高精度位移测量雷达方案设计及信号处理研究

摘要

我国是世界上滑坡灾害严重的国家之一。滑坡监测可以有效地预测滑坡的趋势，为滑坡治理提供依据和评价，在最大程度上减小滑坡灾害带来的损失，具有重要的现实意义。 本文针对山体滑坡活动的特点，提出了一种采用低成本的高精度位移测量雷达对山体滑坡活动进行监测的新型滑坡监测方法。该监测雷达系统由一个询问机和多个应答机组成，利用相位法测距的原理实现对多个观测点的位移监测。 围绕位移测量雷达系统进行了深入分析，重点研究了相位法测距的原理及其信号处理机的实现方法。MATLAB仿真证实该系统满足山体滑坡监测的需求，硬件测试结果表明，该信号处理机能够达到系统的指标要求，位移测量精度达到0.4mm。 本论文的主要工作包括： (1)针对山体滑坡活动的特点，进行了总体系统方案的初步设计，并对其中多项关键技术进行了深入研究和分析，提出了一种利用不同载频的询问信号区分各应答机的多址问题解决方案及距离模糊问题的解决方案；完成了系统的指标论证，并采用MATLAB进行系统仿真验证。 (2)根据位移测量雷达的指标要求，设计了信号处理机的实现方案，并采用Capture CIS 10.0和PowerPCB 6.0绘制原理图及PCB，完成了信号处理机的硬件设计、实现及调试。 (3)基于CORDIC算法在FPGA上实现了数字下变频(DDC)及基带信号的特征提取，完成相位的测量。 (4)在FPGA上实现了Rs-232串行通讯模块的设计，在上位机上实现了基于MATLAB的串行通讯。 (5)对信号处理机的性能指标进行了初步测试。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章引言

1.1课题背景

1.1.1山体滑坡运动的特点分析

1.1.2利用雷达监测滑坡运动的方案

1.2滑坡监测技术的国内外研究现状及发展趋势

1.3本文的主要工作

1.4本文的内容安排

第二章位移测量雷达系统设计的主要理论问题

2.1雷达测距的基本原理及常用方法

2.1.1雷达测距的基本原理

2.1.2雷达测距的常用方法介绍

2.1.3相位法测距的原理

2.2信号采样理论

2.2.1 Nyquist采样定理

2.2.2带通采样定理

2.3数字信号正交变换理论

2.3.1 Hilbert正交变换

2.3.2数字混频正交变换

2.4多速率信号处理

2.4.1抽取

2.4.2 CIC抽取滤波器的特性

2.5 CORDIC算法及其应用

2.5.1 CORDIC算法基本原理

2.5.2 CORDIC算法在数字正交混频中的应用

2.5.3 CORDIC算法在提取基带信号特征参数中的应用

2.6本章小结

第三章位移测量雷达系统总体方案设计

3.1位移测量雷达系统的组成及原理

3.1.1位移监测系统的组成

3.1.2询问机的组成及原理

3.1.3应答机的组成及原理

3.2位移测量雷达系统的技术要求

3.2.1雷达的主要性能指标

3.2.1主要技术参数选择

3.3位移测量雷达系统的参数论证

3.3.1发射功率的论证

3.3.2山体反射杂波对询问机的影响

3.3.3询问机的接收机动态范围的计算

3.4位移测量雷达系统的关键技术问题及解决方案

3.4.1多址问题的解决方案

3.4.2相位法测距的模糊问题及解决方案

3.4.3基准时钟源的误差所带来的影响

3.4.4发射机功率泄漏问题的影响及改善方案

3.4.5中频及采样率的设计考虑

3.4.6应答机的供电设计考虑

3.5位移测量雷达系统的仿真

3.6本章小结

第四章信号处理机的设计与实现

4.1信号处理机的方案设计

4.1.1信号处理机的总体方案及技术指标

4.1.2信号处理机的实现方案

4.2信号处理机的硬件设计与实现

4.2.1器件的选择及介绍

4.2.2硬件电路设计

4.2.3 PCB的设计

4.3信号处理机各子模块的设计及FPGA实现

4.3.1 DDC模块

4.3.2基带信号处理模块

4.3.3与上位机通讯的接口模块

4.3.4时序仿真验证

4.4本章小结

第五章信号处理机的测试

5.1ADC采样性能的测试

5.2数字正交本振(NCO)的测试

5.3测相模块的测试

5.3.1不同输入功率条件下的测试

5.3.2不同长度同轴电缆条件下的测试

5.3.3不同信噪比条件下的测试

5.4系统测试结论

第六章全文总结

6.1结论

6.2下一步工作任务

致谢

参考文献

攻硕期间研究成果

附录信号处理机电路板实物照片及调试环境