·微机应用
·1引言
雷达是利用电磁波探测目标的电子装备,是集
中了现代电子科学技术先进成果的高科技系统。雷达发射电磁波照射目标并接收回波，由此来发现目标并测定目标的位置、运动方向和速度等特性。在雷达最初面世之时，因其成本和体积等诸多限制，几乎都是用于军事用途，例如舰载雷达、机载雷达、用于火炮锁定的相控雷达阵列等。经过长期发展，随着对雷达研究的深入和硬件水平的进步，一些低成本的
小型雷达也实现了民用化。尤其是近年来随着物联网技术的发展，人们在赋予物品电子信息灵魂的同时，也更加注重智能设备给安全出行带来的提升。例如当下最热门的自动驾驶技术，作为一整套复杂的电子设备和软件相互配合的产物，其技术核心即是基于雷达防撞系统之上的。
FMCW （Frequency Modulated Continuous Wave ），
即调频连续波雷达，
因其具有辐射功率小、测距精度高、设备简单、易于实现固态化设计等优点[1-3]，无论是在军用领域还是在民用领域都有广泛的应用。故
一种低成本FMCW 雷达测距系统中频电路设计*
王
硕1，殷树娟1，李翔宇2
（1.北京信息科技大学理学院,北京100192；2.清华大学微电子学研究所，北京100084）摘要:为适应FMCW 雷达技术在研究深度及相关硬件水平上的新发展，
以FMCW 雷达测距原理为基础，设计了用于FMCW 雷达系统的一款中频处理电路，包括调制信号的产生、中频电路参数的计算及电路实现。为方便验证中频电路性能，设计实现了一种基于FPGA 的信号采集方案及信号处理
办法，并放置静态目标进行验证。实验结果表明，测试系统能够测量10m 以内的目标距离，
测距平均误差为±0.1m 。该中频电路设计方案简洁便利、易于实现、成本较低且性能良好，
为FMCW 雷达民用化应用提供了一种解决方案。
关键词：雷达测距；中频处理电路；
信号采集；低成本DOI ：10.3969/j.issn.1002-2279.2019.02.012中图分类号:TN952文献标识码:A 文章编号：1002-2279（2019）02-0052-05
Design of an Intermediate Frequency Circuit for Low Cost FMCW Radar
Ranging System
WANG Shuo 1,YIN Shujuan 1,LI Xiangyu 2
(1.The College of Science,Beijing Information Science and Technology University,Beijing 100192,China;
2.Institute of Microelectronics,Tsinghua University,Beijing.China.)
Abstract:In order to adapt to the new development of FMCW radar technology in research depth and relevant hardware level,on the basis of the ranging principle of FMCW radar,an intermediate frequency processing circuit for FMCW radar system is designed,including the generation of modulation signals,the calculation of intermediate frequency circuit parameters and circuit implementation.In order to verify the performance of intermediate frequency circuit conveniently,a signal acquisition scheme and signal processing method based on FPGA are designed and implemented,and static targets are placed for verification.The experimental results show that the test system can measure the target distance within 10m with an average ranging error of ±0.1m.The IF circuit design scheme is simple and convenient,easy to implement,low in cost and good in performance,and provides a solution for the civilian application of FMCW radar.
Key words:Radar ranging;IF processing circuit;Signal acquisition;Low cost
基金项目：国家自然科学基金资助项目(61604014)；北京市教委科技面上项目(71E1810981)；北京信息科技大学2018年度教学改革
立项资助(2018JGYB33)作者简介：王硕（1992—），男，北京市人，硕士研究生，主研方向：集成电路设计。
收稿日期：2019-01-08
*微处理机
MICROPROCESSORS
第2期2019年4月
No.2Apr.，2019
