CN101957446B - 一种fmcw雷达测距的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种FMCW雷达测距的方法和装置，方法包括步骤：对经过A/D采样后的FMCW雷达中频信号进行频谱分析；判断FMCW雷达中频信号的频谱是否满足相位差法校正条件；如果满足则应用相位差法进行频谱校正，获得校正的中频频率，并根据校正后的中频频率计算距离；如果不满足，则利用频谱分析后获得的中频频率计算距离。在使用相位差法对FMCW雷达中频信号进行频谱校正之前先判断FMCW雷达中频信号是否满足相位差法校正条件，保证在使用相位差法时能够得到很好的测量结果。因此本发明提高了FMCW雷达测距的精度。

Description

一种FMCW雷达测距的方法和装置

技术领域

本发明属于雷达技术领域，具体涉及一种FMCW雷达测距的方法和装置。

背景技术

FMCW(Frequency Modulated Continuous Wave，频率调制连续波)雷达通过发射天线向外发射一列连续调频毫米波，利用接收天线接收来自目标的反射信号，根据接收信号与发射信号的时间差来测量目标物体的距离。FMCW雷达已经提出很多年了，但这种雷达由于受泄漏调制波的影响，作用距离比较小。

当调制波形为锯齿波时，设锯齿波周期为T，由此产生的调频信号扫频带宽为ΔF。发射机发射信号f_t，频率也用f_t表示；回波信号f_r，频率也用f_r表示；相对于f_t，f_r延迟了t_τ时间，t_τ＝2R/c。发射信号与回波信号经混频器混频输出中频信号IF，且f_IF＝|f_t-f_r|。FMCW雷达测距距离分辨率公式为：

其中R为距离，c为光速，T为周期，f_IF为中频频率，ΔF为调频信号扫频带宽。可以看出，可见，R与f_IF成正比，如果能够测出中频频率f_IF，也就可以得出R，距离分辨率仅受调制带宽影响，在带宽不变的情况下，为了提高测距精度，可以采用对快速傅里叶变换(FFT)得到的频谱校正的方法来提高频率精度，进而提高测距精度。

目前频谱校正的方法有多种，相位差法是其中一种比较好的方法。但是相位差法对频谱干涉现象很敏感，对相位差法的测量结果会产生不利影响。因此目前FMCW雷达使用相位差法进行频谱校正进行测距误差很大，有必作进一步的改进。

发明内容

本发明要解决的主要技术问题是，提供一种FMCW雷达测距的方法和装置，提高了测距的精度。

为解决上述技术问题，本发明提供一种FMCW雷达信号测距的方法，包括步骤：

对经过A/D采样后的FMCW雷达中频信号进行频谱分析；

判断FMCW雷达中频信号的频谱是否满足相位差法校正条件；

如果满足则应用相位差法进行频谱校正，获得校正的中频频率，并根据校正后的中频频率计算距离；如果不满足，则利用频谱分析后获得的中频频率计算距离。

一实施例中，在FMCW雷达中频信号进行频谱分析之前还包括过滤FMCW雷达中频信号中的泄漏调制波的步骤。

一实施例中，在FMCW雷达中频信号进行频谱分析之前还进一步包括去噪步骤，具体为：将FMCW雷达中频信号分为两路，一路延时Δt送往自适应滤波器，将自适应滤波器输出信号与另一路的原始信号相减，得到的结果再反馈给自适应滤波器，自适应滤波器输出的信号即为去噪信号。

一实施例中，经过滤波和去噪后，进行频谱分析之前还包括去掉雷达中频信号中的不良频率时间段的步骤。

一实施例中，通过对雷达中频信号进行时域截断来去掉雷达中频信号中的不良频率时间段。

一实施例中，对FMCW雷达中频信号进行时域截断具体为：将频谱相邻两个抽样点相减再取绝对值，判断绝对值是否大于预设阈值，如果是，则检测到不良频率时间段的起点，去除起点之后预设时间长度的一小段信号。

一实施例中，在对中频信号进行频谱分析步骤中通过快速傅里叶变换算法对FMCW雷达中频信号进行频谱分析。

一实施例中，判断FMCW雷达中频信号是否满足相位差法校正条件为：搜索快速傅里叶变换得到的最大峰值谱线和次最大谱线，测量最大峰值谱线和次最大谱线的相位，判断最大谱线和次最大谱线的相位差的绝对值与180°相减的绝对值是否在预设范围之内，如果是则满足相位差法校正条件。

