FMCW测距雷达设计与实现---南京航天航空大学 .pdf

发布时间：2022-06-15 发布人：admin 分类：说明书资料大小：3.27M 资料格式：pdf 举报版权申诉

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图清单

表清单

缩略词

第一章绪论

1.1 背景及研究目的和意义

1.2 FMCW雷达的特点及国内外发展现状

1.3 FMCW雷达测距的应用

1.4 论文的主要内容

第二章 FMCW雷达测距原理分析

2.1 FMCW雷达测距原理

2.2差频信号分析

2.3 测距系统参数选择

2.4 本章小结

第三章 FMCW雷达测距系统的VCO非线性度校正

3.1 调频线性度与测距精度的关系

3.2 VCO的非线性校正原理分析

3.3 VCO开环非线性校正法电路设计

3.4 本章小结

第四章提高测距精度的最大值谱线估计

4.1 连续时间内有限信号的FT与DFT(FFT)

4.2 影响FMCW雷达测距精度的因素分析

4.3 谱最大值估计算法

4.4 仿真与分析

4.5本章小结

第五章 FMCW雷达测距系统部件设计及实现

5.1 FMCW雷达测距系统硬件设计

5.2 系统软件设计

5.3 FMCW雷达测距系统测试分析

5.4本章小结

第六章总结与展望

6. 1 总结

6.2 展望

参考文献

致谢

在学期间的研究成果及发表的学术论文

南京航空航天大学硕士学位论文摘要 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: FMCW 雷达，差频信号，频率估计，测距，非线性校正，温度补偿，FFT I

FMCW 测距雷达设计与实现 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 lobe’s peak point among beat frequency signal’s 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. II

南京航空航天大学硕士学位论文目录第一章绪论 ..................................................................................................................................... 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 III

FMCW 测距雷达设计与实现 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 IV

南京航空航天大学硕士学位论文图清单图 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 V

FMCW 测距雷达设计与实现图 5. 25 实验测试现场 .......................................................................................................... 55 VI

南京航空航天大学硕士学位论文表清单表 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 VII

FMCW 测距雷达设计与实现缩略词英文全称 Frequency modulated continues wave Fourier Transform Fast Fourier Transform Voltage Controlled Oscillator Digital Signal Processor Field Programmable Logic Array Million Instructions Per Second Signal-to-Noise Ratio 缩略词 FMCW FT FFT VCO DSP FPGA MIPS SNR VIII

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