一种LFMCW测速测距雷达的优化处理方法及系统与流程

本发明涉及雷达测速测距技术领域，特别是涉及一种lfmcw测速测距雷达的优化处理方法。

背景技术：

刘艳萍在《基于线性调频连续波雷达的低速小目标检测方法》中公开了一种雷达测距方法，此方法基于线性调频连续波，利用lfmcw雷达高距离分辨率的优势，采用快速傅里叶变换(fft)处理、非相参积累等，有效实现了低速小目标的距离测量。但此方法运算速度较慢，导致实时性不够。

技术实现要素：

本发明主要解决的技术问题是提供一种lfmcw测速测距雷达的优化处理方法，能够实时、快速、高可靠性地完成测速测距。

为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：提供一种lfmcw测速测距雷达的优化处理方法，包括：s1：生成三角波信号，采用三角波信号对雷达收发器的发射波进行调制得到线性调频信号；s2：采集线性调频信号经被测目标反射后所形成的回波信号，并将回波信号与线性调频信号进行混频得到两者的差频信号；s3：采用快速傅里叶变换将差频信号分解为若干单一的谐波分量，得到差频信号的频率信息；s4：由计算得到被测目标的距离以及由计算得到被测目标的径向速度，其中，f0为差频信号的频率信息，t为扫频周期，a为扫频带宽，c为光速。

优选的，所述s4具体包括：s41：在每个处理时隙读取两次差频信号，每次读取两个数据，将数据放入数据流水线中；s42：从数据流水线中不断读取数据，并将数据中的角度信息采用二进制补码表示，同时将角度信息分为高阶部分和低阶部分其中，bj∈{0,1}，b表示小数点后的位数，b0表示上一次读取数据中的角度信息；s43：在低阶部分对前n次迭代方向进行迭代预测，同时在高阶部分进行剩余迭代方向的迭代预测，并进行高阶部分的迭代运算，输出高部旋转方向；s44：将高部旋转方向与数据流水线中读取的数据依次利用移位和加减完成三角函数的角度转换，得到差频信号的频率信息。

为解决上述技术问题，本发明采用的另一个技术方案是：提供一种lfmcw测速测距雷达的优化处理系统，所述优化处理系统包括信号调制模块、信号采集模块、fft处理模块和数据计算模块；所述信号调制模块用于生成三角波信号，采用三角波信号对雷达收发器的发射波进行调制得到线性调频信号；所述信号采集模块用于采集线性调频信号经被测目标反射后所形成的回波信号，并将回波信号与线性调频信号进行混频得到两者的差频信号；所述fft处理模块用于采用快速傅里叶变换将差频信号分解为若干单一的谐波分量，得到差频信号的频率信息；所述数据计算模块用于由计算得到被测目标的距离以及由计算得到被测目标的径向速度，其中，f0为差频信号的频率信息，t为扫频周期，a为扫频带宽，c为光速。

优选的，所述fft处理模块包括数据读取单元、cordic变换单元和角度转换单元；所述数据读取单元用于在每个处理时隙读取两次差频信号，每次读取两个数据，将数据放入数据流水线中；所述cordic变换单元用于从数据流水线中不断读取数据，并将数据中的角度信息采用二进制补码表示，同时将角度信息分为高阶部分和低阶部分并在低阶部分对前n次迭代方向进行迭代预测，同时在高阶部分进行剩余迭代方向的迭代预测，并进行高阶部分的迭代运算，输出高部旋转方向，其中，bj∈{0,1}，b表示小数点后的位数，b0表示上一次读取数据中的角度信息；所述角度转换单元用于将高部旋转方向与数据流水线中读取的数据依次利用移位和加减完成三角函数的角度转换，得到差频信号的频率信息。

本发明的有益效果是：本发明采取优化的cordic平行算法来实现复式fft对数据的处理，从而能够实时、快速、高可靠性地完成测速测距，可以加快数据处理，提高测量精度。

附图说明

图1是本发明实施例的lfmcw测速测距雷达的优化处理方法的流程示意图。

图2是调制三角波的波形图。

图3是本发明实施例的lfmcw测速测距雷达的优化处理系统的架构示意图。

图4是cordic变换单元的架构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参阅图1，是本发明实施例的lfmcw测速测距雷达的优化处理方法的流程示意图。优化处理方法包括：

s1：生成三角波信号，采用三角波信号对雷达收发器的发射波进行调制得到线性调频信号。

其中lfmcw测速测距雷达通过发射线性调频连续波信号，利用其发射波在时间上变化的频率与接收到的回波频差来测定目标的距离与径向速度。在三角波的频率变化中，可以在上升沿和下降沿上进行距离测量。

