多普雷雷达（通用3篇）
多普雷雷达 篇1
0 引 言
导航雷达是船舶航行的重要导航工具之一,其数据传输处理有数据量大、实时性高的特点。从雷达回波信号的处理到雷达图像的显示也应满足雷达系统高速、大容量、实时的要求。随着信号处理技术和显示终端技术的发展以及对导航雷达的要求的不断提升,雷达分辨率越来越高,数据的处理越来越复杂,雷达图像的显示也越来越清晰。传统雷达数据采集处理系统是采用雷达采集卡形式插在PC机的PCI扩展槽内,利用PC平台进行数据处理及雷达图像显示[1],也有利用嵌入式平台进行数据采集处理[2,3]。不同的硬件环境下,雷达图像显示的软件编写也不相同,本文提出了一种基于SoPC(System on Personal Computer)[4]硬件系统结构的软件编写方法,利用Windows操作系统的API函数进行多线程编程,并采用DirectDraw[5]进行雷达图像显示界面的生成。
1 雷达图像显示的特点
雷达图像在导航时起着重要的作用。导航时对雷达图像显示的要求也比较高,需要雷达图像满足稳定性高、刷新速度快、分辨率高、能够进行多种切换操作等要求。还需要雷达图像能够提供给操作者足够多的信息以便操作人员能够有效迅速地对航行环境做出判断,并做出正确的选择。一般与其他需要显示二维或三维的图像系统不同[6],导航雷达图像只需显示径向一维图像信息。
1.1 雷达图像显示的内容
常见的雷达图像显示界面包括:圆形雷达图像和文字显示两部分。雷达图像一般位于左侧,而文字显示部分主要位于屏幕右侧以屏幕的四个边角位置。图像上主要显示以下信息:目标定位信息和本船信息,图像清晰度调整功能菜单,图像切换预警操作功能菜单,雷达图像增强功能菜单等。
目标定位信息显示在雷达圆的右下脚,信息包括光标捕获的目标点的量程(RNG),方位(BRG),真方位(T),经度(Lon)和纬度(Lat)。图像清晰度调整功能菜单包括增益、海浪抑制、雨雪抑制、调谐等。雷达图像切换预警操作功能主要是在雷达图像圆上的操作,包括:量程、距标圈、偏心操作功能、首线、脉冲宽度、活动距标圈(VRM)、电子方位线(EBL)、测距功能、显示方式切换、报警区及报警应答功能、展宽功能、日夜切换功能、中英文切换功能、杂波抑制功能、矢量时间、航迹时间等。雷达图像增强功能菜单主要是APPAR功能和AIS功能[7],以上两功能主要靠GPS信号进行操作,可以进行功能强大的辅助导航。
1.2 雷达图像显示任务的划分
以上雷达图像显示内容,根据其来源可分为三种:雷达原始视频信号数据,人工设定的辅助定位信号(距标圈、偏心、电子方位线等),读自船舶上的辅助导航设备数据。雷达视频信号在显示界面上显示时用一条方位线不断地扫描刷新;而人工设定的辅助定位信号线用绘图软件实现,并具有开关功能,用来进行局部查看定位;辅助导航设备包括电罗经、GPS等,当显示界面上鼠标停在雷达圆的某一点上时,显示该点的经纬度。雷达视频信号数据和辅助导航设备数据需要实时读取,并不断的刷新显示,所以在编写线程函数时需要考虑代码的执行效率,保证雷达图像的实时性。
2 多线程编程的实现
在确定雷达图像显示内容和显示任务后,开始考虑在特定的硬件平台上编写整个雷达系统代码,包括从开机到显示到关机的整个过程进程和线程的设置。
2.1 系统的硬件平台
本雷达图像实现系统基于SoPC的硬件平台实现,雷达中放板信号经FPGA预处理后,通过PCI接口及PCI9054芯片[8]连接到电脑主板,最后经CPU处理后输出到显示器。SoPC平台与电脑主板类似,属于工控主板,故系统完全兼容Windows的操作系统系统及API函数,所以采用了Windows下的多线程编程,软件编写环境是Microsoft Visual C++ 6.0。
2.2 显示系统程序的多线程设置
雷达开机后,进行硬件初始化,然后由BIOS引导加载系统代码,主进程取得CPU的控制权,设置分配内存空间及数据缓存区域,然后开始接收处理雷达视频信号数据显示图像,最后到释放内存空间关机。由于系统只显示雷达图像,故只需设置一个主进程。
projc=GetCurrentProcess();
SetPriorityClass(projc,REALTIME_PRIORITY_CLASS);
当使用CreateProcess调用时,系统将创建一个进程。根据硬件的启动到关机的任务过程和雷达显示任务划分,设置主进程的各个线程。分别是初始化线程,开始线程,量程设置线程,窗口显示操作线程,关机线程等5个线程。
初始化线程创建及属性设置如下:
