CN102621550A - 一种w波段前车防撞雷达探测系统的实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及防撞雷达系统。所要解决的技术问题是，针对现有技术的不足，提供一种W波段前车防撞雷达探测系统的实现方法，采用77GHz频率即W波段实现前车防撞雷达的系统设计。系统采用三角波线性调频体制，双通道接收目标回波信号，混频后进行处理得到距离速度信息。采用77GHz频率实现前车防撞雷达的系统设计，并通过基于频谱分析的复杂信号处理实现多目标识别、路况判别和车道判别。本发明不仅具有微波雷达适应全天候工作、抗干扰能力强的特点，而且具有尺寸小、成本低、测距精度高的优势。

Description

一种W波段前车防撞雷达探测系统的实现方法

技术领域

本发明涉及防撞雷达系统。

技术背景

我国对前车防撞雷达的设计起步较晚，目前，国内在汽车防撞雷达方面只局限于倒车雷达的研制和生产，至于前向探测汽车防撞雷达，虽然目前有不少的汽车厂商和科研院所都做了一些跟踪与探索，但都仅限于8mm波段，产品的体积较大，实用性以及产业化程度不高。

对于前车防撞雷达的实现方法具体包括激光、红外、超声波以及微波雷达等手段，但由于受天气条件和环境因素的制约，激光、红外、超声波等实现方式都不适合应用于中、远距离前车防撞雷达的设计。微波雷达具有稳定的探测性能，可全天候工作，且具有频带宽、分辨率高等优点，是实现前车防撞雷达较好的手段。

现有技术的研究基本集中在24GHz或35GHz频率范围，基于77GHz频段的前车防撞雷达尚未见相关资料和报道。77GHz频段由于波长更短、抗工业干扰能力强、波束更窄，有利于系统的小型化和目标的精确探测，因此，急需研发77GHZ即W波段的前车防撞雷达探测系统。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，针对现有技术的不足，提供一种W波段前车防撞雷达探测系统的实现方法，采用77GHz频率即W波段实现前车防撞雷达的系统设计。

为解决上述技术问题，本发明的技术解决方案是：

一种W波段前车防撞雷达探测系统的实现方法，所述雷达系统包括发射天线、接收天线、射频前端模块、基带处理模块、串行通信接口；其特征在于：

所述雷达探测系统采用77GHz频段，所述接收天线为双波束接收天线。

所述射频前端模块采用连续波调频步进频体制产生发射信号，即77GHz步进变化的射频发射信号是由压控振荡器经步进调谐信号控制后经倍频产生。所述步进调谐信号采用步进台阶变化的三角波步进调谐电压信号，采用N种步进频率，周期性变化，N为大于等于3的整数，以便后端的多目标判别处理。

所述双波束接收天线接收的双通道回波信号，经射频前端模块进行混频处理后得到差拍信号输入基带处理模块，所述差拍信号输入基带处理模块进行滤波放大和自动增益控制后，通过采样、FFT处理后进入算法判别环节通过频谱分析实现距离速度的计算，并实现多目标判别、车道判别和路况判别。

所述多目标判别采用以下方法判别：对于一个正负频率调制周期，可以分别得到频率f₊和f_-，进行相加和相减处理可以求得目标距离和速度；由于采用了N种步进频率，在每个ΔF参数下进行频谱配对求得一组距离和速度，N组进行比较，找出相同的距离速度就是真实的目标。

所述车道判别采用以下方法判别：对目标的回波信号作频谱分析，比较两路信号能量，当能量相当便认为在本车道，否则目标必定在能量偏大的那一路方向，据此可判断目标的车道信息。

所述路况判别采用以下方法判别：设定能量门限A和频谱宽度门限B，进行全频域搜索，求出前后都大于门限A的频谱区域宽度，剔除能量小于门限A和频谱宽度大于B的干扰类目标，其余可认为是真实目标。

