fmcw車輛檢測雷達數據處理.doc
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fmcw車輛檢測雷達數據處理,摘 要智能交通系統是城市規(guī)劃的一個重要方面，使用調頻連續(xù)波（fmcw）雷達的車流量檢測系統作為智能交通系統的一個子系統，主要用于獲取路面信息，具有極其廣闊的應用前景。本文的重點就是研究和設計基于調頻連續(xù)波雷達的車輛檢測數據處理系統。根據高速公路的實際情況以及交通部的規(guī)范，本文確定了車流量檢測雷達的工作體制、工作頻段、...
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摘 要
智能交通系統是城市規(guī)劃的一個重要方面，使用調頻連續(xù)波（FMCW）雷達的車流量檢測系統作為智能交通系統的一個子系統，主要用于獲取路面信息，具有極其廣闊的應用前景。本文的重點就是研究和設計基于調頻連續(xù)波雷達的車輛檢測數據處理系統。
根據高速公路的實際情況以及交通部的規(guī)范，本文確定了車流量檢測雷達的工作體制、工作頻段、距離分辨率等性能參數。并根據調頻連續(xù)波雷達的檢測原理，分析了雷達差拍信號的形式、影響車流量檢測效果的環(huán)境問題、系統噪聲及其消除方法。由于調頻連續(xù)波雷達測距方法主要是通過檢測差拍信號頻率來測距，因此在算法分析中，本文對可用于本系統中實現時域-頻域轉換的chirp-z算法以及基2-FFT算法做了充分比較。在系統設計中，本文設計了以FPGA為控制和處理核心、以USB2.0接口為傳輸手段、以DDS+VCO+NIOSⅡ的方式作為高性能信號源設計方法的FMCW車輛檢測雷達數據處理系統。該設計充分發(fā)揮了FPGA在邏輯控制方面的優(yōu)勢，結合USB傳輸穩(wěn)定、高效、低成本的特性，達到了車輛檢測數據處理系統對于實時性好、成本低、調試方便的要求。經內場實驗和路面實況驗證表明，本設計檢測結果與理論分析的結果相符，效果良好。
關鍵字 車輛檢測；快速傅里葉變換；現場可編程門陣列；通用串行總線
Abastract
Intelligent Traffic System (ITS) is a key aspect of urban planning. The vehicle flow detector used frequency modulated continuous wave radar is a very import part in the system. It is one of accesses for road information will have broad application prospects in ITS. This paper focuses on the research and design of vehicle detection data processing system based on Frequency modulated continuous Wave Radar.
According to the actual conditions of expressway and the standard of communication ministry, the paper set down the radar’s working system, working frequency and range resolution. The paper analysis the form of beat signal and the influence of detection environment, the effects of white noise, zero signal and their elimination methods based on the the principle of FMCW radar detection. Because the technical means used in FMCW radar ranging is to detect the frequency of beat signal, the paper fully compared the chirp-z algorithm radix-2 FFT algorithm which can be used in this system. In system design, FPGA is the controller and the processer, USB2.0 interface is used for transmit data, DDS+VCO+NIOSⅡis used to design the high performance signal source. The design highly leverages the advantage of FPGA in logic control and FFT operation. Combined with the characteristics of USB in stability of soliton, high efficiency and low cost, the design is up to the requirements of the vehicle detection data processing system. And the requirements are great real-time characteristic, low cost and convent of debugging. The results of the laboratory tests and road tests show that this design has great effect and is consistent with the theoretical analysis.