红外线测距仪测量原理 测距仪是一种航迹推算仪器，用于测量目标距离，进行航迹推算。测距仪的形式很多，通常是一个长形圆筒，由物镜、目镜、测距转钮组成，用来测定目标距离。测距仪是根据光学、声学和电磁波学原理设计的，用于距离测量的仪器。 红外测距仪的分类有激光红外，红外和超声波三种，目前测距仪主要是指的激光红外测距仪，红外测距仪和超声波测距仪由于测量距离有限，测量精度很低目前已经被淘汰。激光红外测距仪是利用激光对目标的距离进行准确测定的仪器。激光红外测距仪在工作时向目标射出一束很细的激光，由光电元件接收目标反射的激光束，计时器测定激光束从发射到接收的时间，计算出从观测者到目标的距离。 测距仪有测量距离和测量精度，同时又是电子设备，所以品牌的选择非常重要，国际知名品牌的测距仪，在性能上会远优于杂牌的激光红外测距仪。 一．测距仪分类 测距仪从测距基本原理，可以分为以下三类： 1. 激光测距仪 激光测距仪是利用激光对目标的距离进行准确测定的仪器。激光测距仪在工作时向目标射出一束很细的激光，由光电元件接收目标反射的激光束，计时器测定激光束从发射到接收的时间，计算出从观测者到目标的距离。 激光测距仪是目前使用最为广泛的测距仪，激光测距仪又可以分类为手持式激光测距仪（测量距离0-300米），望远镜激光测距仪（测量距离500-20000米）。 目前市面上主流的都是激光测距仪，手持式激光测距仪全球前两大品牌是徕卡和博世，右图就是一款主流的手持式激光测距仪。 望远镜激光测距仪，为远距离激光测距仪，目前在户外使用相当广泛，望远镜激光测距仪全球前四大品牌是图雅得、博士能、奥尔法和尼康。四个品牌在产品上各有特点，2013年，美国激光技术杂志公布的数据，2013年全球单品销售冠军是图雅得SP1500，这款测距仪测量精准，反应速度快捷。 2. 超声波测距仪
目录 摘要 (1) 关键词 (1) Abstract (1) Key words (1) 引言 (1) 1雷达与激光雷达系统 (2) 2激光雷达测距方程研究 (3) 2.1测距方程公式 (3) 2.2发射器特性 (4) 2.3大气传输 (5) 2.4激光目标截面 (5) 2.5接收器特性 (6) 2.6噪声中信号探测 (6) 3伪随机m序列在激光测距雷达中的应用 (7) 3.1测距原理 (7) 3.2 m序列相关积累增益 (8) 3.3 m序列测距精度 (8) 4脉冲激光测距机测距误差的理论分析 (9) 4.1脉冲激光测距机原理 (9) 4.2 测距误差简要分析 (10) 5激光雷达在移动机器人等其它方面中的应用 (10) 6结束语 (11) 致谢 (12) 参考文献 (12)
激光雷达测距原理与其应用 摘要:本文简单介绍激光雷达系统组成，激光雷达系统与普通雷达系统性能的对比，着重阐述激光雷达测距方程的研究。针对激光远程测距中的微弱信号检测，介绍一种基于m序列的激光测距方法，给出了基于高速数字信号处理器的激光测距雷达数字信号处理系统的实现方案，并理论分析了脉冲激光测距机的测距误差。了解并学习激光雷达在移动机器人等其它方面中的应用。 关键词：激光雷达；发射器和接收器特性; 伪随机序列; 脉冲激光；测距误差 Applications and Principles of laser radar ranging Student majoring in Optical Information Science and Technology Ren xiaonan Tutor Shang lianju Abstract:This paper briefly describes the composition of laser radar systems, laser radar system and radar system performance comparison of normal, focusing on the laser radar range equation. Laser Ranging for remote signal detection, presents a introduction of a sequence based on laser ranging method m, gives the high-speed digital signal processor-based laser ranging radar digital signal processing system implementations, and theoretical analysis of the pulse Laser rangefinder range error.We understand and learn application of Laser radar in the mobile robot and other aspects. Key words：Laser radar; Transmitter and receiver characteristics；Pseudo-random sequence；Pulsed laser；Ranging error. 引言：激光雷达是传统雷达技术与现代激光技术相结合的产物，激光具有亮度 高、单色性好、射束窄等优点,成为光雷达的理想光源,因而它是目前激光应用主要的研究领域之一。激光雷达是一项正在迅速发展的高新技术，激光雷达技术从最简单的激光测距技术开始，逐步发展了激光跟踪、激光测速、激光扫描成像、激光多普勒成像等技术，使激光雷达成为一类具有多种功能的系统。利用激光作为遥感设备可追溯到30多年以前，从20世纪60年代到70年代，人们进行了多项试验，结果都显示了利用激光进行遥感的巨大潜力，其中包括激光测月和卫星激光测距。激光雷达测量技术是一门新兴技术，在地球科学和行星科学领域有着广泛的应用.LiDAR(LightLaser Detection and Ranging)是激光探测及测距系统的简称，通常指机载对地激光测距技术，对地激光测距的主要目标是获取地质、地形、地貌以及土地利用状况等地表信息。相对于其他遥感技术，LIDAR的相关研究是一个非常新的领域，不论是在提高LIDAR数据精度及质量方面还是在丰富LIDAR数据应用技术方面的研究都相当活跃。随着LIDAR传感器的不断进步，地表采点密度的逐步提高，单束激光可收回波数目的增多，LIDAR数据将提供更为丰富的地表和地物信息。激光测距可分为星载(卫星搭载)、机载(飞机搭载)、车载(汽车搭载)以及定位(定点测量)四大类，目前激光测距仪已投入使用,激光雷达正处在试验阶段,某些激光雷达已付诸实用.本文对激光雷达的测距原理、发射器和接收器特性、束宽、大气传输以及目标截面、外差效率进行分析, 提出基于伪随机序列的激光测距技术 ,可将激光
