CN109375203A - 基于fmcw雷达信号处理的测距设备及其测距算法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于FMCW雷达信号处理的测距设备及其测距算法，包括雷达、信号处理模块和处理器，信号处理模块包括滤波放大电路、信号稳定电路和输出调节电路，滤波放大电路的输入端连接雷达的信号输出端，滤波放大电路的输出端连接信号稳定电路的输入端，信号稳定电路的输出端连接输出调节电路的输入端，输出调节电路的输出端连接处理器的信号输入端，本发明采用基于FMCW雷达信号处理完成对距离的检测，雷达的输出信号通过信号处理中进行处理，极大地提高了信号的精确度和稳定性，处理器完成对信号处理模块输出信号的采集，并执行精密高效的算法，从而计算出目标距离，使测距结果具有很高的准确度和可靠性。

Description

基于FMCW雷达信号处理的测距设备及其测距算法

技术领域

本发明涉及雷达测距技术领域，特别是涉及基于FMCW雷达信号处理的测距设备及其测距算法。

背景技术

安全步距测试设备是一种用于隧道施工过程中测量隧道深度的一种设备，市场中用于测量隧道深度的设备一般采用红外或激光测距。隧道施工过程中灰尘较大，红外或激光容易受到干扰，导致测距不准，容易引起测距误报。FMCW，即线性调频连续波，基于电磁波反射特性的FMCW雷达可以在复杂环境下安全、准确地进行距离测量，但现有的基于FMCW雷达信号处理的测距设备由于雷达输出信号在放大过程中会存在噪声干扰，影响信号处理的精确度和稳定性，给测距的准确性带来很大的影响。

所以本发明提供一种新的方案来解决此问题。

发明内容

针对上述情况，为克服现有技术之缺陷，本发明之目的在于提供基于FMCW雷达信号处理的测距设备及其测距算法。

其解决的技术方案是：基于FMCW雷达信号处理的测距设备，包括雷达、信号处理模块和处理器，所述信号处理模块包括滤波放大电路、信号稳定电路和输出调节电路，滤波放大电路的输入端连接雷达的信号输出端，滤波放大电路的输出端连接信号稳定电路的输入端，信号稳定电路的输出端连接输出调节电路的输入端，输出调节电路的输出端连接处理器的信号输入端。

优选的，所述滤波放大电路包括电感L1，电感L1的一端连接雷达的信号输出端，电感L1的另一端连接电容C1的一端和运放器AR1的同相输入端，电容C1的另一端接地，运放器AR1的反相输入端连接电阻R1、R2的一端，电阻R1的另一端接地，运放器AR1的输出端连接电阻R2的另一端和信号稳定电路的输入端。

优选的，所述信号稳定电路包括三极管VT1，三极管VT1的集电极通过电阻R3连接运放器AR1的输出端和电阻R4的一端，三极管VT1的基极连接电阻R4的另一端和稳压二极管DZ1的阴极，稳压二极管DZ1的阳极接地，三极管VT1的发射极连接运放器AR2的同相输入端，运放器AR2的反相输入端通过电容C2连接运放器AR2的输出端和输出调节电路的输入端。

优选的，所述输出调节电路包括MOS管Q1，MOS管Q1的栅极连接电容C3的一端和放大稳压电路的输出端，MOS管Q1的漏极连接稳压二极管DZ2的阴极和三极管VT2的基极，并通过电阻R5连接电容C3的一端和+5V电源，MOS管Q1的源极与稳压二极管DZ2的阳极并联接地，三极管VT2的发射极通过并联的电阻R7、电容C4接地，三极管VT2的集电极通过电容R6连接+5V电源，并通过电容C5连接处理器的信号输入端。

优选的，所述雷达选用型号为BGT24MTR11的集成收发芯片。

优选的，所述处理器选用ST公司的STM32F407芯片。

基于FMCW雷达信号处理的测距设备的测距算法，包括如下步骤：

1)数据采集：

利用STM32F407芯片自带的A/D转换器对信号处理模块的输出信号进行采样，A/D转换器的采样率为72.19KHz，每个周期采集700个A/D数据；

2)去除直流分量：

首先求取采集到的所有A/D数据的平均值，然后再将每个A/D数据减该平均值；

3)加窗处理：

采集的A/D数据由于截取效应，相当于对数据加矩形窗函数，设计中加hamming窗函数进行加权；

4)FFT运算：

雷达的理论距离分辨率ΔR为0.75m，则根据雷达距离分辨率公式：

其中：c为光速，B为发射带宽，则可计算出B为200MHz；

为了减小雷达的接收机基带处理带宽，选择调频周期T为10ms，此时雷达的理论最大测距范围R_m为200m，ΔR为0.75m时对应的回波率为：1/T＝100Hz，由此得出回波频率B_m为：200*100/0.75＝26.7KHz；

