连续波雷达方案
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AUTOMOBILE DESIGN | 汽车设计基于毫米波雷达的舱内儿童遗留检测系统设计和验证祁淼盐城工业职业技术学院 江苏省盐城市 224005摘 要: 为了保护儿童避免被单独遗留在舱内,提出了基于毫米波雷达的传感器的检测方法。
本方法采集毫米波多普勒效应产生的时域和频域信息,在LC-KSVD算法中加入主成分分析和随机森林的降维方法提取特征,对特征最组合。
将组合的特征用SVM做分类,区分出存在和不存在儿童的场景。
实验部分根据用车习惯,收集设计了正样本的采集和负样本的采集。
实验表明,与同类的研究相比,本方法有更好的环境适应性可以避免相机等传统方法的局限性。
关键词:毫米波雷达 LC-KSVD算法 儿童检测 SVM分类1 前言汽车是许多家庭的标配,最近几年车辆设计的趋势之一是大天窗装在越来越多的车型上,2022年销量前十的车型[1]中除了五菱宏光MINIEV外都配有天窗,其中半数配置了全景天窗。
如果车辆暴露在阳光下,更多的热量通过天窗传递到舱内,在密闭环境中热量聚集使舱内温度快速上升。
幼儿被遗留在无人看管的车汽车里几分钟可能导致中暑和死亡。
大多数父母相信自己永远不会忘记坐在后座上的孩子。
现实情况是在过去的15年中美国有1000名儿童在车上因为过热去世,其中超过88%的幼儿小于3个月[2]。
常见的活体检测手段为视觉,文强[3]等人通过图像的几何形态学关系区分成年人和儿童(<6岁)的脸部特征。
公妍苏[4]等人利用树莓派作为计算平台开发基于Adaptive Boosting的儿童车内遗留检测系统。
但是,大多数婴儿座椅会配置遮阳帘,导致婴儿大多数特征无法被摄像头捕捉,造成漏报。
而且舱内过多的布置摄像头也会引起用户的反感。
董启迪[5]等人读取车上压力传感器的数值推测大人和孩子,结合车门开关等信息实现遗留检测。
0-6岁的孩子成长快,体重分布区间规律性不强,存在较大的误报风险。
本文采用基于毫米波雷达的技术方案,利用多普勒效应检测车内的运动情况,通过空间定位过滤车外的和非成员区间的运动,利用人体运动时频过滤出人体的运动。
毫⽶波雷达分类和技术⽅案毫⽶波毫⽶波雷达雷达分类和技术⽅案分类和技术⽅案⼀.什么是毫⽶波?毫⽶波是⼀项可⽤于检测物体并提供物体的距离、速度和⾓度信息的传感技术。
这是⼀项⾮接触式技术,⼯作频谱范围为 30GHz ⾄300GHz 。
由于该技术使⽤较⼩的波长,因此可以提供亚毫⽶的距离精度,此外该技术还能够穿透塑料、墙板和⾐服等特定的材料,并且不受⾬、雾、灰尘和雪等环境条件的影响。
毫⽶波传感器使⽤毫⽶ (mm) 范围的波长发送信号。
这被视为电磁谱中的短波长,是该技术的优势之⼀。
处理毫⽶波信号所需的系统组件(如天线)的尺⼨确实很⼩。
短波长的另⼀项优势是⾼分辨率。
在 60-64GHz 和 76-81GHz 的频率下,将距离解析为波长的毫⽶波系统的精度可达到毫⽶级。
此外,在此频谱范围内运⾏使得毫⽶波传感器很有趣,原因是::能穿透材料:穿透塑料、墙板和⾐服。
⾼度定向:形成具有 1° 精度的紧凑波束。
与光类似:可以使⽤标准光学技术进⾏聚焦和转向。
较⼤的绝对带宽:能够区分两个靠近的物体。
⼆.接近感应解决⽅案发现很难选择合适的接近感应技术?阅读我们的信息图表,快速了解我们提供的每种技术(包括毫⽶波)的优缺点以及它如何帮助您的设计实现智能。
采⽤单芯⽚毫⽶波传感器实现前沿的智能⾃主发送信号可以采⽤不同类型的波形,包括脉冲、移频键控 (FSK)、连续波 (CW) 和调频连续波形 (FMCW)。
TI 毫⽶波传感器实现了快速FMCW,从⽽可以在密集场景中实现可靠运⾏、快速传感以及更低的模糊性。
快速 FMCW 还能够提供针对物体的距离和速度提供精确的测量,从⽽使毫⽶波传感器能够提供多维传感。
完整的毫⽶波雷达系统包括发送 (TX) 和接收 (RX) 射频 (RF) 组件,以及时钟等模拟组件和模数转换器 (ADC)、微控制器单元 (MCU) 和数字信号处理器 (DSP) 等数字组件。
这些问题解决了,并设计了集成这些组件且基于 CMOS 的毫⽶波雷达器件。
内部资料,注意保存LiDAR及其数据后处理技术初级培训教程南京市测绘勘察研究院有限公司二零零七年一月前言本来作为一本内部使用的资料,没有考虑它会有一个什么样的名字。
在2006年的时候,这本书的名字为“LiDAR数据后处理初级培训教程”,通过一年的使用,发现技术本身的连续性造成培训的效果不佳。