雷达测速与测距标准化工作室编码[XX968T-XX89628-XJ668-XT689N]
雷达测速与测距 GZH 2016/3/29 系统流程图 模块分析 1 脉冲压缩 原理分析 雷达的基本功能是利用目标对电磁波的散射而发现目标，并测定目标的空间位置。雷达分辨力是雷达的主要性能参数之一。所谓雷达分辨力是指在各种目标环境下区分两个或两个以上的邻近目标的能力。一般说来目标距离不同、方位角不同、高度不同以及速度不同等因素都可用来分辨目标，而与信号波形紧密联系的则是距离分辨力和速度(径向)分辨力。两个目标在同一角度但处在不同距离上，其最小可区分的距离称为距离分辨力，雷达的距离分辨力取决于信号带宽。对于给定的雷达系统，可达到的 雷达的速度分辨率可用速度分辨常数表征，信号在时域上的持续宽度越大，在频域上的分辨率能力就越好，即速度分辨率越好。 对于简单的脉冲雷达，B=?f=1/τ，此处，τ为发射脉冲宽度。因此，对于简单的脉冲雷达系统，将有 δr=c 2τ（） 在普通脉冲雷达中，由于信号的时宽带宽积为一常数（约为1），因此不能兼顾距离分辨力和速度分辨力两项指标。 雷达对目标进行连续观测的空域叫做雷达的探测范围，也是雷达的重要性能数，它决定于雷达的最小可测距离和最大作用距离，仰角和方位角的探测范围。而发射功率的大小影响作用距离，功率大则作用距离大。发射功率分脉冲功率和平均功率。雷达在发射脉冲信号期间内所输出的功率称脉冲功率，用Pt表示；平均功率是指一个重复周期Tr内发射机输出功率的平均值，用Pav表示。它们的关系为 P tτ=P av T r（）脉冲压缩（PC）雷达体制在雷达脉冲峰值受限的情况下，通过发射宽脉冲而获得高的发能量，以保证足够的最大作用距离，而在接收时则采用相应的脉冲压缩法获得窄脉冲，以提高距离分辨力，因而能较好地解决作用距离与分辨能力之间的矛盾。 在脉冲压缩系统中，发射波形往往在相位上或频域上进行调制，接收时将回波信号加以压缩，使其等效带宽B满足B=?f?1/τ。令τ0=1/B,则 δr=c 2τ0（） （）式中，τ0表示经脉冲压缩后的有效脉宽。因此脉冲压缩雷达可用宽度τ的发射脉冲来获得相当于发射有效宽度为τ0的简单脉冲系统的距离分辨力。发射脉冲宽度τ跟系统有效（经压缩的）脉冲宽度τ0的比值便成为脉冲压缩比，即 D=τ τ0 （）则
武汉大学珞珈学院本科生毕业论文（设计）开题报告 论文题目：基于单片机的红外测距系统设计 系：电子信息科学系学号： 20100802041 姓名：钱源 一、论文选题的目的和意义 红外线是不可见光，是电磁波的一种形式，可以用来进行距离的测量，其应用历史可以追溯到上世纪60年代。现代科学技术的发展进入了许多新领域，而在测距方面先后出现了激光测距、微波雷达测距、超声波测距及红外线测距。其中激光测距是靠激光束照射在物体上反射回来的激光束探测物体的距离。由于受恶劣的天气、污染等因素影响，使反射的激光束在一定功率上探测距离比可能探测的最大距离减少一半左右，损失很大，影响探测的精确度；微波雷达测距技术为军事和某些工业开发采用的装备和振荡器等电路部分价格昂贵，现在几乎还没有开拓民用市场；超声波测距在国内外已有人做过研究，由于采用特殊专用组件使其价格高，难以推广；红外线作为一种特殊的光波，具有光波的基本物理传输特性—反射、折射、散射等，且由于其技术难度相对不太大，构成的测距系统成本低廉，性能优良，便于民用推广。另外红外测距的应用越来越普遍。在很多领域都可以用到红外测距仪。红外测距一般具有精确度和分辨率高、抗干扰能力强、体积小、重量轻等优点，因而应用领域广、行业需求众多，市场需求空间大。 红外测距的研究就非常有意义了。红外线测距仪指的就是激光红外线测距仪,红外测距仪----用调制的红外光进行精密测距的仪器，测程一般为1-5公里。在100米以内则超声波测距更有优势,但是超声波测距的距离一般无法测量1米以内,而红外测距则可以这一段距离的不足,而且有着不错的精度,在本课题中研究的就是这一类情况的红外线测距。 二、国内外关于该论题的研究现状和发展趋势 （1）国内： 根据《国内近年来红外光电测距仪的发展情况》，随着国家对外开放政策的实施和测量工作的需要,近年来国内一些光学仪器厂和电子仪器厂分别从瑞典、瑞士和日本等国引进几种红外测距仪组装线,组装测距仪,我国有关工厂和院校近年来也研制出一些产品。由于微处理机在国产测距仪上的应用,大大缩小了仪器的体积,同时也减少了出故障的几率,使得国产测距仪的性能和质量都较过去有很大的提高。在国家“六·五”计划攻关中,常州第二电子仪器厂研制的DCHZ 型多功能红外测距仪就是一个很好的例证。该产品经国家测绘局测绘科学研究所光电测距仪检测巾心进行全面质量鉴定后认为:该仪器外型美观、体积小、重量
连续波雷达测速测距原理 一．设计要求 1、当测速精度达到s，根据芯片指标和设计要求请设计三角调频 波的调制周期和信号采样率； 2、若调频信号带宽为50MHz，载频 24GHz，三个目标距离分别为 300,306,315(m)，速度分别为 20,40， -35（m/s)，请用 matlab 对算法进行仿真。 二．实验原理和内容 1.多普勒测速原理 x a (t) x(n) FFT P(k ) 峰值f d A/D 谱分析搜索 图频域测速原理 f d max max | f m f d | f s / 2N v r max f d max / 2 f s / 4N/ 4T 依据芯片参数，发射频率为24GHz，由上式可以得出，当测速精度达到 s 时，三角调频波的调制周期可以计算得，T= 信号的采样率，根据发射频率及采样定理可设fs=96GHz。2．连续波雷达测距基本原理 设天线发射的连续波信号为：①x T f0 (t ) cos(2 f0 t0 ) ] 则接收的信号为：② x R f0 (t ) cos[2 f 0 (t t r ) 0 若目标距离与时间关系为：③R ( t ) R 0 v r t
