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同时进行的故从理论上来说 FMCW雷达系统是没有距离测量盲区的。

归档日期:07-01       文本归类:电离状态      文章编辑:爱尚语录

  同时进行的故从理论上来说 FMCW雷达系统是没有距离测量盲区的。 不可避免的 FMCW体制雷达也存在缺点 主要表现在两个方面 11 距离与速度的耦合和发射功率限制了距离的测量。距离和速度的耦合 从文献 12 可知 FMCW雷达是大时宽积信号 距离分辨率高 但在运动目标的检测上 雷达在一次的观测时间内

  同时进行的故从理论上来说 FMCW雷达系统是没有距离测量盲区的。 不可避免的 FMCW体制雷达也存在缺点 主要表现在两个方面 11 距离与速度的耦合和发射功率限制了距离的测量。距离和速度的耦合 从文献 12 可知 FMCW雷达是大时宽积信号 距离分辨率高 但在运动目标的检测上 雷达在一次的观测时间内会存在多个距离分辨单元 也可以等效成静态的目标 多个目标的情况 这就对系统分辨率有要求。至于测量距离之所以受限制的原因是当测量距离增大时 要求发射信号的发射功率大。在使用单个天线的FMCW雷达中 发射功率增大时 可能会致使接收机端混入泄漏的发射信号 影响信号后续的处理 并且在增大测量距离的同时又要保证测量的精度时 需要采样点数来保证精度 采样点数的增加则意味着FFT处理数据量的增加 影响系统实时性。 本文主要根据系统对分辨的要求而对FMCW雷达信号源线性度的要求研究FMCW信号源线性化的方法达到提高系统分辨率的目的 通常FMCW雷达系统的组成有三个部分 电压调制系统、雷达发送和接收系统以及信号处理系统。其运行原理为 电压调制系统用来产生雷达前端模块所需的调制电压来启动模块中的 VCO 通过VCO生成的信号即为发射的微波信号。经过天线的回波信号送至混频器和本振信号进行混频处理 得到的差拍信号就包含有距离信息 该信号通过滤波放大 接着送至 DSP对信号进行处理。由于VCO器件对环境因素敏感 譬如稍微温度变化就能影响发射信号的非线性 因此 针对如何线性化这一问题 本文进行了相关研究。 2线性化技术的主要研究内容和难点根据雷达系统的运行原理可知 发射信号的产生是通过VCO产生的 那么如何对VCO产生的信号源进行线性化成了主要的研究内容。VCO的线性度校正主要有两种途径 硬件电路设计处理和软件信号处理。硬件处理途径通常考虑的关键点是VCO的电压校正 校正电压的获取一般是采用实时测量电压 频率曲线 随后采用迭代算法或者瞬时频率测量 13 等方法 使频率变化最终接近理想线性调频 但是这种硬件处理方法有一个问题 那就是微处理器的字长和D A采样的有效位数会影响校正的精度 并且实时的测量其电压 频率曲线也是一个难点。硬件电路还有一种闭环的线性校正方法 其基本思想是采样用负反馈的锁相环技术实现对VCO电压 频率特性的一个实时性的校正 中北大学学位论文 它的优点在于可以根据VCO的实际输出信号频率偏离理想频率的误差量来实时、动态地修正控制电压逐渐使实际频率的误差趋于零 虽然该方法可以实现自动地跟踪补偿VCO电压 频率特性的变化 并且线性校正精度高 但是硬件电路实现较复杂 成本高。 信号处理的方法通常是对发射信号和接收信号混频后的差拍信号进行处理 一般采用的信号处理的方法为FFT变换 一般FFT变换后频谱精度不高 不能准确获取目标距离信息。因此 大量的文献在信号处理方法上进行了研究给出了几种提高频谱精度的信号处理方法 文献 14 采用匹配滤波首先消除发射信号中的非线性 然后采用剩余视频相位校正方法消除剩余的非线性 最终达到完整消除差频信号的非线性的目的。其缘由是发射信号的非线性导致了接收信号的非线性 将发射信号与接收信号进行混频的差拍信号也就自然产生了非线性 它考虑到发射信号的非线性是与距离无关的 先进行消除 然后采用视频校正技术实现接收信号的非线性消除 达到线 对差频信号的处理所采用的方法是在对FFT变换后的频谱的谱峰位置进行逼近估计 该方法考虑到系统的实时性 和直接FFT变换法相比 FFT CZT法 内插采样法有计算精度更高 计算时间更少的优势。 文献 16 采用基于奇异值分解 SVD 的非平稳信号重叠分段降噪算法和自适应窗长的伪魏格纳威尔分布 PWVD 瞬时频率估计算法 将两种算法综合对差频信号进行处理 其思想是高精度的检测出差拍信号的非线性度 接着可以实现非线性的校正 虽然 该方法可以较高精度的检测出差频信号的非线性 但是计算较为繁琐。 