已知雷达调频周期T为10ms时一个周期内采样数据量为729，为了提高距离精度，处理中采用数据补零到1024点的进行计算，得出雷达的实际距离分辨率为0.534m，信号处理增益D为30dB；

5)计算复数模值：

FFT使用的是复数数据，结果也是复数数据，为了进行后续的检测，需要把复数数据计算模值，根据公式求出复数数据的模值；

6)CRAF检测：

由于接收机接收通道具有频率增益控制，而且杂波影响信号频谱，因此雷达检测需要使用恒虚警检测，即CFAR检测，考虑雷达回波的特性及算法实现的复杂程度，雷达中选用左右两边取小的自适应门限检测方法；

由于CFAR检测具有损耗，而损耗和门限选择数有很大的关系，考虑雷达的使用环境，选择门限数目N＝20，为了减小目标附近的影响，检测时的保护单元选择5，门限选择左右两边取小的方法；

7)数据处理：

为了减小单次检测目标测距误差的影响，数据处理采用滞后滤波算法，算法公式为：

Y_n＝Y_n-1+(X_n-Y_n-1)×A

其中：Y_n为当前数据输出值，Y_n-1为前一次数据输出值，X_n为当前时刻测量值，A为系数，为了减小当前测量值的影响，并且考虑数据输出的刷新率问题，A取0.01；

8)计算距离：

根据雷达作用距离公式：

其中：P_t为发射功率6dBm；G_t为雷达的发射天线增益25dB，G_r为雷达的接收天线增益25dB；

此时，反射面积σ取0.1m²；波长λ取0.0125m；系统损耗L为16dB；信号处理增益D为30dB，P_min为系统最小检测信号；

根据公式：P_min＝kTBF_n，其中系统噪声系数F_n≤15dB，当B取26.7KHz，F_n取15dB时，得出P_min＝-100dBm，因此，可以计算R_max＝300m。

由于以上技术方案的采用，本发明与现有技术相比具有如下优点：

1.本发明采用基于FMCW雷达信号处理完成对距离的检测，雷达的输出信号通过信号处理中进行处理，极大地提高了信号的精确度和稳定性，处理器完成对信号处理模块输出信号的采集，并执行精密高效的算法，从而计算出目标距离，使测距结果具有很高的准确度和可靠性；

2.滤波放大电路利用LC滤波对雷达的输出信号进行处理，降低低频杂波干扰，运放器AR1利用同相放大原理对LC滤波后的信号进行初步放大，提高放大效率；

3.信号稳定电路利用三级管稳压原理对运放器AR1的输出信号进行稳压处理，然后运放器AR2利用隔离放大原理进一步对信号进行改善，极大地提高了信号幅值的稳定性，电容C2在运放器AR2的反馈端起到信号补偿的作用，保证信号传输的连续性；

4.输出调节电路运用MOS管Q1良好的温度特性，有效避免放大产生的噪声干扰，MOS管Q1的输出信号经稳压二极管DZ2稳定后送入三极管VT2中进一步放大，RC滤波对三极管VT2的输出信号进行处理，提高信号的精确度。

附图说明

图1为本发明的系统模块图。

图2为本发明的信号处理模块图。

图3为本发明信号处理模块的电路原理图。

图4为本发明雷达工作原理图。

图5为本发明CRAF检测的算法流程图。

具体实施方式

有关本发明的前述及其他技术内容、特点与功效，在以下配合参考附图1至附图5对实施例的详细说明中，将可清楚的呈现。以下实施例中所提到的结构内容，均是以说明书附图为参考。

如图1所示，基于FMCW雷达信号处理的测距设备，包括雷达、信号处理模块和处理器，其中雷达选用型号为BGT24MTR11的集成收发芯片，BGT24MTR11内部集成发射机、混频器，可以实现雷达的收发转换功能，处理器选用ST公司的STM32F407芯片，STM32F407芯片自带12bit的A/D转换器，由于STM32F407的A/D采样率配置问题，产品取A/D的采样率为72.19KHz。