一实施例中，所述根据校正后的中频频率计算得到距离具体为：将两段经过快速傅里叶变换后的频谱谱线幅度最大值处的相位相减，得到相位差，从相位差中提取出谐波的中频频率，并根据校正后的中频频率计算距离；所述利用频谱分析后获得的中频频率计算距离具体为：将经过快速傅里叶变换后频谱谱线幅度最大值处的频率作为中频频率，根据所述中频频率计算距离。

一种FMCW雷达测距装置，包括频谱分析模块、相位检测模块和距离计算模块，其中：

频谱分析模块，用于对FMCW雷达中频信号进行频谱分析；

相位检测模块，用于判断经过频谱分析后的雷达中频信号的频谱是否满足相位差检测条件；

距离计算模块，用于根据相位检测模块的判断结果计算距离，如果满足则应用相位差法进行频谱校正，获得校正的中频频率，并根据校正后的中频频率计算距离；如果不满足，则利用频谱分析后获得的中频频率计算距离。

一实施例中，所述的装置还包括滤波模块，用于对经过A/D采样后的FMCW雷达中频信号进行滤波，滤掉中频信号中的泄漏调制波，滤波后的信号发送给频谱分析模块。

一实施例中，所述的装置还包括去噪模块，用于对经过A/D采样后的FMCW雷达中频信号进行去噪。

一实施例中，所述的装置还包括时域截断模块，用于将经过滤波和去噪后的FMCW雷达中频信号的不良频率时间段去掉。

一实施例中，所述时域截断模块将经过滤波和去噪后的FMCW雷达中频信号的不良频率时间段去掉具体为：将频谱相邻两个抽样点相减再取绝对值，判断绝对值是否大于预设阈值，如果是，则检测到不良频率时间段的起点，去除起点之后预设时间长度的一小段信号。

一实施例中，所述频谱分析模块通过快速傅里叶变换算法对FMCW雷达中频信号进行频谱分析。

一实施例中，所述相位检测模块通过搜索快速傅里叶变换得到的最大峰值谱线和次最大谱线，测量最大峰值谱线和次最大谱线的相位，判断最大谱线和次最大谱线的相位差的绝对值与180°相减的绝对值是否在预设范围之内，如果是则满足相位差法校正条件。

一实施例中，所述距离计算模块根据校正后的中频频率计算距离具体为将两段经过快速傅里叶变换后的频谱谱线幅度最大值处的相位相减得到相位差，从相位差中提取出频谱的中频频率，根据该中频频率计算距离；所述距离计算模块利用频谱分析后获得的中频频率计算距离具体为：将经过快速傅里叶变换后频谱谱线幅度最大值处的频率作为中频频率，根据该中频频率计算距离。

与现有技术相比，本发明在使用相位差法对FMCW雷达中频信号进行频谱校正之前先判断FMCW雷达中频信号是否满足相位差法校正条件，如果满足则应用相位差法进行频谱校正，获得校正的中频频率，并根据校正后的中频频率计算距离；如果不满足，则利用频谱分析后获得的中频频率计算距离。可以看出，本发明在通过相位差法进行频谱分析时，判断相位差法校正的合理性，充分考虑频谱干涉对相位差法的影响，如果合理，则进行频谱校正，并根据校正后的中频频率计算距离；如果不满足，则利用频谱分析后获得的中频频率计算距离，保证在使用相位差法时能够得到很好的测量结果。因此本发明提高了FMCW雷达测距的精度。

附图说明

图1为本发明实施例一提供的一种FMCW雷达测距的方法流程图；

图2为本发明实施例二提供的一种FMCW雷达测距的方法流程图；

图3为本发明实施例三提供的一种FMCW雷达测距装置框图；

图4为本发明实施例四提供的一种FMCW雷达测距装置框图。

具体实施方式

下面通过具体实施方式结合附图对本发明作进一步详细说明。

FMCW雷达中频信号经过A/D采样变成数字信号之后可进行灵活的数字信号处理，下面所提到的中频信号都是指数字化之后的信号。为了提高FMCW雷达测距精度，本发明在通过相位差法进行频谱分析时，判断相位差法校正的合理性，充分考虑频谱干涉对相位差法的影响，如果合理，则进行频谱校正，并根据校正后的中频频率计算距离；如果不满足，则利用频谱分析后获得的中频频率计算距离。

