基于超声和SAR理论对地面目标检测系统

摘要

空间定位技术指的是利用空间信息并加以分析得到点或者面空间信息变化的技术。当前，空间定位技术多以光，电磁波定位为主，而本文则是以超声为主进行空间中的定位分析。蝙蝠，海豚等生物利用自身的“生物声纳”分析周围空间的信息，人们从19世纪70年代开始对这些生物在空间中的定位的方式进行研究分析。19世纪末20世纪初压电材料产生超声波的方法被发现使得超声技术得到飞快的发展。研究超声空间定位技术是对光，电磁波等空间定位技术的一种有力补充，可以应用于一些不适合于光、电磁波等空间定位的技术的一些场景，例如:夜间，浓雾天气，海底，火灾现场等。我们可以利用超声空间定位技术对这些场景进行有效的空间信息分析。
　　本文提出了超声动态定位的一种方式，利用SAR成像的相关算法与超声定位相结合，并结合了中心二维分布和K-Means算法对空间信息进行有效的定位分析。与当前超声定位不同的是，本文介绍的是一种动态定位，即采集系统会在移动中对空间信息进行分析，而非是固定接收源的静态超声定位算法。利用动态定位可以用于许多领域，如:视线不佳时无人驾驶中对周围空间目标的定位分析。
　　本文主要通过模拟仿真，实物搭建，实物实验，误差分析等方面对本文所采用的处理方式以及模拟动态蝙蝠定位进行了验证和分析。首先通过Matlab对超声信号能否应用于SAR算法进行仿真定位分析，其次利用STM32芯片做主控芯片，搭建超声移动采集平台，通过该平台采集空间信息。再将采集到的信息利用Matlab做信号处理以及算法分析，完成对实验物体的定位。通过多次实验对目标定位精度进行误差分析。
　　对空间信息分析时，通过光、电磁波等定位分析具有一定的局限性，本文所提出的结合SAR成像原理中算法的动态超声定位对空间中目标定位分析具有一定的作用。可以作为光、电磁波定位的一种有效补充，对空间信息分析研究提供了借鉴意义。本文通过对动态超声定位的分析，为一些不能采用光、电磁波定位的场景提供了另一种可行性，为研究生物导呐定位系统的研究人员提供了借鉴意义。本文通过对地面目标检测的实验为无人驾驶中视线不好的环境中避障提供了一定的借鉴意义。

目录

声明

摘要

符号说明

1．1 研究背景与意义

1．2 研究现状

1．3 超声定位的基础

1．3．1 超声波的速度

1．3．2 超声波的衰减

1．3．3 超声波的方向性

1．3．4 回声定位原理

1．4 合成孔径雷达的基础

1．4．1 合成孔径雷达分辨率

1．4．2 合成孔径雷达算法

1．5 本文的主要工作

2．1 设计思路

2．2 超声发生模块

2．2．1 超声换能器

2．2．2 PWM调制波形

2．3 超声接收模块设计与流程

2．3．1 超声麦克

2．3．2 超声麦克放大电路

2．4 超声数据存储模块

2．4．1 ADC模块

2．4．2 DMA模块

2．4．3 存储模块

2．5 平台移动模块

2．6 移动平台测试及各项参数

2．6 本章小结

第三章 超声信号处理及定位

3．1 预处理

3．1．1 滤波

3．1．2 分帧和加窗

3．2 短时能量谱分析和端点检测

3．3 单目标的回声信号定位

3．4 多目标实验定位

3．5 本章总结

第四章 数据处理结果和结论

4．1 单目标定位分析

4．1．1 实验环境

4．1．2 单目标实验结果分析

4．2 多目标定位及分辨率分析

4．2．1 实验环境

4．2．2 分辨率

4．2．3 定位结果分析

4．3 本章总结

5．1 论文总结

5．2 展望

参考文献

致谢

攻读学位期间的学术成果