 . 57 6. 1 总结. 57 6.2 展望. 57 参考文献. 58 致 谢 . 61 在学期间的研究成果及发表的学术论文 . 62 南京航空航天大学硕士学位论文 v 图清单 图 2. 1 fmcw 雷达测距系统的原理 . 7 图 2. 2 测距系统的频率时间曲线 . 8 图 3. 1 vco 线性度的三种有代表性的定义 . 19 图 3. 2 数字 eprom 式线性校正器 . 22 图 3. 3 vco 电调特性曲线 . 23 图 3. 4 用线性插值法算出虚拟曲线 . 23 图 3. 5 推算出控制电压序列 . 24 图 3. 6 使用了开环校正后 vco 的电调特性 . 25 图 3. 7 多次校正平均后 vco 的电调特性 . 25 图 4. 1 傅里叶变换的幅度主瓣 . 26 图 4. 2 理想情况下回波信号的差频信号离散谱 . 29 图 4. 3 谱线位置偏右的情况 . 30 图 4. 4 谱线位置偏左的情况 . 30 图 4. 5 主瓣内各点的情况 . 31 图 4. 6 主瓣近似图形 . 31 图 4. 7 谱峰最大值估计算法流程图 . 32 图 5. 1 fmcw 雷达测距系统硬件设计总框图 . 35 图 5. 2 fmcw 雷达测距系统实物图 . 36 图 5. 3 tms320c6713 内部结构框图 . 38 图 5. 4 tms320c6713 芯片结构图 . 39 图 5. 5 fmcw 雷达测距系统硬件开发设计流程 . 41 图 5. 6 dsp+fpga 结构图 . 42 图 5. 7 fpga 中实现的功能框图 . 42 图 5. 8 emif 的接口 . 43 图 5. 9 emif 与 fifo 的写时序图 . 43 图 5. 10 模拟方式三角波发生器电路 . 44 图 5. 11 模拟方式三角波放大滤波电路 . 44 图 5. 12 模拟方式三角波电路-5v 电压产生电路 . 45 图 5. 13 dac6311 产生三角波信号 . 45 图 5. 14 k-波段 vco 雷达收发器 . 46 图 5. 15 k-波段 vco 雷达收发器原理图 . 46 图 5. 16 多通道输出数据固定位置形式 . 48 图 5. 17 多通道输出数据的输出顺序动态分配位置格式 . 48 图 5. 18 ads1274 芯片在不同的模式之间切换的时间损耗 . 49 图 5. 19 ads1274 芯片结构图 . 49 图 5. 20 mc33078 内部电路图 . 50 图 5. 21 mcbsp 的接口及原理图 . 51 图 5. 22 max3221 和串口连接图 . 52 图 5. 23 dsp 中数据处理流程 . 53 图 5. 24 dsp 中 fft 算法流程 . 54 fmcw 测距雷达设计与实现 vi 图 5. 25 实验测试现场 . 55 南京航空航天大学硕士学位论文 vii 表清单 表 1. 1 sae-100 型号汽车防撞雷达的性能指标 . 4 表 1. 2 工业用避防撞雷达性能指标 . 4 表 3. 1 常用 vco 非线性度校正技术比较 . 20 表 4. 1 稍远距离四种方式的仿真结果 . 33 表 4. 2 稍远距离四种方式仿真所需时间 . 33 表 4. 3 近距离四种方式仿真 . 33 表 4. 4 近距离四种方式仿真所需时间 . 33 表 5. 1 ads1274 芯片的工作模式 . 47 表 5. 2 接口协议、输出格式和数据位置关系 . 48 表 5. 3 实测结果列表 . 55 fmcw 测距雷达设计与实现 viii 缩略词 缩略词 英文全称 fmcw frequency modulated continues wave ft fourier transform fft fast fourier transform vco voltage controlled oscillator dsp digital signal processor fpga field programmable logic array mips million instructions per second snr signal-to-noise ratio 南京航空航天大学硕士学位论文 1 第一章 绪论 1.1 背景及研究目的和意义 在雷达的发展历史中， 使用频率调制信号来测量距离和雷达发展几乎是一起进行的， 早 在 1942 年，barnet 和 apleton 就已经将调频技术用于测量大气层中电离层的距离1。