所以,在2007年元月把LiDAR技术的相关知识加进来作为本教程的第一部分。
使读者在进行枯燥的软件使用之前有一个良好的LiDAR技术基础知识,这更有利于培训和学习。
本教程的第二部分是主要部分,重点阐述了芬兰TerraSolid公司英文版软件使用初级技巧和方法,使读者能够习惯软件的操作方式,为进一步熟练的工程应用打下坚实基础。
这部分包括:TerraScan、TerraModeler、TerraPhoto三个软件模块的介绍、安装、初级使用。
跟随本教程有一套练习数据,有900兆的容量,涵盖了本书提到的软件所有功能的练习内容。
数据主要来自芬兰软件提供的培训数据和研究小组收集的工程实际数据,具有一定的代表性。
本教程是南京市测绘勘察研究院有限公司LiDAR项目研究小组根据TerraSolid公司软件的英文帮助文档、软件使用培训材料,特别是两年多来生产实践经验编写而成,版权归南京市测绘勘察研究院有限公司所有。
不经允许,不能随意翻印、传播,南京市测绘勘察研究院有限公司保留其所有权力。
本教程由南京市测绘勘察研究院有限公司LiDAR项目研究小组成员:韩文泉、黄金浪、刘行波、周伟、袁薇丽、郑真起草编写,由韩文泉统稿和最后修订,配套练习数据的组织由刘行波完成,测试由袁薇丽完成。
在本教程的编写过程中,LiDAR项目研究小组得到了南京市测绘勘察研究院有限公司总经理储征伟研究员的大力支持,并且给予大量指导和帮助,在这里表示由衷的感谢。
由于时间仓促,可能会有一些不恰当的词语描述,欢迎广大LiDAR数据处理专家提出宝贵意见。
我们的联系方式:联系人:韩文泉地址:南京市白下区王府大街8号 邮编 210005 南京市测绘勘察研究院有限公司七楼技术部电话:86-25-66675688EMail:cspringhwq@目录第一部分 LIDAR技术第1章 LIDAR技术概述 (4)1.1 LiDAR技术发展及相关介绍 (4)1.2 LiDAR技术原理 (5)1.3 LiDAR技术应用 (7)第二部分 数据后处理初级培训教程第2章 关于TerraSolid软件 (13)第3章 TerraSolid软件安装 (14)第4章 TerraScan教程 (16)第5章 TerraPhoto教程 (36)第6章 TerraModeler教程 (55)第1 章 LiDAR技术概述1.1 LiDAR技术发展及相关介绍LiDAR——Light Detection And Ranging,即光探测与测量。
1.距离的测量方法.该方法是通过发射信号与接收信号的频率差来计算距离。
在理想情况下,经线性锯齿波驱动电压调制后,压控振荡器的输出信号可以描述为:设镜像速度为0,距离R处的点目标产生的回波信号为:由以上两式得差频信号为:则差频信号频率为f=Br/T=2BR/TC,即R=Ftc/2B;通过这个该等式知测得差频f即可计算出距离R;接下来的工作是求f,方法是对差频信号做傅里叶变换,得到回波差频的频谱为:通过上面的式子知道差频信号的频谱严格对称,只取其正频部分分析,即F+(f)的幅度在频率正半轴上有最大值,即f=Br/T;由于上面分析的是连续信号对应的情况,在实际处理中的信号都是离散的,因此需要对连续信号进行采样。
在回波差频信号处理中,假设采样率为fs,且采样点数与FFT变换点数相同,则信号通过N点FFT变换后得到的离散频谱,相邻两根频谱线的间距为f1=fs/N,在理想的情况下,谱线位置没有发生偏移,频谱幅值最大值对应的频率即为差频信号的频率,各采样点频率为f0=f+-m*f1(m为自然数),除m=0外,其余采样点幅值均为0,此时频谱上只有一条谱线,其对应的频谱为差频信号的实际频率。
2.速度的测量.多普勒频率为fd=2v*f0/c ---(1);其中fd为多普勒频率,v为运动目标的速度,f0为发生波频率,c为光速.通过(1)式得v=fd*c/2f0,从这个式子可以看出只要知道了fd也就知道了v.当测出目标回波的多普勒频移fd以,根据v=fd*c/2f0即可换算出目标的径向速度v.连续波雷达测速的原理框图如下图所示:由高频振荡器发射频率为f0的电磁波,到达运动目标后反射,经过耦合器接收反射回来的回波,再经过混频滤波得到多普勒频率fd,滤波放大后,fd信号进入频率测量电路,测量出输出信号的频率数值,就可以得到对应的速度值.。
相参FMCW导航雷达方案设计与信号的分析0 引言导航雷达作为当代雷达技术的一项重要应用领域,继20世纪40年代问世以来一直受到各国的重视,不论是在上的反恐作战、敌情预警、还是民用上的防撞规避、灾害救援等方面,均有广泛的应用前景。
