CN101089653A - 近程调频连续波fmcw雷达抗干扰方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开的一种近程调频连续波FMCW雷达抗干扰方法，根据雷达使用场合及实现成本设计一组伪随机编码，对工作区域内不同的雷达分配不同的伪随机编码，对同一个雷达每个周期采用不同的伪随机编码调制三角形线性调频发射信号的频率起点，然后用发射信号对接收的回波信号进行混频，通过滤波器滤掉干扰信号而保留有用信号，最后按照三角形线性调频信号处理方法进行处理，即得到目标的高分辨率距离和速度信息。本发明为解决现有的雷达抗干扰方法存在的问题，提出了一种新的雷达信号设计及信号处理方法，在多个雷达同时工作环境中具有抗干扰能力强、虚警率低、测量精度高，抗干扰设计成本低的特点。

Description

近程调频连续波FMCW雷达抗干扰方法

技术领域

本发明属于雷达测量技术领域，涉及雷达测距测速的方法，具体涉及一种基于调频连续波FMCW体制的雷达测距测速的方法。

背景技术

在汽车防撞雷达等应用中多个雷达间的相互干扰是一个棘手的问题。为了在多个雷达同时工作的场合高分辨率、实时的测量观察区域内的多个目标的距离、速度，而不相互干扰，人们采取了很多方法。

基于步进频率脉冲合成方法得到距离速度信息[张建辉  刘国岁  顾红苏为民A novel transmit signal based on high range-resolution concert forFLAR or AICC system application.[J].2001 IEEE.]，这种方法优点是能以窄带发射机、接收机的处理方式实现宽带信号所能达到的高距离分辨率，但这种方法在抑制其他雷达干扰处理上相对复杂，工程实现困难。

基于扩频的方法，即通过参考伪随机码和接收伪随机码相关的方法来得到目标时延，进而得到距离，速度信息[扩展频谱技术通讯及多址技术，西安电子科技大学出版社  曾兴雯刘乃安孙献璞]。但是这种方法的距离分辨率与伪随机码码元长度成反比，要得到高距离分辨率，需要很高的码元速率，而高速电路和器件一般比较昂贵。因此，这种方法实现起来复杂且成本较高。

调频连续波FMCW体制以其能同时测距测速，成本较低，原理简单，能测量近距离目标等优点获得了广泛的应用。但是常规FMCW体制雷达测量时，在多个雷达同时工作时，雷达之间相互干扰的问题使其在某些场合的应用受到制约。

发明内容

本发明的目的在于提供一种近程调频连续波FMCW雷达抗干扰方法，可以在单个或多个雷达同时工作的场合进行高分辨率、实时的测量观察区域内多个目标的距离和速度，解决了多个雷达同时工作时，之间相互干扰的问题。

本发明所采用的技术方案是，近程调频连续波FMCW雷达抗干扰方法，根据雷达使用场合及实现成本设计一组伪随机编码，对工作区域内不同的雷达分配不同的伪随机编码，对同一个雷达每个周期采用不同的伪随机编码调制三角形线性调频发射信号的频率起点，然后用发射信号对接收的回波信号进行混频，通过滤波器滤掉干扰信号而保留有用信号，最后按照三角形线性调频信号处理方法进行处理，即得到目标的高分辨率距离和速度信息，该方法按以下步骤进行，

a.设计伪随机编码

设计m序列编码为伪随机编码，每组伪随机编码为2^M-1个随机数，对应m序列，其值在1到2^M-1之间变化，M根据设计成本和工作环境对抗干扰要求选取5，6，7，8，9，10，11…中的一个正整数；

b.用伪随机编码调制三角形线性调频发射信号

给在工作区域内的每一个雷达的发射波赋予一个上步设计的伪随机编码，并使各个雷达发射波的伪随机编码互不相同，用分配给本雷达的伪随机编码来调制三角形线性调频发射信号不同周期的频率起点；

c.用本雷达经上步调频后的发射信号与接收的目标回波信号进行混频，通过级联的一个截止频率为fmax的低通滤波器和一个通带为fmin～fmax的带通滤波器或只用一个通带为fmin～fmax的带通滤波器，fmin为有用差频的最小值，根据有用的差频大小设计滤波器，使有用的拍频信号通过，同时抑制掉其它雷达发射信号与本雷达本振信号混频产生的干扰信号；

d.对上步经滤波后的回波信号进行处理

对滤波后的信号进行A/D采样、FFT、CFAR处理后，根据下式求出对应的目标距离和速度，

$R=\frac{(f_{b+}+f_{b-})T_m\·c}{4B}$

$v=\frac{\mathrm{\λ}}{4}(f_{b-}-f_{b+})$

其中，d为目标的距离，v为目标的速度，c为光速，f_b+，f_b-为对应于各目标的上调频和下调频周期的拍频，T_m为上下调频周期的调制时间，B为发射信号带宽。

为解决现有的雷达抗干扰方法存在的问题，本发明提出的雷达信号设计及信号处理方法，在多个雷达同时工作环境中具有抗干扰能力强、虚警率低、测量精度高，抗干扰设计成本低的特点。

