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非道路毫米波传感系统设计毕业论文

 2020-02-17 11:02  

摘 要

近年来,我国微波技术研究领域不断取得突破性进展,尤其是在探测仪器设计中,各种波长的微波都起到了不可替代的作用。在众多类型的微波中,毫米波受到了广大研究人员的青睐,由于毫米波位于微波与远红外线的交接处,所以毫米波同时具有微波和红外线的特性,在光波通信、测量测绘等方面均有应用。

本次课题研究针对毫米波的全天候、抗衰减的特性设计了一种非道路毫米波传感器,通过解析普通毫米波传感器的原理实现了本设计的毫米波传感器的硬件系统搭建,论文主要研究内容为:

(1)信号采集处理,通过发射毫米波信号探测物体,将得到的毫米波信号转化为可使用A/D采集的信号。

(2)信号滤波放大和整流,通过设计的模拟带通滤波器及其放大电路对信号进行信号处理,以便于降低干扰信号的影响,提高系统的可靠性;信号整流系统,将毫米波信号经过波形整形成脉冲波形。

(3)系统电源模块与稳压模块设计,电源模块设计了两种电源模式,分别用于工作状态和空闲状态。采用了限流电路与短路保护电路等稳压电路用于保证毫米波发射模块的电压稳定。

(4)核心控制模块,以STM32单片机作为设计核心控制模块,主要进行数据处理和转化并联调各个系统模块进行工作,以保证系统的稳定运行。

本次课题研究所设计的毫米波传感器具有体积小、功耗低、操作简便等特点,具有一定的实际应用价值,为传感器设计和毫米波应用提供了理论研究思路。

关键词:抗衰减;毫米波;测量测绘

Abstract

In recent years, the research field of microwave technology in China has made breakthroughs, especially in the design of detection instruments, microwave of various wavelengths has played an irreplaceable role. Among many types of microwaves, MMW is favored by most researchers. Because MMW is located at the junction of microwave and far infrared ray, MMW has the characteristics of both microwave and infrared ray, and it has been applied in light wave communication, measurement and mapping.In this research, a non-road millimeter-wave sensor is designed for the all-weather and anti-attenuation characteristics of millimeter-wave. The hardware system of the designed millimeter-wave sensor is built by analyzing the principle of ordinary millimeter-wave sensor. The main research contents of this paper are:

(1) signal acquisition and processing. Millimeter wave signals are transmitted to detect objects and converted into signals that can be collected by A/D.

(2) signal filtering amplification and rectification. Signal processing is carried out through the designed analog bandpass filter and its amplifier circuit, so as to reduce the influence of interference signals and improve the reliability of the system; Signal rectification system, the millimeter wave signal through the waveform form pulse waveform.

(3) design of system power module and voltage stabilizer module. Two power modes are designed in the power module, which are respectively used for working state and idle state. The current limiting circuit and short circuit protection circuit are used to ensure the voltage stability of millimeter wave transmitting module.

(4) core control module: STM32 single chip microcomputer is used as the core control module to design, mainly for data processing and transformation, as well as coordination of various system modules to ensure the stable operation of the system.The millimeter wave sensor designed in this research has the characteristics of small size, low power consumption and simple operation, and has certain practical application value, providing theoretical research ideas for sensor design and millimeter wave application.

Key words: anti-attenuation; millimeter wave; surveying and mapping

目 录

第1章 绪论 1

1.1研究目的与意义 1

1.2国内外研究现状 1

1.3论文主要研究内容 2

第2章 方案选择与论证 3

2.1视觉测量系统 3

2.2激光测量系统 4

2.3毫米波测量系统 5

2.4非道路测量系统的方案选择 6

第3章 毫米波测量系统主要模块设计方案 7

3.1系统整体设计需求 7

3.2 滤波放大模块设计 7

3.3 电源模块设计 9

3.4 稳压电路设计 10

3.5 STM32核心控制模块设计 11

第4章 毫米波测量系统软件方案 12

4.1主程序设计方案 12

4.2计时子程序设计方案 13

4.3控制子程序设计方案 13

4.4毫米波信号采集程序设计方案 14

4.5毫米波信号滤波程序设计 15

4.6毫米波信号放大程序设计 16

第5章 毫米波测量系统仿真运行 18

第6章 总结与展望 20

6.1总结 20

6.2展望 20

参考文献 21

致 谢 23

第1章 绪论

1.1研究目的与意义

随着科技的不断进步,很多非接触式测量测绘传感器都逐渐摒弃了容易受到外界环境干扰的中短波测量装置,采用工作性能较为稳定的微波和各种激光传感器。但是随着近年来人工智能和机械自动化技术的不断发展,具有体积小,功耗低,经济性好的毫米波传感器在各种应用场景中逐渐代替了激光传感器。特别是在雷达检测、车辆距离检测、近距离测绘、无线通信等方面毫米波得到了大量的应用[1],毫米波技术与集成电路相结合所设计的传感器预期的应用层面更是越来越广泛,关于毫米波传感器设计的研究已经成为了现代微波领域和电子信息技术领域的热点研究项目之一。

