基于毫米波雷達的“數(shù)字信號處理”綜合實驗

劉 濤 許 可 宋曉驥 李德鑫 萬建偉

(國防科技大學 電子科學學院， 長沙 410073)

“數(shù)字信號處理”是本科電子信息類專業(yè)的一門核心課程，具有很強的工程實踐特色[1-2]，課程知識點如離散傅里葉變換、數(shù)字濾波器等直接應用于工程實際，因此，實驗教學在“數(shù)字信號處理”課程教學中發(fā)揮著重要作用。

以教學實驗箱為代表的實驗器材簡單易用、便于演示，廣泛用于實驗教學。然而，這類器材往往以驗證性實驗為主，并且許多細節(jié)往往隱藏于面板后，只留出接線柱、按鈕等[3]，與實際應用相差較大，學生在實驗時直觀認識不足，面對實際問題往往不知如何入手。

為此，提出以工程項目的組織方式、按照“需求發(fā)布、方案評審、現(xiàn)場測試、項目驗收”等環(huán)節(jié)，開展了課程綜合實驗。以工業(yè)和產(chǎn)品開發(fā)中實際使用的毫米波雷達傳感器和DSP芯片為基本器件，設(shè)計了“基于毫米波雷達的手勢感應控制”這一綜合實驗，通過完整的工程項目流程，綜合鍛煉了學生對信號采樣與插值重構(gòu)、離散傅里葉變換、數(shù)字濾波器的設(shè)計與實現(xiàn)等知識點的掌握和應用。

1 實驗設(shè)計思想

案例總體思路是以工程需求為牽引設(shè)計綜合實驗，覆蓋信號的產(chǎn)生、采集、處理和使用等各個環(huán)節(jié)，使數(shù)字信號處理的各個知識點都得以運用。在教學實踐中，將實際的雷達器件引入教學[4]，把雷達測距的基本功能與手勢動作檢測問題結(jié)合在一起，具有實用性和趣味性，同時也將雷達回波與頻譜分析這一工具結(jié)合，鞏固知識點。

2 實驗案例設(shè)計

2.1 實驗原理

實驗基于連續(xù)波雷達探測基本原理[5]。雷達發(fā)射的電磁波，被目標反射形成后向散射回波，通過數(shù)字信號處理方法可獲取目標的距離、方位等信息。雷達系統(tǒng)基本組成如圖1(a)所示，圖1(b)顯示了回波的解調(diào)流程，解調(diào)后的雷達回波與距離的關(guān)系可表述為：

(1)

其中d為目標的距離，c為自由空間中的電磁波速，f為發(fā)射頻率，σ為回波幅度，j表示虛數(shù)單位。

(a)雷達系統(tǒng)組成

(b)雷達回波解調(diào)過程圖1 雷達原理

根據(jù)式(1)，回波的相位部分表征了目標與相對距離，由于式中的f、c均為已知量，則距離可以通過簡單的運算得到，即：

(2)

其中unwrap是相位解纏操作。

實驗的難點是找到雷達的測距能力與手勢識別的結(jié)合點?？紤]手與雷達間的相對位置會隨手掌的揮動而變化[6]，若能設(shè)計一種動作模式使手掌與雷達間距離按“遠離-接近-遠離”的模式進行周期變化，則由式(2)解算的距離會隨著手掌的遠離或接近而增大或減小，形成周期振蕩的信號，進而可以應用離散傅里葉變換這一工具對信號進行頻譜分析，得到信號變化周期。

2.2 實驗條件與要求

實驗采用的雷達傳感器為毫米波雷達芯片[7](Innosent 334，見圖2(a))，工作頻率為24 GHz，尺寸僅硬幣大小，在汽車雷達、電子產(chǎn)品中使用廣泛。DSP基于00IC POP28335開發(fā)板，搭載了TMS320F28335型DSP芯片，開發(fā)軟件為CCS 6.0及Matlab。實驗所采用的器件均為5 V電壓工作，可由電腦USB口直接供電，無需專用實驗場地。

(a)毫米波雷達傳感器外觀與尺寸對比

(b)DSP開發(fā)板圖2 實驗器件

該實驗安排課內(nèi)學時6學時，要求學生基于以上器件自行設(shè)計方案，搭建手勢感應雷達系統(tǒng)，實現(xiàn)非接觸式感應操作控制開關(guān)，具體實現(xiàn)功能包括：

(1) 利用毫米波雷達模塊及DSP芯片，搭建手勢感應雷達的硬件電路；

(2) 使用示波器觀察雷達芯片的輸出信號，輔助調(diào)試硬件電路；

(3) 完成信號采樣，將雷達模塊輸出的模擬回波信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號；

(4) 設(shè)計合理的參數(shù)，對數(shù)字回波信號進行處理，對手勢做出判決并執(zhí)行控制動作。

2.3 問題引導

該案例覆蓋數(shù)字信號處理多個知識點，實施過程按“從問題需求入手，逐層分解功能”的思路進行引導，把每個功能點對應到具體的知識內(nèi)容，然后才是結(jié)合器件設(shè)計方案。