1988年,Philips研究实验室将FMCW技术引入到导航雷达系统中[1]。
相比于传统脉冲模式工作的雷达系统,FMCW系统的主要优点在于采用简单结构就能获得较高的距离分辨率,因而更容易携带或安装在小型舰船和车辆上。
此外,其发射信号波形的特殊性决定了FMCW系统在发射时不需要很高的发射功率。
在系统实现上,采用较低峰值功率的固态发射机即可满足性能要求,同时,由于FMCW信号的功率谱在调制带宽上近似为矩形,使得非合作截获难度较大[2]。
目前,市场上导航雷达多为非相参结构,即无法获得回波信号的相位信息。
而采用相参正交(I,Q)双通道接收结构,不仅可以改善信噪比(SNR),提高微弱目标检测概率,还可能得到目标的速度信息,并利用多普勒处理技术抑制杂波干扰。
为研制相参FMCW导航雷达系统,在微弱目标检测、杂波抑制等技术瓶颈方面有所突破,需对其探测原理、系统结构和信号处理流程进行详细的分析与设计,建立雷达系统模型并仿真回波信号处理,从而对其探测性能做出科学分析与评估。
1 FMCW雷达探测原理采用无调制波形的单频连续波雷达不能测量目标距离。
为了同时获取目标的距离和速度,连续波雷达的发射频率必须随时间变化。
相参FMCW雷达通过天线向外辐射和接收一系列的调频连续波,跟据回波信号相对发射信号的频率变化确定目标距离和多普勒信息[3]。
由于调制不能总沿着一个方向连续变化,所以一般为周期调制方式。
综上考虑本系统采用如图1所示的锯齿形线性周期调频信号调制电磁波。
其中回波延迟和目标运动会使得发射信号与回波信号之间存在一定的频率差值。
图1 锯齿形线性调频信号示意图相参FMCW雷达发射瞬时频率为[4]:[f(t)=fc-ΔF2+ΔFtmt,0≤t≤tm] (1)式中:[fc]为载频频率;[ΔF]为发射调制带宽;[tm]为调制周期。
车载雷达测试系统(VRTS)无人驾驶车辆的快速发展,使得先进驾驶辅助系统(ADAS )成为保障未来道路和驾乘安全的驱动力。
与此同时,ADAS 也朝着复杂化、多元化的方向发展,传统的测试手段已无法满足对搭载智能驾驶技术的车辆进行测试。
半实物仿真与测试技术应运而生,车载雷达测试系统作为其重要的测试设备,能够以可重复且准确的方式来模拟对象和用户配置的场景帮助您轻松测试高级驾驶员辅助系统(ADAS )。
同时,为了适应日益复杂的开发及验证测试需求,车载雷达测试系统提供灵活的、丰富的API 接口,支持系统软件二次开发,促进了汽车行业在安全、智能驾驶领域的深刻变革。
应用需求●多功能–当研发工程师在开发汽车毫米波组件产品时,最直接的方法就是用真实的目标去测试雷达组件,受限于测试场地、天气、工作时间的影响,需要高性能的车载雷达测试系统具备在实验室模拟真实目标距离、目标速度、方向角度及雷达散射截面等,同时也需要完成雷达性能指标测试。
●灵活性–随着对汽车雷达技术和应用的需求不断增加,对于车载毫米波雷达目标模拟场景要求也越来越灵活,不仅需要常规的目标仿真模式,也需要兼容AEB 、ACC 以及LKA 等复杂场景测试的模拟。
●可扩展–无论是现在还是将来,汽车雷达传感器技术的进步都将需要灵活和可扩展的测试应用程序,以适应设计验证或生产测试的测试要求,实现测试系统的无缝、高成本效益和功能的提升。
解决方案●车载雷达测试系统提供可配置的自动化测试序列和常规驾驶场景的模拟,在实验室轻松模拟真实目标距离、雷达散射截面(RCS )、方向角以及目标速度等,并完成雷达系统的射频指标测量,广泛应用于车载雷达系统的研发、生产以及维护阶段等。
●车载雷达测试系统支持第三方的场景仿真软件,实现AEB 、ACC 以及LKA 等复杂场景的生成,为实现汽车安全驾驶和智能驾驶提供强有力的技术支撑。
●车载雷达测试系统基于PXIe 总线平台,支持模块级软件和硬件插入可实现无缝、高成本效益的升级和功能提升,适用于不断更迭的雷达技术,广泛应用于评估汽车雷达、驾驶员辅助系统和自动驾驶系统的性能、可用性和可靠性。
摘要:本文首先叙述了双(多)基地雷达的发展历史,并对该雷达在现代防御体系中的优势进行了分析与探讨,最后阐述了典型的双(多)基地雷达系统及其未来的发展趋势。
1引言双(多)基地雷达主要是相对于比较常见的单基地雷达而言的,它是从雷达收发站配置的角度来命名的。
单基地雷达一般是收发共址,即接收站和发射站位于同一个地方,而双(多)基地雷达则是收发异址,其中多基地雷达还具有多个发射站和多个接收站,以离散的形式配置。