实施例一

请参阅图1所示，一种FMCW雷达测距的方法，包括步骤：

S101：对经过A/D采样后的FMCW雷达中频信号进行频谱分析。

在本发明一实施例中，使用快速傅里叶变换算法(FFT)进行频谱分析，将FMCW雷达中频信号分两段进行FFT变换。为了使得频谱变化的效果更好，还可以考虑采用对快速傅里叶变换算法进行加窗，进行频谱分析，加窗函数可选用Hanning、Blackman-Harris和Kaiser-Bessel等函数。当然，在本发明其它实施例中，采用别的傅里叶变换算法或者其他算法进行频谱分析也在本发明保护范围之内。

S102：判断FMCW雷达中频信号是否满足相位差法校正条件，如果满足则进入步骤S103，如果不满足则进入步骤108。

在本发明一实施例中，分别搜索FFT变换得到的最大峰值谱线和次最大谱线，测出这两个谱线处的相位θ₁和θ₂，判断最大谱线和次最大谱线的相位差的绝对值与180°相减的绝对值是否在预设范围之内即判断下式是否成立：

||θ₁-θ₂|-180°|＜σ

σ根据具体精度要求取值，精度越高，σ取值越小。当上时不成立时，即可判断相位差校正结果不可靠。

S103：用相位差法进行频谱校正，获得校正的中频频率，转入步骤S104。

当满足相位差检测条件时，设离散中频信号x(n)，且T＝NT_s，t₀＝kT_s，T_s为A/D采样周期。分别对第一段数据y₁(n)和第二段数据y₂(n)进行FFT，可得：

其中k＝0，1，....N。上面两式没有考虑窗函数的影响，可以证明，窗函数的频谱不会影响最后的结果。

通过比较两式可以发现，Y₁(k)与Y₂(k)幅度是一样的，但相位不同。

设Y₁(k)幅度最大值处的相位角为

Y₂(k)幅度最大值处的相位角为

其中：

根据上面的表达式，可求得正弦谐波实际角频率Ω0：

在实际计算中求出的都不是线性相位的，存在2π的跳变，也称作2π模糊。

令ΔΩ等于谱线幅度最大值处的角频率

与正弦谐波实际角频率Ω₀之差，即

则

ΔΩ的取值范围当在区间，令L≤N，即两段数据有重叠的部分，分子

有可能会超出(-π，π]区间，考虑到

存在2π模糊的问题，消除2π模糊，获得校正的中频频率f_IF等于：

$f_{\mathrm{IF}}=\frac{{\mathrm{\Ω}}_0}{2\mathrm{\π}}=\frac{i}{T}-\frac{\mathrm{\Δ\Ω}}{2\mathrm{\π}}$

S104：根据校正的中频频率计算距离。

具体的，可以根据公式

(锯齿波调制)或

(三角波调制)即可准确测定目标相对雷达之间的距离。

S105：根据频谱分析后的中频频率计算得到距离。

在本发明一实施例中，采用快速傅里叶变换进行频谱分析，则将快速傅里叶变换最大谱线出的频率作为中频频率，根据中频频率计算距离。

实施例一仅仅适用于FMCW雷达中频信号不存在严重频谱干涉的情况下，如果频谱干涉严重，则在进行频谱分析之间需要首先对FMCW雷达中频信号进行处理。

实施例二

请参阅图2所示，一种FMCW雷达测距的方法，包括步骤：

S201：对经过A/D采样后的FMCW雷达中频信号进行滤波，滤掉中频信号中微波器件泄漏出来的调制波即泄漏调制波。

因为FMCW雷达受压控振荡器寄生调幅的影响，使得最后产生的中频信号中包含一幅值固定的泄漏调制波，而中频信号中包含距离信息的信号部分的幅度与距离R的4次方成反比，随着距离的增加，有用信号将会淹没在泄漏信号中，从而极大的限制了FMCW雷达的测距。并且泄漏信号也会对后面的相位差法校正产生不利影响。本实施例中采用高通滤波器可以有效的滤掉泄漏信号中的大部分谐波。

S202：对滤波后的中频信号进行去噪。

FMCW雷达受外界环境以及电子器件、A/D转换的影响不可避免存在大量的噪声，这些噪声对相位差法校正都会产生不利影响，并会使得最终的测量结果存在方差误差。本实施例通过将滤波后的FMCW雷达中频信号分为两路，一路延时Δt送往自适应滤波器，将自适应滤波器输出信号与另一路原始信号相减，得到的结果再反馈给自适应滤波器，自适应滤波器输出的信号即为去噪信号。

