提高线性调频连续波雷达测距精度的ZFFT算法
航天电子对抗第22卷第1期
收稿日期:2005-07-06;2005-10-18修回。
作者简介:张红(1982-),女,硕士研究生,主要研究方向是雷达信号处理。
提高线性调频连续波雷达测距精度的ZFFT 算法
张 红,王晓红,郭 昕
(北京理工大学电子工程系,北京 100081)
摘要: 线性调频连续波(LFM CW )雷达在理论上有很高的测距精度,然而在实际系统中,由于FFT 变换的栅栏效应,使得其距离分辨力和测距精度处于同一数量级,满足不了近距离测距时高精度的要求。在传统的FFT 处理的基础上,采用ZFFT 算法,在运算量增加不多的情况下,完成对中频回波主瓣的局部细化,大大提高了LFM CW 雷达的测距精度,以满足高精度测距的要求。
关键词: 雷达;测距;LFM CW;ZFFT
中图分类号: TN958.94 文献标识码: A
Improving ra nge measuring precision o f LFMC W radar usin g ZFFT method
Zhang Hong,Wang Xiaohong,Guo Xin
(Department of Electronic and Engineering,Beijing Institute of Technology ,Beijing 100081,China)
Abstract:T he L inea r Fr equency M o dulated Continuous W ave (L FM CW )Radar has high theor etical r ang e measuring precision.But its practical range precision is of the same mag nitude as the rang e resolut ion because of the inher ent frequency space of FFT ,w hich can not satisfy the high precisio n requirement fo r the near r ang e measuring.ZF FT met ho d is adopted to r educe fr equency space of the main lo be of echo r ang e spectr um o n the FFT with incr easing less operat ion.T his method can gr eatly improv e the range precisio n of L FM CW r adar and satisf y the pr actical needs o f high precisio n r adar rang measuring.
Key words:rada r;range measur ing;L FM CW;ZFF T
1 引言
线性调频连续波(LFM CW)能实现较高的距离和多普勒频率的分辨力,在各种近距离雷达,防撞雷达,末制导雷达,远距离天波、地波雷达以及飞机高度表中已得到广泛应用。LFM CW 雷达回波中频的处理普遍采用数字信号处理方式来获取回波中频的距离谱,然后根据一定的判决准则来判定目标的有无,并通过计算过门限的目标频谱值来测量目标的距离[1]
,其系统
框图如图1所示。
该方法是通过目标的回波和目标发射波形混频后得到差拍信号,对差拍信号进行FFT 运算,计算出回波中频在距离轴上的功率谱曲线(即距离谱),可以充分利用LFM CW 雷达的高距离分辨和高测距精度的特点,适用于更为复杂的目标环境,是微波、毫米波测
图1 L FM CW 雷达系统示意图
距和成像的重要手段。但是,由于FFT 的 栅栏效应 [2-3],使得通过FFT 变换得到的距离谱具有固定的采样间隔 R ( R 为雷达的距离分辨力),从而产生 R /2的测距误差。当测量的距离较远时, R R ,测量误差远远小于目标的距离,相对误差较小;但当测量距离较近时, R !R ,相对测量误差较大。为此,如何克服FFT 的栅栏效应、提高近距离的测距精度的问题,就成为LFMCW 测距雷达重要的研究课题。本文采用ZFFT 对距离谱进行局部细化,可在增加较少运算量的情况下,大幅提高LFM CW 测距雷达的测距精度。
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2006(1)张红等:提高线性调频连续波雷达测距精度的ZFFT 算法
2 LFMCW 雷达回波的信号处理
LFM CW 雷达理想的发射信号在有效扫频期间T e 内可表示为:
S T (t)=A 0cos[2 (f 0t +1/2K t 2
)+ 0]
t ?T e =[-T /2,T/2] (1)
式中 0为发射信号的随机初相;A 0为信号幅度;f 0是t =0时发射信号的瞬时频率,即发射信号的中心频率;K =B/T 为调频斜率;T 为有效时宽;B 为调频带宽。
径向速度为0、初始距离(t =0时)为R 0、初始回
波延迟为!