首先，雷達模塊的輸出信號是模擬信號，要進行數(shù)字處理分析，第一步要完成模擬到數(shù)字信號的轉(zhuǎn)換(ADC)，這就涉及到采樣率、量化位數(shù)等參數(shù)的設(shè)置，需要對“模擬信號采樣與插值重構(gòu)”這一知識點有深入的理解并能靈活運用。

第二，雷達本質(zhì)上是對目標距離的測量，根據(jù)2.1節(jié)實驗原理分析，設(shè)計動作模式使手掌與雷達間距離按“遠離-接近-遠離”的模式進行周期變化時，可得周期振蕩的信號，進而引出離散傅里葉變換這一工具對信號進行頻譜分析，提取周期規(guī)律。

最后，還要考慮到實際信號受到噪聲的干擾，因而考慮使用濾波器濾除干擾噪聲，這就自然引出“數(shù)字濾波器”相關(guān)的知識點。

2.4 實現(xiàn)方案

通過前述問題引導，從揮手導致手掌與到距離發(fā)生變化這一效果入手設(shè)計手勢動作，圖3(a)顯示了對應的場景想定。當揮手速度發(fā)生變化時，所測量信號的振蕩周期也隨之變化，通過對信號頻率的分析可實現(xiàn)揮手速度的判別。據(jù)此，設(shè)計使用前后揮動手掌為有效手勢動作，以揮手快慢為依據(jù)判定控制類型。處理算法方面，使用FFT算法對信號進行快速頻譜分析，檢測最大頻率分量判斷當前揮手頻次。

設(shè)定頻率的閾值，將揮手速度的快、慢劃分為兩種控制模式，總體設(shè)計方案如圖3(b)所示。信號處理過程既可在DSP上編程實現(xiàn)，也可以將數(shù)據(jù)傳輸?shù)接嬎銠C由Matlab編程實現(xiàn)。為了便于演示，本實驗要求數(shù)字信號先傳輸?shù)接嬎銠C，在計算機上進行處理和演示。圖3(c)給出了系統(tǒng)的整體效果。

(a)手勢感應的場景與信號機理

(b)系統(tǒng)總體方案

(c)搭建完成的電路圖3 手勢識別雷達系統(tǒng)方案及組成

2.5 效果演示

首先用示波器觀察雷達的輸出的響應信號，用來確定電路搭建是否正常，見圖4，可以看到手在雷達前揮動時得到周期性信號波動。

圖4 示波器觀察揮手動作的雷達信號模式

圖5(a)顯示了以每秒4～6次的頻率在雷達前揮動手掌的效果，可見頻譜分析檢測到信號的周期變化是每秒6次左右。以每秒3次為判決閾值，圖5(a)的結(jié)果可判定為快速揮手。當手掌在雷達前以每秒2次左右的節(jié)奏揮動時，響應如圖5(b)所示，通過頻譜分析檢測到信號的周期變化是每秒2次，判定為慢速揮手?？梢?，雷達回波的頻譜分析可以有效判別揮手模式。

(a)快速揮手

(b)慢速揮手圖5 實驗結(jié)果演示

2.5 知識延伸

該案例綜合運用“數(shù)字信號處理”課程中的A/D采樣、FFT和數(shù)字濾波器等主要知識點。由于數(shù)據(jù)采集是源源不斷的，為了實現(xiàn)實時處理，在設(shè)計數(shù)字信號處理算法時，還需學生對輸入信號進行分段處理。

考慮到手勢動作完成的時間及刷新速度需求，以每次截取0.5 s時間長度的信號為宜，一是基本保證可以完成一次手勢控制動作，二是確保響應足夠要及時，達到每秒2次輸出的效果。

同時也提醒學生注意到，當沒有任何手勢動作時，依然存在微弱的回波，這是因為該實驗采用的雷達傳感器有效作用距離可達3 m，附近物體的運動也反射雷達波，進而形成一定的隨機干擾。這在實際系統(tǒng)中是不可避免的，建議學生可查閱隨機信號處理、模式識別等課程相關(guān)知識點，提升系統(tǒng)的識別效果。

3 結(jié)語

提出了以工程項目的方式組織數(shù)字信號處理綜合實驗，設(shè)計了一個“基于毫米波雷達的手勢感應實驗”。以毫米波雷達為平臺，貫穿“數(shù)字信號處理”課程中的A/D采樣、離散傅里葉變換、FFT、數(shù)字濾波器的設(shè)計與實現(xiàn)等教學內(nèi)容。

實驗系統(tǒng)集成度高、體積小、計算機供電，可直接用于課堂教學案例演示，加強教學效果，同時也讓學生接觸到實際器件的使用和實際系統(tǒng)的調(diào)試等，緊扣工程實踐，極大地鍛煉了學生的綜合實驗能力。