CN113281733A - 一种基于zynq的雷达测速测距系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于ZYNQ的雷达测速测距系统及方法，包括雷达信号收发模块(100)、信号调理模块(200)、信号采集模块(300)和计算模块(400)；完成雷达信号的混频输出，进行信号调理以及并实现差拍回波信号由时域到频域的转换，得到频域中的频谱值；用于计算被测移动目标的速度和距离信息。与现有技术相比，本发明1)解决了现有雷达测速测距系统结构复杂、开发周期长以及不可移植性的问题；2)解决了传统雷达测速测距系统成本高、体积大、功耗大等问题具有小型化、便携化等优点。

Description

一种基于ZYNQ的雷达测速测距系统及方法
技术领域
本发明涉及雷达信号处理技术领域，尤其涉及一种雷达测速测距系统及方法。
背景技术
雷达是一种利用电磁波来探测目标信息的电子设备，得到目标的距离信息和速度信息。雷达传感器通过信号源产生高频电信号通过发射天线向外辐射，当出现探测目标物体时，电磁波被反射，并被接收天线接收形成回波信号，将回波信号与发射信号进行比较，作适当处理后，就可获得目标的有关信息，如目标距离、方位、高度、速度、姿态、甚至形状等参数。常见的雷达测速测距系统存在电路复杂、准确度低和运算速度慢的问题。
ZYNQ是Xilinx公司推出的一种嵌入式应用，集成FPGA和双核ARM Cortex-A9处理器，具有FPGA并行处理和硬件可扩展的优势，可组合数字系统处理、高速逻辑接口、总线等所有功能，适用需要灵活性、低成本的应用环境。ZYNQ平台的特点在于使用“IP”的概念，即将某一部分功能“封装”为一个整体进行开发，采用这种开发方式复用率高，可大大减少开发周期。采用软硬结合的办法和自定义IP核结束，系统具有可靠性强、集成度高、响应速度快、成本低廉。
发明内容
基于上述现有技术，本发明提出了一种基于ZYNQ的雷达测速测距系统及方法，实现了基于ZYNQ平台开发的被测目标移动速度和距离信息测量系统。
本发明的一种基于ZYNQ的雷达测速测距系统，其特征在于，该系统包括基于ZYNQ平台设置的依序连接的雷达信号收发模块100、信号调理模块200、信号采集模块300、计算模块400，其中：
所述雷达信号收发模块100进一步包括波形发生模块101、数/模转换模块102，发射天线103、接收天线104以及混频模块105。波形发生模块101产生三角波作为调制波信号，调制波信号经过数/模转换模块101后分为两路：一路输入混频模块104，另一路通过发射天线103进行电磁波信号发射。电磁波发射信号经过被测移动物体反射产生回波信号，回波信号由接收天线104接收后进入混频模块105，与电磁波发射信号进行混频，混频后得到的混频信号106为中频信号；
所述信号调理模块200，用于对输入的混频信号进行放大、滤波以及类型变换；
所述信号采集模块300进一步包括模数转换模块301和FFT模块302，用于对信号调理模块的输出信号进入模数转换处理，并实现差拍回波信号由时域到频域的转换，得到频域中的频谱值；
所述计算模块400，用于计算被测移动目标的速度和距离信息，包括测距模块401和测速模块402；其中，测速模块401用于计算目标的速度信息，测距模块402用于计算目标的距离信息。
本发明的一种基于ZYNQ的雷达测速测距方法，利用基于ZYNQ平台设置的依序连接的雷达信号收发模块100、信号调理模块200、信号采集模块300、信号计算模块400和显示模块500，该方法包括以下步骤：
步骤一、利用所述雷达信号收发模块100获得调制波信号与电磁波信号混频后的混频信号，具体为中频信号；
步骤二、利用所述信号调理模块200对输入的混频信号进行放大、滤波以及类型变换，保证输入信号的类型和带宽；
步骤三、利用所述信号采集模块300，用于对信号调理模块的输出信号进入模数转换处理，并实现差拍回波信号由时域到频域的转换，从而得到频域中的频谱值；
步骤四、利用所述计算模块400得到被测移动目标的速度和距离；具体过程如下：
计算得到被测目标的移动速度v0，公式如下：
Figure BDA0003072952170000031
Figure BDA0003072952170000032
其中，fd为两次多普勒效应之后的总的多普勒频率，f为雷达发射频率，c为电磁波的传播速度；
计算得到被测目标的距离R，公式如下：
