FMCW雷达近程测距系统设计及实验研究

摘要

FMCW(Frequency ModulatedContinuous Wave)即调频连续波，FMCW雷达具有超大时宽带宽积、分辨力高、无距离盲区、抗干扰能力强、发射功率低且易集成的特点，在精确制导、汽车防撞、建筑测量、液位/料位测量等领域中具有广阔的应用前景，其测量原理及基础硬件日益成熟，而实际应用中的测量精度及实时性仍有待提高。本文通过对FMCW雷达测距理论的研究以及近程测距差频信号的研究与处理，采用雷达传感器IVS-179，设计了以TMS320F28335为核心的FMCW雷达近程测距系统，并在实验的基础上对测量精度关键技术进行了研究。
　　研究FMCW雷达工作机制及锯齿波测距原理，分析了差频信号的频谱泄漏及固有分辨力问题，然后对FMCW测距系统的进行了整体软硬件设计，采用矫正波形电压的方式提高调频线性度，并设计了数字编程式波形发生器，分析FMCW雷达差频信号的调制泄漏特性及距离特性，设计了MFB结构高通滤波器、自适应可编程放大电路及Sallen-Key结构低通滤波器分别解决调制泄漏、信号强度及高频干扰的问题。
　　分析现有鉴频算法的优缺点，详细介绍了WIN_FFT_CTA算法的实现原理及计算流程，并仿真得到理论测量精度，明确了初始相位提高测量精度的可行性，最后使用C语言编程实现了鉴频算法在DSP中运行，单次算法计算时间为58.5ms。
　　搭建测距系统实验平台，采用短时WIN_FFT_CTA算法近似估计差频信号瞬时频率，以距离平整度间接表示调频线性度，将调频线性度提高了约16倍。使用步进增量距离调整、线性拟合法标定距离，在测距实验中得到，采用本文鉴频算法使用频率估计距离精度为2mm，使用初始相位估计距离精度为0.15mm，相对FFT算法其测距精度大大提高。

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第一章 绪论

1.1 课题背景及研究意义

1.2 FMCW雷达发展及国内外研究现状

1.3 论文主要研究内容

1.4 论文章节安排

第二章 FMCW雷达测距原理

2.1 FMCW雷达结构及工作原理

2.2 锯齿波测距原理

2.3 FMCW雷达测距精度分析

2.4 本章小结

第三章 FMCW雷达测距系统

3.1 测距系统总体结构

3.2 雷达传感器

3.3 DSP核心电路

3.4 波形发生器及信号处理模块

3.5 ADC模块

3.6 其他外围电路

3.7 测距系统硬件电路PCB设计

3.8 本章小结

第四章 波形发生器

4.1 调频非线性矫正方法

4.2 波形发生器硬件设计

4.3 波形发生器软件设计

4.4 本章小结

第五章 差频信号处理电路

5.1 差频信号特征及处理流程

5.2 高通滤波器设计

5.3 可编程放大电路

5.4 低通滤波器

5.5 信号处理整体电路

5.6 信号处理实测波形

5.7 本章小结

第六章 鉴频算法

6.1 鉴频算法概述

6.2 WIN_FFT_CTA算法原理

6.3 WIN_FFT_CTA算法仿真

6.4 初始相位提高距离精度的可行性分析

6.5 鉴频算法DSP实现

6.6 本章小结

第七章 测距系统实验

7.1 测距实验平台搭建

7.2 调频非线性矫正

7.3 距离标定

7.4 实验测量及精度分析

7.5 本章小结

第八章 总结与展望

参考文献

附录：鉴频算法代码

致谢

攻读学位期间发表的学术论文