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相位陣列式超音波雷達系統之訊號分析與相位估測

為了解決lego speed系列的問題，作者吳楚宸 這樣論述：

本論文設計了一多通道之超音波收發系統，系統設計包含類比前端發射電路設計與數位後端FPGA訊號處理及儲存控制。其類比前端電路是由FPGA輸出資料並透過DAC將其轉換為模擬信號。DAC轉換後，信號被進一步放大並饋送到發射端的傳感器；當聲波碰到物件，將產生回波並透過空氣介質傳回至接收傳感器，將收到的訊號獲得之訊號放大後，透過ADC轉換為數位訊號，再將其儲存至FPGA內部。將資料透過FPGA內之FIFO與PC端的通訊軟體VeriSDK做軟硬體溝通，而PC與FPGA之間的傳輸主要依靠USB連接。在後端的數位訊號處理中，首先在時域上觀察分析接收到的波形，以進行距離測。減低包括發射和接收傳感器之間的信號耦

合問題、殘響時間和DC干擾等的各種影響，從而可以獲得更準確的距離信息。也分析不同調變方式的優缺點及可行性，研究主要採用脈衝調變方案來解決傳感器頻寬的限制和信號耦合問題。除了距離測量之外，還研究了到達方向（DoA）估測，DoA估測除了提供目標的距離信息外，還提供方向。研究中，透過分析在傳感器陣列中接收的回波信號的相位差來獲得估測值。由於傳感器元件的物理尺寸限制，傳統的線性陣列架構無法滿足奈奎斯特採樣標準，這在DoA估測中，產生了混疊效應的問題。為了緩解該問題，本研究提出了一非奈奎斯特取樣條件之2x4的傳感器組成的兩行陣列架構，以模仿成1x8線性陣列架構，其2x4架構能將傳感器不符合奈奎斯特定理所

產生之混疊效應降低，且能將無混疊效應的FOV區間從原本的±24度左右提升至±50幾度，並使用正交匹配追蹤演算法(OMP)用於DOA估測。OMP算法具有連續搜索的方案，可以逐個檢測雷達的徑向距離相等的不同物體。將來自傳感器陣列的接收到的響應向量與一個已建立好的所有可能的響應向量進行匹配，並找出最匹配的一個。在正交化過程中，從匹配的信號中減去信號貢獻，然後匹配過程繼續進行殘差向量。我們開發了一閾值設置的OMP算法，以便可以在不事先了解目標數量的情況下正確終止匹配過程，並在匹配結果降至閾值以下時終止。最後，進行了一系列實驗以評估系統與算法的效率，評估指標包括檢測率、失誤率以及誤報率。而在實驗中主要分

為兩類，第一類實驗為多個目標在不同的徑向距離；第二類實驗為多個物體位於相對的徑向距離。對於第一類實驗，DoA的估測準確率超過90%；對於第二類實驗進行了460次實驗，每次實驗中，將1~3個目標隨機放置至FoV中的任一角度方向，距離則由50公分、100公分、150公分及200公分的四種選擇下做組合，最後將460次實驗結果統計後可得偵測的平均值，偵測率、失誤率及誤報率分別為84.3%、7.2%和8.6%。關鍵字：超音波收發系統、超音波類比前端收發電路、非奈奎斯特取樣定理、陣列超音波、入射訊號角度估測、到達角度估測。