Init=CreateThread((LPSECURITY_ATTRIBUTES)NULL,0,(LPTHREAD_START_ROUTINE)initf,(LPVOID)NULL,CREATE_SUSPENDED,&iqq);
SetThreadPriority(Init,THREAD_PRIORITY_IDLE);
ResumeThread(Init);
首先调用CreateThread函数创建初始化线程,然后设置线程优先级,最后激活线程运行。初始化线程中的线程函数initf执行系统的硬件的初始化,包括PCI90,PCI总线,操作面板上按钮(增益、调谐、雨、雪等),DMA,串口,选择开关通道总线等的初始化。
开始线程的创建如下:
Start=CreateThread((LPSECURITY_ATTRIBUTES)NULL,0,(LPTHREAD_START_ROUTINE)startf,(LPVOID)NULL,CREATE_SUSPENDED,&iqq);
SetThreadPriority(Start,THREAD_PRIORITY_IDLE);
ResumeThread(Start);
开始线程函数执行时主要通过PCI总线以DMA方式接收雷达实时预处理数据,并打开雷达天线马达开始扫描及通知窗口线程开始显示图像及数据。
量程设置线程创建如下:
Range=CreateThread((LPSECURITY_ATTRIBUTES)NULL,0,(LPTHREAD_START_ROUTINE)rangef,(LPVOID)NULL,CREATE_SUSPENDED,&iqq);
SetThreadPriority(Range,THREAD_PRIORITY_IDLE);
ResumeThread(Range);
量程线程主要任务是完成量程的设定,距标圈和活动距标圈开关显示,偏心功能操作等。
窗口操作线程创建如下:
Window=CreateThread((LPSECURITY_ATTRIBUTES)NULL,0,(LPTHREAD_START_ROUTINE)windowf,(LPVOID)NULL,CREATE_SUSPEN DED,&iqq);
SetThreadPriority(Window,THREAD_PRIORITY_IDLE);
ResumeThread(Window);
窗口操作线程主要创建雷达图像显示窗口,并对窗口内需要显示的图像及数据进行实时显示。
关机线程创建如下:
Shut=CreateThread((LPSECURITY_ATTRIBUTES)NULL,0,(LPTHREAD_START_ROUTINE)shutf,(LPVOID)NULL,CREATE_SUSPENDED,&iqq);
SetThreadPriority(Shut,THREAD_PRIORITY_IDLE);
ResumeThread(Shut);
关机线程中执行操作与初始化线程中相反,初始线程中的硬件都需要在关机线程中关闭,如天线雷达停转,DMA、串口、选择开关通道总线、PCI设备等的关闭。
各个线程之间进行通行时,需要对线程进行同步,防止两个线程同时对一个数据进行操作。线程同步方式有多种,可采用创建事件对象的方式同步。先在以上5个线程创建前创建事件对象如下:
pevinit=CreateEvent(NULL,TRUE,FALSE,"ppinit");
如需要执行量程设置线程前需要执行如下代码:
WaitForSingleObject(pevinit,0xFFFFFFFF);
ResetEvent(pevinit);
以保证初始化线程执行完毕才执行量程设置线程。其他线程间的同步都可以采用此种方法。
一般采用CreateThread创建线程,用CloseHandle关闭线程,并在程序中调用C标准库将导致线程内存泄露。因为C标准库存在大量全局变量,最好采用BeginThread与EndThread函数对实现。但本文在线程操作时未调用C标准库,不易引起内存泄露的问题。线程是根据雷达显示任务的划分来创建,不同的划分需要创建相应的线程,也可以通过创建新的线程来增加相应的显示任务。
3 结 语
雷达图像显示系统是一个多任务系统,本文结合常见的SoPC硬件平台,设计了雷达图像显示系统的多线程实现方法,显示的是常见的伪彩色动态显示图像[9],经运行表明能够满足数据量不是很大的船舶导航需要。上述线程同步以及线程之间共享数据的方式,CPU的效率不高,影响了系统的实时性。实时性要求更高的场合,可以采用实时嵌入式平台[10]。本文研究的多线程编写方法对其他平台的雷达图像显示系统有一定的借鉴意义。