则延迟时间应满足以下关系 :④ t 2 v t) r ( R c r v r 将④代入②中得到 x R f 0 (t ) cos{ 2 f 0 [ t 2 (R 0 v r t )]0 } c v r cos[2 ( f 0 f d 0 )t 2 f 0 2R 0 ] c f d 0 2 v r f 其中 c 根据上图可以得到，当得到 t ，便可以实现测距，要想得到 t ，就必须测得 fd 。 已知三个目标距离分别为 300,306,315(m)，速度分别为 20,40， -35（ m/s)，则可以通过 :③ R ( t ) R 0 v r t ④ t 2 v t ) r ( R c 0 r v r 分别计算出向三个目标发出去信号，由目标反射回来的信号相对 发射信号的延迟时间。
基金项目:河北省教育厅自然科学研究项目(2002236) 收稿日期:2004-02-19 微波测速、测距系统的设计 张大彪,王艳菊 (河北师范大学,河北石家庄 050031) 摘要:车速、车距测量是汽车避撞系统中的关键技术,分析了车速、车距测量方案,并详细讨论了调频连续波(FM 2 CW )测量系统的工作原理,给出了主要电路的设计方法。此系统可以在雾天或夜间准确监测前方车辆,并在车速、车距达到安全边界时给出警示信号,避免碰撞事故的发生。关键词:测速;测距;微波雷达;汽车避撞中图分类号:TH744 文献标识码:A 文章编号:1002-1841(2004)04-0011-02 DesignofMicrowaveVelocityandDistanceMonitorSystem ZHANGDa 2biao,WANGYan 2ju (HebeiNormalUniversity,Shijiazhuang050031,China ) Abstract:Measuringvelocityanddistancebetweenvehiclesisacrucialtechnologyinautomotivecollisionpreventionsystem.Ithad analysedthesystemschemeandhadstudiedtheprincipleofthemeasuringsystemofFMCWradar.Thedesignmethodofchiefcircuits hadbeengiven.Thissystemcanmonitorforwardvehicleinafoggydayoratnight.Furthermore,itcangivethealarmwhenthevelocity andthedistancebetweenvehiclesreachtheedgeofsecurity,sosometrafficaccidentswillbeavoided. KeyWords:MeasuringVelocity;MeasuringDistance;MicrowaveRadar;AutomotiveCorrelationPrevention. 1 引言 近几年来,国内汽车拥有量和交通事业发展很快,但随之而来的是交通事故和行车安全问题。据有关资料显示,在公路交通碰撞事故中,有86%为双车或多车碰撞事故。因此,如何减少碰撞事故的发生成为当务之急。汽车工业比较发达的美国、欧洲和日本开始运用先进的信息技术,开发研制用于汽车的安全避撞系统。根据国外汽车电子化的发展和国内交通状况,提出一种利用微波雷达及计算机技术实现车辆速度、距离测量的应用系统,给出了主要电路的设计方法。 2 系统方案选择 汽车的安全避撞系统是以测距、测速为基础的。在各种环境条件下,准确测量前方车辆速度和距离是系统设计的关键。目前测定汽车之间距离和速度的方法主要有超声波法、激光法和微波雷达法。 2.1 测量方案的对比 超声波测速测距的基本原理是利用其反射特性。超声波发生器发射40kHz 超声波遇到障碍物后产生反射波,超声波接收器接收到反射波信号,并将其转换成电信号,测量发射波与回波之间的时间间隔ΔT ,并根据公式R =(ΔT ?v )/2计算距离(v 为超声波传播速度),再根据距离变化量与两次测量时间间隔之比计算车辆运动速度。超声波的特点是对雨、雾、雪的穿透能力强,可以在恶劣气候条件下工作,系统制作简便,成本低。其主要缺点是测量反应时间长,误差大,波束发散角大,分辨率低,衰减快,有效测量距离小,常用于倒车后视雷达。 激光测量主要有脉冲和扫描两种工作方式,激光测量系统具有反应快、有效测量距离大、分辨率高、误差小等优点,近年来在汽车防撞领域越来越受到重视。由于激光镜头易受灰尘、雨雪、风沙的污蚀而影响其工作性能。 微波雷达与其他两种方式相比具有显著的优点,因为其工作频率高、波长短,可有效地缩小波束角度、减小天线尺寸,尤其适合在恶劣气候条件下工作。应用微波雷达测速测距,应防止雷达之间以及与其他通信系统之间的电磁干扰。 2.2 微波雷达测速、测距系统 微波雷达汽车避撞系统工作在mm 波段,毫米波在通信、遥感、导弹制导等领域得到了广泛应用。近年来, 美国、日本和欧洲多家著名汽车公司投入巨资研究开发汽车避撞系统并取得了一定的成果,先后研制成功24GHz,60GHz,7615GHz 等3种频率的雷达系统。其中24GHz 雷达系统主要用于集装箱货车和长途客运大巴士,它可探测车辆前向距离,并可发出声光报警;60GHz (主要用于日本)和7615GHz (欧、美用)主要用于小轿车。微波雷达汽车避撞系统主要有两种体制:脉冲多普勒 体制和调频连续波(FMCW )体制。2.2.1 脉冲式测量系统 脉冲多普勒雷达组成框图如图1所示。 图1 脉冲多普勒雷达组成框图 发射部分由脉冲调制器和射频振荡器组成,通过收发开关发射高频调制脉冲,反射信号通过收发开关进入相干检波器, 射频振荡器的另一种信号经多普勒校正后加到相干检波器作为相位基准,与反射信号比较,检出多普勒频率分量,然后经视频处理电路处理后送入单片机,经单片机运算后获得距离及速度数据,根据距离、速度数据判断危险程度,并通过声光报警电路发出提示信号。 相干检波器输入端两个电压为基准电压u k =U k cos (ω0t +<0)( 先假定多普勒校正分量为零,其频率和起始相位与发射 信号相同),反射信号u r =U r cos [ω0(t -t r )+<0],t r 为雷达至目标的往返距离,雷达工作于脉冲体制时,信号只在一定延迟 2004年仪表技术与传感器 2004 第4期InstrumentTechniqueandSensor No 14