如图2所示，信号处理模块包括滤波放大电路、信号稳定电路和输出调节电路，滤波放大电路的输入端连接雷达的信号输出端，滤波放大电路的输出端连接信号稳定电路的输入端，信号稳定电路的输出端连接输出调节电路的输入端，输出调节电路的输出端连接处理器的信号输入端。

如图3所示，滤波放大电路包括电感L1，电感L1的一端连接雷达的信号输出端，电感L1的另一端连接电容C1的一端和运放器AR1的同相输入端，电容C1的另一端接地，运放器AR1的反相输入端连接电阻R1、R2的一端，电阻R1的另一端接地，运放器AR1的输出端连接电阻R2的另一端和信号稳定电路的输入端。其中电感L1和电容C1形成LC滤波对雷达的输出信号进行处理，降低低频杂波干扰。由于雷达的输出信号强度较低，运放器AR1利用同相放大原理对LC滤波后的信号进行初步放大，提高放大效率。

运放器AR1放大后的信号不稳定性凸显，因此设计信号稳定电路进行处理，信号稳定电路包括三极管VT1，三极管VT1的集电极通过电阻R3连接运放器AR1的输出端和电阻R4的一端，三极管VT1的基极连接电阻R4的另一端和稳压二极管DZ1的阴极，稳压二极管DZ1的阳极接地，三极管VT1的发射极连接运放器AR2的同相输入端，运放器AR2的反相输入端通过电容C2连接运放器AR2的输出端和输出调节电路的输入端。其中电阻R3、R4、三极管VT1和稳压二极管DZ1形成三级管稳压电路对运放器AR1的输出信号进行稳压处理，然后运放器AR2利用隔离放大原理进一步对信号进行改善，极大地提高了信号幅值的稳定性，电容C2在运放器AR2的反馈端起到信号补偿的作用，保证信号传输的连续性。

输出调节电路包括MOS管Q1，MOS管Q1的栅极连接电容C3的一端和放大稳压电路的输出端，MOS管Q1的漏极连接稳压二极管DZ2的阴极和三极管VT2的基极，并通过电阻R5连接电容C3的一端和+5V电源，MOS管Q1的源极与稳压二极管DZ2的阳极并联接地，三极管VT2的发射极通过并联的电阻R7、电容C4接地，三极管VT2的集电极通过电容R6连接+5V电源，并通过电容C5连接处理器的信号输入端。为了进一步提高信号强度，MOS管Q1对运放器AR2的输出信号进行放大，由于MOS管Q1具有很好的温度特性，可有效避免放大产生的噪声干扰，MOS管Q1的输出信号经稳压二极管DZ2稳定后送入三极管VT2中进一步放大，电阻R7、电容C4形成RC滤波对三极管VT2的输出信号进行处理，提高信号的精确度，最后经电容C5耦合后送入处理器中进行数据处理。

本发明在具体使用时，首先FMCW雷达利用对发射信号的调制，通过测量差拍频率来测量距离，FMCW雷达混频器输出的差拍信号是包含目标信息的唯一信号，因此，为获得差拍信号，调制后的发射信号分为两路，一路由天线向空间辐射，另一路则通过频率合成器或功放耦合到混频器作为本振信号，如图4所示，回波信号可看成本振信号的延迟，回波信号与本振信号混频后得到差拍信号，上述FMCW雷达信号处理为成熟的现有技术。差拍信号通过雷达的信号输出端送入信号处理模块中进行处理，其中滤波放大电路利用LC滤波对雷达的输出信号进行处理，降低低频杂波干扰，运放器AR1利用同相放大原理对LC滤波后的信号进行初步放大，提高放大效率；信号稳定电路利用三级管稳压原理对运放器AR1的输出信号进行稳压处理，然后运放器AR2利用隔离放大原理进一步对信号进行改善，极大地提高了信号幅值的稳定性；输出调节电路运用MOS管Q1良好的温度特性，有效避免放大产生的噪声干扰，MOS管Q1的输出信号经稳压二极管DZ2稳定后送入三极管VT2中进一步放大，RC滤波对三极管VT2的输出信号进行处理，提高信号的精确度，最后送入处理器中进行数据处理。

基于FMCW雷达信号处理的测距设备的测距算法，包括如下步骤：

1)数据采集：

利用STM32F407芯片自带的A/D转换器对信号处理模块的输出信号进行采样，A/D转换器的采样率为72.19KHz，每个周期采集700个A/D数据。

2)去除直流分量：

由于A/D转换器只能采集直流信号，为了去除直流分量对目标小信号的影响，因此在做频谱变换之前首先要去除直流分量。首先求取采集到的所有A/D数据的平均值，然后再将每个A/D数据减该平均值。