Figure BDA0003072952170000033
其中，T为脉冲宽度，Δf为回波信号与发射信号混频后的中频信号频率，B为雷达调制带宽。
与现有技术相比，本发明能够达成的有益效果如下：
1)解决了现有雷达测速测距系统结构复杂、开发周期长以及不可移植性的问题；
2)解决了传统雷达测速测距系统成本高、体积大、功耗大等问题具有小型化、便携化等优点。
附图说明
图1为本发明的一种基于ZYNQ的雷达测速测距系统实施例框架示意图；
图2为雷达信号收发模块示意图；
图3为本发明的一种基于ZYNQ的雷达测速测距方法整体流程示意图；
图4为本发明的一种基于ZYNQ的雷达测速测距系统与应用环境结合的实例图。
具体实施方式
以下结合附图及具体实施例，对本发明的技术方案进行进一步的描述。附图中给出的是本发明的较佳的实施例。但是，本发明并不限于这些实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。
如图1所示，为本发明的一种基于ZYNQ的雷达测速测距系统实施例框架示意图。该系统包括雷达信号收发模块100、信号调理模块200、信号采集模块300和计算模块400，以及根据具体需要设置显示模块500。
如图2所示，为雷达信号收发模块示意图。所述雷达信号收发模块100包括波形发生模块101、数/模转换模块102，发射天线103、接收天线104以及混频模块105。波形发生模块101产生三角波作为调制波信号，调制波信号经过数/模转换模块101后分为两路：一路输入混频模块104，另一路通过发射天线103进行电磁波信号发射。电磁波发射信号经过被测移动物体反射产生回波信号，回波信号由接收天线104接收后进入混频模块105，与电磁波发射信号进行混频，混频后得到混频信号106(即中频信号)。
如图3所示，为本发明的一种基于ZYNQ的雷达测速测距方法整体流程示意图。
所述信号调理模块200，用于对输入的混频信号进行放大、滤波以及类型变换，保证输入信号的类型、带宽，能够提高测量精度、信噪比和灵敏。
所述信号采集模块300主要包括模数转换模块301和FFT模块302，用于对信号调理模块的输出信号进入模数转换处理，并实现差拍回波信号由时域到频域的转换，得到频域中的频谱值。
模数转换模块301选用德州仪器公司ADC3663模数转换器。
FFT模块302采用快速傅里叶变换(FFT)算法对信号进行处理，实现数据由时域到频域的转换从而得到频谱值。
所述计算模块400，用于计算被测移动目标的速度和距离信息，包括测距模块401和测速模块402。其中，测速模块401用于计算目标的速度信息，测距模块402用于计算目标的距离信息。
优先选择回波频差法计算被测目标与该系统的距离。
优先选择多普勒频移法计算被测目标的实时速度。
多普勒频移法测速原理：雷达发射的电磁波碰到障碍物时被反射形成回波信号，从而发生第一次多普勒效应。回波信号的频率随着所碰到雷达和物体的移动状态和的改变而改变，具体关系是当目标远离雷达移动时反射波频率会降低，当目标朝雷达方向靠近时，反射波频率会增加，频率的变化值即为多普勒频率。目标接收频率f'如公式(1)所示：
Figure BDA0003072952170000051
其中，f'为目标接收频率，f为雷达发射频率，v为电磁波在介质中的速度，v0为目标移动速度，当目标靠近雷达则前方的运算符号为+号，否则为-号。
多普勒频率如公式(2)所示：
Figure BDA0003072952170000052
当雷达接收反射信号时第二次多普勒效应。则总的多普勒频率fd如公式(3)所示：
Figure BDA0003072952170000053
其中±表示被测目标相对于雷达的运动方向。
由上式可知，只要测得多普勒频率即可计算出目标移动速度，目标移动速度v0如公式(4)所示：
Figure BDA0003072952170000054
其中，c为电磁波的传播速度。
回波频差法测距原理：由于回波与发射波波形相同，区别是回波信号会出现延时。
结合以下公式(5)：
Figure BDA0003072952170000061
其中，Δt为接收信号与发射信号存在的时间延时，R为目标距离，c为电磁波的传播速度，T为脉冲宽度，Δf为回波信号与发射信号混频后的中频信号频率，B为雷达调制带宽。
最终得出目标距离R的表达式如公式(6)所示：
Figure BDA0003072952170000062