武汉大学珞珈学院毕业论文 基于单片机的红外测距系统设计
摘要 现代科学技术的发展，进入了很多新领域，而在测距方面先后出现了激光测距、微波雷达测距、超声波测距及红外光测距。为了实现物体近距离、高精度的无线测量而采用了红外发射接收模块作为距离传感器，单片机作为处理器，编写A/D转换和显示程序，完成了一套便推式的红外距离测量系统，系统可以高精度的实时显示所测的距离，本系统结构简单可靠、体积小、测量精度高、方便使用。 红外测距的探测距离较短，一般在几十厘米之内，本文介绍的一种基于AT89C52单片机设计的红外测距仪，可以测量距离。 首先，在绪论中，介绍了红外线及红外传感器的分类和应用、AT89C52单片机的应用与说明以及MCP3001芯片的简介。其次，阐述了与红外测距的工作原理基本结构，对红外测距传感器也做了详细说明。再次，介绍了红外测距的硬件设计和软件设计。 在硬件设计中，介绍了红外测距实现的构想，给出红外测距硬件电路原理图，并说明了红外测距传感器、键盘、A/D转换电路、LCD显示电路工作原理及AT89C52单片机的管脚分配。在软件设计中，说明了整个程序流程及各程序设计的函数。最后，是对整个设计的结论，说明了红外测距实现的可行性。 关键词：红外测距 A/D转换实时显示红外线单片机
目录 第1章绪论 (1) 1.1 课题研究的背景和意义 (1) 1.2 本课题研究的热点及发展现状 (2) 1.3 本课题研究的目的 (2) 1.4 本课题研究的内容 (3) 第2章红外测距的工作原理与基本结构 (4) 2.1.方案及设计思想： (4) 2.2 红外测距系统的基本结构 (5) 第3章红外测距的硬件设计 (6) 3.1红外收发模块 (6) 3.2 A/D转换模块 (7) 3.3 LCD显示模块 (10) 3.4 AT89C52单片机概述 (11) 3.5整个红外测距系统显示 (13) 第4章红外测距的软件设计 (15) 4.1 程序流程图 (15) 第5章系统软硬件调试 (17) 5.1 硬件调试 (17) 5.2 软件调试 (17) 5.3测试结果绘图 (17) 5.4 调试中遇到的问题 (19) 结论 (20) 参考文献 (21) 附录 (1) 后记 (29)
车载激光雷达测距测速原理 陈雷1，岳迎春2，郑义3，陈丽丽3 1黑龙江大学物理科学与技术学院，哈尔滨 (150080) 2湖南农业大学国家油料作物改良中心，长沙 (410128) 3黑龙江大学后勤服务集团，哈尔滨（150080） E-mail：lei_chen86@https://www.doczj.com/doc/f918041494.html, 摘要：本文在分析了激光雷达测距、测速原理的基础上，推导了连续激光脉冲数字测距、多普勒频移测速的方法，给出车载激光雷达基本原理图，为车载激光雷达系统测距测速提供了基本方法。 关键词：激光雷达，测距，测速 1．引言 “激光雷达”(Light Detection and Range,Lidar)是一种利用电磁波探测目标的位置的电子设备。其功能包含搜索和发现目标；测量其距离、速度、位置等运动参数；测量目标反射率，散射截面和形状等特征参数。激光雷达同传统的雷达一样，都由发射、接收和后置信号处理三部分和使此三部分协调工作的机构组成。但传统的雷达是以微波和毫米波段的电磁波作为载波的雷达。激光雷达以激光作为载波，激光是光波波段电磁辐射，波长比微波和毫米波短得多。具有以下优点[1]： (1)全天候工作，不受白天和黑夜的光照条件的限制。 (2)激光束发散角小，能量集中，有更好的分辨率和灵敏度。 (3)可以获得幅度、频率和相位等信息，且多普勒频移大，可以探测从低速到高速的目标。 (4)抗干扰能力强，隐蔽性好；激光不受无线电波干扰，能穿透等离子鞘，低仰角工作时，对地面的多路径效应不敏感。 (5)激光雷达的波长短，可以在分子量级上对目标探测且探测系统的结构尺寸可做的很小。当然激光雷达也有如下缺点： (1)激光受大气及气象影响大。 (2)激光束窄，难以搜索和捕获目标。 激光雷达以自己独特的优点，已经被广泛的应用于大气、海洋、陆地和其它目标的遥感探测中[14,15]。汽车激光雷达防撞系统就是基于激光雷达的优点，同时利用先进的数字技术克服其缺点而设计的。下面将简单介绍激光雷达测距、测速的原理，并在此基础上研究讨论汽车激光防撞雷达测距、测速的方法。 2. 目标距离的测量原理 汽车激光雷达防撞系统中发射机发射的是一串重复周期一定的激光窄脉冲，是典型的非相干测距雷达，对它的要求是测距精度高，测距精度与测程的远近无关；系统体积小、重量轻，测量迅速，可以数字显示；操作简单，培训容易，有通讯接口，可以连成测量网络，或与其他设备连机进行数字信息处理和传输。 2.1测距原理 激光雷达工作时，发射机向空间发射一串重复周期一定的高频窄脉冲。如果在电磁波传播的