3)加窗处理：

由于雷达实际信号中大目标的反射的能量和小目标反射的能量具有40dB以上的差值，采集的A/D数据由于截取效应，相当于对数据加矩形窗函数，这样FFT运算后，频谱的主副瓣比一般只能达到13dB，为了减小大目标对小信号的影响，设计中加hamming窗函数进行加权，hamming窗主副瓣比可以达到40dB以上，但是由于加窗导致信号的主瓣会展宽，谱峰功率下降，通常会导致信噪比损失1dB。

9)FFT运算：

雷达的理论距离分辨率ΔR为0.75m，则根据雷达距离分辨率公式：

其中：c为光速，B为发射带宽，则可计算出B为200MHz；

为了减小雷达的接收机基带处理带宽，选择调频周期T为10ms，此时雷达的理论最大测距范围R_m为200m，ΔR为0.75m时对应的回波率为：1/T＝100Hz，由此得出回波频率B_m为：200*100/0.75＝26.7KHz。

已知雷达调频周期T为10ms时一个周期内采样数据量为729，为了提高距离精度，处理中采用数据补零到1024点的进行计算，得出雷达的实际距离分辨率为0.534m，信号处理增益D为30dB。

10)计算复数模值：

FFT使用的是复数数据，结果也是复数数据，为了进行后续的检测，需要把复数数据计算模值，根据公式求出复数数据的模值。

11)CRAF检测：

由于接收机接收通道具有频率增益控制，而且杂波影响信号频谱，因此雷达检测需要使用恒虚警检测，即CFAR检测，考虑雷达回波的特性及算法实现的复杂程度，雷达中选用左右两边取小的自适应门限检测方法。

由于CFAR检测具有损耗，而损耗和门限选择数有很大的关系，考虑雷达的使用环境，选择门限数目N＝20，为了减小目标附近的影响，检测时的保护单元选择5，门限选择左右两边取小的方法，如图5所示。

12)数据处理

为了减小单次检测目标测距误差的影响，数据处理采用滞后滤波算法，算法公式为：

Y_n＝Y_n-1+(X_n-Y_n-1)×A

其中：Y_n为当前数据输出值，Y_n-1为前一次数据输出值，X_n为当前时刻测量值，A为系数，为了减小当前测量值的影响，并且考虑数据输出的刷新率问题，A取0.01。

13)计算距离

根据雷达作用距离公式：

其中：P_t为发射功率6dBm；G_t为雷达的发射天线增益25dB，G_r为雷达的接收天线增益25dB。

此时，反射面积σ取0.1m²；波长λ取0.0125m；系统损耗L为16dB；信号处理增益D为30dB，P_min为系统最小检测信号。

根据公式：P_min＝k TBF _n，其中系统噪声系数F_n≤15dB，当B取26.7KHz，F_n取15dB时，得出P_min＝-100dBm，因此，可以计算R_max＝300m。

综上所述，本发明采用基于FMCW雷达信号处理完成对距离的检测，雷达的输出信号通过信号处理中进行处理，极大地提高了信号的精确度和稳定性，处理器完成对信号处理模块输出信号的采集，并执行精密高效的算法，从而计算出目标距离，使测距结果具有很高的准确度和可靠性。

以上所述是结合具体实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明具体实施仅局限于此；对于本发明所属及相关技术领域的技术人员来说，在基于本发明技术方案思路前提下，所作的拓展以及操作方法、数据的替换，都应当落在本发明保护范围之内。

Claims (7)

1.基于FMCW雷达信号处理的测距设备，包括雷达、信号处理模块和处理器，其特征在于：所述信号处理模块包括滤波放大电路、信号稳定电路和输出调节电路，滤波放大电路的输入端连接雷达的信号输出端，滤波放大电路的输出端连接信号稳定电路的输入端，信号稳定电路的输出端连接输出调节电路的输入端，输出调节电路的输出端连接处理器的信号输入端。

2.如权利要求1所述的测距设备，其特征在于：所述滤波放大电路包括电感L1，电感L1的一端连接雷达的信号输出端，电感L1的另一端连接电容C1的一端和运放器AR1的同相输入端，电容C1的另一端接地，运放器AR1的反相输入端连接电阻R1、R2的一端，电阻R1的另一端接地，运放器AR1的输出端连接电阻R2的另一端和信号稳定电路的输入端。