显示模块用于显示该系统中的所测量的实时距离信息和速度信息。处理器系统(Programmable System，PS)通过内部总线AXI与PL端互联，获取可编程逻辑(ProgrammableLogic，PL)解析的信息数据，通过运行在PS端的嵌入式系统应用程序进行格式转换，将转换后的数据通过HDMI接口将目标的速度和距离信息数据输出至显示单元，同时将数据保存到外部SD卡中。
如图4所示，为本发明的一种基于ZYNQ的雷达测速测距系统与应用环境结合的实例图。由MATLAB软件生成所需波形，将其封装成具有AXI总线结构的IP核，在ZYNQ的PL端调用该波形产生IP核。在实际操作中，IP核产生三角波通过数模转换模块进行调制后，将模拟信号分为两路，一路通过发射天线发射，一路进入混频器。当发射的电磁波接触到被测目标后反射产生回波。回波信号经接收天线进行接收后送入混频模块与输入信号混频，为提高系统测量精度、信噪比和灵敏，需要将混频信号输入到信号调理模块进行放大、滤波；后经过信息采集模块进行模数转换并取得信号频谱值；在计算模块对信号采集模块的输出信号进行处理计算，运用回波频差法计算被测目标的与该系统的距离，运用多普勒频移法计算被测目标的实时速度。得到速度和距离信息后，PS端通过内部总线AXI与PL端互联获取信息数据，将数据通过HDMI端口显示，并将其存入到外部SD卡。
本发明在ZYNQ平台上实现，集成FPGA和双核ARM处理器，实现数据并行处理，解决了传统方法计算量大、运算耗时长和精度低的问题。

Claims (2)

1.一种基于ZYNQ的雷达测速测距系统，其特征在于，该系统包括基于ZYNQ平台设置的依序连接的雷达信号收发模块(100)、信号调理模块(200)、信号采集模块(300)和计算模块(400)，其中：
所述雷达信号收发模块(100进一步包括波形发生模块(101)、数/模转换模块(102)、发射天线(103)、接收天线(104)以及混频模块(105)，波形发生模块(101)产生三角波作为调制波信号，调制波信号经过数/模转换模块(101)后分为两路：一路输入混频模块(104)，另一路通过发射天线(103)进行电磁波信号发射，电磁波发射信号经过被测移动物体反射产生回波信号，回波信号由接收天线(104)接收后进入混频模块(105)，与电磁波发射信号进行混频，混频后得到的混频信号106为中频信号；
所述信号调理模块(200)，用于对输入的混频信号进行放大、滤波以及类型变换；
所述信号采集模块(300)进一步包括模数转换模块(301)和FFT模块(302)，用于对信号调理模块的输出信号进入模数转换处理，并实现差拍回波信号由时域到频域的转换，得到频域中的频谱值；
所述计算模块(400)，用于计算被测移动目标的速度和距离信息，包括测距模块(401)和测速模块(402)；其中，测速模块(401)用于计算被测移动目标的速度信息，测距模块(402)用于计算被测移动目标的距离信息。
2.一种基于ZYNQ的雷达测速测距方法，其特征在于，利用基于ZYNQ平台设置的依序连接的雷达信号收发模块(100)、信号调理模块(200)、信号采集模块(300)、信号计算模块(400)和显示模块(500)，该方法包括以下步骤：
步骤一、利用所述雷达信号收发模块(100)获得调制波信号与电磁波信号混频后的混频信号，具体为中频信号；
步骤二、利用所述信号调理模块(200)对输入的混频信号进行放大、滤波以及类型变换，保证输入信号的类型和带宽；
步骤三、利用所述信号采集模块(300)，用于对信号调理模块的输出信号进入模数转换处理，并实现差拍回波信号由时域到频域的转换，从而得到频域中的频谱值；
步骤四、利用所述计算模块(400)得到被测移动目标的速度和距离；具体过程如下：
计算得到被测目标的移动速度v0，公式如下：
Figure FDA0003072952160000021
Figure FDA0003072952160000022
其中，fd为两次多普勒效应之后的总的多普勒频率，f为雷达发射频率，c为电磁波的传播速度；
计算得到被测移动目标的距离R，公式如下：
Figure FDA0003072952160000023
其中，T为脉冲宽度，Δf为回波信号与发射信号混频后的中频信号频率，B为雷达调制带宽。
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