fmcw车辆检测雷达数据处理.doc
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fmcw车辆检测雷达数据处理,摘 要智能交通系统是城市规划的一个重要方面，使用调频连续波（fmcw）雷达的车流量检测系统作为智能交通系统的一个子系统，主要用于获取路面信息，具有极其广阔的应用前景。本文的重点就是研究和设计基于调频连续波雷达的车辆检测数据处理系统。根据高速公路的实际情况以及交通部的规范，本文确定了车流量检测雷达的工作体制、工作频段、...
内容介绍
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摘 要
智能交通系统是城市规划的一个重要方面，使用调频连续波（FMCW）雷达的车流量检测系统作为智能交通系统的一个子系统，主要用于获取路面信息，具有极其广阔的应用前景。本文的重点就是研究和设计基于调频连续波雷达的车辆检测数据处理系统。
根据高速公路的实际情况以及交通部的规范，本文确定了车流量检测雷达的工作体制、工作频段、距离分辨率等性能参数。并根据调频连续波雷达的检测原理，分析了雷达差拍信号的形式、影响车流量检测效果的环境问题、系统噪声及其消除方法。由于调频连续波雷达测距方法主要是通过检测差拍信号频率来测距，因此在算法分析中，本文对可用于本系统中实现时域-频域转换的chirp-z算法以及基2-FFT算法做了充分比较。在系统设计中，本文设计了以FPGA为控制和处理核心、以USB2.0接口为传输手段、以DDS+VCO+NIOSⅡ的方式作为高性能信号源设计方法的FMCW车辆检测雷达数据处理系统。该设计充分发挥了FPGA在逻辑控制方面的优势，结合USB传输稳定、高效、低成本的特性，达到了车辆检测数据处理系统对于实时性好、成本低、调试方便的要求。经内场实验和路面实况验证表明，本设计检测结果与理论分析的结果相符，效果良好。
关键字 车辆检测；快速傅里叶变换；现场可编程门阵列；通用串行总线
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 录
摘 要 I
Abstract III
第1章 绪论 1
1.1 引言 1
1.2 车辆检测系统研发现状 1
1.3 连续波雷达数据处理的技术背景 5
1.3.1 连续波雷达的特征及相关应用 5
1.3.2 雷达数据处理的发展和实现 6
1.4 本论文研究主要内容及结构安排 6
1.4.1 主要研究内容 6
1.4.2 文章结构安排 7
第2章 FMCW雷达车辆检测理论与系统概述 9
2.1 雷达距离探测 9
2.2 调频连续波雷达测距的基本原理 10
2.3 锯齿波调制的差拍信号分析 13
2.4 检测环境和噪声分析 14
2.4.1 检测环境和噪声的干扰 14
2.4.2 白噪声的影响与时域叠加平均消去法 14
2.4.3 零信号的影响及其处理方法 15
2.5 微波车辆检测的特性和主要功能 16
2.5.1 两种安装模式下的车辆信息检测 17
2.5.2 微波车流量检测雷达的主要功能 19
2.6 本章小结 19
第3章 算法分析和总体设计 21
3.1 DFT基本公式 21
3.2 基2的DIF-FFT算法 21
3.3 线性调频chirp-z算法 23
3.4 算法比较 25
3.5 主要性能指标及相关技术要求 27
3.5.1 性能指标 27
3.5.2 技术要求 28
3.6 总体设计 29
3.6.1 硬件总体设计 30
3.6.2 软件总体设计 31
3.7 本章小结 31
第4章 车辆检测数据处理系统硬件设计 33
4.1 控制和处理单元设计 33
4.2 A/D采样和信号调理电路设计 34
4.3 新型信号源硬件设计 36
4.3.1 基于VCO的信号源设计 36
4.3.2 新型信号源设计 38
4.3.2.1 DDS技术的基本原理和主要特点 38
4.3.2.2 线性调频信号的DDS产生方法 39
4.3.2.3 基于DDS+VCO+NISOⅡ的信号源设计方法 40
4.3.2.4 AD9954和si4112芯片介绍 41
4.3.2.5 实现电路 43
4.4 数据传输电路 44
4.4.1 传输方式选择 44
4.4.2 USB2.0接口电路硬件设计 45
4.5 电源设计 48
4.6 本章小结 49
第5章 系统软件设计和调试结果分析 51
5.1 USB固件程序设计 51
5.2 USB驱动程序设计 52
