[发明专利]基于FMCW雷达信号处理的测距设备及其测距算法

权利要求书

1.基于FMCW雷达信号处理的测距设备，包括雷达、信号处理模块和处理器，其特征在于：所述信号处理模块包括滤波放大电路、信号稳定电路和输出调节电路，滤波放大电路的输入端连接雷达的信号输出端，滤波放大电路的输出端连接信号稳定电路的输入端，信号稳定电路的输出端连接输出调节电路的输入端，输出调节电路的输出端连接处理器的信号输入端。

2.如权利要求1所述的测距设备，其特征在于：所述滤波放大电路包括电感L1，电感L1的一端连接雷达的信号输出端，电感L1的另一端连接电容C1的一端和运放器AR1的同相输入端，电容C1的另一端接地，运放器AR1的反相输入端连接电阻R1、R2的一端，电阻R1的另一端接地，运放器AR1的输出端连接电阻R2的另一端和信号稳定电路的输入端。

3.如权利要求2所述的测距设备，其特征在于：所述信号稳定电路包括三极管VT1，三极管VT1的集电极通过电阻R3连接运放器AR1的输出端和电阻R4的一端，三极管VT1的基极连接电阻R4的另一端和稳压二极管DZ1的阴极，稳压二极管DZ1的阳极接地，三极管VT1的发射极连接运放器AR2的同相输入端，运放器AR2的反相输入端通过电容C2连接运放器AR2的输出端和输出调节电路的输入端。

4.如权利要求3所述的测距设备，其特征在于：所述输出调节电路包括MOS管Q1，MOS管Q1的栅极连接电容C3的一端和放大稳压电路的输出端，MOS管Q1的漏极连接稳压二极管DZ2的阴极和三极管VT2的基极，并通过电阻R5连接电容C3的一端和+5V电源，MOS管Q1的源极与稳压二极管DZ2的阳极并联接地，三极管VT2的发射极通过并联的电阻R7、电容C4接地，三极管VT2的集电极通过电容R6连接+5V电源，并通过电容C5连接处理器的信号输入端。

5.如权利要求1所述的测距设备，其特征在于：所述雷达选用型号为BGT24MTR11的集成收发芯片。

6.如权利要求1所述的测距设备，其特征在于：所述处理器选用ST公司的STM32F407芯片。

7.根据权利要求1-6任一所述测距设备的测距算法，其特征在于：包括如下步骤：

1)数据采集：

利用STM32F407芯片自带的A/D转换器对信号处理模块的输出信号进行采样，A/D转换器的采样率为72.19KHz，每个周期采集700个A/D数据；

2)去除直流分量：

首先求取采集到的所有A/D数据的平均值，然后再将每个A/D数据减该平均值；

3)加窗处理：

采集的A/D数据由于截取效应，相当于对数据加矩形窗函数，设计中加hamming窗函数进行加权；

4)FFT运算：

雷达的理论距离分辨率ΔR为0.75m，则根据雷达距离分辨率公式：

其中：c为光速，B为发射带宽，则可计算出B为200MHz；

为了减小雷达的接收机基带处理带宽，选择调频周期T为10ms，此时雷达的理论最大测距范围R_m为200m，ΔR为0.75m时对应的回波率为：1/T＝100Hz，由此得出回波频率B_m为：200*100/0.75＝26.7KHz；

已知雷达调频周期T为10ms时一个周期内采样数据量为729，为了提高距离精度，处理中采用数据补零到1024点的进行计算，得出雷达的实际距离分辨率为0.534m，信号处理增益D为30dB；

5)计算复数模值：

FFT使用的是复数数据，结果也是复数数据，为了进行后续的检测，需要把复数数据计算模值，根据公式求出复数数据的模值；

6)CRAF检测：

由于接收机接收通道具有频率增益控制，而且杂波影响信号频谱，因此雷达检测需要使用恒虚警检测，即CFAR检测，考虑雷达回波的特性及算法实现的复杂程度，雷达中选用左右两边取小的自适应门限检测方法；

由于CFAR检测具有损耗，而损耗和门限选择数有很大的关系，考虑雷达的使用环境，选择门限数目N＝20，为了减小目标附近的影响，检测时的保护单元选择5，门限选择左右两边取小的方法；

7)数据处理：

为了减小单次检测目标测距误差的影响，数据处理采用滞后滤波算法，算法公式为：

Y_n＝Y_n-1+(X_n-Y_n-1)×A

其中：Y_n为当前数据输出值，Y_n-1为前一次数据输出值，X_n为当前时刻测量值，A为系数，为了减小当前测量值的影响，并且考虑数据输出的刷新率问题，A取0.01；

8)计算距离：

根据雷达作用距离公式：

其中：P_t为发射功率6dBm；G_t为雷达的发射天线增益25dB，G_r为雷达的接收天线增益25dB；

此时，反射面积σ取0.1m²；波长λ取0.0125m；系统损耗L为16dB；信号处理增益D为30dB，P_min为系统最小检测信号；

根据公式：P_min＝kTBF_n，其中系统噪声系数F_n≤15dB，当B取26.7KHz，F_n取15dB时，得出P_min＝-100dBm，因此，可以计算R_max＝300m。