调频雷 达的一些特点一直引发人们对其关注，人们发现调频雷达适用于某些特殊的场合。例如，调 频连续波（fmcw）雷达由于其使用了低截获概率波形而非常适用于结构简单的固定发雷 达射机。现实应用中,在小型弹药传感器、汽车防撞雷达以及海军战术中所使用的导航雷达 都使用了调频连续波雷达。 虽然调频连续波雷达技术发展时期比较长， 但其应用途径却比较 单一，例如无线电高度测量表。现在，调频连续波雷达又引起广泛的关注。其原因主要有以 下几点：首先，调频连续波雷达最普通的优点是系统兼容性好，调频连续波易与各种固态发 射机兼容。其次，该系统若想完成测距任务必须进行频率测量，系统可以使用 fft 法来完 成测距任务，在数字电路越来越发达的今天，实现及优化系统变得容易2。 本文主要研究 fmcw 调频连续波雷达系统中测距精度及系统实现的问题。测距精度问 题是采用调频连续波方法测距的系统所共同需要处理的问题。 为此本文从分析雷达系统的特 性出发， 主要讨论了调频连续波雷达的回波信号处理以及系统测距精度问题。 在调频连续波 雷达测距中， 最简单的方式是直接测量发射信号和回波信号经混频得出的差频信号， 从差频 信号中得出距离信息，但这种方法得出的距离误差较大。分析其原因，首先测距系统的回波 信号会带有大量的噪声， 如不对其进行降噪处理， 混频后得出的差频信号无法提取出有效的 差频信号，从而导致测距结果误差较大。本文中提出对其信号进行滤波得出有用信息。现代 调频连续波雷达测距系统中多采用 fft 法对其差频信号进行处理。因为 fft 频谱估计的频 率精度受到 fft 频率量化的限制（即相邻谱线之间的间隔） ，所以系统在很多情况下频谱分 辨率达不到要求。 对应到调频连续波雷达测距系统上则为系统的测距精度受到扫频带宽的限 制。若扫频带宽设为 1.5ghz,则快速福利叶变换得出的相邻谱线间隔对应的实际距离为 10cm。在某些测距精度要求较高的场合，这显然是不够的。如果想提高测距精度，最直接 的方法是提高扫频带宽， 但这给系统的设计及实现带来很大难度， 所以只有考虑在不改变扫 频重复周期的情况下进一步研究通过其他方式来提高频率估计精度。 研究表明频率插值和频 率细化可以提高快速傅里叶变换算法的频率估计的精度，但是如果想将其精度提高 10 倍， 需要在快速傅里叶变换的相邻谱线细化为 100 个点， 这显然是不理想的方法， 这将需要增加 大量的运算量，这也给硬件设备的设计和实现增加了很大的困难，且影响了系统的实时性。 因此， 目前如何提高频谱分辨率成为研究热点， 很多研究者提出小波变换法来提高测距精度， 但从工程实现上来看依然比较困难。 fmcw 测距雷达设计与实现 2 1.2 fmcw 雷达的特点及国内外发展现状 1.2.1 fmcw 雷达的特点 fmcw（frequency modulation continuous wave）即调频连续波。早在七十年代，调频 连续波雷达主要应用于测距和测速中，例如连续波高度计、测距雷达、汽车防撞雷达等23。 fmcw 雷达是通过对连续波的频率调制来实现测速及测距的雷达体制。与传统雷达体 制相比较有以下几方面特点418： 1、 fmcw 雷达发射的连续波信号具有峰值功率低和工作频率范围宽的特点。为了使 整机能做到结构简单、重量轻和体积小，在微波、毫米波波段可采用一体化的连 续调频波集成组件。 2、 由于 fmcw 雷达系统的谱线间测量距离间隔由 fmcw 信号的带宽所决定，带宽 较宽的 fmcw 雷达的谱线间测量距离间隔较小。 3、 fmcw 雷达不存在距离盲区。 fmcw 雷达的回波时延远小于发射信号带宽， 且发 射信号与接收回波信号是同时进行的。 4、 fmcw 雷达通过 fft 法，从差频信号中提取目标距离信息，在数字信号发达的今 天，系统容易实现。 5、 fmcw 雷达具有良好的 eccm(即电子对抗)和 lpi(即低截获率)性能。 1.2.2 fmcw 雷达的发展历史与现状 前苏联科学家 h.