0=2R 0/c 的点目标产生的回波信号S RF (t)在T e 内可表示为:
S RF (t)=K r A 0co s{2 [f 0(t -!0)+1/2K (t -!0)2
]
+ 0+?0}(2)
式中,K 为B /T 为调频斜率,?0为目标反射引起的附加相移,!0=2R 0/c 为初始回波延迟,R 0为目标初始距离,K r 为传输损耗因子。
将回波信号与发射信号进行混频,并滤去高频分量,得到的混频信号如下:S IF (t)=
12K r A 20co s[2 (K !0t +f 0!0-12
K !20)+?0](3)
式中,K r 为传输损耗因子,?0为目标反射引起的附加相移,A 0为发射波形的幅度,K =B/T 为调频斜率,!0=2R 0/c 为初始回波延迟。令M =12
K r A 20,w IF =
2 B !0/T, =2 f 0!0- K !2
0+?0,将混频后的回波信
号进行傅立叶变换,可得到中频频谱近似表示为:P s (w )=
M T 2
2
Sa 2
(w -w IF )T 2+Sa 2
(w +w IF )T
2
(4)
令k =(MT /2)2,并将w I F =2 B !0/T =(2 /T )(R 0/ R)( R =c/2B 为距离分辨力)代入(4)即可得到归一化的连续距离谱。由于回波中频距离谱的正负部分是严格对称的,故可只取其正频部分得:
P s +(w )=k Sa 2
R
(R -R I F )
(5)
式(5)是LFMCW 雷达的连续距离谱,其零点为R IF #m R(m 为正整数)。
在实际的回波信号处理中,A/D 用f s 对混频后
的回波信号进行采样,得到离散的N s 点的时域信号,通过N FFT 点的FFT 变换得到离散的距离谱,其频域采样间隔为#w =2 f s /N FFT ,相应的距离间隔为#R = R
f s T N FFT = R N s
N FFT
,由该式可见,提高FFT 的点数,可以大幅度地细化频谱的包络。由式(5)可以看出:
?当N s =N FFT ,且R =R IF +m R 时,除R =R IF
外,其余各采样点均位于距离谱的零点上,这时距离谱上只有一个谱线,其对应的距离值R IF 即为目标的真实距离,测量误差为0。如图2所示。
图2 L F M CW 雷达的数字距离谱
(N s =N F FT ,R =R IF +m R )
%当N s =N FFT ,且R &R IF +m R 时,距离谱的所有采样点均不在零点上,最大采样值点偏离距离谱的最大值。此时,测出的距离的最大距离误差为 R /2,测距精度与距离分辨力处于同一量级上,远远没有体
现出LFM CW 雷达高距离精度的优势。如图3所示。
图3 L F M CW 雷达的数字距离谱
(N s =N F FT ,R &R IF +m R )
因此,造成LFMCW 雷达测距误差的根本原因在于其距离谱上的采样间隔,其实质是FFT 在单位圆上进行N 点等间隔采样造成的。所以为提高LFM CW 雷达的测距精度,最直接的办法就是提高距离谱上的采样密度,即增加FFT 点数。可见,FFT 点数由N 增
加到M N ,则测距误差由 R/2降低到 R/(2M )。但是,同时FFT 的运算量由N log 2N 增加到M N log 2(MN ),可见运算量增加的幅度很大,在处理器速度一定时,会增加信号处理的运算时间,从而影响LFMCM 雷达系统的实时性。
3 采用ZFFT 变换提高LFMC W 雷达的测距
精度
增加FFT 点数的实质是在整个距离谱上增加频
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航天电子对抗2006(1)
域采样点数,从而使运算量成倍增长。而为了提高LFM CW雷达的测距精度,只需先用FFT变换判断出回波主瓣的位置,然后对主瓣增加采样点数,从而达到既提高了测距精度、运算量又不会有很大的增长的目的。
3.1 ZFFT算法的原理
其工作原理如图4所示。
图4 ZF FT工作原理
第1步:频谱搬移。针对感兴趣的频谱做一个频移(即在时域乘以一个复指数序列),将其搬至零频附近,如图4中的X?(k)所示。
第2步:低通滤波。若感兴趣的频谱宽度为B,对频移后的信号进行带宽为B的低通滤波,输出序列g(n)只含有输入序列x(n)在f d#B/2范围内的频率成份,若X(k)的采样频率f s/B=N,则频率范围缩小到了1/N,如图4中的X((k)所示。
第3步:抽取。由于频率范围缩小到了1/N,故采样率降低到1/N也不会引起频谱的混叠,再以f sM= f s/N进行采样,若取样后r(m)为M点,则它的分辨率为#f M=f s M/M=f sM/(N M),可见比N点FFT分辨率提高了M倍,如图4中的X (k)所示。
第4步:FFT。对r(m)作M点FFT,得到的谱线有N M点的FFT的效果。
3.2 ZFFT算法的运算量
由以上工作原理可见,ZFFT的运算量只是N点FFT的运算量加上少量的FIR的运算量,对于大点数的分析,ZFFT有着极佳的运算特性。以N M点的信号做FFT和ZFFT来比较分析[4-5]。
NM点FFT的复乘次数为:
N M/2(lo g2N+log2M)(6) 复加次数为:N M(log2N+lo g2M)(7)采用ZFFT,其FFT的运算量如下:
复乘次数为M/2log2M(8)
复加次数为:M lo g2M(9)
可见,采用ZFFT之后,运算量大大减少。即对于采用ZFFT算法和普通FFT算法两种情况,在两者运算量相同的情况下,ZFFT更加细化了频谱包络,提高了LFM CW雷达的测距精度。
3.3 ZFFT算法的实现
随着DSP处理器的飞速发展,为了增加处理器的灵活性以及便于硬件的实现,软件实现ZFFT算法越来越受到人们的关注。采用ZFFT算法来实现LFM CW雷达高距离精度的程序流程图如图5所示。图5中ZFFT算法的流程图又如图6所示。
可见,采用ZFFT算法与传统的FFT算法的区别只在于在FFT之后增加了细化包络的处理,由前面分析可知,采用ZFFT算法只是在很小的程度上增加了运算量,而大幅度地提高了LFM CW雷达的测距精度,该结论可由下面的MA TLAB仿真结果来验证。
4 计算机仿真
取雷达参数为T= 2.56m s,B= 1.0GH z(对应的距离分辨力为0.15m),f s=100kH z,A= 4.0V,N= 256,M=16,目标距雷达的距离为15.0~15.28m,目标为单目标,局部细化范围为先采用FFT获得的回波中频距离谱上的最大采样点和次大采样点之间。分别采用256点FFT运算和256点FFT加16点ZFFT 测量目标的距离,其计算机仿真结果如表1。