摘要：设计了导航雷达图像在SoPC硬件平台上显示的软件系统,根据雷达图像显示任务和系统的运行工程对代码的任务进行划分,雷达图像显示任务包括雷达圆和文字数据两部分,划分后的代码任务包括硬件初始化、开始数据接收处理、量程设置、窗口显示、关机等5个任务,对应划分后的任务采用了Windows下的多线程方法编写雷达图像显示的软件系统。经过在SoPC硬件平台上调试运行,效果显示能够满足导航雷达图像显示的各项要求。
关键词：导航雷达,图像显示,数据采集,PCI总线,SoPC,多线程
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多普雷雷达 篇2
2010年4月14日发生在青海省玉树县的里氏7.1级地震中, 集宽幅合成孔径雷达 (SAR) 、干涉雷达和极化雷达为一体的先进星载雷达系统以及高分辨率机载光学遥感系统的发展为地震灾情监测和评估提供了有效的技术手段, 但如何协同利用先进航天航空对地观测系统快速获取灾区的相关科学数据并进行灾情监测与评估是灾害遥感工作亟需解决的重大课题。中国科学院对地观测与数字地球科学中心郭华东研究员为第一作者撰写的《多模式SAR玉树地震协同分析》一文对于以上重大问题的解决做了一次很好的尝试。该文发表在《科学通报》 (http://www.scichina.com:8080/kxtb/CN/volumn/current.shtml#) 2010年第55卷第13期上。
该文协同利用星载雷达数据和高分辨率光学数据、倒塌房屋遥感快速自动识别技术和人工解译, 开展了如下研究:1) 利用RADARSAT-2宽幅SAR数据并结合相关资料, 对玉树地震的区域地质构造和岩性分布背景特征进行综合信息的有效提取;2) 利用ALOS/PALSAR干涉SAR数据, 获取同震形变场, 结合区域地质背景分析地表形变程度以及形变空间分布;3) 利用极化SAR数据, 自动提取地震造成的玉树县城倒塌建筑物空间分布, 并分析了建筑物的倒塌原因;4) 通过与震前遥感影像房屋建筑特征的对比分析, 研究了倒塌建筑物与其距离主震断裂距离、所处地质地貌环境、建筑物类型的关系。
该研究结果表明: (1) 根据宽幅雷达和干涉雷达的综合分析, 2010年4月14日玉树7.1级地震震源位于区域主断裂上, 并处于两类岩性区的相交部位, 这是应力容易释放的区域; (2) 根据干涉雷达分析, 发现两个明显位错段, 分别与仪器震中和宏观震中相对应;同时发现本次地震在主断裂两侧视线位移达到94.4 cm以上, 见图1; (3) 基于极化分析, 地震造成玉树城区58%的建筑物倒塌, 遥感自动提取方法估计的建筑物倒塌和未倒塌识别率分别为88%和80%; (4) 通过与震前遥感影像房屋建筑特征的对比分析, 发现倒塌建筑物与其距离主震断裂距离远近、所处地质与地貌环境、建筑物类型等要素关系密切。
多普雷雷达 篇3
目前汽车防撞系统按目标探测方式主要有激光、超声波、红外等一些测量方法, 不同的目标探测方式其工作过程和原理有不同之处, 但其主要目的均是通过前方返回的探测信息判断前方车辆和本车间的相对距离, 并根据两车间的危险程度做出相应的预防措施。毫米波雷达测距在原理上和以上几种测距方式类似, 但其克服了其他几种探测方式在汽车防撞运用中的缺点, 具有稳定的探测性能和良好的环境适应性[2]。相对于一般雷达波, 线性调频连续波 (FMCW) 具有较大的时带积, 且具有结构简单、体积小、重量轻和较低的截获率, 比较适宜测量近距离目标, 是目前车用防撞雷达的普遍选择方式。
现代FMCW雷达系统并不依据回波信号的幅度来判定目标距离, 而是通过处理差频信号来确定。一种典型的FMCW雷达目标距离和速度检测方法是将发射波和回波的信号差频, 再对获取的差频信号作Fourier频谱分析, 即利用模/数转换器 (ADC) 将获取的差频信号转换为数字信号, 再通过快速傅里叶变换 (FFT) 对频谱进行分析。然后根据相应的信号处理算法求出频率值, 计算得到目标可能的距离和速度信息, 最后根据相关算法剔除虚假目标, 确定目标的真实速度和距离[3]。
1 FMCW雷达相关理论及多目标检测
FMCW雷达[4]基本原理是利用发射信号和回波信号之间的频率差来确定目标的速度和距离[5], 传统的FMCW信号如图1所示。图1中fc为调制信号的中心频率, f0为起始频率, B为调制带宽, td为发送信号和接收信号的延迟时间, Tm为调制周期。
