调频式激光测距差拍信号欠采样频率估计系统设计

论文摘要

线性调频连续波(Linear Frequency Modulated Continuous Wave,LFMCW)激光测距技术由于具有测量精度高,抗干扰能力强等优点,被广泛应用在航空航天、军事雷达等重要领域。随着调频非线性校准技术的进步及宽频带激光器在测距系统中的应用,使得在测距过程中产生的差拍信号频率越来越高,给采样及后续信号处理带来了压力。因此,本文提出差拍信号欠采样频率估计方法,并针对欠采样频率估计精度不高、混叠频率筛选复杂、抗噪声性能差等问题提出了新的解决方法,实现对差拍信号频率精确估计。本文的主要研究工作如下:1、深入研究LFMCW激光测距原理,分析三角波调制方式的优势,推导出物体在静止和振动情况下的距离求解公式,同时分析影响LFMCW激光测距精度的因素,结果表明差拍信号频率估计精度是影响测距精度的关键因素。2、针对现有的差拍信号频率估计方法采样率要求高、频率估计误差大等问题,提出双速率欠采样频率估计新方法。在欠采样条件下,对不同采样速率的差拍信号做FFT处理,采用能量重心结合CZT算法提高混叠频率估计精度,并利用频偏值做相位校正并筛选出混叠频率,依据混叠频率和采样率之间的关系,求解出差拍信号的真实频率。实验结果表明,所提出的方法可以在低信噪比情况下实现对差拍信号频率的精准估计。3、对双速率欠采样差拍信号频率估计方法的硬件实现进行研究,开发了由上位机和下位机组成的单通道双速率欠采样频率估计系统。设计了触发电路、信号调理电路、ADC采样电路、基于FPGA读写控制逻辑电路、基于ARM的数据传输电路,利用以太网接口与上位机通信。同时利用MATLAB编写上位机软件,利用本文所提的方法实现对差拍信号的精准频率估计。4、完成每个模块的功能测试及系统整体测试,并验证本文所提算法的有效性。实验结果表明在欠采样条件下,本文提出的方法可以实现对差拍信号的准确频率估计,且估计误差在5ppm以内。

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摘要

Abstract

第1章绪论

1.1 课题的研究背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 线性调频连续波激光测距研究现状

1.2.2 欠采样信号频率估计方法研究现状

1.3 本文主要研究内容

第2章线性调频连续波激光测距系统分析

2.1 线性调频连续波激光测距系统结构组成

2.2 线性调频连续波激光测距原理

2.3 影响线性调频连续波激光测距的关键因素

2.3.1 激光器调频带宽对激光测距分辨率的影响

2.3.2 差拍信号频率估计精度对激光测距的影响

2.4 本章小结

第3章欠采样差拍信号频率估计方法研究

3.1 欠采样条件下的FFT差拍信号频率估计

3.1.1 欠采样与过采样的对比分析

3.1.2 双速率欠采样差拍信号频率估计新方法

3.2 常用差拍信号频谱校正方法的对比分析

3.2.1 离散谱能量重心校正法

3.2.2 离散谱比值校正法

3.2.3 全相位时移相位差校正法

3.2.4 三种频谱校正方法的仿真实验及误差分析

3.3 基于频谱校正结合频率细化的高精度频率估计方法研究

3.3.1 频率细化方法的分析与选择

3.3.2 CZT频谱细化区间的选择

3.3.3 能量重心结合CZT差拍信号频率估计方法

3.3.4 能量重心结合CZT算法流程及误差对比分析

3.4 本章小结

第4章单通道双速率欠采样频率估计系统设计

4.1 总体方案设计

4.2 下位机硬件电路设计

4.2.1 差拍信号调理电路设计

4.2.2 ADC采样电路设计

4.2.3 触发控制电路设计

4.2.4 基于FPGA数据读写控制逻辑电路设计

4.2.5 基于ARM数据传输电路设计

4.3 基于MATLAB上位机软件设计

4.4 本章小结

第5章系统测试及实验结果分析

5.1 系统测试过程

5.2 实验结果及误差分析

5.3 本章小结

结论

参考文献

攻读学位期间发表的学术成果

致谢

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 杜昊辰

导师: 盖建新

关键词: 欠采样,激光测距,差拍信号,频率估计

来源: 哈尔滨理工大学

年度: 2019

分类: 基础科学,信息科技

专业: 物理学,无线电电子学

单位: 哈尔滨理工大学

分类号: TN249

总页数: 70

文件大小: 2430K

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