Keywords vehicle detection；FFT；FPGA；USB
目 錄
摘 要 I
Abstract III
第1章 緒論 1
1.1 引言 1
1.2 車輛檢測系統研發(fā)現狀 1
1.3 連續(xù)波雷達數據處理的技術背景 5
1.3.1 連續(xù)波雷達的特征及相關應用 5
1.3.2 雷達數據處理的發(fā)展和實現 6
1.4 本論文研究主要內容及結構安排 6
1.4.1 主要研究內容 6
1.4.2 文章結構安排 7
第2章 FMCW雷達車輛檢測理論與系統概述 9
2.1 雷達距離探測 9
2.2 調頻連續(xù)波雷達測距的基本原理 10
2.3 鋸齒波調制的差拍信號分析 13
2.4 檢測環(huán)境和噪聲分析 14
2.4.1 檢測環(huán)境和噪聲的干擾 14
2.4.2 白噪聲的影響與時域疊加平均消去法 14
2.4.3 零信號的影響及其處理方法 15
2.5 微波車輛檢測的特性和主要功能 16
2.5.1 兩種安裝模式下的車輛信息檢測 17
2.5.2 微波車流量檢測雷達的主要功能 19
2.6 本章小結 19
第3章 算法分析和總體設計 21
3.1 DFT基本公式 21
3.2 基2的DIF-FFT算法 21
3.3 線性調頻chirp-z算法 23
3.4 算法比較 25
3.5 主要性能指標及相關技術要求 27
3.5.1 性能指標 27
3.5.2 技術要求 28
3.6 總體設計 29
3.6.1 硬件總體設計 30
3.6.2 軟件總體設計 31
3.7 本章小結 31
第4章 車輛檢測數據處理系統硬件設計 33
4.1 控制和處理單元設計 33
4.2 A/D采樣和信號調理電路設計 34
4.3 新型信號源硬件設計 36
4.3.1 基于VCO的信號源設計 36
4.3.2 新型信號源設計 38
4.3.2.1 DDS技術的基本原理和主要特點 38
4.3.2.2 線性調頻信號的DDS產生方法 39
4.3.2.3 基于DDS+VCO+NISOⅡ的信號源設計方法 40
4.3.2.4 AD9954和si4112芯片介紹 41
4.3.2.5 實現電路 43
4.4 數據傳輸電路 44
4.4.1 傳輸方式選擇 44
4.4.2 USB2.0接口電路硬件設計 45
4.5 電源設計 48
4.6 本章小結 49
第5章 系統軟件設計和調試結果分析 51
5.1 USB固件程序設計 51
5.2 USB驅動程序設計 52
5.3 FPGA邏輯設計 53
5.3.1 掃頻邏輯設計 53
5.3.2 A/D采集邏輯設計 55
5.3.3 USB狀態(tài)控制 57
5.3.4 調制信號控制 57
5.3.5 FFT實現 59
5.4 應用程序 61
5.5 系統調試和結果分析 61
5.6 本章小結 65
第6章 結束語 67
參考文獻 69
智能交通系統是城市規(guī)劃的一個重要方面，使用調頻連續(xù)波（FMCW）雷達的車流量檢測系統作為智能交通系統的一個子系統，主要用于獲取路面信息，具有極其廣闊的應用前景。本文的重點就是研究和設計基于調頻連續(xù)波雷達的車輛檢測數據處理系統。
根據高速公路的實際情況以及交通部的規(guī)范，本文確定了車流量檢測雷達的工作體制、工作頻段、距離分辨率等性能參數。并根據調頻連續(xù)波雷達的檢測原理，分析了雷達差拍信號的形式、影響車流量檢測效果的環(huán)境問題、系統噪聲及其消除方法。由于調頻連續(xù)波雷達測距方法主要是通過檢測差拍信號頻率來測距，因此在算法分析中，本文對可用于本系統中實現時域-頻域轉換的chirp-z算法以及基2-FFT算法做了充分比較。在系統設計中，本文設計了以FPGA為控制和處理核心、以USB2.0接口為傳輸手段、以DDS+VCO+NIOSⅡ的方式作為高性能信號源設計方法的FMCW車輛檢測雷達數據處理系統。該設計充分發(fā)揮了FPGA在邏輯控制方面的優(yōu)勢，結合USB傳輸穩(wěn)定、高效、低成本的特性，達到了車輛檢測數據處理系統對于實時性好、成本低、調試方便的要求。經內場實驗和路面實況驗證表明，本設計檢測結果與理論分析的結果相符，效果良好。
關鍵字 車輛檢測；快速傅里葉變換；現場可編程門陣列；通用串行總線
Abastract
Intelligent Traffic System (ITS) is a key aspect of urban planning. The vehicle flow detector used frequency modulated continuous wave radar is a very import part in the system. It is one of accesses for road information will have broad application prospects in ITS. This paper focuses on the research and design of vehicle detection data processing system based on Frequency modulated continuous Wave Radar.
