毫米波主动探测系统的信号处理算法及实现

摘要

毫米波雷达在近程测距方面有着广泛的应用，高效的测距算法和稳定的硬件电路是实现高精度测距的重要保障。本文以3mm主动探测系统为研究背景，围绕主动雷达测距的高精度算法和系统硬件电路设计进行了深入研究。按照实际应用需求，构建了一种对信号进行处理的系统，主要工作如下:
　　1、介绍了LFMCW雷达主动探测的基本原理和实现方案，给出了系统的结构模型，建立了差频信号模型并进行了相关参数分析。
　　2、利用比值法测距算法简单、精度高、易实现的特点，首先分析了Rife算法和幅相联合内插算法(CAPI)的性能，提出了Rife和幅相联合内插结合算法(R_CAPI);其次剖析了比值法其他两种常用算法Jacobsen和Quinn算法的性能，提出了基于J-Quinn的频率估计算法。两种改进算法均提升了差频信号频率估计性能。
　　3、针对FFT变换存在栅栏效应、频谱泄露和分辨率不高的缺陷，以及目前一些算法在多频率估计方面的不足，本文提出将MVDR模型的现代谱估计理论引入到LFMCW雷达测距中。在传统MVDR谱估计方法基础上进行了改进，提出自适应的最速下降频率估计算法(AFEA-SD)，此方法中所使用的依托迭代理论的谱峰搜索区别于通常的搜索方法，结果表明，此算法可以有效克服FFT变换的固有缺陷，并具有分辨率高、估计精度高、计算量小和可用于多频率估计的优势。
　　4、结合项目需要，以FPGA的XC3S50为核心器件，完成了调制信号产生、差频信号采样、差频信号处理三个部分的硬件电路设计与实现，重点包括电源产生、时钟控制和仿真JTAG等辅助模块电路设计，以及数模转换、电压比较、差频信号采样等测距模块电路设计。同时，给出了整体的系统原理图设计和PCB实物图。
　　5、对系统的软、硬件进行联调和户外模拟实验，从而验证了系统的可行性，检验了各算法在雷达测距中的性能和硬件电路设计的可靠性。