由表1,只采用256点的FFT,测距的最大误差为0.080m,采用ZFFT算法后,最大测距误差变为0.004 m。可见ZFFT算法大大提高了LFMCW雷达的测距精度。
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2006(1)张红等:提高线性调频连续波雷达测距精度的ZFFT算法
表1 采用ZFF T算法与普通FF T仿真的结果
距离/m15.00015.04015.08015.12015.16015.20015.24015.280
FFT/m15.00015.00015.00015.15015.15015.15015.30015.300
ZFFT/m15.00015.03715.08415.12215.15915.19715.24415.281
由式(6)和式(7)可得,为了得到与采用ZFFT算法之后相同的测距精度在只采用FFT算法时,需要进行256)16点的FFT运算,其计算量为:复乘次数(256)16)/2(log2256+log216)=24576,复加次数256)16(log2256+log216)=49152次。由式(8)和式(9)可得,采用ZFFT算法之后,复乘次数(16/2) log216=32,复加次数16log216=64。可见,采用ZFFT算法之后,在获得相同的测距精度的情况下,大大减少了FFT的计算量,从而更容易满足LFM CW 雷达的实时性的要求。
5 结束语
本文提出了一种采用ZFFT变换提高LFM CW 雷达测距精度的信号处理方法。该方法的基本原理是先采用FFT方法测出回波中频距离谱上主瓣的位置,然后采用ZFFT变换对主瓣进行局部细化,从而降低距离谱上的采样间隔,提高LFM CW雷达的测距精度。相对于其他类似的方法而言,本算法具有以下特点:?以FFT为基础,其快速算法成熟,有大量的通用、专用软硬件支持;%ZFFT变换法是比较成熟的算法,有专用的软硬件支持;?在提高很少的运算量的情况下,可以大幅度提高测距精度。+
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(上接第41页)
表1 SAR雷达参数
参 数载 频
/GH z
峰值功率
/kW
天线增益
/dB
副瓣电平
/dB
脉冲重频
/H z
脉 宽
/?s
雷达信号
带 宽
/M H z
方 位
分辨率
/m
波束方位
宽 度
?0.5/?
波束俯仰
宽 度
%0.5/?
速 度
/(m/s)
数值105030-301500101030 1.436300
同样的干扰功率下脉内脉间均相干的干扰效果较好。这也是要选择相干信号对星载SAR进行有效干扰的原因所在。
5 结束语
本文对星载SAR有源干扰技术措施进行了探讨,从总体上可以将其分为有源压制干扰和有源欺骗干扰。有源压制干扰又包括阻塞干扰、瞄准式干扰和随机脉冲干扰;而有源欺骗干扰则包括转发式干扰、应答式干扰和散射波干扰。对干扰功率的计算分析表明,对SAR的干扰要想达到理想效果,干扰机发射的干扰信号必须要与雷达回波具有很好的相关性。只有这样才能提高干扰信号的处理增益,而这在工程实际中也是可行的。+参考文献:
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中国合成孔径雷达会议论文集.2003.170-175.
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一种大角度范围的高精度超声波测距处理方法
第45卷 第4期厦门大学学报(自然科学版) Vol.45 No.4 2006年7月 Journal of Xiamen University (Nat ural Science ) J ul.2006 一种大角度范围的高精度超声波测距处理方法 收稿日期:2005209222 基金项目:国家自然科学基金(D0602240476018),厦门大学科技创 新基金(00502K70013)资助 作者简介:孙牵宇(1982-),男,硕士研究生.3通讯作者:xmxu @https://www.360docs.net/doc/611917114.html, 孙牵宇,童 峰,许肖梅3 (厦门大学水声通信与海洋信息技术教育部重点实验室,福建厦门361005) 摘要:针对移动机器人超声定位中超声收发传感器角度偏向造成的测距精度下降,本文提出了一种基于归一化波形参数 特征修正的超声测距系统.传统的增益控制、可变阈值等抗起伏措施对抑制传播过程中的幅度起伏造成的测距误差效果较好,但如果传感器角度偏向使波形发生畸变,此类方法仍将造成较大误差.本文通过对传感器角度偏向造成接收信号波形畸变及测距精度下降的理论分析及实验研究,建立了超声接收信号归一化波形特征脉宽与前沿变化的关系,设计了基于单片机实现误差校正的大偏向角高精度超声波测距系统.测距实验结果表明本系统显著减小了传感器角度偏向引起的测距误差,在不同的距离上使测距精度平均提高了1.6%,同时具有成本低、使用简单、方便的特点. 关键词:移动机器人定位;超声测距;角度偏向中图分类号:TP 274.53 文献标识码:A 文章编号:043820479(2006)0420513205 由于超声波测距有不受光线影响、结构简单、成本低、信息处理简单可靠、易于小型化和集成化等优点,因此,广泛应用于移动机器人定位及导航系统[1,2]. 超声测距的精度直接决定了机器人超声波定位的精度性能,目前许多提高超声波测距精度的研究集中在考虑传播过程中幅度起伏造成的误差[3～6],采用增益控制、可变阈值、零交叉点等抗起伏措施保证触发时刻的稳定,实现超声信号飞行时间(TOF ,time of flight )检测精度的提高.上述方法取得精度提高的前提是接收信号的归一化波形保持不变. Lamancus [7]的研究表明,当超声收发传感器轴线存在一定偏角、超声波信号偏向入射时接收信号波形会产生畸变,特别是偏角比较大的时候,如移动机器人定位中在机器人活动范围内当发射与接收传感器处于大偏向角位置时,波形由于信号斜入射而畸变大大降低了传统方法下的测距精度.这个问题严重影响了超声波定位系统在自动导引车高精度停靠等需要高定位精度、大偏角范围场合的应用.如童峰等人研制的机器人超声波导航系统[8],在小偏向角度下(轴线方向上)定位精度为1cm ,在大偏向角度下精度下降为5cm. 本文根据波形畸变理论和实验的分析,针对传感器的发射角和入射角所引起的误差,提出了一种可适用于大角度范围工作条件的处理方法并设计了基于单 片机的系统,实现简单方便.实验结果表明:本系统最终在大角度测距时使测距精度平均提高了1.6%. 1 超声测距系统原理及影响测距精度 的因素 1.1 影响测距精度的因素 除声速变化、噪声等影响因素外,声波在空气介质中声速的变化及散射,衰减的随机不均匀性,引起接收信号在幅度和时间轴上的起伏,是造成测距误差的一个主要原因.图1所示为固定门限电平检测下由幅度起伏引起触发电路的信号前沿不同,产生飞行时间(Time of flight )检测误差,起伏变化越大引起的误差就越大.针对这个问题提出的可变门限[3]、前沿线性前推[4]、零交叉点检测等处理方法,这些方法一个共同的前提就是幅度起伏时,信号的归一化波形基本不变(如图1中实线波形所示),如果波形发生了畸变(如图1 图1 幅度起伏(虚线是畸变波形) Fig.1 Amplitude fluctuations (dashed :distorted wave 2 form ) 中虚线波形所示),仍将造成较大的检测误差.