综上所述 线性化的技术主要分为硬件方法和软件方法 硬件方法在于如何设计硬件电路提高线性化的精度 软件方法则是对差拍信号的处理上面 如何精确的找准差拍信号频谱的谱峰位置为关键。 3相关技术的国内外研究现状FMCW系统线性扫频波获得方法有多种。与传统的模拟方法相比 数字方法具有可编程、灵活性好、稳定好 可靠性高等优点 因此正得到越来越广泛的应用 17 20 。数字方法主要有 直接数字频率合成DDFS一般简称DDS 由美国学者J Tierney等在1971年提出 21 。它是一种全数字的频率合成技术 由相位累加器、相位 幅度转换数中北大学学位论文 模转换器以及低通滤波器组成。对DDS而言人们对系统中由相位截断误差和数据量化引入的杂散噪声相应地找到了诸多有效的杂散抑制方法。但在实际工作在1GHz系统时钟的DDS 其输出信号谱中总是存在 40dB左右的少数杂散谱线 这是由DAC的非理想特性引起的 22 。这样 A转换器的性能就成了制约DDS输出信号频谱质量的决定因素在雷达系统中的信号是超宽带的 而高速优质的DAC在常规集成电路工艺则较难完成 数字基带加正交调制的LFM产生方法。尽管正交调制解决了高中频的问题但是超宽带LFM信号产生时 要求基带分量本身也要有足够的带宽 因此对DAC的要求同样很高 直接数字倍频方法。进入二十世纪九十年代采用倍频链实现频带扩展的信号产生方式在相关技术文献中已有讨论 23 24 但受数字基带部分输出带宽的限制 这些系统中大多采用较高的倍频次数 如16倍或32倍 甚至64倍 但倍频次数的提高会引起信号杂散的增加 最终反映在削弱分辨率上 利用线性扫频电压信号控制VCO。由于VCO的特性采用该方法可以很容易的产生超宽带的扫频信号 并且成本不高 因而使用VCO获得FMCW信号成为一种较为普遍的方法。 FMCW雷达系统的距离分辨率和VCO的电调线 。换句话说 FMCW雷达系统的性能好坏的关键指标是由VCO的电调线性度决定的。由于实际VCO电压 频率曲线存在着非线性 如果不进行线性度校正 那么发射信号的瞬时频率随时间的变化是非线性的 也就是调频线性度会很差 而即使是很小的非线性都会导致雷达探测系统中分辨率恶化很多 甚至发现不了目标 使雷达失去正常工作的意义。因此 为促进FMCW雷达系统整体性能的提高 必须对VCO进行非线性的校正。 对于VCO的非线性的校正技术包括两种校正方案 26 27 开环线性校正和闭环线性校正。 开环线性校正开环校正方法可以说是一种单向的校正方法 也就是没有反馈系统和其它控制电路存在于控制系统中。其基本思想是为了获得一个线性的扫频输出 在输入端输入一个非线性的斜坡电压信号。常见方法是采用程序修正存储到一张表中 然后将这张表中的数据通过DAC恢复出来。在这个过程中 VCO的温度必须保持一个常量或者不同的表必须和振荡器的特性变化保持一致 28 29 。这种方法误差的一个来源是在一个稳定的状态下的频率测量的变化 例如一个常量电压输入 并且最终将这种误差反映在斜坡的产生上。中北大学学位论文 此外因为被控制的控制只有一个开环系统 由于温度、环境因素、老化等不可避免的频率漂移还是得不到补偿。 闭环线性校正闭环线性校正主要是使用锁相环的负反馈系统 其思想通过输入与实际输出间的误差信号实时动态地去修正VCO的控制电压 最终使得误差逐渐趋于零 虽然该方法与开环校正的最大优点在于校正精度高 但是其也有着不可忽略的缺陷。 由于PLL是一个动态的系统 输入的任何变化不会立刻反映到输出上而出现一个暂态。和斜坡信号的周期相比 如果偏差衰减缓慢 在输出频率上造成的误差对FMCW的测量结果带来负面影响。因为快速的斜坡频率上的暂停会占用整个斜坡的周期 会导致FMCW要测得目标无法接受到斜坡频率。 文献 30 提出了一种不用外部测量设备测量PLL内的VCO瞬时输出相位的方法 在知道频率误差和理想频率曲线之间的关系的条件下 使用一个合适的分频器作为相位 频率检测器 PFD 的输入。该方法允许近似测量VCO输出频率的参考信号的上升沿的时刻 但需要再加一个相位检测器 PD 这样可以在每一个参考振荡器周期的前缘测定两个PFD输入信号。VCO的输出频率由一个周期性的分频值输入序列可以进行适当的修改 然后将这种修改应用于不受干扰的输入序列 同时观察这种修改对PFD输入边缘的演替影响。