光电检测技术与应用 论文 题目：红外测距传感器的工作原理及使用 院系：机电工程学院 班级：测控xxxx 完成日期：2017/5/6 小组：第x组 小组成员：xxxxxxxxxx 红外测距传感器的工作原理及使用 摘要： 利用光的反射性质，将光学系统与电路系统相结合可以制作避障传感器，通过单片机的控制，可以完成智能车在运行过程中，对障碍物的处理。避障传感器基本原理：利用物体的反射性质。在一定范围内，如果没有障碍物，发射出去的红外线，因为传播距离越远而逐渐减弱，最后消失。如果有障碍物，红外线遇到障碍物，被反射到达传感器接收头。传感器检测到这一信号，就可以确认正前方有障碍物，并送给单片机，单片机进行一系列的处理分析，协调车轮或者舵机工作，完成躲避障碍物的动作。 关键字：光电检测技术、智能车、测距、红外测距传感器、单片机 一、引言 光电检测作为光学与电子学相结合而产生的一门新兴检测技术，主要包括光信息获取、光电变换、光信息测量以及测量信息的智能化处理等，具有精度高、速度快、距离远、容量大、非接触、寿命长、易于自动化和智能化等优点，在国民经济各行业中得到了迅猛的发展和广泛的应用，如光扫描、光跟踪测量，光纤测量，激光测量，红外测量，图像测量，微光、弱光测量等，是当前最主要和最具有潜力的光电信息技术。
二、光电检测技术的概念 光电检测技术是光学与电子学相结合而产生的一门新兴检测技术。它主要利用电子技术对光学信号进行检测，并进一步传递、储存、控制、计算和显示。光电检测技术从原理上讲可以检测一切能够影响光量和光特性的非电量。它可通过光学系统把待检测的非电量信息变换成为便于接受的光学信息，然后用光电探测器件将光学信息量变换成电量，并进一步经过电路放大、处理，以达到电信号输出的目的。然后采用电子学、信息论、计算机及物理学等方法分析噪声产生的原因和规律，以便于进行相应的电路改进，更好地研究被噪声淹没的微弱有用信号的特点与相关性，从而了解非电量的状态。微弱信号检测的目的是从强噪声中提取有用信号，同时提高测系统输出信号的信噪比。 光电检测技术的系统机构比较简单，分为信号的处理器，受光器，光源。在实际检测过程中，受光器在获得感知信号后，就会被反映为不同形状、颜色的信号，同时根据这些器件所处在的不同位置，就能够将他分为反射型与透过型的两种比较的模式。光电检测的媒介光应当是自然的光，例如白炽灯或者萤光灯。特别是随着这些技术的发展，光电技术也取得的非常好发展。由于投光器在发出光后，会以不一样的方式触摸这些被检测物中，直到照射到检测系统中的受光器中，同时受光器在此刺激下，会产生一定量的电流，这就是我们常说的光敏性的原件，实际生活中应用比较广泛的有三极管、二极管。 三、光电检测技术的应用 智能车方面的应用、家庭扫地机器人方面的应用:利用光的反射性质，将光学系统与电路系统相结合可以制作避障传感器，通过单片机的控制，可以完成智能车在运行过程中，对障碍物的处理。避障传感器基本原理：利用物体的反射性质。在一定范围内，如果没有障碍物，发射出去的红外线，因为传播距离越远而逐渐减弱，最后消失。如果有障碍物，红外线遇到障碍物，被反射到达传感器接收头。传感器检测到这一信号，就可以确认正前方有障碍物，并送给单片机，单片机进行一系列的处理分析，协调车轮或者舵机工作，完成躲避障碍物的动作。 四、常用光电检测器件：红外测距传感器 原理：其输出为电压数值，通过公式L?=?(6762/(9-X))-4可计算出小车与障碍物之间的距离。
雷达测速与测距 GZH 2016/3/29 系统流程图 模块分析 1 脉冲压缩 1.1 原理分析 雷达的基本功能是利用目标对电磁波的散射而发现目标，并测定目标的空 间位置。雷达分辨力是雷达的主要性能参数之一。所谓雷达分辨力是指在各 种目标环境下区分两个或两个以上的邻近目标的能力。一般说来目标距离不 同、方位角不同、高度不同以及速度不同等因素都可用来分辨目标，而与信 号波形紧密联系的则是距离分辨力和速度(径向)分辨力。两个目标在同一角 度但处在不同距离上，其最小可区分的距离称为距离分辨力，雷达的距离分 辨力取决于信号带宽。对于给定的雷达系统，可达到的距离分辨力为 （1.1） 其中c为光速，为发射波形带宽。 雷达的速度分辨率可用速度分辨常数表征，信号在时域上的持续宽度越大， 在频域上的分辨率能力就越好，即速度分辨率越好。 对于简单的脉冲雷达，，此处，为发射脉冲宽度。因此，对 于简单的脉冲雷达系统，将有 （1.2）在普通脉冲雷达中，由于信号的时宽带宽积为一常数（约为1），因此不 能兼顾距离分辨力和速度分辨力两项指标。 雷达对目标进行连续观测的空域叫做雷达的探测范围，也是雷达的重要 性能数，它决定于雷达的最小可测距离和最大作用距离，仰角和方位角的探 测范围。而发射功率的大小影响作用距离，功率大则作用距离大。发射功率 分脉冲功率和平均功率。雷达在发射脉冲信号期间 内所输出的功率称脉冲功 率，用Pt表示；平均功率是指一个重复周期Tr内发射机输出功率的平均值， 用Pav表示。它们的关系为 （1.3） 脉冲压缩（PC）雷达体制在雷达脉冲峰值受限的情况下，通过发射宽脉 冲而获得高的发能量，以保证足够的最大作用距离，而在接收时则采用相应
北京联合大学应用科技学院 实训报告 基于单片机的红外测距系统设计 系别电子 专业电子信息工程技术 年级12级02班 组长：张祎楠2012191294068 组员：殷跃2012191294070 白雨童2012191294063
目录 第1章绪论 (1) 1.1 本课题研究的目的 (1) 1.2 本课题研究的内容 (1) 13整个红外测距系统显示 (4) 第2章红外测距的软件设计 (5) 后记 (6)
第1章绪论 1.3 本课题研究的目的 我们所进行的课题便是做一个简易的，精确的，近距离的距离检测仪，这也是对我们所学知识的一种考验方法，从中我们可以更系统的认识单片机，了解AD转换和红外收发模块。 1.4 本课题研究的内容 红外传感器的测距基本原理为：红外发射电路的红外发光管发出红外光，红外接收电路的光敏接收管接收发射光，根据发射光的强弱判断出所测的距离。由于接收管接收的光强度是随着发光管与测量物的距离变化而变化的，因而，与测量物的距离近则接收光强，距离远则接收光弱。 具体方法如图1所示，红外模块发出并接收到红外线信号；AD转换模块将接收到的模拟信号转换成数字信号再交给单片机, 启动单片机中断程序,此时单片机得到数字信号也就是电压值,再由软件进行判别、计算，得出距离数并送给LED/LCD显示。 红外模块 电压距离公式 AD模块 单片机 显示模块 图1.1 反射能量法原理
