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基于多波束雷达的室外环境表面粗糙度检测方法研究
摘要
调频连续波雷达结构简单,发射功率低,工作带宽大,在高精度距测方面具有
显著优势,在市政积水检测、工厂物位测量及无人机精准高度定位等民用领域有着
广泛的应用。然而,在使用毫米波雷达测量不同目标距离时,目标表面粗糙度对入
射波存在不同程度的漫反射现象,进而对雷达测距结果产生干扰。当前现有研究大
多未涉及目标表面对雷达回波信号的影响,并且缺乏在不同表面下对雷达测距结果
的修正方案。
本文旨在研究调频连续波雷达检测室外环境表面时,对雷达在检测不同粗糙表
面下的回波信号进行理论推导,结合电磁波传播方程和雷达散射截面积相关特征,
提出了基于中频频谱信号实现对粗糙度估计的解析方法。分析中频频谱特征时,需
考虑到不同天线对表面粗糙度估计效果的影响。对于宽波束天线,其测量范围广,
采集的表面信息更多。窄波束天线信噪比高,其测距结果更为精准。因此,可基于
宽波束天线实现对表面信息的数据采集和回波信号处理。
为进一步验证理论分析,本文搭建了系统实验平台,完成了多波束雷达系统的
设计与实验调试,基于多波束雷达系统对室外多场景下的表面信息进行数据采集和
分析,并构建“粗糙度—幅值比查询表”以实现对粗糙表面的检测和区分。实验结
果表明,基于幅值比法可有效区分不同表面,构建的粗糙度查询表可实现对表面的
准确判定,并且发现基于表面粗糙度对雷达测距结果进行修正存在可能性。
关键词:调频连续波;表面粗糙度;多波束雷达;回波信号;能量公式
Researchonsurfaceroughnessdetectionmethodof
outdoorenvironmentbasedonmulti-beamradar
Abstract
FrequencyModulatedContinuousWave(FMCW)radarboastsasimplestructure,low
transmissionpower,andawideoperatingbandwidth,offeringdistinctadvantagesinhigh-
precisiondistancemeasurement.Itfindsextensiveapplicationsinciviliandomainssuchas
municipalwaterloggingdetection,factorylevelmeasurement,andprecisealtitudepositioningfor
unmannedaerialvehicles.However,whenmillimeter-waveradarmeasuresthedistancetovarious
targets,thesurfaceroughnessofthetargetsinducesvaryingdegreesofdiffusereflectiononthe
incidentwave,therebyinterferingwiththeradarrangingresults.Currentresearchlargely
overlooksthetargetsurfacesimpactontheradarechosignals,andthereisalackofcorrection
schemesforradarrangingresultsunderdifferentsurfaces.
ThisthesisaimstoexploreFMCWradardetectionofoutdoorenvironmentalsurfaces,
theoreticallyderivingtheechosignalsfromdifferentroughsurfaces.Combiningthe
electromagneticwav
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