根据一个已知的输入序列可以获得一个相位估计 PLL的一个线性模型也可以很容易地计算出来。来自一个周期性的相对于理想曲线的输入序列中的相位偏差的测量 可以使用得到的动态系统模型计算的输入分频器序列所需的预失真。由于测量误差和模型近似一个单步补偿将导致残余相位误差 但是 在应用程序的调整过程中 可以最大限度地减少迭代。 文献 13 阐述了一种非线性校正方法 该方法是基于免疫思维进化算法的。免疫思维进化算法通过将人工免疫算法中的浓度调整机制与个体多样性保持策略应用于MEA 31 对于 MEA中存在的超级个体和收敛较慢的问题给予了有效的解决。这种校正方法的原理是构造VCO非线性评价函数 评价函数的获取是通过提取频谱特征得到的 首先将非线性进行分段 然后使用IMEA求解出分段处的坐标 这样就形成了一条近似于实际非线性的调频电压曲线 最后实现对FMCW雷达中的VCO的非线性的校正。该方法不需要增加额外的硬件电路 具有的优点有方便、快捷、低成本以及无人干预。中北大学学位论文 文献32 33对于调频电压曲线的分段的断点位置的确定采用IMEA方法 获得实际的非线性的调频电压曲线 对VCO进行线性度校正 使得 VCO的调频线性度测量信号的信噪比有效地提高了 降低了频谱展宽和相位噪声对距离分辨率的影响。缺点是线性度校正的精度取决于调频线性度的评价函数 而该函数得到的结果是一个近似的结果 即使在后续的处理中使用IMEA和MEA进行计算得到最优解 对于校正精度的提高作用也不是很大。 由于FMCW雷达信号非线性检测的精度决定了非线性校正的精度 着眼于高精度的检测出LFM的非线性度 解决直接测量VCO非线性曲线难度的问题 然后根据重复控制实现非线研究内容和论文安排本文针对FMCW信号源的线性化问题 分析主要是VCO的线性化的问题 采取软件的方法对差拍信号进行信号处理 高精度的估计出差拍信号的时间 频率关系 提出了一种基于STFT和采样补零能量重心的方法准确地检测出差频信号的非线性 从而确定FMCW信号源的非线性关系 进而采用基于重复控制理论的系统实现非线性的校正。本文的主要内容及结构如下 第一章简述了本课题的研究背景及意义 介绍了FMCW信号源线性化技术的国内外的发展现状 最后明确给出了本文的研究内容与论文的章节安排。 第二章主要介绍了FMCW雷达系统的原理 详细分析了非线性产生的原因 并且分析了系统非线性会造成分辨率恶化。最后说明了线性化技术中信号处理中传统FFT存在的问题。 第三章详细论述了apFFT FFT综合相位差频率估计的原理 并在实际平台上给予了实现 同时详细分析了该算法的抗噪性能 该算对单频信号估计的准确性。 第四章论述了采样序列补零可以提高频率估计精度能量重心法也可以提高频率估计精度 因此 将两者进行结合 更准确的估计出信号的频率 并进行了大量的实验验证了该算法对非平稳信号的估计的可行性。 第五章首先通过建立LFM非线性多项式的数学表达式 进而分析通过确定差拍信号的时频关系即可确定信号的非线性关系。对于差拍信号的获取采用可以采用频率估计中北大学学位论文 方法估计出差拍信号离散的频率点接着进行多项式拟合确定差拍信号非线性多项式 在获取差拍信号离散频率点的过程中采取了频率估计方法进行估计 而对于这样一种动态频率的估计可能对频率估计方法造成影响 故分析了该影响。最后根据差拍信号和发射信号间非线性多项参数间的关系确定实际LFM非线性 进而通过非线性校正系统给予校正。 第六章总结与展望 对全文的工作进行了总结 并分析了本课题需要改进的工作。 中北大学学位论文 FMCW雷达原理FMCW雷达系统发射连续波信号 该信号的频率是经过调制超过一定带宽的。信号调制可以三角波、锯齿波或者正弦波。信号的带宽决定了系统的距离分辨率 带宽越大 距离分辨率越高。由于该雷达系统应用于探测冰川的分层结构 需要高分辨率 自然需要大的带宽。 FMCW雷达原理在FMCW系统中 发射信号为调频连续波 其时域表达式用数学方式表示如下 2001 cos2 2tStAftt 为发射信号的初始相位0f为其初始频率 为chirp 线性调频 信号的调频率。 0fTBtf发射信号接收信号 1FMCW雷达系统发送和接收信号频率变化如图2 1所示 发射信号由实线表示 虚线表示接受信号 发射信号的频率是随时间线性变化的 该变化率为一常数 将其称为调频率 其计算方式如下 BWT BW为调频带宽即为起始频率和终止频率之间的频率差 T为脉冲宽度或者说脉冲频率的时间增量。 