5.3 FPGA逻辑设计 53
5.3.1 扫频逻辑设计 53
5.3.2 A/D采集逻辑设计 55
5.3.3 USB状态控制 57
5.3.4 调制信号控制 57
5.3.5 FFT实现 59
5.4 应用程序 61
5.5 系统调试和结果分析 61
5.6 本章小结 65
第6章 结束语 67
参考文献 69
智能交通系统是城市规划的一个重要方面，使用调频连续波（FMCW）雷达的车流量检测系统作为智能交通系统的一个子系统，主要用于获取路面信息，具有极其广阔的应用前景。本文的重点就是研究和设计基于调频连续波雷达的车辆检测数据处理系统。
根据高速公路的实际情况以及交通部的规范，本文确定了车流量检测雷达的工作体制、工作频段、距离分辨率等性能参数。并根据调频连续波雷达的检测原理，分析了雷达差拍信号的形式、影响车流量检测效果的环境问题、系统噪声及其消除方法。由于调频连续波雷达测距方法主要是通过检测差拍信号频率来测距，因此在算法分析中，本文对可用于本系统中实现时域-频域转换的chirp-z算法以及基2-FFT算法做了充分比较。在系统设计中，本文设计了以FPGA为控制和处理核心、以USB2.0接口为传输手段、以DDS+VCO+NIOSⅡ的方式作为高性能信号源设计方法的FMCW车辆检测雷达数据处理系统。该设计充分发挥了FPGA在逻辑控制方面的优势，结合USB传输稳定、高效、低成本的特性，达到了车辆检测数据处理系统对于实时性好、成本低、调试方便的要求。经内场实验和路面实况验证表明，本设计检测结果与理论分析的结果相符，效果良好。
关键字 车辆检测；快速傅里叶变换；现场可编程门阵列；通用串行总线
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 录
摘 要 I
Abstract III
第1章 绪论 1
1.1 引言 1
1.2 车辆检测系统研发现状 1
1.3 连续波雷达数据处理的技术背景 5
1.3.1 连续波雷达的特征及相关应用 5
1.3.2 雷达数据处理的发展和实现 6
1.4 本论文研究主要内容及结构安排 6
1.4.1 主要研究内容 6
1.4.2 文章结构安排 7
第2章 FMCW雷达车辆检测理论与系统概述 9
2.1 雷达距离探测 9
2.2 调频连续波雷达测距的基本原理 10
2.3 锯齿波调制的差拍信号分析 13
2.4 检测环境和噪声分析 14
2.4.1 检测环境和噪声的干扰 14
2.4.2 白噪声的影响与时域叠加平均消去法 14
2.4.3 零信号的影响及其处理方法 15
2.5 微波车辆检测的特性和主要功能 16
2.5.1 两种安装模式下的车辆信息检测 17
2.5.2 微波车流量检测雷达的主要功能 19
2.6 本章小结 19
第3章 算法分析和总体设计 21
3.1 DFT基本公式 21
3.2 基2的DIF-FFT算法 21
3.3 线性调频chirp-z算法 23
3.4 算法比较 25
3.5 主要性能指标及相关技术要求 27
3.5.1 性能指标 27
3.5.2 技术要求 28
3.6 总体设计 29
3.6.1 硬件总体设计 30
3.6.2 软件总体设计 31
3.7 本章小结 31
第4章 车辆检测数据处理系统硬件设计 33
4.1 控制和处理单元设计 33
4.2 A/D采样和信号调理电路设计 34
4.3 新型信号源硬件设计 36
4.3.1 基于VCO的信号源设计 36
4.3.2 新型信号源设计 38
4.3.2.1 DDS技术的基本原理和主要特点 38
4.3.2.2 线性调频信号的DDS产生方法 39
4.3.2.3 基于DDS+VCO+NISOⅡ的信号源设计方法 40
4.3.2.4 AD9954和si4112芯片介绍 41
4.3.2.5 实现电路 43
4.4 数据传输电路 44
4.4.1 传输方式选择 44
4.4.2 USB2.0接口电路硬件设计 45
4.5 电源设计 48
4.6 本章小结 49
第5章 系统软件设计和调试结果分析 51
5.1 USB固件程序设计 51
5.2 USB驱动程序设计 52
5.3 FPGA逻辑设计 53
5.3.1 扫频逻辑设计 53
5.3.2 A/D采集逻辑设计 55
5.3.3 USB状态控制 57
5.3.4 调制信号控制 57
5.3.5 FFT实现 59
5.4 应用程序 61
5.5 系统调试和结果分析 61
5.6 本章小结 65
第6章 结束语 67
参考文献 69