1)本发明的抗干扰方法采用了FMCW雷达体制，而普通FMCW雷达体制具有工程实现容易、成本低的优点，所以本发明的方法也具有成本低易于实现的优点；由于使普通FMCW雷达具有抗干扰能力，所以可以在多个雷达的环境下可靠工作，可以多雷达协同工作或雷达组网；与其它抗干扰方法相比具有成本低、易于实现的优点。

2)由于信号处理方法与普通FMCW雷达兼容，所以也具有整机实现简单，成本低，可同时测距测速的优点。

3)因为采用了虚假目标剔除算法和抗其他雷达干扰的滤波算法设计，所以显著降低了虚警率。

4)由于采用了独特的伪随机调制，所以不管有无其他雷达的干扰，所需的信号处理步骤是相同的。换句话说，抑制干扰不需额外的软硬件花费。

5)作为监控设备使用时比常规红外报警器抗干扰能力强，因为红外报警器在炎热的夏天外界的热风或太阳直射均可引起误报警；此外，该体制雷达还具有测量距离远、覆盖范围广可多雷达协同工作和能提供观测目标的高分辨率距离速度信息的特点。

6)作为警用测速雷达的升级产品还可以具有同时测距功能，即可以同时高分辨率的测量多个车辆的速度、距离。

附图说明

图1是本发明方法中经伪随机码调制的两个周期信号示意图；

图2是常规FMCW发射信号示意图；

图3本发明方法中经伪随机码调制的第二种发射信号两个周期信号示意图；

图4是另一种常规FMCW发射信号示意图；

图5本发明方法经双重调制的发射信号产生原理框图；

图6本发明方法经双重调制的发射信号另一种产生原理框图；

图7本发明方法中回波及干扰处理的原理框图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明根据雷达使用场合及实现成本设计一组伪随机编码，对不同的雷达分配不同的伪随机编码，对同一个雷达每个周期采用不同的伪随机编码调制三角形线性调频(FMCW)发射信号的频率起点，用发射信号对接收的回波信号进行混频，通过滤波器滤掉干扰信号而保留有用信号，再按照常规的三角形线性调频(FMCW)信号处理方法进行处理即可得到想要的目标的高分辨率距离和速度信息，而又能抑制临近雷达的干扰。由于本发明信号处理方法与常规FMCW高分辨雷达信号处理方法兼容，所以，在实现干扰抑制的同时又不会增加雷达成本。

本发明方法按以下步骤进行，

a.设计m序列编码为伪随机编码，每组伪随机编码为2^M-1个随机数，对应m序列，其值在1到2^M-1之间变化，M根据设计成本和工作环境对抗干扰要求选取5，6，7，8，9，10，11…中的一个正整数。

b.按照常规设计方法设计三角形线性调频(FMCW)信号(以下简称为发射信号)，每周期为一个或多个斜率不同的三角形线性调频(FMCW)信号或者为一个或多个斜率不同的三角形线性调频(FMCW)信号与单频连续波的组合，给在工作区域内的每一个雷达的发射波赋予一个上步设计的伪随机编码，并使各个雷达发射波的伪随机编码互不相同，用分配给本雷达的伪随机编码来调制三角形线性调频发射信号不同周期的频率起点。

具体为用本周期对应的随机数bn与P·fmax相乘，所得的频率值与未经调制的三角形线性调频(FMCW)信号频率值相加，作为发射信号频率。这里P为大于一的正数，fmax为有用的目标回波与发射信号混频后得到的最大有用拍频值。