图3.7 protues中整体系统 单片机AT89C52左端分别接了时钟电路和复位电路，这是单片机最小的系统。XTAL1和XTAL2串连一个晶振，并且分别接上一个20p的电容，两个电容另一端都接地，构成时钟电路。RST同时接上100p电容，4脚按键，1k电阻，4脚按键另一端接上一个1k电阻再与100p电容并联接VCC，1k电阻另一端则接地，构成复位电路。 单片机AT89C52右端P0端同时接LED的D1-D7端口和排阻，P2.0接CLK，P2.1接DO，P2.2接CS，P2.5接E，P2.6接RW，P2.7接RS。 MCP3001的VREF接vcc，IN+接红外距离传感器的Vo。 软件程序 #include
激光雷达测距测速原 理
精品文档 收集于网络，如有侵权请联系管理员删除 激光雷达测距测速原理 1. 激光雷达通用方程 激光雷达方程用来表示一定条件下，激光雷达回波信号的功率，其形式如下： r P 为回波信号功率，t P 为激光雷达发射功率，K 是发射光束的分布函数，12a a T T 分别是激光雷达发射系统到目标和目标到接收系统的大气透过率，t r ηη分别是发射系统和接收系统的透过率，t θ为发射激光的发散角，12R R 分别是发射系统到目标和目标到接收系统的距离，Γ为目标的雷达截面，r D 为接收孔径。 方程作用：激光雷达方程可以在研发激光雷达初期确定激光雷达的性能。其次，激光雷达方程提供了回波信号与被探测物的光学性质之间的函数关系，因此可以通过激光雷达探测的回波信号，通过求解激光雷达方程获得有关大气性质的信息。 2. 激光雷达测距基本原理 2.1 脉冲法 脉冲激光雷达测距的基本原理是，在测距点向被测目标发射一束短而强的激光脉冲，激光脉冲到达目标后会反射回一部分被光功能接收器接收。假设目标距离为L ，激光脉冲往返的时间间隔是t ，光速为c ，那么测距公式为L=tc/2。 时间间隔t 的确定是测距的关键，实际的脉冲激光雷达利用时钟晶体振荡器和脉冲计数器来确定时间t ，时钟晶体振荡器用于产生固定频率的电脉冲震荡 ?T=1/f ，脉冲计数器的作用就是对晶体振荡器产生的电脉冲计数N 。如图所示，信息脉冲为发射脉冲，整形脉冲为回波脉冲，从发射脉冲开始，晶振产生脉冲与计数器开始计数时间上是同步触发的。因此时间间隔t=N ?T 。由此可得出L=NC/2f 。 图1脉冲激光测距原理图 2.2 相位法
雷达测距、测角、测速基本原理 目标在空间的位置可以用多种坐标系表示。最常见的是直角坐标系，空间任一点目标P 的位段可用x，y,z三个坐标值来确定。在雷达应用中，测定目标坐标常采用极(球)坐标系统. 目标的斜距R为雷达到目标的直线距离OP;方位角a为目标的斜距R在水平面上的投影OB与某一起始方向(一般是正北方向)在水平面上的夹角;仰角B为斜距R与它在水平面上的投影OB在沿垂直面上的夹角，有时也称为倾角或者高低角。 如果需要知道目标的高度和水平距离，那么利用圆柱坐标系就比较方便。在这种坐标系中.目标的位由三个坐标来确定:水平距离D;方位角。;高度H, 球坐标系与圆柱坐标系之间的关系如下: D=RcosB H=RsinB a=a 上述这些关系仅在目标的距离不太远时是正确的;当距离较远时，由于地面的弯曲，必须作适当的修正。 现以典型的脉冲雷达为例来说明雷达测量的基本工作原理。它由发射机、发射天线、接收机和接收天线组成。发射电磁波中一部分能量照射到雷达目标上，在各个方向上产生二次散射。雷达接收天线收集散射回来的能量，并送至接收机对回波信号进行处理，从而发现目标，提取目标位置、速度等信息。实际脉冲雷达的发射和接收通常共用一个天线，以简化结构.减小体积和重量。 脉冲雷达采用的发射波形通常是高频脉冲串.它是由窄脉冲调制正弦载波产生的，调制脉冲的形状一般为矩形，也可采用其他形状。目标与雷达的斜距由电磁波往返于目标与雷达之间的时间来确定;目标的角位置由二次散射波前的方向来确定;当目标与雷达有相对运动时，雷达所接收到的二次散射波的载波频率会发生偏移，测量载频偏移就可以求出目标的相对速度，并且可以从固定目标中区别出运动目标来。
基于STM32的红外测距系统设计 摘要 随着现代科学技术的发展，出现了很多新的领域，为了实现对物体近距离、高精度的无线测量，本论文对红外测距领域进行了研究。本论文采用单片机作为处理器，编写A/D转换程序及LCD显示程序，红外传感器作为工作模块，完成一套高精度显示、实时测量的红外测距系统。本系统结构简单、体积小、测量精度高、成本低、方便使用。 本论文所介绍的是一种基于STM32单片机并运用日本夏普公司型号为GP2Y0A21的红外传感器所设计的红外测距系统。首先，介绍红外线及红外传感器的分类及应用、STM32单片机的简介与功能；其次，阐述红外测距系统工作原理及基本结构并对单片机、红外传感器、LCD液晶显示屏的工作电路做了介绍；再次，对系统进行了整体设计构想，先后对系统硬件及软件进行设计，并对整个系统的功能进行了调试。最后对整个设计进行总结，说明红外测距系统实现的可行性。 关键词红外测距；单片机；A/D转换；LCD
STM32-based infrared ranging system design Abstract With the development of modern science and technology, there are many new areas, in order to achieve the object close range, high-precision wireless measurement，this topic of infrared ranging is studied. This topic using SCM as the processor, to write A/D converter and LCD display program, an infrared sensor as a working module, complete