双(多)基地雷达实际上早在单基地雷达发展前好几年就已经出现了,其原理也早已为人们所应用,但是发展的过程却十分缓慢。
这主要是由于天线收发开关和脉冲发射技术的出现,使得单基地雷达在很长一段时间内占据了雷达技术发展的主导地位。
但是近年来,随着"四大威胁"即目标隐身技术,综合性电子干扰技术、低空超低空突防技术和反辐射导弹技术的迅猛发展,现代战争对军用雷达的要求变得越来越苛刻,单基地雷达因此也面临着日益严重的生存危机。
在海湾战争中,伊拉克的雷达系统为了躲避美军反辐射导弹的攻击,不得不采取了关机的消极措施以求安全。
因此,为了对付日趋发展并成熟起来的"四大威胁"的挑战,双(多)基地体制雷达又重新得到了各国的重视。
由于双(多)基地雷达使用两个或两个以上的分离基地(其中包括有源和无源基地),因此按照不同的军事要求,它在防御体系中就有多种可能的组合形式。
从部置的位置方面来看,可分为地发/地收,空发/地收,地发/空收等几种形式,多基地雷达还具有一发多收,多发多收等形式。
2双(多)基地雷达的发展历史在双(多)基地雷达正式出现之前,人们实际上就已经开始了这种雷达体制的应用。
到三十年代后期,在美、英、法、德、俄等国的早期雷达防御系统中,都出现了这种体制的雷达。
当时采用的基本工作原理是使用相距甚远的发射机和接收机。
通过测定目标反射信号的多普勒频移和发射机向接收机直接传播的信号之间的差频,从而检测出穿过发射机--接收机基线的目标。
泰山学院本科毕业设计基于单片机的汽车防撞报警系统设计所在学院机械与工程学院专业名称机械设计制造及其自动化申请学士学位所属学科工学年级二〇一一级 (3+2) 学生姓名、学号王俊基 ********** 指导教师姓名、职称张秀红讲师完成日期 2013年 5月30日摘要摘要汽车业和电子业是工业界的两大巨头,伴随着汽车和电子工业不断地发展与进步,在现代化的汽车上,越来越广泛地应用了电子技术,汽车的电子化程度愈来愈高。
现在的交通运输业向着高密度的方向发展,电子方面的控制技术也进一步地应用在了汽车的行车安全性与导航方面。
随着社会的不断发展与进步,家庭汽车的数量越来越多,交通事故也与日俱增,交通安全愈来愈引起人们的重视,汽车防撞报警系统也应运而生。
本文以AT89S51单片机为核心,设计汽车的防撞报警系统,且借助于DSP 技术,实现了低成本、高精度测距测速功能的FMCW(调频连续波)防撞雷达设计方案,同时还利用电磁铁同性磁极排斥的原理主动减速,达到防撞的效果。
该防撞报警系统以毫米波雷达为目标探测方式,提出了一款多功能汽车防撞报警系统。
该系统适应性强,有广阔的应用空间,当然还有待于进一步开发。
关键词:AT89S51单片机,DSP,电磁铁,毫米波雷达IAbstractABSTRACTAutomotive industry and the electronics industry is the industry's two giants, along with the automotive and electronics industries continue to develop and progress in the modern car, more and more widely used in the electronics, automotive electronics higher and higher degree of . Now transport direction is towardhigh-density development, electronics control technology is further used in the car driving safety and navigation.With the continuous development and progress of society, more and more family vehicle, traffic accidents also grow with each passing day, traffic safety is paid more and more attention, the automobile anti-collision alarm system also emerge as the times require.This paper takes AT89S51 