ApFFT Zaman Kaydırma Faz Farkı Metoduna Dayalı Doppler Radar Hız Ölçüm Sisteminin Geliştirilmesi
Zhang Ming, Chen Xing, Wang Yufei
(Elektronik Bilgi Mühendisliği Okulu, Beihang Üniversitesi, Pekin 100191)
Doppler radarının doğru hız ölçümünü gerçekleştirmek için, başlangıç faz değişmezliği ile apFFT'ye (tüm faz hızlı Fourier dönüşümü) dayalı zaman kaydırma faz farkı yöntemi benimsenmiştir ve veri örnekleme için veri işleme platformu olarak FPGA kullanılır. Depolama, pencereleme, spektrum dönüştürme, spektrum analizi ve faz hesaplama, elde edilen sonuçlar Ethernet üzerinden PC'ye iletilir ve ardından MATLAB'ın GUI görselleştirme arayüzü veri gözlem ve analizi için kullanılır. Deneysel sonuçlar, örnekleme hızı 200 kS / s ve 2048 noktalı spektrum analizi koşulları altında, hız ölçüm hatasının binde birine kadar doğru olabileceğini göstermektedir. Bu nedenle, bu çözüm, yüksek hassasiyetli hız ölçümü sağlayabilir.
apFFT; zaman kaydırmalı faz farkı yöntemi; FPGA; radar hızı ölçümü
Çin Kütüphanesi Sınıflandırma Numarası: TP274
Belge tanımlama kodu: Bir
DOI: 10.16157 / j.issn.0258-7998.2017.02.019
Çince alıntı biçimi: Zhang Ming, Chen Xing, Wang Yufei. ApFFT zaman kaydırmalı faz farkı yöntemine dayalı Doppler radar hızı ölçüm sisteminin geliştirilmesi.Elektronik Teknoloji Uygulaması, 2017, 43 (2): 81-84.
İngilizce alıntı biçimi: Zhang Ming, Chen Xing, Wang Yufei. ApFFT zaman kaydırma faz farkı algoritmasına dayalı Doppler radar hızı ölçüm sisteminin geliştirilmesi.Elektronik Tekniğin Uygulanması, 2017, 43 (2): 81-84.
0 Önsöz
Radar hızı ölçümünün çalışma prensibi, bilim ve mühendislikte yaygın olarak kullanılan Doppler etkisine dayanmaktadır. Hareket eden bir hedefin radar yankısı, bir Doppler frekans kayması üretecektir ve Doppler frekans kayması, hedefin hızı ile orantılıdır.Doppler frekans kaymasının doğru ölçümü yoluyla, hedef hızın doğru ölçümü elde edilebilir.
IVS-179, Innosent tarafından başlatılan VCO'lu bir K-bandı radar ön uç modülüdür.İletim frekansı 24 GHz 24.25 GHz; iletim gücü 20 dBm; yatay yönde 7 ° ışın genişliğine sahip düzlemsel bir mikroşerit anten dizisi yapısını benimser. Dikey yön 28 °; yan lob bastırma oranı 15 dB'den büyük. Radar modülü, mükemmel performansa, basit kullanıma, çok kolay sistem entegrasyonuna ve geniş bir uygulama yelpazesine sahiptir.
Zaman kaydırmalı faz farkına dayalı frekans ölçüm algoritması, yaygın olarak kullanılan bir frekans ölçüm algoritmasıdır, ancak geleneksel FFT, spektrum sızıntısının etkin bir şekilde üstesinden gelemediğinden ve sinyal frekansı ve fazının ölçümü bazı yaklaşık tahminlere bağlı olduğundan, ölçüm doğruluğu Tatmin edici bir dereceye kadar.
Tüm fazlı FFT (apFFT), spektrum sızıntısını bastırmada mükemmel performansa sahiptir. Özellikle öne çıkan şey, apFFT'nin "değişmez başlangıç fazı" nın önemli özelliğine sahip olmasıdır, yani apFFT tek frekanslı bir sinüzoidal sinyali dönüştürdüğünde, en yüksek spektral çizginin başlangıç fazı kesinlikle sinüzoidal sinyalin başlangıç fazına eşittir ve spektrum difüzyonundan etkilenmez. Bu nedenle, apFFT'nin "başlangıç faz değişmezliğini" kullanmak, zaman kaydırmalı faz farkı yönteminin frekans ölçüm doğruluğunu büyük ölçüde geliştirebilir, böylece Doppler radarının hız ölçüm doğruluğunu büyük ölçüde geliştirebilir.