上述发射信号的瞬时频率可通过对其瞬时相位求导得到 可以表示如下 中北大学学位论文 10 0011 22 22Instdfftftdt 那么发射信号的最大频率可以表示如下0MaxffT 首先分析单个目标的情况当发射信号经过某种介质发射到达目标后 目标反射回一部分信号到雷达处 那么接收信号即为衰减的发射信号的一定延时 假设延时为 那么接收信号的时域表示如下 2001 cos 中可看出接收信号与发射信号的形式相同只是延时了 。延时的时间为发射信号到目标后又返回雷达的时间 也就是两倍雷达到目标距离的时间 它可以表示为 2Rc R为雷达与目标之间的单向距离c为光速。 TxLPFDelaybf 2差拍信号产生如图2 2所示 信号被接收后 在接收端与发射信号进行混频。混频后得到高频信号和差频信号 差频信号的频率称之为拍频并且是与目标范围成比例关系的。由于混频后的信息包含了差频信号和高频信号 将该信号通过低通滤波器得到所需的差频信号 表示如下 201 cos 差拍信号的频率可以差拍信号的瞬时相位求导得到其表示如下 中北大学学位论文 11 201 2bdftBWfdtT 延时表示的是两倍的距离的时间 使用式 可以将其映射到目标距离。2rRc 所示的时域信号进行FFT快速傅里叶变换 观察其频谱图 在拍频处有峰。利用式 即可将频率信息转换为距离信息达到测距的目的。 在有多个目标的探测的情况下 接收信号将会是多个目标返回的接收信号的和并且有着不同的延时12 那么从多个目标返回的接收信号的时域表示如下12001cos 10因此 多目标的雷达系统分辨表示如下 101T 11也可以表示为 min1011TTBW 12可以知道两个目标间的最小距离分辨率是与带宽成反比的。 2差拍信号的非线性FMCW雷达可以用来测量目标距离 发射信号中的非线性会对距离测量不良的影响。因此 对于一个线性的FM信号来说最重要的就是没有任何的高阶非线性 否则这些非线性将会导致差拍信号的非线性。例如 假设 为发射信号的非线性误差表示那么发射信号可以表示为 2001 cos2 2tStAfttt 13那么接收信号即为发送信号的延时 表示为 2001 cos2 2tStAfttt 14将发射信号和接收信号进行混频 得到了差拍信号。该差拍信号将会有来自发射信中北大学学位论文 12 号和接收信号的非线中可以看出 差拍信号的频率不再是一个常数 而是随时间变化的。对该差拍进行快速傅里叶变换 在频域观察其频谱 不再是一个恒定的差拍信号所呈现出的一个很好的聚集的Sin函数波形 会出现主瓣展宽 旁瓣变高的现象。这将会导致雷达系统的距离分辨率恶化 非线性拍频信号的带宽的增加 同时也导致了信噪比的降低。 因此 差拍信号中的非线性是由于发射信号和接收信号中的非线性之差造成的。对于小的延时 发射信号和接收信号间的非线性之差几乎正好相互抵消 对差拍信号造成的影响不大 那么差频信号的频率增大将会探测到更远的距离。 3线性化技术对中频信号或者说差拍信号进行线性化的方法有硬件方法和软件方法。硬件的解决方法涉及到产生一个线性调频的发射信号 软件的方法涉及到差拍的信号的处理使之线性化。 频率调制连续波的产生可以利用VCO 压控振荡器 和直接数字频率合成器产生 也可以用DDS 直接数字频率合成器 结合PLL 锁相环 产生 但是使用DDS和PLL结合会使得设计变得复杂 成本变高。用一种电压控制的振荡器或者压控振荡器可以用来生成频率调制输出 该输出可以通过预失真调谐电压补偿VCO的非线性输出 从而使得输出变的线性 并且与DDS结合PLL的方案相比 VCO可以产生的更宽的带宽的发射信号 34 35 用软件的方法实现线性化涉及到差拍信号的非线性的校正。目前最常用的方法就是FFT 快速傅里叶变换 。在进行FFT处理的过程中 不同范围内的目标表现在混频器的输出显示为不同的恒定频率分量。一个正弦信号经过FFT处理后的响应是有主瓣和旁瓣的。主瓣的宽度表明了傅里叶域的分辨率 第一旁瓣峰值水平相对主瓣峰值指示微弱信号的敏感性 并且该信号可以由邻强信号产生叠加而增强 因此 当进行FFT处理时 要考虑到的问题有混叠 旁瓣的产生以及栅栏效应。 一个信号的原始频谱的任一频率成分 若该成分中有频率成分超过了采样频率的一

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