雷达测速与测距
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
一种高精度超声波测距系统的研制
一种高精度超声波测距系统的研制3 赵海鸣,卜英勇,王纪婵 (中南大学机电工程学院, 湖南长沙 410083) 摘 要:介绍了超声波测距的原理.分析了超声波测距产生误差的主要原因。提出通过温度测量修正超声波传播速度,应用双比较器整形结合软件准确确定回波前沿以提高空气中超声波测距精度的方法。在此基础上,设计了相应的超声波测距系统电路和软件。实验表明,该测距系统测量精度高,电路简单。 关键词:超声波测距;测距精度;回波前沿;系统设计 中图分类号:T B559 文献标识码:A 文章编号:1005-2763(2006)03-0062-04 D evelop m en t of an Ultra son i c D ist ance M ea sure m en t Syste m w ith H i gh Prec isi on Zhao Hai m ing,B u Yinyong,W ang J ichan (College of Mechanical and Electrical Engineering,Central S outh University,Changsha,Hunan410083,China) Abstract:I n this paper,the p rinci p le of ultras onic distance measure ment is described,the main err or s ources of ultras onic distance measure ment are analyzed als o.A method of i m p r oving p recisi on of ultras onic distance measurement in air,in which the trans m issi on s peed of ultras onic wave is corrected by measured air te mperature and the f or ward edge of receive wave can be de2 ter m ined accurately by use of the t w o comparing circuits of ultra2 s onic signal in combinati on with the s oft w are.Based on the ide2 a,the circuit and s oft w are of ultras onic distance measure ment syste m have been designed.Experi m ent indicates that the meas2 uring p recisi on of ultras onic distance measurement system is higher and its circuit is si m p ler. Key W ords:U ltras onic wave distance measure ment,Precisi on of distance measure ment,For ward edge of receive wave,Syste m design 超声波测距是一种非接触式检测方式,在使用中不受光照度、电磁场、被测物色彩等因素的影响,加之其信息处理简单、速度快、成本低,在机器人避障和定位、车辆自动导航、液位测量等方面已经有了广泛的应用。本文介绍一种以89C52单片机为核心的低成本、高精度、微型化的数字显示超声波测距系统的硬件电路和软件设计。 1 超声测距原理 用于距离测量的超声波通常是由压电陶瓷的压电效应产生,这种压电陶瓷传感器有两块压电晶片和一块共振板,当给它的两极加频率等于晶片固有频率的脉冲信号时,压电晶片就会发生共振,并带动共振板振动,从而产生超声波,超声波经固体表面或液体反射折回,由同一传感器或相邻布置的另一传感器接收,测量超声波整个运行时间t,计算出发射点与反射点的距离s: s=c?t/2(1)式中:c为超声波的传播速度,m/s。超声波在固体中传播速度最快,在气体中传播速度最慢,而且声速受温度影响最大。超声波在空气中的传播速度为: c=331.4×1+T/273(2)式中,T为环境摄氏温度,℃。 超声波从超声传感器发出,在空气中传播,遇到被测物反射后,再传回超声传感器。整个过程,由于吸收衰减和扩散损失,声强随目标距离增大而衰减;同时超声波的衰减随频率增大而成指数增加,但频率越高,指向性越强,这一点有利于距离测量。本文讨论在空气中测量距离,选用40kHz的超声探头。超声传感器接收到的信号的幅值随距离增大而减小,远目标回波信号幅度小、信噪比低,用固定阀值的比较器检测回波,可能导致越过门槛的时刻前后移动,从而影响计时的准确性,这会影响测量的准确度。为了提高超声波测距的精度,需要准确地检测到第一个回波脉冲前沿的到达时间,为此,提出双比较器整形确定回波前沿的方法。 I SS N1005-2763 CN43-1215/T D 矿业研究与开发第26卷第3期 M I N I N G R&D,Vol.26,No.3 2006年6月 Jun.2006 3收稿日期:2005-08-09 基金项目:国家自然科学基金资助项目(50474052). 作者简介:赵海鸣(1966-),男,湖南邵阳人,博士研究生,从事机电一体化、设备故障诊断及海洋采矿和微地貌测量与可视化研究.