FMCW[6]雷达信号经运动目标反射后的回波波形, 出了有一个时间上的延时td外, 还包含一个多普勒频偏fd。差频在上升段和下降段的频率分别为fbu和fbd。其表达式可表示为fbu=fr-fd和fbu=fr+fd, 其中为目标物体相对静止时差频信号的频率, 为多普勒频移[7]。最终目标的距离和速度如式 (1) 所示
在检测单个目标的情况下, 上述方法是简单可行的, 表现出了良好的实时性和和测速测距的功能, 但是当前方出现多个目标时, 回波信号是多个点目标回波信号的叠加, 其差频信号也可以近似为是各个目标回波信号和发射信号差频信号之差。因此假设回波信号中包含n个目标, 对频率上升段的差频信号进行频谱分析可以得到n个谱峰, 它们分别代fa1, fa2, …, fan如图2所示, 同时下降段的差频信号进行频谱分析也可以得到n个谱峰, 它们分别代表fb1, fb2, …, fbn, 如图3所示, 由于无法得到两组谱线的对应关系, 实际上根本无法得到距离和速度信息, 如果考虑所以的可能性, 也就是考虑这两组谱线所有的两两组合, 那么可以得到n2组距离和速度信息,
按照上述方法进行组合分析, 可知上升段和下降段都有3根谱线, 组合得到9组目标速度和距离的值, 其中只有3组数据代表真实目标的距离和速度, 其他6组是由于缺乏相关性而造成的假目标。由式 (1) 进行配对处理后, 可得n2组目标的速度和距离
式 (2) 中, i, j, i∈[1, n]且是整数。
2 采用FMCW+CW的多目标检测
车载FMCW雷达对多目标的检测, 文献[2]提出了变周期调频连续波雷达信号, 文献[3]提出了变斜率连续波雷达信号, 这两种方法虽然都能解决多目标检测中剔除虚假目标的问题, 但是变周期调频连续波雷达信号a段、b段、c段信号分别要计算6次FFT, 变斜率连续波雷达信号a段、b段也需计算4次FFT, 这两种算法都存在运算量较大、算法复杂、实现困难的问题, 都会导致车载雷达的成本增加和性能降低[8]。
本文在文献[2~3]的基础上提出了一种新的雷达发射波形, 如图6所示, 仅需做3次FFT运算, 再根据比配算法, 就能准确地确定目标真实距离和速度, 不仅可以较好地解决多目标检测中的剔除虚假目标问题, 还能有效降低运算量, 简化算法, 提高效率。
为实现剔除虚假目标, 新发射波形中利用CW的多普勒测速功能, 检测出目标的多普勒频率, 由多普勒频率估算出目标速度υυi, 再由FMCW段差频信号推算出n2组速度和距离值, 最后将υυi与FMCW中推算出的n2个υi进行匹配, 剔除虚假速度和距离, 确定真实的n组目标速度和距离, 算法实现如图7所示。
3 仿真结果与分析
仿真中FMCW+CW防撞雷达参数设置工作频率fc=24 GHz;a段、b段、c段信号周期相同, T=22.5 ms, 调制带宽B=300 MHz。假设存在3个目标, 距离分别为R1=150 m, R2=100 m, R3=60 m速度分别是υ1=120 km/h, υ2=90 km/h, υ3=50 km/h。通过Matlab编程并添加高斯白噪声对算法进行仿真, 仿真结果如图8所示。
考虑到存在噪声、测量误差和其他因素的影响, 对a、b段和c段数据分析时, 估算出真实目标的值必然有所偏差。因此, 为了数据处理时准确地定位目标, 要分别确定距离和速度的相关阈值, 只要距离和速度的误差在阈值Δυ范围内, 即可认定为同一个目标, 如式 (3) 所示
式中, υυi为CW段多普勒频率求解的速度;Δυ为速度步长间隔, 可根据式 (4) 求解
式中, fc为调制信号的中心频率;c为光速;fs采样频率;Ns为采样点数。
4 结束语
针对传统FMCW波形无法实现多目标检测, 变周期和变斜率算法在求解距离和速度信息时存在的运算量较大、算法实现复杂等问题, 提出了一种改进的波形, 通过对理论和仿真结果分析可以看出, 改进后的波形不仅能有效的剔除虚假目标, 准确地检测出多目标并求解出真实目标对应的距离和速度信息[9,10], 改进后的方法相对于变周期和变斜率检测方法在噪声情况下明显地提高了检测概率, 而且简化了算法、降低了运算量、提高了效率、便于工程实现。
摘要：针对传统的线性调频连续波 (FMCW) 雷达在多目标检测中存在距离速度耦合的缺陷, 提出了一种FMCW+CW的改进方法, 利用CW回波多普勒频率估算出的速度来剔除雷达多目标检测中存在的虚假目标, 有效地解决了从多目标中检测真实目标的问题, 并能估算出目标的速度和距离信息。计算机模拟仿真的结果证明了理论分析的正确性和新方法的有效性。
关键词：调频连续波,多目标检测,汽车雷达,测速测距
参考文献
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