microcontroller as the core, anti-collision alarm system design of automobile, and with the help of DSP technology, to realize the low cost, high precision ranging measurement function of the FMCW (frequency modulated continuous wave) radar design, but also the principle of electromagnet magnetic poles repel the deceleration, achieve the collision effect. The collision warning system in millimeter wave radar for target detection, while expanding the tracking and recognition to the target, the track-while-scan radar target detection theory, put forward collision warning system is a multifunctional automobile.The system has strong adaptability, broad application space, of course, also need to be further developed.Key words:AT89S51microcontroller, DSP, electromagnet, millimeter wave radII目录目录1 引言 (1)1.1课题的提出及意义 (1)1.2课题研究现状 (1)1.3课题研究内容和预期目标 (2)2.1设计方案的选择 (4)2.2设计方案的总体结构 (5)2.3汽车防撞报警系统的工作原理 (11)3 汽车防撞报警系统的硬件设计 (13)3.1单片机的选型 (14)3.2 DSP芯片的选择 (15)3.3发射前端电路 (15)3.4中频放大电路 (15)3.5 A/D转换电路 (16)3.6 LED显示电路 (16)3.7声光报警电路 (17)3.8电磁铁减速单元模块电路 (18)3.9电源电路设计 (19)4 汽车防撞报警系统的软件设计 (21)4.1 主程序 (21)4.2控制程序流程设计 (23)5 结论 (26)5.1 硬件调试 (26)5.2 软件调试 (26)5.3仿真实验 (27)5.4 测试结果 (29)III目录5.5设计存在的不足 (29)5.6 总体结论 (29)附录 (31)1.汽车防撞报警系统硬件整体电路图 (31)2.汽车防撞报警系统软件程序 (32)参考文献 (39)致谢 (40)IV泰山学院本科毕业设计1 引言1.1课题的提出及意义随着人们生活水平的不断提高,我国汽车的保有量逐年增加,各类交通事故频频发生,其中汽车碰撞事故占大部分,因此汽车防撞报警是亟待解决的问题。
第1篇一、引言随着科技的飞速发展,激光雷达(LiDAR)技术在自动驾驶、测绘、机器人、无人机等领域的应用越来越广泛。
激光雷达通过发射激光脉冲,测量光与物体之间的距离,进而获取目标物体的三维信息。
本文将详细介绍激光雷达全套解决方案,包括激光雷达的工作原理、分类、关键技术、应用领域以及未来发展前景。
二、激光雷达工作原理激光雷达利用激光发射和接收系统,测量光与物体之间的距离。
其基本原理如下:1. 激光发射:激光雷达发射器发射一束激光脉冲,脉冲的光能量在短时间内集中,具有较高的强度。
2. 光传播:激光脉冲在空气中传播,遇到物体时发生反射。
3. 光接收:激光雷达接收器接收反射回来的光信号。
4. 时间测量:激光雷达测量发射激光脉冲到接收反射光信号所需的时间,根据光速和测量时间,计算出激光脉冲与物体之间的距离。
5. 数据处理:将测量到的距离信息进行处理,生成目标物体的三维点云数据。
三、激光雷达分类根据激光雷达的工作原理和应用场景,可分为以下几类:1. 激光雷达按波长分类:(1)短波激光雷达:波长在1064nm以下,如355nm、532nm等,主要用于军事、工业等领域。
(2)长波激光雷达:波长在1064nm以上,如1550nm等,主要用于汽车、无人机等领域。