S203：对经过去噪后的FMCW雷达中频信号进行时域截断，去掉FMCW雷达中频信号中的不良频率时间段。

不管采用何种调制波形，最终得到的中频信号中都存在一个持续与回波延迟时间相等的不良频率时间段。本发明一实施例中，采用斜率检测电路来判断不良频率时间段的起点，根据理论分析，假设时间段的持续时间为延迟时间t_τ+，斜率检测的方法是对中频信号谱线相临的两个抽样点x(n)、x(n+1)相减再取绝对值：

|x(n)-x(n+1)|＞ε

其中，ε根据实际情况确定，可以由大量的实验数据获得。如果上式成立，则代表检测到了不良频率的起点x(n+1)。找到起点后，根据情况剔除起点之后预设时间长度的一小段信号。

S204：对经过时域截断后的FMCW雷达中频信号进行频谱分析。

S205：判断是否满足相位差法校正条件，如果满足则进入步骤S206，如果不满足则进入步骤S208。

S206：用相位差法进行频谱校正，得到最终的校正中频频率，转入步骤S107。

S207：根据最终校正的中频频率计算出距离。

S208：直接根据频谱分析后的中频频率计算得到距离。

需要说明的是，本实施例中，也可以先进行步骤S202，再进行步骤S201。

实施例三

请参阅图3所示，一种FMCW雷达测距装置，包括频谱分析模块301、相位检测模块302和距离计算模块303，其中：

频谱分析模块301，用于对经过A/D采样后的FMCW雷达中频信号进行频谱分析。

相位检测模块302，用于检测经过频谱分析后的FMCW雷达中频信号的频谱是否满足相位差检测条件。

距离计算模块303，用于根据相位检测模块302的判断结果计算距离，如果满足则应用相位差法进行频谱校正，获得校正的中频频率，并根据校正后的中频频率计算距离；如果不满足，则利用频谱分析后获得的中频频率计算距离。

需要说明的是，所述距离计算模块303根据校正后的中频频率计算距离具体为将两段经过快速傅里叶变换后的频谱谱线幅度最大值处的相位相减，得到相位差，从相位差中提取出频谱的中频频率，根据该中频频率计算距离；所述距离计算模块303利用频谱分析后获得的中频频率计算距离具体为：将经过快速傅里叶变换后频谱谱线幅度最大值处的频率作为中频频率，根据该中频频率计算距离。

实施例四

请参阅图4所示，一种FMCW雷达测距装置，包括滤波模块401、去噪模块402、时域截断模块403、频谱分析模块404、相位检测模块405和距离计算模块406，其中：

滤波模块401，用于对经过A/D采样后的FMCW雷达中频信号进行滤波，滤掉中频信号中的泄漏调制波。

去噪模块402，用于对经过滤波模块401滤波后的中频信号进行去噪。

时域截断模块403，用于将经过去噪后的FMCW雷达中频信号中的不良频率时间段去掉。

频谱分析模块404，用于对已经去掉不良频率时间段的FMCW雷达中频信号进行频谱分析。本实施例中，采用加窗快速傅里叶变换算法进行频谱分析，将经过时域截断后剩下的中频信号分两段加窗再进行加窗FFT变换。

相位检测模块405，与频谱分析模块连接，用于检测经过频谱分析后的FMCW雷达中频信号的频谱是否满足相位差检测条件。

距离计算模块406，用于根据相位检测模块405的检测结果进行频谱校正，如果符合相位差法检测条件，则应用相位差法进行频谱校正并根据校正后的中频频率计算得到距离；如果不符合相位差法检测条件，则将频谱分析后的中频频率作为近似中频频率，并根据所述近似中频频率计算得到距离。

需要说明的是，经过A/D采样后的FMCW雷达中频信号也可以先发送给去噪模块402进行去噪，再发送给滤波模块401进行滤波。

综上所述，本发明实施例中雷达中频信号经过A/D采样变成数字信号之后，在使用相位差法对FMCW雷达中频信号进行频谱校正之前先判断FMCW雷达中频信号是否满足相位差法校正条件，如果满足则应用相位差法进行频谱校正，获得校正的中频频率，并根据校正后的中频频率计算距离；如果不满足，则利用频谱分析后获得的中频频率计算距离。可以看出，本发明充分考虑频谱干涉对相位差法的影响，如果合理，则进行频谱校正，并根据校正后的中频频率计算距离；如果不满足，则利用频谱分析后获得的中频频率计算距离，测量得到的距离准确度高，提高了FMCW雷达测距的精度。