在现代生产生活中传感器已经成为了各种电子电器设备的重要组成部分,只有利用传感器获得当前环境中的准确信息才能进一步实现各种自动控制功能。可以说提高传感器的测量精度是提高系统控制准确度的基础,提高传感器工作稳定性是提高系统工作稳定性的必要条件。本次课题研究所设计的毫米波传感器利用毫米波特性和智能化集成电路设计技术,可以从一定程度上弥补现阶段传感器可控性低、工作性能不稳定、体积大、精度低等多种问题。

1.2国内外研究现状

毫米波传感器系统就是利用毫米波通检测回波来探测目标的有无和远近的一种电子装置,用毫米波雷达可以对目标进行有无检测、测距、测速以及方位测量。目前毫米波雷达主要为24GHz(5~30m)和77GHz(30~70m)。

国外在1970年就开始对毫米波技术应用有所研究,提前进入了毫米波传感器的时代[2]。随着电子技术的迅猛发展和微型计算机的问世,使毫米波传感器系统控制发生了里程碑式的改变,在当时以色列、美国、荷兰、日本等西方发达国家,都实现了利用毫米波特性获取物体距离、表面特征等一系列的数据,进而可以对环境参数进行控制[3]。在荷兰、日本通过计算机控制毫米波传感器已经逐步实现自动化、无人化的工业生产流水线,降低了工作人员任务量,精确的控制环境参量,以满足日常生活生产的需求[4]。英国对毫米波传感器技术的发展也十分重视,英国伦敦大学利用毫米波的稳定性和无线网络技术研究出的传感器,已经实现能够对50公里外的实验室区域进行监控,其中包括毫米波通信、毫米波雷达测距、实验区域地表特征等参数[5]。在以色列科学家的不断努力下,从80年代到90年代经过三个时代的更新换代,自主开发了一系列由毫米波和集成电路构成的位移探测传感系统,实现了快速测量运动物体位移状态的功能,其测量精度处于世界领先水平。目前世界各国对毫米波传感器的研究都是十分重视,先后投入了大量的人力、物力进行研究,追求自动化、智能化、网络化的毫米波传感器控制与管理[6]

我国是一个科技大国,但是我国对于传感器探测技术的研究起步较晚,尤其是毫米波雷达的应用技术多用于军事领域,民生领域的应用技术较之国外的先进技术仍有较大差距。现在国内许多企业已经突破了24GHz和77GHz的检测技术,尤其是24GHz的雷达由于成本较低,虽然体积稍大,但在乘用车和大型车上的应用非常广泛;77GHz已经实现了集成化,是业内体积最小的,远场探测距离最远可达到200m,分辨率为0.4m,近场能达到90度以上的视场角和60度的作用距离;我国近年加大了对毫米波传感器技术的研究,引进国外先进的微波技术,但在专业技术上的研究深度与广度与国外仍存在较大的差距[7]

目前毫米波技术已经在各种车载测距仪、道路测量自己雷达天线等方面实现了应用普及,但是在其他领域中毫米波传感器仍然在一定程度上收到技术发展的限制并未投入大规模使用中。

1.3论文主要研究内容

本次课题研究主要围绕利用毫米波技术设计传感器展开,分为以下六个章节。

第一,绪论部分,首先对本次课题研究背景、目的与意义、主要研究内容自己当前的国内要研究现状进行了简单的介绍。

第二,方案的选择与论证,在本小节中重点阐述了几种测量系统的实现及其优劣分析,并阐述了毫米波系统的特点,以及利用毫米波设计传感器能够应用到的拓扑结构、功能特性等相关基本理论知识。

第三,毫米波传感器关键部分硬件电路结构设计方案分析。在本小节中重点分析了毫米波传感器的系统设计需求和整体设计方案,并对其中关键部分滤波放大模块、整流稳压模块、电源模块以及核心控制模块的设计方案。

第四,毫米波传感器软件程序撰写思路分析。本小节主要以第三章所设计的硬件电路为基础,利用C语言和keil编译环境,设计了系统主程序和每个对应子模块的驱动程序。

第五,毫米波传感器仿真模拟,在本小节中主要介绍了本次课题研究所设计的毫米波传感器最终所实现的性能特点以及在整个设计过程中所进行的关键系统运行调试步骤。

第六,展望与总结。在本小节中总结了本次课题研究的主要过程,并对后续的研究工作进行了展望。

第2章 方案选择与论证

目前市场上使用的主流测量系统大致包含三类,视觉测量,激光测量与毫米波测量。本文将对上述三类测量方式进行讨论,分析其优劣并选择其中一种来实现。

2.1视觉测量系统

视觉测量是利用相机实时采集图像信息,进行图像分析获取周围环境的三维信息,实现测量功能的主要是使用双目相机或深度相机,通过点特征匹配的方式即特征点算法对图像进行立体矫正,系统成本大约在几十到几百元不等。