2. 激光雷达按测量距离分类:(1)短距离激光雷达:测量距离在100m以内,如汽车前向激光雷达。
(2)中距离激光雷达:测量距离在100-500m之间,如无人机激光雷达。
(3)长距离激光雷达:测量距离在500m以上,如测绘激光雷达。
3. 激光雷达按扫描方式分类:(1)机械扫描激光雷达:通过旋转或摆动镜片等机械部件,改变激光束的扫描方向。
(2)相位激光雷达:通过测量光波相位差,实现激光束的扫描。
(3)固态激光雷达:采用半导体激光器,无需机械部件,具有体积小、功耗低等优点。
四、激光雷达关键技术1. 激光器技术:激光器是激光雷达的核心部件,其性能直接影响激光雷达的性能。
雷达物位计在过程控制工业中的应用摘要:雷达物位计具有许多优点,近年来应用广泛。
本文简单介绍了雷达物位计的工作原理及应用的注意事项。
关键词:雷达物位计、介电常数Abstract: Radar thing location has many advantages, widely used in recent years. This paper briefly introduced the radar thing location of the working principle and application of the note. Keywords: radar thing location、dielectric constant1.概述自雷达物位计进入市场,由于测量精度高、耐高温高压的能力强,以及采用非接触的测量方式,成为过程控制工业罐区物位监测的首选仪表,受到广大技术人员的欢迎。
在公司的生产车间,物位作为重要的过程参数已成为判断生产过程的效率、工作状况及经济性能的重要指标,物位测量仪表在连续与离散控制系统中的作用日趋突出,业主对测量仪表的精确测量、稳定可靠、多功能、智能化的要求也越来越高。
雷达物位计是近年逐步在现场应用的先进测量技术。
在使用过程中也暴露出一些问题,主要是设计选型失误。
由于雷达物位计种类和品牌较多,如果在设计阶段不能结合工矿条件选择适宜的产品,就可能造成雷达物位计无法正常使用。
2.雷达物位计的测量原理与分类2.1 测量原理雷达物位计主要由雷达探测器(一次表)和雷达显示仪(二次表)组成。
雷达探测器主要由主体、连接法兰和天线三部分组成。
天线分为喇叭型和直接与波导管连接两种形式。
雷达显示仪提供连接上位计算机的RS-485接口,可以传递物位等参数及报警信号,亦可通过上位计算机对智能雷达显示仪进行控制。
雷达探测器采用的是线性调频连续波测距原理:天线发射的微波是频率波线性调制的连续波,当回波被天线接收到时,天线发射频率已经改变。
雷达的常见分类以及典型应用雷达,是英文Radar的音译,源于radio detection and ranging的缩写,意思为'无线电探测和测距',即用无线电的方法发现目标并测定它们的空间位置。
因此,雷达也被称为“无线电定位”。
雷达是利用电磁波探测目标的电子设备。
雷达发射电磁波对目标进行照射并接收其回波,由此获得目标至电磁波发射点的距离、距离变化率(径向速度)、方位、高度等信息。
0101典型雷达应用监视——军事、民用航空交通管制、地面、空中、沿海警戒、卫星搜索和跟踪——军事目标搜索和跟踪火控——为火控系统提供信息(主要包括目标方位、仰角、距离和速度)。
导航——卫星、航空、航海、陆地导航汽车——碰撞警告,自适应巡航控制(ACC),避免碰撞液位距离测量——液体的液位监控,距离测量等等。
近炸引信——军事用途: 制导武器系统需要一个接近触发引信爆炸弹头高度计——飞机或太空船的高度计,为民用和军用使用地形回避——机载军事应用二次雷达——异频雷达收发机,接收目标反射的编码信号气象——避免风暴,变风警告,气象测绘空间遥感——军事基地监视、地面测绘,空间环境探索安全——隐藏武器检测、军事基地监视02雷达频段和应用不同频段电磁波在大气传播中衰减03常见雷达类型连续波雷达固定频率的连续波(CW型)雷达系统可用于测量速度。
但是,它不能提供任何距离信息。
天线发射某一固定频率的信号。
在移动目标(例如汽车)上反射回来的信号产生了多普勒频移。
也就是说会在略微偏移的频率上接收到反射信号。
通过比较收发信号的频率,我们可以确定目标的径向速度(而不是距离)。
基于这个原理,一个典型的应用是交通监测雷达。
雷达移动传感器也是基于相同的原理,但由于可能存在变化的干扰环境,它们还必须具有能够检测缓慢变化场强的能力。