连续波雷达测速测距原理.doc
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。
调频连续波雷达简要分析
连续波调频雷达 雷达主要分为脉冲雷达和连续波雷达两大类。当前常用的雷达大多数是脉冲雷达，常规脉冲雷达是周期性地发射高频脉冲。而连续波雷达即是发射连续波信号的雷达，它的信号可以是单频、多频或者调频（多种调制规律如三角形、锯齿波、正弦波、噪声和双重调频或者是编码调制）的。单频连续波雷达可用于测速，多频（至少三个频点）和调频连续波雷达可用于测速和测距。它的优点是不存在距离盲点、精度高、带宽大、功率低、简单小巧，缺点是测距量程受限、存在多普勒距离耦合和收发很难完全隔离。 f 锯齿波调频 频率-时间特性曲线 调频连续波雷达参数与性能分析： 1、频率： 13.6GHz (±15MHz) （Ku 波段） 2、扫频带宽F ?： 30MHz 距离分辨率：m F C R 51030210326 8 =???==?? 3、调制周期T ： ms 06.1=T 理论最大量程：Km C T R 1591031053.02 max 83=???=?=- 0 调制周期T 带宽 F t
4、实际回波最大迟延： s d m 16.0t max = 实际最大量程： Km C R d 241031008.02 t max 83max =???=?= -‘ 实际最大差拍频率： M T t F d b 53.4f max max =?=? 5、相干处理时间间隔：ms s d 9.0m 16.0ms 06.1t -T T max Coherent =-== f 锯齿波调频 频率-时间特性曲线 可采点数： 36000m 9.040T Fs N Coherent =?=?=s MHz 实际频率分辨率： Hz MHz N Fs 111136000 400f === 对应的实际距离分辨率：m F C T R 89.5103021111 1031006.120f 6 83=??????=??= ??‘ （量程越小，差拍频率越小，可获得的越大的相干处理时间，能该晒距离分辨率） 6、速度多普勒耦合： 速度较小不考虑，采用锯齿波调频信号时，一般直接将其影响加到系统误差中去。若采用三角波调频倒可以再信号处理时对其进行补偿。 0 调制周期T 带宽 F t
高精度超声波测距系统设计
高精度超声波测距系统设计。 引言 利用超声波测量距离的原理可简单描述为：超声波定期发送超声波，遭遇障碍物时发生反射，发射波经由接收器接收并转化为电信号，这样测距技术只要测出发送和接收的时间差， 然后按照下式计算，即可求出距离： 由于超声波指向性强，能量消耗缓慢，在介质中传播的距离较远，因而超声波经常用于距离的测量，如测距仪和物位测量仪等都可以通过超声波来实现。利用超声波检测往往比较迅速、方便、计算简单、易于做到实时控制，并且在测量精度方面能达到工业实用的要求， 因此，广泛应用于倒车提醒、建筑工地、工业现场等的距离测量。目前的测距量程上能达到百米数量级，测量的精度往往能达到厘米数量级。本文在分析现有超声波测距技术基础之上， 给出了一种改进方案，测量精度可达毫米级。 2 系统方案分析与论证 2.1 影响精度的因素分析 根据超声波测距式(1)可知测距的误差主要是由超声波的传播速度误差和测量距离传播 的时间误差引起的。 对于时间误差主要由发送计时点和接收计时点准确性确定，为了能够提高计时点选择的准确性，本文提出了对发射信号和加收信号通过校正的方式来实现准确计时。此外，当要求测距误差小于 1 mm时，假定超声波速度C=344 m／s(20℃室温)，忽略声速的传播误差。则测距误差s△t<0.000 002 907 s，即2.907 ms。根据以上过计算可知，在超声波的传播速度是准确的前提下，测量距离的传播时间差值精度只要在达到微秒级，就能保证测距误差小于1 mm的误差。使用的12 MHz晶体作时钟基准的89C51单片机定时器能方便的计数到1μｓ的精度，因此系统采用AT89S51的定一时器能保证时间误差在 1 mm的测量范围内。
提高线性调频连续波雷达测距精度的ZFFT算法
航天电子对抗第22卷第1期 收稿日期:2005-07-06;2005-10-18修回。 作者简介:张红(1982-),女,硕士研究生,主要研究方向是雷达信号处理。 提高线性调频连续波雷达测距精度的ZFFT 算法 张 红,王晓红,郭 昕 (北京理工大学电子工程系,北京 100081) 摘要: 线性调频连续波(LFM CW )雷达在理论上有很高的测距精度,然而在实际系统中,由于FFT 变换的栅栏效应,使得其距离分辨力和测距精度处于同一数量级,满足不了近距离测距时高精度的要求。在传统的FFT 处理的基础上,采用ZFFT 算法,在运算量增加不多的情况下,完成对中频回波主瓣的局部细化,大大提高了LFM CW 雷达的测距精度,以满足高精度测距的要求。 关键词: 雷达;测距;LFM CW;ZFFT 中图分类号: TN958.94 文献标识码: A Improving ra nge measuring precision o f LFMC W radar usin g ZFFT method Zhang Hong,Wang Xiaohong,Guo Xin (Department of Electronic and Engineering,Beijing Institute of Technology ,Beijing 100081,China) Abstract:T he L inea r Fr equency M o dulated Continuous W ave (L FM CW )Radar has high theor etical r ang e measuring precision.But its practical range precision is of the same mag nitude as the rang e resolut ion because of the inher ent frequency space of FFT ,w hich can not satisfy the high precisio n requirement fo r the near r ang e measuring.ZF FT met ho d is adopted to r educe fr equency space of the main lo be of echo r ang e spectr um o n the FFT with incr easing less operat ion.T his method can gr eatly improv e the range precisio n of L FM CW r adar and satisf y the pr actical needs o f high precisio n r adar rang measuring. Key words:rada r;range measur ing;L FM CW;ZFF T 1 引言 线性调频连续波(LFM CW)能实现较高的距离和多普勒频率的分辨力,在各种近距离雷达,防撞雷达,末制导雷达,远距离天波、地波雷达以及飞机高度表中已得到广泛应用。LFM CW 雷达回波中频的处理普遍采用数字信号处理方式来获取回波中频的距离谱,然后根据一定的判决准则来判定目标的有无,并通过计算过门限的目标频谱值来测量目标的距离[1] ,其系统 框图如图1所示。 该方法是通过目标的回波和目标发射波形混频后得到差拍信号,对差拍信号进行FFT 运算,计算出回波中频在距离轴上的功率谱曲线(即距离谱),可以充分利用LFM CW 雷达的高距离分辨和高测距精度的特点,适用于更为复杂的目标环境,是微波、毫米波测 图1 L FM CW 雷达系统示意图 距和成像的重要手段。但是,由于FFT 的 栅栏效应 [2-3],使得通过FFT 变换得到的距离谱具有固定的采样间隔 R ( R 为雷达的距离分辨力),从而产生 R /2的测距误差。当测量的距离较远时, R R ,测量误差远远小于目标的距离,相对误差较小;但当测量距离较近时, R !R ,相对测量误差较大。为此,如何克服FFT 的栅栏效应、提高近距离的测距精度的问题,就成为LFMCW 测距雷达重要的研究课题。本文采用ZFFT 对距离谱进行局部细化,可在增加较少运算量的情况下,大幅提高LFM CW 测距雷达的测距精度。 48