视觉测量系统获取三维信息主要包含有两种方式--光流法和特征跟踪法[10]。前者的运算速度快,实时性的对其来说实现难度很低,可其精度不足导致系统的可靠性很低;后者由于具有旋转、尺度等不变特性,具有极好的可靠性,而且现在的特征点图像匹配方法已经有了很大的突破,实用性很好。所以现今主流的匹配方式是基于特征匹配的方式[11]。视觉里程计由两大部分组成,其中的一部分是用算法实现特征的提取与匹配,一部分为通过特征点的匹配结果计算运动轨迹。对于特征匹配的方式,现今包含有三大方式--特征点、特征线、特征面等实现方式,并且尤其是点的匹配精度最高、效果最好。学术界目前比较常用,技术相对成熟的匹配点算法有SURF、ORB、SIFT等等。

双目视觉是模仿人类的眼睛感知距离的原理,对同一物体用两个摄像头采用不同角度同时进行图像信息采集,通过匹配算法寻找左右两幅图像中的同名点,计算它们之间的视差,从而得出三维场景中的目标深度信息。

图2-1 双目视觉测量原理图

图 2-1 中,两摄像机平行放置,基线距 B 为左右两摄像机的光心距离,焦距为 f 。设两摄像机同一时刻观察空间点 P(x,y,z) ,分别在摄像机图像平面得到 P 的图像P1(x1,y1)和, P2(x2,y2) ,由于两摄像机平行,则 P 点在左右图像中的点 Y 坐标相同,即y1=y2=y。则有三角几何关系有:

(2-1)

视差为:Disparity=x1-x2 ,则可以计算出点P 的三维坐标为(在摄像机坐标系下):

(2-2)

由上述可知,任意一点在左摄像机的图像平面上,若能找到在右摄像机图像平面的对应匹配点,就能够计算出该点的三维坐标。

视觉测量系统的有效探测距离3~12m,优势是应用范围广,柔性强,分辨率高,价格低廉(几十到几百不等);缺点是受光照等环境影响大,可靠性差。

2.2激光测量系统

激光测量系统是使用激光雷达检测障碍物并获取环境的三维信息。目前市场上实现的主要方式是通过多点位测距,获取大量的三维云点信息,后台进行数据处理并进行三维信息的重建。

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图2-2 激光测量原理图

将二维高频率的激光扫描仪对料场表面进行高频率的断面扫描(每秒若干次360度连续扫描),获得高密度的扫描数据,结合行程测量器获得的料场长度,和回程测量器获得的扫描仪偏转角度数据,通过软件对数据进行一系统的分析和处理,实现料场的体积计算,料场三维模型的显示,并将测量的结果和图形以报表的形式打印输出,行程一套全新的测量方法。

激光测量系统的测量精度达到了毫米级,有效探测距离为8m,探测数据精准,可靠性高,但成本高昂(售价约1-2W以上)。目前市场上测量应用有飞机导航、船舶导航、机器人导航及建图等。

2.3毫米波测量系统

毫米波的频域在30~300GHz的(波长为1~10毫米),它的波长位于微波与红外波相交叠加的部分。由于它的波长位置的特点,毫米波的波谱特点既有微波的也有红外波的[8]。而由于毫米波中存在有被气体分子谐振吸收基衰减为极小值的频率,它在大气传播的过程当中,基本不受自然光和热辐射源的影响,传播时的衰减也小 [9]。故可以认为毫米波传播时受气候影响比激光要远小得多,具有全天候特性,而与微波相比,毫米波所需要的元器件的尺寸又要小巧许多,也因此毫米波系统比微波更容易小型化[10]。因为以上的特点与原因,近年毫米波技术在研制接收机、发射机、天线以及毫米波器件等方面均有了非常重大的突破,在通信、雷达、遥感等多种领域的应用也逐渐变得广泛了起来。

针对特定的环境有效而精确的采集各式各样信息的技术被称为传感技术,传感技术的器件可以将化学量或物理量等间接量转换为直观可量化的可识别信号。这种技术融含了现在大部分科学理论的全部方面,它的原理涉及了化学、物理、生物、数学等各式各样的学科[11]。并从上世纪末继“物联网”概念出现后直到现在它的发展火热的过程中,引领了信息产业发展的又一次革命。而这种作为物联网服务的信息基础的传感技术,在智能家居、监控、办公等各大物联网现实应用系统、智能医疗、交通、智慧城市,它都是及其重要的载体。智能业务必须基于适用与多种环境的检测环境的传感器。大量切不一致的需求也同样促进了传感技术的多样化,传感技术不仅要考虑传统的硬件集成,更要关注系统优化、数据融合处理、数据传输等系统问题[12]

毫米波传感器拓扑结构根据不同的系统功能要求有不同的特性,但是从角度分析,毫米波传感器有两个主要的共性特征:

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