1 apFFT zaman kaydırma faz farkı yönteminin algoritma ilkesi
1.1 apFFT algoritmasının prensibi
ApFFT algoritması iki bölüme ayrılabilir: veri ön işleme ve FFT Algoritma prensibi Şekil 1'de gösterilmektedir, burada N, FFT noktalarının sayısıdır.
Bir uzunluk giriş dizisini (2N-1) varsayalım:
Veri ön işleme, Şekil 1'de gösterilen işleme göre giriş dizisini N uzunluğunda bir veri vektörüne eşlemek için evrişim penceresi W'nin kullanılmasını ifade eder:
Daha sonra, apFFT dönüşümünü gerçekleştirmek için y dizisi üzerinde N-nokta FFT gerçekleştirilir. Bunlar arasında, farklı evrişim pencereleri W, veri işlemenin gereksinimlerine göre seçilir.Evrişim pencerelerinin tipleri, penceresiz, tek pencere ve çift pencere olarak bölünebilir.
1.2 apFFT'ye dayalı zaman kaydırmalı faz farkı yöntemi
Tek frekanslı sinyal dizisinin şöyle olduğunu varsayalım:
2 Radar hız ölçüm sisteminin yapısı ve çalışma prensibi
Radar hızı ölçüm sisteminin bileşimi Şekil 2'de gösterilmektedir. Sistem temel olarak şunları içerir: Doppler radar ön uç modülü, ara frekans sinyal koşullandırma devresi, analogdan dijitale dönüştürme devresi ve dijitalden analoğa dönüştürme devresi, FPGA dijital sinyal işleme platformu, Ethernet arabirim devresi, harici yığın depolama, vb.
Sistem açıldıktan veya sıfırlandıktan sonra, FPGA önce parametre konfigürasyon arayüzü aracılığıyla radar işletim parametrelerini başlatır ve ardından DAC devresi üzerinden radar çalışması için gerekli kontrol sinyallerini üretir.
Hız ölçümünü başlattıktan sonra, radar modülünün Doppler ara frekans sinyali çıktısı ilk olarak ara frekans sinyal koşullandırma devresi tarafından işlenir ve ardından 16 bit ADC, analogdan dijitale dönüşümü tamamlar. Bunlar arasında, ara frekans sinyal koşullandırma devresi bir aktif yüksek geçiş filtresi, bir programlanabilir zayıflatıcı ve bir aktif alçak geçiren filtreden oluşur FPGA, programlanabilir zayıflatıcı aracılığıyla giriş sinyalinin genliğini kontrol edebilir.
Örneklenen veriler FPGA tamponlama, pencereleme, spektrum dönüşümü, ana spektrum tanımlama ve kordik çözüm fazı ile işlenir ve son olarak ana spektrum fazı elde edilir ve Doppler frekansı ve karşılık gelen hız değeri hesaplanır.
Büyük kapasiteli bellek, her biri 8 Gb kapasiteli 2 NAND Flash'tan oluşur. Saha testinde, ADC tarafından örneklenen veriler NAND Flash'ta saklanabilir ve daha sonra ayrıntılı veri analizi için laboratuvara geri getirilebilir. Büyük bellek kapasitesi nedeniyle, birkaç saatlik ham veri saklanabilir.
Ethernet devresi, Ethernet arayüz kontrol çipi W5300'ü kullanır. Ethernet aracılığıyla kontrol komutlarının verilmesini ve ölçüm sonuçlarının yüklenmesini tamamlayın. Kontrol komutları arasında radar çalışma modu, radar açma ve kapama, program kontrollü zayıflama vb. Yer alır. Yüklenen veriler ADC örnekleme verilerini ve frekans ölçüm sonuçlarını içerir.