以上内容是结合具体的实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (13)

1.一种FMCW雷达测距的方法，其特征在于，包括步骤：

对经过A/D采样后的FMCW雷达中频信号进行频谱分析；

判断FMCW雷达中频信号的频谱是否满足相位差法校正条件，搜索快速傅里叶变换得到的最大峰值谱线和次最大谱线，测量最大峰值谱线和次最大谱线的相位，判断最大谱线和次最大谱线的相位差的绝对值与180°相减的绝对值是否在预设范围之内，如果是则满足相位差法校正条件；

如果满足则应用相位差法进行频谱校正，获得校正的中频频率，并根据校正后的中频频率计算距离：将两段经过快速傅里叶变换后的频谱谱线幅度最大值处的相位相减，得到相位差，从相位差中提取出谐波的中频频率，并根据校正后的中频频率计算距离；如果不满足，则利用频谱分析后获得的中频频率计算距离：将经过快速傅里叶变换后频谱谱线幅度最大值处的频率作为中频频率，根据所述中频频率计算距离。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在FMCW雷达中频信号进行频谱分析之前还包括过滤FMCW雷达中频信号中的泄漏调制波的步骤。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述过滤FMCW雷达中频信号中的泄漏调制波之后还进一步包括去噪步骤，具体为：将FMCW雷达中频信号分为两路，一路延时Δt送往自适应滤波器，将自适应滤波器输出信号与另一路的原始信号相减，得到的结果再反馈给自适应滤波器，自适应滤波器输出的信号即为去噪信号。

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，经过过滤泄漏调制波和去噪后，进行频谱分析之前还包括去掉雷达中频信号中的不良频率时间段的步骤。

5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，通过对雷达中频信号进行时域截断来去掉雷达中频信号中的不良频率时间段。

6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，对FMCW雷达中频信号进行时域截断具体为：将频谱相邻两个抽样点相减再取绝对值，判断绝对值是否大于预设阈值，如果是，则检测到不良频率时间段的起点，去除起点之后预设时间长度的一小段信号。

7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在对中频信号进行频谱分析步骤中通过快速傅里叶变换算法对FMCW雷达中频信号进行频谱分析。

8.一种FMCW雷达测距装置，其特征在于，包括频谱分析模块、相位检测模块和距离计算模块，其中：

频谱分析模块，用于对FMCW雷达中频信号进行频谱分析；

相位检测模块，用于判断经过频谱分析后的雷达中频信号的频谱是否满足相位差检测条件，搜索快速傅里叶变换得到的最大峰值谱线和次最大谱线，测量最大峰值谱线和次最大谱线的相位，判断最大谱线和次最大谱线的相位差的绝对值与180°相减的绝对值是否在预设范围之内，如果是则满足相位差法校正条件；

距离计算模块，用于根据相位检测模块的判断结果计算距离，如果满足则应用相位差法进行频谱校正，获得校正的中频频率，并根据校正后的中频频率计算距离：将两段经过快速傅里叶变换后的频谱谱线幅度最大值处的相位相减，得到相位差，从相位差中提取出谐波的中频频率，并根据校正后的中频频率计算距离；如果不满足，则利用频谱分析后获得的中频频率计算距离：将经过快速傅里叶变换后频谱谱线幅度最大值处的频率作为中频频率，根据所述中频频率计算距离。

9.如权利要求8所述的装置，其特征在于，还包括滤波模块，用于对经过A/D采样后的FMCW雷达中频信号进行滤波，滤掉中频信号中的泄漏调制波，滤波后的信号发送给频谱分析模块。

10.如权利要求9所述的装置，其特征在于，还包括去噪模块，与所述滤波模块连接，用于对经过滤波模块滤掉泄漏调制波后的FMCW雷达中频信号进行去噪。

11.如权利要求10所述的装置，其特征在于，还包括时域截断模块，用于将经过滤波和去噪后的FMCW雷达中频信号的不良频率时间段去掉。

12.如权利要求11所述的装置，其特征在于，所述时域截断模块将经过过滤泄漏调制波和去噪后的FMCW雷达中频信号的不良频率时间段去掉具体为：将频谱相邻两个抽样点相减再取绝对值，判断绝对值是否大于预设阈值，如果是，则检测到不良频率时间段的起点，去除起点之后预设时间长度的一小段信号。

13.如权利要求8所述的装置，其特征在于，所述频谱分析模块通过快速傅里叶变换算法对FMCW雷达中频信号进行频谱分析。

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