高精度超声波测距系统设计
高精度超声波测距系统设计 作者：宋永东周美丽白宗文 来源：《现代电子技术》2008年第15期 摘要：提出了一种基于AT89S51单片机的超声波测距系统的设计方案。详细分析了影响测距系统精度的主要因素，设计出了各单元电路和整体电路，重点介绍了提高测量精度的方案和具体实现电路，采用单片机技术进行控制，并给出了控制流程图。设计出的超声波测距系统精度可达毫米数量级，电路具有结构简单、操作方便、精度高、应用广泛的特点。 关键词：测距系统;AT89S51;误差分析;硬件设计;流程图 中图分类号：TP302.1 文献标识码：B 文章编号：1004373X(2008)1513703 Design of High Precision Ultrasonic Distance Measurement System SONG Yongdong,ZHOU Meili,BAI Zongwen (College of Physics and Electronic Information,Yan′an University,Yan′an,716000,China) Abstract：A plan of ultrasonic distance measurement system based on AT89S51 is derived in this paper， the main factors impact of precision are analyzed in detail and the unit circuit and complete circuit are given.The plan of improving the accuracy and specific circuit is introduced.The system′s accuracy is reached millimeters orders of magnitude.All of the component is controlle by AT89S51,and the control program flow is presented.Circuit have many advantages such as simply structure,easy to use,high accuracy and wide application. Keywords：distance measurement system;AT89S51;error analysis hardware design;program flow 1 引言 利用超声波测量距离的原理可简单描述为:超声波定期发送超声波，遭遇障碍物时发生反射，发射波经由接收器接收并转化为电信号，这样测距技术只要测出发送和接收的时间差，然后按照下式计算，即可求出距离:S=CΔt/2(1) 由于超声波指向性强，能量消耗缓慢，在介质中传播的距离较远，因而超声波经常用于距离的测量，如测距仪和物位测量仪等都可以通过超声波来实现。利用超声波检测往往比较迅速、方便、计算简单、易于做到实时控制，并且在测量精度方面能达到工业实用的要求,因此，广泛应用于倒车提醒、建筑工地、工业现场等的距离测量。目前的测距量程上能达到百米数量级，测量的精度往往能达到厘米数量级。本文在分析现有超声波测距技术基础之上，给出了一种改进方案，测量精度可达毫米级。 2 系统方案分析与论证
激光测速与雷达测速的原理比较
激光测速与雷达测速的原理与比较 多谱勒效应和雷达测速 你一定有这样的经验，当你站在马路旁边，即使没有去注视路面上车辆的行驶的情况，单凭耳朵的听觉判断，你能感到一辆汽车正在驶过来，或者离你而去. 这里面当然依靠汽车行驶的声音是渐强还是渐弱，但细细想想，主要还是根据汽车行驶的车轮声或喇叭声调的变化. 原来，车辆驶近时，声音要变尖，也就是说，音调要高些；开过以后，远离的时候，声音会越来越低. 为什么会这样呢？原来，声音的形成，首先是由于发声体的振动，然后在它周围的空气中形成了一会疏一会密的声波，传到耳朵里，使耳膜随着它同样地振动起来，人们就听到了声音. 耳膜每秒钟振动的次数多，人就感到音调高；反之，耳膜每秒钟振动的次数少，人就感到音调低. 照这样说，声源发出什么声，我们听到的就是什么调. 问题的关键在于汽车在怎样的运动. 汽车匀速驶来，轮胎与地面摩擦产生的声波传来时“疏”、“密”、“疏”、“密”是按一定规律，一定距离排列的，可当汽车向你开来时，它把空气中声波的“疏”和“密”压得更紧了，“疏”、“密”的距离更近了，人们听到的音调也就高了. 反之，当汽车离你远去时，它把空气中的疏密拉开了，听到的声音频率就小了，音调也就低了. 汽车的速度越大，音调的变化也越大. 在科学上，我们把这种听到音调与发声体音调不同的现象，称为“多谱勒效应”. 有趣的是，雷达测速计也正是根据多谱勒效应的原理研制出来的. 我们知道，小汽车可以开得很快，可是为了保证安全，在某些路段上，交通警察要对车速进行限制. 那么，在汽车快速行进时，交通警察是怎样知道它们行驶的速度呢？最常用的测速仪器叫雷达测速计，它的外形很像一支大型信号枪，它也有枪筒，手柄、板机等部件，在枪的后面有一排数码管. 把枪口对准行驶的车辆，一扣板机，一束微波就射向行驶中的车辆. 微波是波长很短的无线电波，微波的方向性很好，速度等于光速. 微波遇到车辆立即被反射回来，再被雷达测速计接收. 这样一来一回，不过几十万分之一秒的时间，数码管上就会显示出所测车辆的车速. 它所依据的原理依然是“多谱勒效应”. 雷达测速计发出一个频率为1000 MHz的脉冲微波，如果微波射在静止不动的车辆上，被反射回来，它的反射波频率不会改变，仍然是1000 MHz. 反之，如果车辆在行驶，而且速度大，那么，根据多谱勒效应，反射波频率与发射波的频率就不相同. 通过对这种微波频率微细变化的精确测定，求出频率的差异，通过电脑就可以换算出汽车的速度了. 当然，这一切都是自动进行的. 雷达测速计的测速范围大约在每小时24 km到199 km之间，测速范围比较大，精确度也相当高，车速在每小时100 km/h，误差不会超过1 km/h. 测速雷达朝向公路，可以测量车速，如果指向天空，就可以测云层的高度，测云层的速度. 当然，要测几十千米外，甚至上百千米外的飞机，也是这个原理，只不过要向它扫描的空间连续发射微波束，这些微波束遇到飞机再反射回来，已经极其微弱了，要想把它接收到，分辨清并计算出来，就很困难了，这就需要一个庞大的灵敏的雷达. 雷达测速与激光测速的比较