3.如权利要求2所述的测距设备，其特征在于：所述信号稳定电路包括三极管VT1，三极管VT1的集电极通过电阻R3连接运放器AR1的输出端和电阻R4的一端，三极管VT1的基极连接电阻R4的另一端和稳压二极管DZ1的阴极，稳压二极管DZ1的阳极接地，三极管VT1的发射极连接运放器AR2的同相输入端，运放器AR2的反相输入端通过电容C2连接运放器AR2的输出端和输出调节电路的输入端。

4.如权利要求3所述的测距设备，其特征在于：所述输出调节电路包括MOS管Q1，MOS管Q1的栅极连接电容C3的一端和放大稳压电路的输出端，MOS管Q1的漏极连接稳压二极管DZ2的阴极和三极管VT2的基极，并通过电阻R5连接电容C3的一端和+5V电源，MOS管Q1的源极与稳压二极管DZ2的阳极并联接地，三极管VT2的发射极通过并联的电阻R7、电容C4接地，三极管VT2的集电极通过电容R6连接+5V电源，并通过电容C5连接处理器的信号输入端。

5.如权利要求1所述的测距设备，其特征在于：所述雷达选用型号为BGT24MTR11的集成收发芯片。

6.如权利要求1所述的测距设备，其特征在于：所述处理器选用ST公司的STM32F407芯片。

7.根据权利要求1-6任一所述测距设备的测距算法，其特征在于：包括如下步骤：

1)数据采集：

利用STM32F407芯片自带的A/D转换器对信号处理模块的输出信号进行采样，A/D转换器的采样率为72.19KHz，每个周期采集700个A/D数据；

2)去除直流分量：

首先求取采集到的所有A/D数据的平均值，然后再将每个A/D数据减该平均值；

3)加窗处理：

采集的A/D数据由于截取效应，相当于对数据加矩形窗函数，设计中加hamming窗函数进行加权；

4)FFT运算：

雷达的理论距离分辨率ΔR为0.75m，则根据雷达距离分辨率公式：

其中：c为光速，B为发射带宽，则可计算出B为200MHz；

为了减小雷达的接收机基带处理带宽，选择调频周期T为10ms，此时雷达的理论最大测距范围R_m为200m，ΔR为0.75m时对应的回波率为：1/T＝100Hz，由此得出回波频率B_m为：200*100/0.75＝26.7KHz；

已知雷达调频周期T为10ms时一个周期内采样数据量为729，为了提高距离精度，处理中采用数据补零到1024点的进行计算，得出雷达的实际距离分辨率为0.534m，信号处理增益D为30dB；

5)计算复数模值：

FFT使用的是复数数据，结果也是复数数据，为了进行后续的检测，需要把复数数据计算模值，根据公式求出复数数据的模值；

6)CRAF检测：

由于接收机接收通道具有频率增益控制，而且杂波影响信号频谱，因此雷达检测需要使用恒虚警检测，即CFAR检测，考虑雷达回波的特性及算法实现的复杂程度，雷达中选用左右两边取小的自适应门限检测方法；

由于CFAR检测具有损耗，而损耗和门限选择数有很大的关系，考虑雷达的使用环境，选择门限数目N＝20，为了减小目标附近的影响，检测时的保护单元选择5，门限选择左右两边取小的方法；

7)数据处理：

为了减小单次检测目标测距误差的影响，数据处理采用滞后滤波算法，算法公式为：

Y_n＝Y_n-1+(X_n-Y_n-1)×A

其中：Y_n为当前数据输出值，Y_n-1为前一次数据输出值，X_n为当前时刻测量值，A为系数，为了减小当前测量值的影响，并且考虑数据输出的刷新率问题，A取0.01；

8)计算距离：

根据雷达作用距离公式：

其中：P_t为发射功率6dBm；G_t为雷达的发射天线增益25dB，G_r为雷达的接收天线增益25dB；

此时，反射面积σ取0.1m²；波长λ取0.0125m；系统损耗L为16dB；信号处理增益D为30dB，P_min为系统最小检测信号；

根据公式：P_min＝kTBF_n，其中系统噪声系数F_n≤15dB，当B取26.7KHz，F_n取15dB时，得出P_min＝-100dBm，因此，可以计算R_max＝300m。