FMCW雷达高精度测距算法研究与验证

摘要

非接触式精确测量在实际的工业生产中有广泛的应用，如建筑安全检测、液位测量、目标运动轨迹监测、物体形变检测等。微波毫米波雷达作为一种非接触式高精度测量的传感器，在精密测量方面具有较好的性能。本文以FMCW雷达（Frequency Modulation Continuous Wave Radar，FMCW Radar）为研究对象，围绕基于FMCW雷达的高精度测距算法展开研究，从雷达实测信号误差、静止目标测距、动态目标测距、三维轨迹测量四个方面展开研究，提出相应算法减小测距误差，提高测距精度，实现高精度的测距应用。主要工作如下： （1）从差拍信号的获取角度分析了雷达实测信号的误差。介绍了FMCW雷达结构框图和差拍信号的获取流程，简要分析了信号获取的过程中影响波形质量的三个问题：VCO非线性误差、寄生调幅干扰和镜像干扰。对这三个问题建立了相应数学模型，分析了问题产生的原因，并提出了相应的解决办法，为后续章节提出的算法实测验证做好相应准备。 （2）研究了近距离静止目标的高精度测距算法。提出了利用相位差实现频率精确测量，进而确定目标所在半波长区间，再利用相位法测距实现高精度测距的算法。该算法结合了频率法测距和相位法测距的优点，具有较好的测距精度。最后利用Matlab仿真和实测数据对上述算法加以验证，有效验证了该静止目标测距算法的精确性。 （3）研究了近距离动态目标高精度测距算法。提出了利用初测速度对差拍信号的相位进行修正的算法，消除了差拍信号中的二次方项，使得信号转化为单频信号，提高了基于频率法和相位法测距的精度。最后利用Matlab仿真和实测数据对上述算法加以验证，实现了动态目标的精确测距。 （4）将一维精确测距算法推广到三维，对目标三维运动轨迹测量进行了研究。分析了目标空间相对位置对角度测量精度的影响。推导了基于一发多收雷达和多基站雷达实现三维目标定位和轨迹测量的算法，并简要对比分析了两种测量方案的优缺点。最后利用Matlab对两种测量算法进行了目标三维运动轨迹仿真。 综上所述，本文围绕FMCW雷达高精度测距算法研究对以上四个方面展开了分析，较为详细地论述了这四个方面研究的主要内容，提出了相应的精确测距算法，并利用Matlab和实测数据对上述研究进行了仿真和验证，基本实现了基于FMCW雷达的高精度距离测量。

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绪论

课题背景与研究意义

课题背景

研究意义

FMCW雷达测量的发展与研究现状

本文的主要核心工作

章节安排

FMCW雷达测距原理和实测信号误差

引言

FMCW雷达基本测距原理

雷达结构框图和工作参数的选择

雷达结构框图

工作参数选择

实际测量中影响信号质量的常见问题

VCO非线性误差

寄生调幅信号干扰

正交通道幅相不平衡与镜像干扰

本章小结

FMCW雷达静止目标精确测距

引言

利用DFT对差拍信号频率和初相进行估计

基于相位差的精确测距算法

常见的频率测量算法分析

利用相位差实现频率精确测量

相位差测频结合相位实现精确测距

FMCW雷达理论测距精度分析

仿真与实测数据分析

Matlab仿真

实测数据仿真

本章小结

FMCW雷达动态目标精确测距

引言

FMCW雷达动态目标距离测量的难点

基于DPT变换实现速度的估计

对称三角波调频实现“距离-速度”解耦合

利用速度对相位修正实现频率和初相的精确估计

实测数据分析

本章小结

FMCW雷达目标三维运动轨迹测量

引言

基于一发两收雷达的目标二维轨迹测量

雷达测角原理

二维平面目标定位测量

基于一发四收雷达的目标三维轨迹测量

基于多站雷达的目标三维轨迹测量

本章小结

结束语

总结

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