3 Radar hızı ölçüm sisteminin veri toplama ve işleme
ADC tarafından örneklenen veriler iki kanala bölünmüştür.Bir veri kanalı Ethernet arayüzü üzerinden bilgisayara yüklenir, PC'de TXT metin dosyası olarak depolanır ve dijital sinyal işleme için MATLAB ortamında işlenir; diğer kanal ise doğrudan FPGA platformunda hesaplanır. Hesaplanan sonuç, Ethernet üzerinden bilgisayara yüklenir. İki işlemin sonuçları karşılaştırma deneyleri için kullanılabilir.
3.1 Veri örnekleme ve erişim
Veri örnekleme ve işleme parametreleri:
Örnekleme noktası numarası 3N: 6144; örnekleme hızı: 200 kS / s; ADC veri niceleme numarası: 16 bit; FFT nokta numarası N: 2048; FFT frekans çözünürlüğü: 97.66 Hz; pencere tipi: Blackman çift pencere.
ADC tarafından örneklenen veriler RAM'de FPGA içinde saklanır, RAM boyutu 3N word'dür. Tampon alanı işlem akışı: Yazma adresi 2N-1'den büyükse, bu, ilk 2N-1 noktalarının dolu olduğu ve 0 2N-2 adresindeki verileri okumaya başladığı anlamına gelir; yazma adresi 0'dan büyük ve N'den küçükse, okuma adresi N'dir. ~ 3N-2'nin verileri veri okuma koşullarını karşılamıyorsa, bekleyecektir. RAM okuma ve yazma işlemi sırasında, yeni verileri okumadan önce son verilerin işlendiğinden emin olmak için okunan veri saati veri yazma saatinden çok daha yüksektir.
3.2 FPGA veri işleme akışı
FPGA veri işleme akışı temel olarak şunları içerir: RAM okuma ve yazma, pencere işleme, apFFT işlemi, ana spektrumu bulma, ana spektrum aşamasını hesaplama ve hesaplama sonuçlarını önbelleğe alma.
Spektrum sızıntısını bastırmak için spektrumun ana lobunu vurgulayın ve veriler üzerinde pencereleme işlemini kullanın.
Çarpandan geçen çıktı verileri çok geniş ve kısaltılması gerekiyor. Modül denetleyicisinin kontrolü altında, ilk N-1 noktası kesildikten sonra FIFO tamponuna basılır; sonraki N nokta geldikten sonra, FIFO'daki veriler yığından çıkarılır ve ön apFFT algoritmasını tamamlamak için kesilmiş verilere eklenir. İşleme süreci.
Ana spektrumu bulun, yani spektrumdaki en yüksek çizgiyi bulun. En yüksek spektral çizgi belirlendikten sonra, fazının hesaplanması gerekir ve ana spektral faz, kordik algoritma ile hesaplanır. Ana spektrum faz hesaplaması tamamlandığında, bir kez tamponlanır ve tamponlamanın sonucu, her 3N noktasından önce ve sonra iki set apFFT ana spektrum numarası ve 2N-1 noktalarının faz değeridir.
Her 3N nokta hesaplaması tamamlandıktan sonra, sonuç RAM'de depolanır.Hız ölçümü her tamamlandığında, RAM'deki veriler okunur ve Ethernet aracılığıyla ana bilgisayara iletilir.
Şekil 3, FPGA'nın apFFT zaman kaydırma faz farkı yönteminin frekans ölçüm yapısı diyagramını göstermektedir.
4 Hız testi ve veri analizi
4.1 Simüle edilmiş hız ölçüm deneyi ve laboratuvar ortamında veri analizi
1.2 kHz frekanslı tek frekanslı bir sinüs dalgası oluşturmak için bir sinyal kaynağı kullanılır ve sinyal, Doppler radar hızı ölçüm ara frekans sinyalini simüle etmek için kullanılır ve karşılık gelen hız değeri 27 km / s'dir.
FPGA platform hesaplamasından sonra elde edilen yükleme sonucu, Şekil 4'te gösterildiği gibi MATLAB kullanılarak bir hız eğrisine çizilir.
Şekil 4'ten hız eğrisinin 27 km / s civarında dalgalandığı görülebilir. Bunlar arasında maksimum sapma hızı değeri 27.008 km / s'dir ve gerçek değere göre hata 0.3 'dir.