交警使用的超速检测雷达(speed traps)也是采用这种技术。
如果一个特定距离的目标超速了,摄影机就拍下照片。
全固态连续波导航雷达 性能与指标论证 一、 体制 调频连续波(FMCW)。 二、 系统组成 系统组成见下图。 发射通道接收通道定向耦合器信号产生
信号处理接收天线驱动电机光电码盘
汇流环接口
/控制
显示
终端网络
电源
发射天线
扫描单元显示单元
图1.系统组成框图
三、 技术指标 1、频率 X波段,9.3GHz~9.4GHz 2、峰值功率 100mW 3、扫频带宽 小于等于75MHz 4、扫频重复频率 200Hz 5、扫频时宽 1.2ms 6、接收机噪声系数 小于等于6dB 7、天线转速 24rpm,+/-10% 8、收/发天线水平波束宽度 5.2º+/-10%(-3dB宽度) 9、收/发天线垂直波束宽度 25º+/-20%(-3dB宽度) 10、 收/发天线旁瓣电平 小于等于-18dB(正负10º内) 小于等于-24dB(正负10º外)
11、 极化方式 水平极化 12、 通信协议 高速以太网或串口 四、 性能指标 1、探测距离 典型目标探测距离见下表。 表1.探测距离表 目标类型 探测距离 大型电站/风场 15-25nm 100m高陡峭海岸线 10-20nm 稠密城市海岸线 6-12nm 覆盖森林的250m斜坡海岸线 4-8nm 低矮郊区海岸线 4-8nm 大型集装箱船 7-14nm 小于50m的低矮海岸线,浓密植被 3-6nm 小岛 2-4nm 中型汽艇 1-2nm 带角反射器的航标 1-2nm 小型汽艇或游船 0.5-1.5nm 无角反射器的小型浮标 0.25-0.5nm 皮划艇 300-800ft 鸟群 160-500ft
2、量程 50m~24nm, 17档可调 3、功耗 工作:*********** 待机:**********~150ma
4、电源 9V~31.2V直流 5、使用环境 工作温度:-25º~+55 º 相对湿度:+35º,95%RH 防水:IPX6 相对风速:51m/s(最大100节)
五、 组成原理 1、收发系统组成
DDS倍频器
PA
fh
上变频器LNAIFA差拍中频输出
混频器
发天线收天线
图2.收发系统原理框图 2、信号处理系统组成
A/DFFT积累检测
差拍中频检测视频
图3.信号处理原理框图 六、 关键指标分析论证 1、A/D采样率与采样位数 雷达最大量程24nm,回波最大延迟: max82241852296.32310dts 最大差拍频率: maxmax75296.3218.521200bdm
FftMHzT
应选择A/D采样频率fs≥2fbmax, 实际可选: fs=40MHz。 采样位数选16位,对应动态范围96dB。
2、距离分辨率 (1)、理论分辨率 发射波形扫频带宽ΔF=75MHz,理想距离分辨率为: 806
3102227510CRmF
对自差式FMCW雷达,当目标回波延时td,有效带宽降为:
(1)dmtFFT 式中Tm为调制时宽。实际目标距离分辨率为:
2(1)dmCRtFT 从上式可以看出,FMCW雷达在不同的探测距离上有不同的距离分辨率。距离越远,分辨率越差。取Tm=1.2ms,最小和最大量程的距离分辨率为: 量程=50m, 距离分辨率ΔR≤2m 量程=24nm, 距离分辨率ΔR≤2.66m 以上给出的是距离分辨率的理论计算值,实际距离分辨率还与信号处理(主要是FFT)的频率分辨精度等因数有关。 (2)、相干处理时间间隔对分辨率的影响 最大量程时的可用相干处理时间间隔: 1200 - 296.32 = 903.68μs 可用采样点数: 903.68 × 40 = 36147 为了便于FFT处理,若实际采样点数选32768。对应的频率分辨率: Δf = 1221 Hz 该频率分辨率对距离分辨率的限制为: 3861.21031012212.9304227510mTCfRmF
该值大于理论距离分辨率,是实际能达到的距离分辨率。 小量程时,差拍频率小,与大量程相比可获得更长的相干处理时间,FFT频率分辨率对雷达距离分辨率的影响可得到一定程度的改善。 比如,50m量程时,最大回波延时0.33μs,可用相干处理时间间隔为: 1200 - 0.33 = 1199.67μs 频率分辨率: Δf = 833.56 Hz 该频率分辨率对距离分辨率的限制为: 3861.210310833.562.0005227510mTCfRmF