调制信号和对应的正、负斜率调制段的数学表达式为：

$0\≤t\≤\frac{T_m}{2}$

$\frac{T_m}{2}\≤t\≤T_m$

其中，i＝1，2.k＝1，2，3..2m-1.x_ik正(t)为第k个周期第i个三角形的正斜率调制段的数学表达式的发射信号数学表达式，x_ik负(t)为第k个周期第i个三角形的负斜率调制段的数学表达式的发射信号数学表达式，此时，发射信号形式如图1所示，与图2没有进行调制的常规FMCW发射信号相比较，可看出其区别；当x_ik正(t)表达式中B₂＝0时此时每个周期第二个三角形正斜率调制段变为单频连续波，此时，发射信号形式如图3所示，与图4常规FMCW发射信号相比较，可看出其区别。A为发射信号幅度，f₀为发射信号载频，B_i为第i个三角形的调制信号带宽，T_m为每周期中每个三角形调制信号持续时间长度，正、负斜率调制段的持续时间相等，均为T_m/2。θ_i为第i个周期的初相位。P为大于一的正数，f_max为有用的目标回波与发射信号混频后得到的最大有用拍频值。b_n(k)为分配给本雷达的第k个周期的伪随机码。

c.用本雷达经上步调频后的发射信号与接收的目标回波信号进行混频，通过级联的一个截止频率为fmax的低通滤波器和一个通带为fmin～fmax的带通滤波器或只用一个通带为fmin～fmax的带通滤波器，此处，fmin为有用差频的最小值，根据有用的差频大小设计滤波器，使有用的拍频信号通过，同时抑制掉其它雷达发射信号与本雷达本振信号混频产生的干扰信号。

经过上述发射信号和滤波器设计，可以很好的滤除其他雷达的干扰，原因分三种情况予以讨论。

情况一：

由于不同雷达对应的伪随机编码不同，所以，在某个周期内不同雷达发射频率不同其频率差至少为(bni-bnk)·P·fmax，其中，bni和bnk分别为第i和第k个雷达本周期对应的伪随机码，其差至少为一，即(bni-bnk)·P·fmax≥P·fmax。经过截至频率为fmax的滤波器滤波后即可剔除其他雷达的干扰。

情况二：

在不利的情况下两个雷达某个周期其所调制的伪随机编码跳在了一起(即该周期伪随机编码相同)，但是，由于不同雷达开机时刻是随机的，所以，只要两个雷达开机时间相差大于

，则干扰信号与本雷达本振信号混频后也可被截至频率为fmax的滤波器滤波后剔除其他雷达的干扰。

情况三：

在最不利的情况下两个雷达某个周期其所调制的伪随机编码跳在了一起(即该周期伪随机编码相同)，而且两个雷达开机时刻相差小于

，这种情况下仍旧可以被我们设计的抗干扰滤波算法剔除干扰(见后面论述)。

d.采用普通的FMCW信号处理方法对经滤波后的信号进行处理，步骤如下，

(1)回波信号及其他雷达的干扰信号一起经接收天线，低噪放大器后与本机发射信号混频，对混频后的信号经过滤波器处理后滤除其他雷达干扰；

(2)对滤波后的信号进行A/D采样，FFT，CFAR处理等操作，根据下式求出对应的目标距离和速度；

$R=\frac{(f_{b+}+f_{b-})T_m\·c}{4B}$

$v=\frac{\mathrm{\λ}}{4}(f_{b-}-f_{b+})$

上式中，d为目标的距离，v为目标的速度，c为光速，f_b+，f_b-为对应于各目标的上调频和下调频周期的拍频，T_m为上(下)调频周期的调制时间，B为发射信号带宽。

(3)进行多目标环境中的虚假目标剔除

具体方法是：将第一个三角形发射信号回波计算出的“R”，“V”与第二个三角形发射信号回波计算出的“R”，“V”进行比较，或将第一个三角形发射信号回波计算出的“V”与单频连续波计算出的各目标的速度“V”进行比较，以剔除由于计算引起的虚假“目标”；对于多雷达同时工作场合，设计多个斜率不同的三角形调制基带信号，即使B_k不同，k＝1，2，但调制周期T_m相同；在设定的误差范围ΔR′、Δv′内，若某个目标在每个三角形发射信号回波处理结果中均出现，则为真实目标；否则，作为虚假目标予以剔除；把各周期发射信号回波计算出求得的对应同一真实目标的距离、速度分别做平均，作为该被测目标的距离速度值。此算法可直接用于在多目标环境下，多个雷达同时工作时虚假目标的剔除；也可采用比较三角形发射信号回波计算的速度值和单频连续波的速度值来剔除虚假目标，在一定的误差范围内，若某个目标速度测量值在三角形发射信号回波处理结果和单频连续波的处理结果中均出现，则该目标为真实目标；否则，作为虚假目标予以剔除。