ApFFT'ye dayalı zaman kaydırmalı faz farkı yönteminin yüksek hassasiyetli hız ölçümü sağlayabildiği görülebilir.
4.2 Alan gerçek hız ölçümü deneyi ve veri analizi
Hız göstergesi, otoyoldaki yaya üst geçidine takılır ve ölçüm için yüksek hızlı sürüş için tek bir araç seçilir.
Şekil 5, radar Doppler eko IF sinyalidir, Şekil 6, radar eko IF'den önceki 2N-1 noktalı apFFT spektrumudur, Şekil 7, radar eko IF'den sonraki 2N-1 noktalı apFFT spektrumudur ve Şekil 8, hız ölçüm eğrisidir.
Radar eko perspektifinden, ölçülen hedefin hızı sabit olduğunda ve diğer hedeflerden herhangi bir parazit olmadığında, radar ekosu sabittir ve çıkış Doppler ara frekans sinyalinin kalitesi iyidir. Spektrum analizi perspektifinden, spektrumun ana lobu belirgindir.
Hız eğrisinden, eğri sabittir ve uç aşağı doğru bir eğilime sahiptir Bu, ölçülen hedef radara yaklaştığında nesnenin hareket yönü ile hedefi ve radarı bağlayan hat arasındaki açının artması nedeniyle Doppler frekansının azalmasından kaynaklanır. nın-nin.
Hız eğrisini gösteren verilerde Tablo 1'i yapmak için sürekli bir veri parçası seçilmiştir. Tablo 1'deki sonuçlara göre maksimum ve minimum frekans farkı f = 3.95 Hz ve değişim oranının sadece 1.4 olduğu bulunmuştur.
Benzer şekilde, frekans tarafından hesaplanan hız değerinin göreceli değişimi nispeten küçüktür, maksimum hız ile minimum hız arasındaki fark sadece 0,09 km / s'dir ve değişim hızı hala 1,4 'dur.
Bu nedenle, pratik uygulamalarda, apFFT'ye dayalı zaman kaydırmalı faz farkı yöntemi de yüksek hassasiyetli hız ölçümü sağlayabilir.
5. Sonuç
Bu makalede, işlemci çekirdeği olarak FPGA ile bir Doppler radar hızı ölçüm sistemi tasarlanmış ve apFFT tabanlı zaman kaydırmalı faz farkı yöntemine dayalı yüksek hassasiyetli frekans ölçüm algoritması gerçek hız ölçümüne uygulanmıştır; üst konum MATLAB'ın sinyal işleme işlevi ve GUI kullanılarak tasarlanmıştır. Makinenin görsel arayüzü, zaman-frekans alanı verilerinin ve hız ölçüm sonuçlarının zamanında gözlemlenmesi için uygundur. Birçok gerçek ölçümün sonuçları, radar hızı ölçüm sisteminin tasarım gereksinimlerini tam olarak karşıladığını ve hedef hareket hızının yüksek hassasiyetli ölçümünü gerçekleştirebileceğini göstermektedir.
Referanslar
Liu Lihua. Doppler Radar Hız Ölçüm Sistemi Üzerine Araştırma. Wuhan: Huazhong Bilim ve Teknoloji Üniversitesi, 2007.
He Tong, Chen Xing, Hong Longlong FPGA'ya dayalı tüm fazlı FFT yüksek hassasiyetli frekans ölçümü Elektronik Ölçüm Teknolojisi, 2013, 36 (8): 80-83.
Wang Zhaohua, Huang Xiangdong. Dijital sinyal tam fazlı spektrum analizi ve filtreleme teknolojisi Pekin: Electronic Industry Press, 2009.
Wang Mengyuan, Wang Shusheng, Chen Xing. Ardışık düzen çift modlu CORDIC algoritmasının FPGA uygulaması. Elektronik Ölçüm Teknolojisi, 2007, 30 (9): 184-186.
Chen Yaoguang, Mao Taotao, Wang Zhenglin, vs. MATLAB GUI tasarımında uzman, İkinci baskı. Pekin: Elektronik Endüstrisi Yayınevi, 2011.