调频连续波(FMCW)雷达微波物位计的工作原理
调频连续波（FMCW）雷达/微波物位计的工作原理 FMCW是取英文Frequency Modulated Continuous Wave的词头的缩写。FMCW 技术是在雷达物位测量设备中最早使用的技术。 FMCW微波物位计采用线性的调制的高频信号，一般都是采用10GHz或24GHz微波信号。它是一种基于复杂数学公式的间接测量方法，由频谱计算出物位距离。天线发射出被线性调制的连续高频微波信号并进行扫描，同时接收返回信号。发射微波信号和返回的微波信号之间的频率差与到介质表面的距离成一定比例关系。 如果我们认为被线性调制的发射微波信号的斜率为K,发射信号和反射信号的频率为rf,滞后时间差为rt,发射天线到介质表面的距离为R，C为光速。 那么我们可以得到：rt = 2R/C 由于采用的是调频的微波信号，因此我们可得：rf = K×rt； 两式合并后，我们得到公式： R = C× rf/2K （公式2） 根据公式2，我们可以看到，天线到介质表面的距离R与发射 频率和反射频率差rf成正比关系。 信号处理部分将发射信号和回波信号进行混合处理，得到混合信号频谱，并通过独立的快速傅立叶（FFT）变化来区分不同的频率信号，最后得到准确地数字回波信号，计算出天线到介质表面的距离。 实际上，FMCW信号是在两个不同的频率之间循环。目前市场上的FMCW微波物位计主要以两种频率为主：9到10GHz和24.5到25.5GHz。 采用FMCW原理的微波物位计都具有连续自校准的处理功能。被处理的信号与一个表示已知固定距离的内部参照信号进行比较。任何差值会自动得到补偿，这样消除了由温度波动或变送器内部电子部件老化引起的可能的测量漂移。 2.2、脉冲 脉冲雷达物位计，与超声波技术相似，使用时差原理计算到介质表面的距离。设备传输固定频率的脉冲，然后接收并建立回波图形。信号的传播时间直接与到介质的距离成一定比例。但是与超声波使用声波不同，雷达使用的是电磁波。它利用好几万个脉冲来“扫描”容器并得到完整的回波图。 通常，采用脉冲方式的微波物位计的精度和可靠性都不如FMCW微波位计，但是脉冲物位计因为价格较FMCW低很多，因此是目前市场应用得最多的微波物位计。当然，很多生产厂商通过增强回波处理功能等方式大大提高了脉冲雷达的可靠性。
高精度超声波测距系统设计
高精度超声波测距系统设计 引言 利用超声波测量距离的原理可简单描述为：超声波定期发送超声波，遭遇障碍物时发生反射，发射波经由接收器接收并转化为电信号，这样测距技术只要测出发送和接收的时间差，然后按照下式计算，即可求出距离： 由于超声波指向性强，能量消耗缓慢，在介质中传播的距离较远，因而超声波经常用于距离的测量，如测距仪和物位测量仪等都可以通过超声波来实现。利用超声波检测往往比较迅速、方便、计算简单、易于做到实时控制，并且在测量精度方面能达到工业实用的要求，因此，广泛应用于倒车提醒、建筑工地、工业现场等的距离测量。目前的测距量程上能达到百米数量级，测量的精度往往能达到厘米数量级。本文在分析现有超声波测距技术基础之上，给出了一种改进方案，测量精度可达毫米级。 2 系统方案分析与论证 2.1 影响精度的因素分析 根据超声波测距式(1)可知测距的误差主要是由超声波的传播速度误差和测量距离传播的时间误差引起的。 对于时间误差主要由发送计时点和接收计时点准确性确定，为了能够提高计时点选择的准确性，本文提出了对发射信号和加收信号通过校正的方式来实现准确计时。此外，当要求测距误差小于1 mm时，假定超声波速度C=344 m／s(20℃室温)，忽略声速的传播误差。则测距误差s△t<0.000 002 907 s，即2.907 ms。根据以上过计算可知，在超声波的传播速度是准确的前提下，测量距离的传播时间差值精度只要在达到微秒级，就能保证测距误差小于1 mm的误差。使用的12 MHz晶体作时钟基准的89C51单片机定时器能方便的计数到1μs的精度，因此系统采用AT89S51的定一时器能保证时间误差在1 mm的测量范围内。
雷达测速与测距 ()
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
High precision Ranging System高精度超声波测距系统
High-precision Ultrasonic Ranging System Zhang Ping, Guo Hui School of Mechatronics Engineering, University of Electronic Science and Technology of China Chengdu, 611731, China Email: zhangping3344521@https://www.360docs.net/doc/611917114.html, Abstra ct – The ultrasound is easy to transmit and has good reflection. Its speed is far less than the speed of flight. So this paper designs an ultrasonic ranging system based on STC89C52RC. This system can be effective in the range of about 372 cm. After repeated test, the measurement error can be less than 1 cm. So this system can be applied to intelligent avoidance and vehicle transportation and other systems. Keywords – SCM; ultrasound; send; receive; ranging, temperature compensation. I.INTRODUCTION At present, the main methods of ultrasonic ranging include pulse-echo method, phase modulation, frequency modulation and FFT-based approach. In these methods, the pulse-echo method has good adaptability; this method not only can be used for manual testing, but also combined with the automated systems. So it is most widely used at home and aboard. Nowadays, the theori e s of microwave and laser ranging have been applied to the ultrasonic ranging system. It can be a very good research. On the