(4)为了进一步降低其它雷达可能造成的干扰，按照抗干扰滤波算法进一步抑制干扰。

雷达正常工作后，把每一周期计算所得的已经剔除了虚假目标的距离值按照由大到小的顺序排列并暂时存储起来，并与下一周期测量结果进行对比，(考虑到速度有可能因为紧急刹车等原因而出现急剧变化。正常情况下目标距离是连续平稳变化不会出现奇异值(距离跳跃))。对于匀速目标，其在每个周期的时间内距离变化一般不会超过T·v，如果，两个周期距离测量结果相差超过此值比较大，比如超过两倍以上，则认为是遇到了干扰作为错误结果弃掉。

这是因为正常情况下各目标的距离应该是平稳连续变化的。作为汽车在高速路上的运行速度法律上限120km/h，通常FMCW信号每个周期一般为几个毫秒到几十毫秒，以15毫秒为例每个周期汽车运行距离不会超过0.5米。由于伪随机编码的原因，干扰最大时间不会超过一个周期，由于伪随机编码的原因下一周期两个雷达必定跳离同一伪随机码所调制的发射频率。所以，下一个周期必然会得到正常的测量结果。这样作的目的是为了防止不利的情况下，虽然两个雷达发射频率经过不同的伪随机码调制，但两个雷达在运行的过程中同时在某一周期发射频率跳在同一频率上。当然两个雷达发射频率在某一时刻被相同的伪随机码调制的概率很小仅为(2^m-1)^-2。

最后将真实目标的距离和速度值输出至显示或控制装置。

基于实现上述方法的雷达，其主要的特殊点在雷达的信号产生单元和信号处理单元。信号产生单元主要由双重调制控制器、直接数字合成器、低通滤波器和高稳定毫米波点频源及高稳定晶振组成；信号处理单元主要由低噪预放，混频器，滤波器，数字信号处理器、可编程逻辑控制器电路，及电源管理模块等辅助电路组成。

信号产生单元如图5，图6所示。图5中双重调制控制器主要用于控制直接数字合成器DDS的频率变化规律，使其按照伪随机编码和三角形双重调制进行频率变化，产生所需的频率信号，控制器可以是可编程逻辑控制器FPGA/CPLD，或数字信号处理器DSP，或单片机MCU组成。直接数字合成器DDS在双重调制器控制下产生时序，周期，斜率，相位，频率变化规律符合要求的频率信号；高稳定晶振为高稳定参考源及高稳定毫米波点频源提供高稳定、低杂散，低相噪的频率参考信号；高稳定参考源把来自高稳定晶振的频率信号进行变换以满足宽带DDS的参考频率要求；高稳定毫米波点频源主要是作为发射信号的载频，通过混频器B把基带信号上变频到毫米波段；混频器A后面的N倍频，滤波，放大电路主要是满足高分辨雷达对带宽的要求扩大DDS输出信号带宽的。混频器A前面的N倍频，滤波，放大电路主要是为了便于后边滤波器设计(主要为了抑制三次谐波)而增加的。各个滤波器电路用于滤除各种杂散谐波及带外信号。经过滤波的发射信号通过倍频，滤波，放大等操作最后通过天线发射出去。

图6是实现本发明信号产生单元的另一种方法。与图5所示方案主要区别在于使用了锁相环(PLL)单元和压控振荡器。在这里经过滤波的压控振荡器输出信号通过耦合器后一部分能量与毫米波点频源信号进行混频，由此取出其差频，在锁相环单元(PLL)中分频后与DDS参考信号进行鉴相，其输出信号经过环路滤波器后控制压控振荡器输出频率，使其按照设定的频率进行变化。

信号处理过程如图7所示，主要用于处理回波信号，滤除其他雷达的干扰，获得目标的高分辨率的距离、速度真实数值。回波及干扰经过低噪放大后和本振信号在混频器中进行混频，经过滤波模块取出各目标的拍频信号，经过A/D变换，付里叶变换FFT，距离及速度的计算和虚假目标剔除和干扰抑制等得到目标的距离和速度信息。

本发明是对工作区域内不同的雷达分配不同的伪随机编码，对发射信号的每个周期进行伪随机编码调制，所以不同雷达同一时刻雷达发射频率不同，因此可以抑制同频干扰的问题。

本发明的方法使任意两个雷达同一时刻频率差至少大于混频后信号带宽，滤波器带宽等于信号带宽，因此可通过滤波单元抑制其他雷达的干扰。

每一周期内部发射信号形式与普通FMCW雷达相同，因此可采用常规信号的处理方法。

Claims (6)