曼捷列施塔姆和 h.巴巴列可西首先将调频法运用到无线电高度表上， 之后调频测距便广泛应用于实际。fmcw 雷达高度表最先是用在测量飞机飞行高度上，后 来随着技术的发展、测距精度的提高，fmcw 雷达高度表被广泛应用于低空导航、投弹控 制、自动着落及自动滑翔等方面23。 自 80 年代开始，人们对 fmcw 体制雷达各方面的研究越来越重视，加之数字信号处 理及硬件水平的整体进步，fmcw 雷达的理论及实现技术得到迅速发展。fmcw 雷达的应 用广泛扩展到成像、舰船水上导航、导弹制导、军事战场侦察、气象监测等各种领域2。 fmcw 体制雷达的优点随着雷达所面临的最大的威胁（反辐射导弹、隐身飞机、低空 超低空突防、电子干扰）日趋严重和地面军事火力精度的大幅提高显得越来越突出。很多国 家都在进行这方面的研究，并且已突破了大部分的关键技术，一些国家研制出了 fmcw 体 制的雷达整机。发展到今天，fmcw 体制雷达在研究上取得了大量成果，并已进行成熟的 理论并已出现完整的技术体系。 从各中资料分析可以得出，各种 fmcw 体制的测距雷达基本原理都是相同的418。具 体解释为：先对连续载频信号进行调制，通过雷达发射设备将信号发射出去，并在雷达接收 设备收到回波信号之后将发射信号和回波信号进行混频、 滤波和放大处理， 并对其进行频域 分析。 目标距离信息是通过回波频移与时延的关系来得出的。 各种测距雷达间的不同处主要 南京航空航天大学硕士学位论文 3 是发射信号调制方式和信号处理方式各不相同3。总的来说，发射信号的调制方式主要分为 相位和频率调制两大类。其中频率调制种类较多，主要分为三角波、锯齿波、正弦波、噪声、 多模调制等； 而相位调制有相位编码调制等方式。 将目标的距离信息和速度信息用频移或者 相移来表示，经过信号处理得出结果是调制的共同目的。 随着近几年硬件技术的高速发展，市场上出现了很多通用或专用的高速信号处理芯片， 这使得在工程上实现大运算量的高精度频谱分析的实现成为可能。很多脚心的 fmcw 雷达 测距系统都使用了高速处理芯片来完成对回波信号做大点数的快速傅里叶变换， 从而从频域 上获得目标信息。 fmcw 雷达没有距离盲区，具有优良的测距精度和谱线间测量距离间隔，在高精度距 离测量上比其他体制的雷达更具有优越性。 雷达的谱线间测量距离间隔对测距及目标探测和 识别都具有重要意义。通过距离超分辨，可以由目标回波特性先判断出目标类型。目标回波 信号是由目标各散射点的回波信号叠加在一起所产生的， 由于目标形状及大小各不相同， 所 以其散射点分布也不相同。如果谱线间测量距离间隔能提高到 1m，根据回波长度及回波强 度在距离上的起伏可以判断出目标的属性（例如是舰船还是飞机等，以及它的运动姿态） 。 早期的 fmcw 雷达在高信噪比和单目标的情况下可以采用平均频率计数法，在是遇上 获得回波信号中的距离信息。这种方法的特点是结构简单且测量精度较高。在八十年代后， 随着数字电路的高速发展，fmcw 雷达测距系统普遍开始采用数字信号处理的方式来获得 回波信号中的有用信息。 这里所用的数字信号处理方式是采用快速傅里叶变换来得出回波信 号的功率谱，并找出极大值谱线，其对应的距离即是包含目标距离的有用信息。这种方法可 以充分利用 fmcw 雷达的高谱线间测量距离间隔及高测量精度的特点，同样适用于复杂环 境，是微波、毫米波测距及成像的重要方法。但直接采用 fft 法所得到的距离谱有固定的 采样间隔r,因此产生了r/2 的固定误差，这使得近距离测量情况下的相对误差较大。为 此，如何提高 fmcw 雷达的测距精度，成为 fmcw 雷达测距首先要解决的问题。 1.2.3 fmcw 雷达测距的发展现状 在国外 fmcw 体制的高精度测距雷达已经应用于很多方面19， 其中加入了很多新技术。 典型的例子有机载雷达高度仪、汽车防撞系统、导弹导航等。在美国，an/spg-51 舰载火 控雷达由于安装了一步 cwat(continuous wave acquisition and tracking)，火炮及导弹的打 击精度可得到精确控制；在南非，调频连续波雷达被用于 traq 弹道分析雷达，又称“静 默雷达” ， 该雷达可测量5.56mm以上口径的弹丸所产生的弹道； 在荷兰， 一种叫做gb