s2：采集线性调频信号经被测目标反射后所形成的回波信号，并将回波信号与线性调频信号进行混频得到两者的差频信号。

s3：采用快速傅里叶变换将差频信号分解为若干单一的谐波分量，得到差频信号的频率信息。

s4：由计算得到被测目标的距离以及由计算得到被测目标的径向速度，其中，f0为差频信号的频率信息，t为扫频周期，a为扫频带宽，c为光速。

其中，如图2所示，当目标速度为0时，由三角关系可知，图2中的差拍频率fb为：

其中，μ为调频斜率，r为距离。所以，只要找到差频即可得出距离r。

当目标物体移动时，其速度需要使用多普勒频移法来计算。设多普勒频率为fd，目标物体与雷达的相对径向运动速度为v，则：

由于回波信号与发射波波形相同，区别是回波信号会出现延时。最终可以得到目标的距离和径向速度：

在本实施例中，s4具体包括：

s41：在每个处理时隙读取两次差频信号，每次读取两个数据，将数据放入数据流水线中；

s42：从数据流水线中不断读取数据，并将数据中的角度信息采用二进制补码表示，同时将角度信息分为高阶部分和低阶部分其中，bj∈{0,1}，b表示小数点后的位数，b0表示上一次读取数据中的角度信息；

s43：在低阶部分对前n次迭代方向进行迭代预测，同时在高阶部分进行剩余迭代方向的迭代预测，并进行高阶部分的迭代运算，输出高部旋转方向；

s44：将高部旋转方向与数据流水线中读取的数据依次利用移位和加减完成三角函数的角度转换，得到差频信号的频率信息。

参阅图3，是本发明实施例的lfmcw测速测距雷达的优化处理系统的架构示意图。优化处理系统包括信号调制模块10、信号采集模块20、fft处理模块30和数据计算模块40。

信号调制模块10用于生成三角波信号，采用三角波信号对雷达收发器的发射波进行调制得到线性调频信号。

信号采集模块20用于采集线性调频信号经被测目标反射后所形成的回波信号，并将回波信号与线性调频信号进行混频得到两者的差频信号。其中，为了可以较准确地监测到目标的运动状态，本发明实施例采用具有低功耗、可编程、可休眠的ad9833调制信号发生器作为信号调制模块10生成三角波信号来对雷达收发器的发射波进行调制，然后使用16位的ads8509串行模数转换器、quartusii13.0平台上提供的firip核对信号进行模数转换和滤波处理，以实现具有空间占用小、高速、稳定性强、资源耗费小等特点的信号采集模块20。

fft处理模块30用于采用快速傅里叶变换将差频信号分解为若干单一的谐波分量，得到差频信号的频率信息。

数据计算模块40用于由计算得到被测目标的距离以及由计算得到被测目标的径向速度，其中，f0为差频信号的频率信息，t为扫频周期，a为扫频带宽，c为光速。

在本实施例中，fft处理模块30包括数据读取单元31、cordic变换单元32和角度转换单元33。

数据读取单元31用于在每个处理时隙读取两次差频信号，每次读取两个数据，将数据放入数据流水线中。

cordic变换单元32用于从数据流水线中不断读取数据，并将数据中的角度信息采用二进制补码表示，同时将角度信息分为高阶部分和低阶部分并在低阶部分对前n次迭代方向进行迭代预测，同时在高阶部分进行剩余迭代方向的迭代预测，并进行高阶部分的迭代运算，输出高部旋转方向，其中，bj∈{0,1}，b表示小数点后的位数，b0表示上一次读取数据中的角度信息。其中，cordic变换单元32的架构如图4所示，图中，数据流水线采用双端口的ram模块，数据读取单元31采用生成器。cordic变换单元32在cordic平行算法的基础上添加了正反选择抵消部分，且高部旋转方向计算与正反旋转抵消可以在低部旋转的同时进行，减少了额外的时间损耗。

角度转换单元33用于将高部旋转方向与数据流水线中读取的数据依次利用移位和加减完成三角函数的角度转换，得到差频信号的频率信息。

使用本实施例的优化处理系统进行多次模拟场景测试，测试结果如表1所示。

表1测距测速试验结果与误差分析

由表1可知，在30到200米的距离测试中，测距误差不超过2.5％，因此，该系统在200米区间内可以对目标物体的距离进行有效测量。在对移动目标测速实验中，采集数据区间为100km/h，误差不超过1％，由此表明该系统也有很强的测速能力。

将本实施例中的fft处理模块30与传统单核fft处理器的性能做对比，对比结果如表2所示。

表2单复式fft数据处理模块性能对比

由表2可知，fft处理模块30的资源需求量较传统单核fft处理器提高了60.5％，对寄存器的需求提升了20％，完成1024点数据处理的时间减少了46.5％。由此可知，fft处理模块30在使用有限资源的情况下，大大改善了数据处理能力，提高了数据计算速度，从而增强系统的实时性。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。