1.近程调频连续波FMCW雷达抗干扰方法，根据雷达使用场合及实现成本设计一组伪随机编码，对工作区域内不同的雷达分配不同的伪随机编码，对同一个雷达每个周期采用不同的伪随机编码调制三角形线性调频发射信号的频率起点，然后用发射信号对接收的回波信号进行混频，通过滤波器滤掉干扰信号而保留有用信号，最后按照三角形线性调频信号处理方法进行处理，即得到目标的高分辨率距离和速度信息，其特征在于，该方法按以下步骤进行，

a.设计伪随机编码

设计m序列编码为伪随机编码，每组伪随机编码为2^M-1个随机数，对应m序列，其值在1到2^M-1之间变化，M根据设计成本和工作环境对抗干扰要求选取5，6，7，8，9，10，11…中的一个正整数；

b.用伪随机编码调制三角形线性调频发射信号

给在工作区域内的每一个雷达的发射波赋予一个上步设计的伪随机编码，并使各个雷达发射波的伪随机编码互不相同，用分配给本雷达的伪随机编码来调制三角形线性调频发射信号不同周期的频率起点；

c.用本雷达经上步调频后的发射信号与接收的目标回波信号进行混频，通过级联的一个截止频率为fmax的低通滤波器和一个通带为fmin～fmax的带通滤波器或只用一个通带为fmin～fmax的带通滤波器，fmin为有用差频的最小值，根据有用的差频大小设计滤波器，使有用的拍频信号通过，同时抑制掉其它雷达发射信号与本雷达本振信号混频产生的干扰信号；

d.对上步经滤波后的回波信号进行处理

对滤波后的信号进行A/D采样、FFT、CFAR处理后，根据下式求出对应的目标距离和速度，

$R=\frac{(f_{b+}+f_{b-})T_m\·c}{4B}$

$v=\frac{\mathrm{\λ}}{4}(f_{b-}+f_{b+})$

其中，d为目标的距离，v为目标的速度，c为光速，f_b+，f_b-为对应于各目标的上调频和下调频周期的拍频，T_m为上下调频周期的调制时间，B为发射信号带宽。

2.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，所述用分配给本雷达的伪随机编码来调制三角形线性调频发射信号不同周期的频率起点，具体是采用，用本周期对应的随机数bn与P·fmax相乘，所得的频率值与未经调制的三角形线性调频信号的频率值相加，作为发射信号频率，其中的P为大于一的正数，fmax为有用的目标回波与发射信号混频后得到的最大有用拍频值。

3.按照权利要求2所述的方法，其特征在于，所述调制信号和对应三角形线性调频信号的正、负斜率调制段的数学表达式为：

$0\≤t\≤\frac{T_m}{2}$

$\frac{T_m}{2}\≤t\≤T_m$

其中，i＝1，2.k＝1，2，3..2m-1，x_ik正(t)为第k个周期第i个三角形的正斜率调制段的数学表达式的发射信号数学表达式，x_ik负(t)为第k个周期第i个三角形的负斜率调制段的数学表达式的发射信号数学表达式，A为发射信号幅度，f₀为发射信号载频，B_i为第i个三角形的调制信号带宽，T_m为每周期中每个三角形调制信号持续时间长度，正、负斜率调制段的持续时间相等，均为T_m/2，θ_i为第i个周期的初相位，P为大于一的正数，f_max为有用的目标回波与发射信号混频后得到的最大有用拍频值，b_n(k)为分配给本雷达的第k个周期的伪随机码。

4.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，所述对滤波后的回波信号进行处理还可进行以下步骤，

i.进行多目标环境中的虚假目标剔除；

ii.按照距离抗干扰滤波算法进一步抑制其它雷达可能造成的干扰。

5.按照权利要求4所述的方法，其特征在于，所述步骤i的具体方法是，将第一个三角形发射信号回波计算出的R、V与第二个三角形发射信号回波计算出的R、V进行比较，或将第一个三角形发射信号回波计算出的V与单频连续波计算出的各目标的速度V进行比较，在设定的误差范围ΔR′、Δv′内，若某个目标在每个三角形发射信号回波处理结果中均出现，则为真实目标；否则，作为虚假目标予以剔除。

6.按照权利要求4所述的方法，其特征在于，所述步骤ii的具体方法是，雷达正常工作后，把每一周期计算所得的已经剔除了虚假目标的距离值按照由大到小的顺序排列并暂时存储起来，并与下一周期测量结果进行对比，如果两个周期距离测量结果相差超过T_m·v两倍以上，则认为是遇到了干扰作为错误结果弃掉。

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