毫米波雷达信号处理与精密测量应用研究

作     者：罗翔 

作者单位：中国矿业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：刘志平

授予年度：2020年

学科分类：08[工学] 081601[工学-大地测量学与测量工程] 0816[工学-测绘科学与技术] 

主      题：毫米波雷达 精密测距算法 MIMO 雷达测量系统 高铁桥振动监测 

摘      要：随着科学生产技术的进步,现代工程建设对工程测量工作的精密性、实时性、动态性提出了更高的要求。传统测量手段及设备越来越难以满足现代工程建设的需要,因此测量领域亟需引入新的科学技术与设备来改进工作质量并提高工作效率。毫米波雷达（Millimeter Wave Radio Detection And Ranging,MMW Radar）作为一种新兴的非接触式高精度传感器,在目标位置和位置变化的精密测量方面具有显著优势,将其运用到工程测量领域对于整个测绘领域的发展都有着积极意义。鉴此,本文以毫米波雷达为研究对象,围绕毫米波雷达的信号处理流程、算法以及在精密测量领域的应用展开研究,为现代工程测量的发展提供一定的支持。论文的主要研究工作包括:（1）详细介绍了毫米波雷达的分类、系统结构、工作原理及流程。推导了影响雷达观测性能的雷达方程;继而以锯齿波FMCW（Frequency Modulated Continuous Wave）毫米波雷达为研究对象,详细推导了其测距测速的基本算法,研究结果表明毫米波雷达的观测信息包含在信号的频率和相位信息中;最后分析了毫米波雷达的距离分辨率和速度分辨率,并对雷达测距测速算法进行了仿真实验,成功从雷达信号中提取出目标观测量。（2）对FMCW毫米波雷达精密测距算法进行了研究推导。分析指出雷达测距的主要误差来源为频率检测中的栅栏效应,并基于此提出利用FFT（Fast Fourier Transform）+Chirp-Z变换+谱线校正的三段雷达测频算法提高测量的精度,最后基于该算法进行了对比仿真实验。实验结果表明,相较于传统FFT频谱分析方法,该算法能够显著提高频谱估计的精度,继而提高雷达测距精度,适用于毫米波雷达的测量应用。（3）对毫米波雷达多维空间测量技术进行了研究。分析了雷达测角的基本原理,推导了雷达角分辨率计算公式;为解决角度分辨率与雷达天线个数的矛盾,引入了多输入多输出（Multiple Input and Multiple Output,MIMO）雷达天线技术,并基于此分析了MIMO雷达应用于三维测量的天线布局,研究表明多维天线布设可实现空间目标的观测;进而在此基础上推导了空间目标三维坐标的计算公式;最后为实现雷达坐标系到当地坐标系的转换提出一种新的坐标转换算法。（4）基于AWR1443BOOST雷达开发平台搭建了一套毫米波雷达测量系统。该系统包括软件和硬件部分,详细描述了毫米波雷达选型、硬件参数,利用雷达开发软件完成了系统硬件开发工作,同时根据实际需求开发了对应的数据传输和处理的软件平台。最后利用该系统进行了室内外实测实验,实验结果表明毫米波雷达平台运行状态良好,精度较高。（5）对毫米波雷达在实际精密工程测量的应用做了研究。利用搭建的毫米波雷达测量平台在京沪高铁沿线进行了高铁桥振动检测实验。利用现代时频分析方法,从时域和频域两个方面对雷达数据进行了处理,准确提取出桥梁振动特征值并评估了桥梁的健康状态。实验表明,毫米波雷达可作为新技术应用于高精度工程测量行业。该论文有图68幅,表18个,参考文献110篇。