According to the actual conditions of expressway and the standard of communication ministry, the paper set down the radar’s working system, working frequency and range resolution. The paper analysis the form of beat signal and the influence of detection environment, the effects of white noise, zero signal and their elimination methods based on the the principle of FMCW radar detection. Because the technical means used in FMCW radar ranging is to detect the frequency of beat signal, the paper fully compared the chirp-z algorithm radix-2 FFT algorithm which can be used in this system. In system design, FPGA is the controller and the processer, USB2.0 interface is used for transmit data, DDS+VCO+NIOSⅡis used to design the high performance signal source. The design highly leverages the advantage of FPGA in logic control and FFT operation. Combined with the characteristics of USB in stability of soliton, high efficiency and low cost, the design is up to the requirements of the vehicle detection data processing system. And the requirements are great real-time characteristic, low cost and convent of debugging. The results of the laboratory tests and road tests show that this design has great effect and is consistent with the theoretical analysis.
Keywords vehicle detection；FFT；FPGA；USB
目 錄
摘 要 I
Abstract III
第1章 緒論 1
1.1 引言 1
1.2 車輛檢測系統研發(fā)現狀 1
1.3 連續(xù)波雷達數據處理的技術背景 5
1.3.1 連續(xù)波雷達的特征及相關應用 5
1.3.2 雷達數據處理的發(fā)展和實現 6
1.4 本論文研究主要內容及結構安排 6
1.4.1 主要研究內容 6
1.4.2 文章結構安排 7
第2章 FMCW雷達車輛檢測理論與系統概述 9
2.1 雷達距離探測 9
2.2 調頻連續(xù)波雷達測距的基本原理 10
2.3 鋸齒波調制的差拍信號分析 13
2.4 檢測環(huán)境和噪聲分析 14
2.4.1 檢測環(huán)境和噪聲的干擾 14
2.4.2 白噪聲的影響與時域疊加平均消去法 14
2.4.3 零信號的影響及其處理方法 15
2.5 微波車輛檢測的特性和主要功能 16
2.5.1 兩種安裝模式下的車輛信息檢測 17
2.5.2 微波車流量檢測雷達的主要功能 19
2.6 本章小結 19
第3章 算法分析和總體設計 21
3.1 DFT基本公式 21
3.2 基2的DIF-FFT算法 21
3.3 線性調頻chirp-z算法 23
3.4 算法比較 25
3.5 主要性能指標及相關技術要求 27
3.5.1 性能指標 27
3.5.2 技術要求 28
3.6 總體設計 29
3.6.1 硬件總體設計 30
3.6.2 軟件總體設計 31
3.7 本章小結 31
第4章 車輛檢測數據處理系統硬件設計 33
4.1 控制和處理單元設計 33
4.2 A/D采樣和信號調理電路設計 34
4.3 新型信號源硬件設計 36
4.3.1 基于VCO的信號源設計 36
4.3.2 新型信號源設計 38
4.3.2.1 DDS技術的基本原理和主要特點 38
4.3.2.2 線性調頻信號的DDS產生方法 39
4.3.2.3 基于DDS+VCO+NISOⅡ的信號源設計方法 40
4.3.2.4 AD9954和si4112芯片介紹 41
4.3.2.5 實現電路 43
4.4 數據傳輸電路 44
4.4.1 傳輸方式選擇 44
4.4.2 USB2.0接口電路硬件設計 45
4.5 電源設計 48
4.6 本章小結 49
第5章 系統軟件設計和調試結果分析 51
5.1 USB固件程序設計 51
5.2 USB驅動程序設計 52
5.3 FPGA邏輯設計 53
5.3.1 掃頻邏輯設計 53
5.3.2 A/D采集邏輯設計 55
5.3.3 USB狀態(tài)控制 57
5.3.4 調制信號控制 57
5.3.5 FFT實現 59
5.4 應用程序 61
5.5 系統調試和結果分析 61
5.6 本章小結 65
第6章 結束語 67
參考文獻 69