因而,FFT频率分辨率对雷达距离分辨率的影响可忽略。但前提是相干处理时间必须用足。按40MHz采样率,50m量程下的可用样点为47986。实际处理时,可通过补零将序列长度延长至65536再进行FFT。 如此长序列的FFT在处理时必须保证有足够的处理动态,否则将产生严重的弱小目标损失。 (3)、FFT加窗对分辨率的影响 信号处理时,若对经A/D变换后的回波差拍信号直接进行FFT,频谱旁瓣仅为-13dB,在密集目标环境下,大目标的旁瓣谱线可能远高于邻近小目标的主瓣谱线,从而严重干扰小目标的检测和分辨。为了克服这一问题,一般采用加窗处理的方法压低旁瓣。但加窗处理的负作用是引起频谱主瓣的展宽,使雷达分辨率下降。比如,采用Hamming窗函数进行加权,旁瓣可压低至-40dB,但主瓣展宽了一倍,雷达的距离分辨率对应下降了一倍。
3、信号处理损失 FMCW雷达通过FFT分析差拍频率算出目标距离,FFT具有所谓的“栅栏效应”,其输出的频谱是离散的,谱线的间隔Δf等于相干处理时间的倒数,当差拍回波谱正好等于Δf的整数倍时,幅度最大,无损失。而当差拍回波谱位于FFT的两根谱线之间时,即: /2(0,1,2,...,1)bfnffnN 谱强度下降了0.637倍,即信号损失3.92dB。 4、测距精度 线性调频连续波雷达的测距精度取决于信号调频的线性度、测频精度及目标运动引起的距离多普勒耦合等因素。 (1)、线性度的影响 采用DDS产生LFMCW信号的设计方案,可获得较理想的线性度,其对测距精度的影响可不予考虑。 (2)、测频精度的影响 差拍频率测量采用FFT方法时,其“栅栏效应”将带来测频误差,最大测频误差发生在差拍频率位于FFT两根谱线之间时: /2ff 对应的测距误差:
2mTCfRF 按照前述参数,小量程的误差为1m,大量程误差为1.465m。 (3)、距离多普勒耦合的影响 当目标有径向运动速度vr时,其回波频率将产生多普勒频移:
2rdvf 该频率将直接折合到差拍频率中去,引起的测距误差为: 2mdTCfRF 比如,以30节速度运动的目标,误差为2.31m。 距离多普勒耦合的影响可采用三角波调频的FMCW波形,在信号处理时对该误差进行补偿。若采用锯齿波调频,该误差将直接加到系统总误差中去。 系统总测距误差为: 22()()RRR 5、灵敏度频率控制(SFC) 在脉冲雷达中一般采用灵敏度时间控制(STC)电路压制近距离强回波,实现合理的信号动态范围控制。FMCW雷达同样面临压缩动态范围的问题,FMCW雷达的近距离强回波除了干扰目标的观察和检测,还会使中频电路过载,中频过载引起的交调会产生多个虚假目标,增加雷达的虚警率。因而,在FMCW雷达中对近距离强回波进行压制对保证探测性能显得尤为重要。 FMCW雷达的近距离回波处于差拍中频的低端,远距离回波位于差拍中频的高端,所以要压缩信号的动态,必须压低差拍中频低频段的增益,同时保证在高频段有足够的增益放大小信号,即实现所谓的灵敏度频率控制(SFC)。 SFC电路的频率响应曲线应随频率增加而上升,其上升斜率在每倍频程+6dB~+12dB之间,其控制曲线可随 “海浪抑制”操作旋钮的变化而变化。 为了取得比较好的效果,SFC电路应放在紧接混频器之后的位置,非常近距离的超大目标回波的抑制靠交流耦合电路实现。 6、发/收信号泄漏 FMCW雷达发射机与接收机之间的信号泄漏问题是该体制雷达面临的最突出问题。泄漏的影响表现在两个方面,一是当发射机泄漏到接收机的信号过强,使接收机前端饱和甚至烧毁;二是泄漏信号的噪声边带落入差拍信号的有效带宽内,严重限制了小信号的检测。因而,从某种意义上讲,FMCW雷达对弱小目标的探测能力并不完全受限于接收机的灵敏度,而在很大程度上取决于收发隔离度。 LOWRANCE雷达解决收/发隔离问题采取的是收、发双天线分置的传统途径。目前从公开资料上查不到隔离度指标,但从其天线结构和两个天线的间距推测,隔离度应该大于60dB。 在收、发天线分置的FMCW系统中,发射信号除了可以通过收、发天线的空间耦合泄漏到接收通道,还可能通过收发模块的电路间耦合到接收电路。所以,在收发前端设计时,必须仔细考虑单元电路的隔离和屏蔽。
7、相位噪声对系统性能的影响 由于FMCW雷达不可避免的信号泄漏,加上该体制雷达一般采用“零拍型”接收方案,发射信号相位噪声对系统性能的影响在方案设计和电路设计阶段都必须加以仔细考虑。 任何射频产生电路在产生发射信号的过程中除产生所需要的信号外,还不可避免地同时产生相位噪声。从频谱上看,相位噪声谱对称分布于主信号谱两边。噪声边带可分为两个部分:一部分相互之间