基于FMCW的毫米波雷达近程测距系统设计

摘要

随着人工智能、智慧医疗、无人驾驶等技术的兴起和发展，对特定目标距离和位移的精确测量在实际的工业生产中发挥着重要作用。传统的测距方式普遍存在精度不高、易受环境影响等问题，因此多种“非接触式”的测距方式应运而生。其中FMCW（Frequency Modulated Continuous Wave）雷达测距系统因其测量精度高、不易受环境干扰的特点体现出了很好的应用前景。　　本文调研和分析了当前国内外对FMCW雷达测距的应用需求，结合毫米波雷达传感器和数据处理技术，设计了一款小型化、高性能、价格合理的FMCW毫米波雷达近程测距系统，解决了传统雷达测距系统集成度低、结构复杂、价格昂贵等问题。主要研究工作如下：　　①通过对多款雷达传感器参数的对比分析，选用德州仪器公司的AWR1443芯片作为系统毫米波雷达传感器主芯片，根据传感器选型确定系统的整体方案，并分析研究FMCW雷达测距和介质透镜天线的基本原理。　　②确定系统硬件方案，设计毫米波雷达传感器芯片外围电路，完成PCB设计和加工。　　③研究了雷达差频信号的处理算法，在MATLAB中对FFT（Fast Fourier Transform）算法、CZT（Chirp Z-transform）算法的测距精度进行测试对比，并在此基础上提出FFT_DTFT_CZT改进型算法，实验结果显示，该算法明显提高了频谱分辨率和测距精度。　　④完成了系统测试平台的搭建和系统GUI显示界面的设计，经过调试后进行距离精度测试，测试结果显示：系统在0.5~12m的范围内，测距误差为10mm，精度为0.083%；在12~25m的范围内，测距误差为54mm，精度为0.216%。在系统测试距离较远（12~25m）时，提出通过加装介质透镜的方法来提高信号信噪比，将系统的测距误差降低到37mm，即系统测距精度达到0.148%。

目录

1 绪论

1.1 论文研究背景及意义

1.2.1 国内研究现状

1.2.2 国外研究现状

1.3 论文的主要研究内容

1.4 本章小结

2 FMCW毫米波雷达近程测距系统方案及基本原理

2.1 FMCW毫米波雷达系统方案

2.1.1 传感器方案

2.1.2 系统方案

2.2 FMCW雷达测距原理

2.3 介质透镜天线基本原理

2.4 本章小结

3 FMCW毫米波雷达近程测距系统硬件设计

3.1 硬件系统设计方案

3.2 射频电路

3.3 电源管理电路

3.3.1 开关电源芯片LP87524JRNFRQ1

3.3.2 LDO 芯片 TPS7A8801RTJR

3.3.3 LDO 芯片 TPS7A8101QDRBRQ1

3.4.1 CAN总线

3.4.2 高速 HD接口和JTAG 接口

3.5.1 层叠结构

3.5.2 高速信号

3.5.3 电源

3.6 本章小结

4 FMCW毫米波雷达近程测距系统软件设计

4.1 系统软件总体设计

4.2.1ADC 参数配置

4.2.2ADC 程序设计

4.3 数字信号处理

4.3.1 数据存储及预处理

4.3.2 数字滤波器的设计

4.4.1 基于 FFT的频率估计算法

4.4.2 基于 CZT的频谱细化算法

4.4.3 基于 FFT_DTFT_CZT的优化算法

4.5 系统GUI界面设计

4.6 本章小结

5 测试与结果分析

5.1 系统调试

5.2 系统测试

5.2.1 距离精度测试

5.2.2 介质透镜精度测试

5.3 误差分析

5.4 本章小结

6 总结与展望

参考文献

附录

A. 学位论文数据集:

致谢