set of precision display, real-time measurement of infrared ranging system. This system has the advantages of simple structure, small size and high accuracy, low cost and convenient use. This paper introduced is based STM32 microcontroller and use of Japan's Sharp Corporation model GP2Y0A21 infrared sensor designed infrared ranging system. Firstly, introduce the classification and application of infrared distance measurement，it also introduces the function of STM32 microcontroller. Then illustrate the work theory and basic structure of it and introduce the LCD screen and work circuit. Again, the system has carried on the overall design idea, successively on the system hardware and software design, and probes into the function of the whole system debugging. Finally, summarize the entire design to illustrate the feasibility of infrared distance measurement. Keywords Infrared range, SCM, A/D converter, LCD
激光雷达测距测速原理 1. 激光雷达通用方程 激光雷达方程用来表示一定条件下，激光雷达回波信号的功率，其形式如下： r P 为回波信号功率，t P 为激光雷达发射功率，K 是发射光束的分布函数，12a a T T 分别是激光雷达发 t θ为发r D 通过 定时间t ，时钟晶体振荡器用于产生固定频率的电脉冲震荡 ?T=1/f ，脉冲计数器的作用就是对晶体振荡器产生的电脉冲计数N 。如图所示，信息脉冲为发射脉冲，整形脉冲为回波脉冲，从发射脉冲开始，晶振产生脉冲与计数器开始计数时间上是同步触发 的。因此时间间隔t=N ?T 。由此可得出L=NC/2f 。 图1脉冲激光测距原理图 2.2 相位法
相位测距法也称光束调制遥测法，激光雷达相位法测距是利用发射的调制光和被目标反射的接受光之间光强的相位差包含的距离信息来实现被测距离的测量。回波的延迟产生了相位的延迟，测 出相位差就得到了目标距离。 假设发射处与目标的距离为D，激光速度为c，往返的间隔时间为t，则有： 图2相位法测距原理图 假设f为调制频率，N为光波往返过程的整数周期，??为总的相位差。则间隔时间t还可以 因为L 不能测得 优点：测量距离远，一般大于1000m。系统体积小，抗干扰能力强。 缺点：精度较低，一般大于1m。 激光雷达相位法测距： 优点：测量精度高。
缺点：测量距离较近，一般为一个刻度L内的距离。（300-1000m）。受激光调制相位测试精度和相位调制频率的限制，系统造价成本高。相位法测距存在矛盾：测量距离大会导致精度不高，要想提高精度测量距离又会受限（刻尺L较短）。 3.激光雷达测速基本原理 激光雷达测速的方法主要有两大类，一类是基于激光雷达测距原理实现，即以一定时间间隔连续测量目标距离，用两次目标距离的差值除以时间间隔就可得知目标的速度值，速度的方向根据距 它的 f 式中， d v< 反之0 f 移 d
雷达测速测距原理简介 一、FMCW模式下测速测距 1、FMCW模式下传输波特征 调频连续波雷达系统通过天线向外发射一列线性调频连续波，并接收目标的反射信号。发射波的频率随时间按调制电压的规律变化。 2、FMCW模式下基本工作原理 一般调制信号为三角波信号，发射信号与接收信号的频率变化如图所示。 反射波与发射波的形状相同。只是在时间上有一个延迟，t与目标距离R的关系为： Δt=2R/c公式1 其中 Δt：发射波与反射波的时间延迟 R：目标距离 c：光速c=3×108m/s 发射信号与反射信号的频率差为混频输出中频信号频率f如图所示：
根据三角关系，得： ΔtT2= ΔfB公式2 其中： Δf：发射信号与反射信号的频率差为|f1-f0| T：调制信号周期——1.5ms B：调制带宽——700MHz 由以上公式1和公式2得出目标距离R为： R=cTΔf 4B公式3 3、FMCW模式下测距原理 由公式3可以得出，目标距离R与雷达前端输出的中频频率f成正比 4、FMCW模式下测速原理 当目标与雷达并不是相对静止时，也就是有相对运动时，反射信号中包含一个由目标的相对运动所引起的多普勒频移fd，如图所示： 此时发射信号与接收信号的频率差如图所示：
在三角波的上升沿和下降沿分别可得到一个差频，用公式表示为： f+= f-fd 公式4 f-= f+fd 公式5 其中 f为目标相对静止时的中频频率 f+代表前半周期正向调频的差频 f-代表后半周期负向调频所得的差频 fd为针对有相对运动的目标的多普勒频移 根据多普勒效应得： fd=2fc 公式6 其中： 为目标和雷达的径向速度 f0为发射波的中心频率 由公式4、5、6可得： f+f f=+2 公式7 c|f-f|v=2f02 公式8 速度v的符号与相对运动方向有关系，当目标物相对雷达靠近时v为正值。当目标相对雷达离开时v为负值。 由公式3和公式7进一步得出： cTf+fR=4B2 公式9