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FMCW雷达高度表数字信号处理技术研究

作　者: 杨毅
导　师: 韩宇
学　校: 中国工程物理研究院
专　业: 通信与信息系统
关键词: 调频连续波雷达高度表快速傅立叶变换恒差拍 FPGA
分类号: TN953.2
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
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内容摘要

雷达高度表是一种通常安装在飞行载体上,用于测量载体与地面(或者海面)之间相对高度的无线电装置。它通过测量发射电磁波和回波的时间延迟测量高度。具有精确度高、体积小等特点。近年来雷达高度表技术取得了长远的发展,已广泛应用于各种航天、航空、军事设备中。调频连续波(FMCW:Frequency Modulation Continuous Wave)雷达高度表具有低发射功率、低截获率、小型固态化、大时间带宽积,以及高抗有源干扰性等一系列优点。但传统模拟信号处理方法都存在其固有缺点：拍频测高方法虽然简单,硬件实现容易,但存在严重的量化误差问题,精确度较差；谐波测高利用单根谱线测高,信噪比得到改善,但频谱的利用率太小；频谱前沿测高要求所测谱线为第一根谱线,其对低通滤波器的滤波特性要求较高。基于以上特点,本文设计了一种全数字化信号处理方案,在恒差拍体制基础上,利用FFT(快速傅立叶变换)数字测频,并通过全FPGA实现。通过仿真和实际上板试验,证明了该方案在提高测高精确度和减小系统体积方面确实比传统方法有所改善。

全文目录

摘要  3-4
ABSTRACT  4-8
第一章绪论  8-12
  1.1 研究背景及意义  8-9
    1.1.1 选题意义  8
    1.1.2 FMCW技术的历史、现状及发展  8-9
  1.2 FMCW高度表测高原理  9-10
  1.3 论文总体安排  10-12
第二章 FMCW雷达高度表概述  12-23
  2.1 FMCW雷达高度表回波差拍信号分析  12-19
    2.1.1 正弦波调制  12-14
    2.1.2 锯齿波调制  14-15
    2.1.3 对称三角波调制  15-19
  2.2 FMCW雷达高度表信号处理方法  19-21
    2.2.1 拍频测高  19
    2.2.2 谐波测高  19-21
    2.2.3 频谱前沿跟踪测高  21
  2.3 影响测高精确度的因素  21-23
    2.3.1 频偏和调制频率不稳定  21-22
    2.3.2 地面粗糙度的影响  22
    2.3.3 泄露信号的降低  22
    2.3.4 寄生调幅与噪声干扰  22-23
第三章系统方案设计与仿真  23-33
  3.1 高度表技术指标  23
  3.2 技术方案  23-24
  3.3 系统参数  24-27
    3.3.1 接收灵敏度  24-25
    3.3.2 发射功率  25
    3.3.3 动态范围  25-26
    3.3.4 增益分配  26
    3.3.5 调制参数  26-27
  3.4 误差分析  27-28
    3.4.1 由固定误差引起的误差  27
    3.4.2 多普勒效应引起的误差  27-28
    3.4.3 调频线性度e_f引起的测高误差  28
  3.5 系统设计仿真  28-33
    3.5.1 FMCW测频仿真  28-30
    3.5.2 FFT测频性能仿真  30-31
    3.5.3 搜索算法仿真  31-33
第四章系统实现  33-60
  4.1 算法设计  33-42
    4.1.1 FFT拍频测量  33-35
    4.1.2 搜索算法  35-36
    4.1.3 跟踪算法  36-37
    4.1.4 调制波形的产生  37-38
    4.1.5 AGC控制  38-39
    4.1.6 异步串口通信  39-42
      4.1.6.1 接收  40-41
      4.1.6.2 发送  41-42
  4.2 FPGA设计  42-48
    4.2.1 FPGA设计  42-44
    4.2.2 FFT核的配置  44-46
    4.2.3 PROM配置与下载  46-48
  4.3 系统硬件实现  48-60
    4.3.1 电源与插排接口电路  49-50
    4.3.2 模数转换电路  50-52
    4.3.3 视频放大  52-55
    4.3.4 模拟高度接口电路  55-56
    4.3.5 AGC接口电路  56-57
    4.3.6 高速D/A  57-58
    4.3.7 FPGA配置电路和功能管脚配置原理图  58
    4.3.8 数字接口  58-60
第五章实验验证与分析  60-69
  5.1 实验条件  60-61
  5.2 硬件实物图  61
  5.3 实验结果及分析  61-69
第六章总结与展望  69-70
  6.1 课题创新点及技术难点  69
  6.2 下一步工作和改进  69-70
致谢  70-71
参考文献  71-74
附录A FFT测频性能仿真程序  74-75
附录B 计数测频仿真程序  75-76
附录C 搜索算法仿真程序  76-78
附录D 搜索状态核心部分VHDL程序  78-79
附录E 跟踪状态核心部分程序  79-80
附录F 三角波调制核心部分程序  80-81
附录G AGC控制电压VGN程序  81-82
附录H 异步串口通信接收部分程序  82-85
附录I 异步串口通信发送部分程序  85-88
附录J 研究生期间发表学术论文情况  88

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