other hand, the filtering and analysis of the echo can also draw more and more attention of many experts and scholars. With the enhanced understanding of the ultrasonic theory, we know how to improve the precision and the anti-jamming capabilities will be the most the important performance indicators. In this paper, the pulse-echo theory is used to design the entire system. The following content is mainly divided into three parts. The first section describes the hardware architecture of the system. The second part describes the software processing of the system. The third section describes the techniques of data processing. In such a case, the reader can have a comprehensive understanding of the system. II.THE PRINCIPLE OF ULTRASONIC RANGING SYSTEM Considering the requirement of the actual project, we choose the ultrasound, the frequency of which is 40 kHz. Ultrasonic sensor is this kind device which can converse the sound and the electrical power, also known as ultrasonic transducer or ultrasonic probe. In certain frequency range, it can convert the electrical signal to the external ultrasonic signal or change the external ultrasonic signal to the electrical signal. In this paper, we choose the T/R40-12 piezoelectric ultrasonic transducer. It works at the frequency of 40 kHz. Its external diameter is 12cm. Ultrasonic generator sends the ultrasonic signal at a certain time. After the ultrasonic signal reflected from the measured object, the ultrasonic receiver can receive the signal. As long as we record the time between the sending time and the receiving time, we can calculate the distance from the ultrasonic sender to the measured object. The formula for calculating the distance is: D = S/2 = V ×T /2 (1) D is the distance between the ranging device and the measured object. S is the distance which the ultrasound transports. V is the speed of the ultrasound. T is the time which the ultrasound transports. Because ultrasound is also a kind of sound wave, the speed can be affected by the temperature. So in this paper, it uses the method of temperature compensation to improve the accuracy of the system. III.HARDWARE OF THE SYSTEM The system block diagram of ultrasonic ranging system is fig. 1. The hardware mainly includes the SCM system, the display circuit, the temperature compensation circuit and the circuit of sending and receiving ultrasound. Fig.1 The block diagram of this system A.The circuit of sending ultrasound The schematic of sending ultrasound is the figure 2. The sending circuit mainly includes the inverter and the ultrasonic transducer. At first the port P1.0 of SCM is inverted, connected to one pole of the ultrasonic transducer, and then inverted again, connected to another pole of the ultrasonic transducer. By means of this push-pull method, we can improve the emission intensity of the ultrasound. Paralleling the inverter; we can increase the driving capability of outputting. The pull-up resistor R1 and R2 not only increases the driving capability of outputting the high level, but also increases the damping ___________________________________ 978-1-4244-8160-6/11/$26.00 ?2011 IEEE