所述串行通信接口将产生的判别结果上传至上位机进行后续处理。

所述射频前端模块包括压控振荡器13、倍频器14、滤波器15、放大器16、功分器17、放大器18、混频器19、中频放大器20；所述压控振荡器13产生的步进调频信号经倍频器14得到W波段调频信号，再输入滤波器15、放大器16进行滤波、功率放大后的W波段调频信号经功分器18等分成两路输出，一路由发射天线1发射出去，另一路输入混频器19；双波束接收天线2接收到的双通道回波信号分别经过混频器19进行去斜处理，得到差拍信号，所述差拍信号由中频放大器20放大后，输入基带处理模块。

所述基带处理模块包括放大器4、带通滤波器5、数字程控增益放大器6、对消放大器7、抗混叠滤波器8、数字信号处理器9、可编程逻辑器件10、D/A转换器11。

差拍信号经放大器4放大，带通滤波器5滤除噪声，由数字程控增益放大器6进行增益控制，所述数字程控增益放大器6的控制信号由数字信号处理器9产生；差拍信号经放大和带通滤波，得到所需频带内的信号，数字信号处理器9控制程控增益放大器6进行AGC控制使接收机接收到的信号幅度在一个恰当的范围内；数字程控增益放大器6的输出信号经对消放大器7和抗混叠滤波器8进入数字信号处理器9进行采样、FFT处理以及算法判别；对消放大器7消除寄生调幅信号，避免D/A输出噪声对灵敏度的影响；抗混叠滤波器8滤除高频信号，避免采样模糊。输出的信号进入数字信号处理器9；数字信号处理器9根据同步信号采样输入信号，进行FFT处理后进行算法判别。

可编程逻辑器件10产生控制信号控制D/A转换器11产生三角波步进调谐电压信号去控制压控振荡器13产生步进调频信号，同时可编程逻辑器件10给出同步信号至数字信号处理器9。

本发明可带来以下有益效果：

本发明采用77GHz频段，不仅具有微波雷达适应全天候工作、抗干扰能力强的特点，而且具有尺寸小、成本低、测距精度高的优势。

多调制参数逐次逼近方法通过改变调制参数可以有效去除假目标，实现多目标判别。

双通道信号比幅可以有效判别车道信息，且结构简单，易于实现。

智能判别算法通过频谱分析可以实现复杂路况判别。

附图说明

图1为本发明的系统结构框图

图2为本发明的射频组件框图

图3为信号处理流程图

图4为步进频率变化图

图5为发射信号调制形式图

图6为双波束天线指向图

具体实施方式

参见图1、图2；图中1为发射天线；2为双波束接收天线；3为射频前端模块；4为放大器；5为带通滤波器；6为数字程控增益放大器；7为对消放大器；8为抗混叠滤波器；9为数字信号处理器；10为可编程逻辑器件；11为D/A转换器；12为串行通信接口；13为压控振荡器；14为倍频器；15为滤波器；16为放大器；17为功分器；18为放大器；19为混频器；20为中频放大器。

射频前端模块由分立元件组成，包括压控振荡器13、倍频器14、滤波器15、放大器16、功分器17、放大器18、混频器19、中频放大器20，如图2所示。

压控振荡器13产生的步进调频信号经倍频器14、滤波器15、放大器16得到W波段调频信号，由发射天线1发射出去。双波束接收天线2接收回波信号，经混频器19混频后得到差拍信号，由中频放大器20放大后，输入基带处理模块。

基带处理模块包括放大器4、带通滤波器5、数字程控增益放大器6、对消放大器7、抗混叠滤波器8、数字信号处理器9、可编程逻辑器件10、D/A转换器11，如图1所示。

差拍信号经放大器4放大，带通滤波器5滤除噪声，由数字程控增益放大器6进行增益控制，控制信号由数字信号处理器9产生。信号经对消放大器7和抗混叠滤波器8进入数字信号处理器9进行采样、FFT处理以及算法判别。可编程逻辑器件10产生控制信号控制D/A转换器11产生步进调谐电压信号，控制压控振荡器13产生步进调频信号，同时给出同步信号至数字信号处理器9。

数字信号处理器9产生的处理结果通过串行通信接口12可上传至上位机。

系统工作流程包括发射信号产生、去斜接收、模拟处理、数字处理、算法判别五个步骤。

系统上电后，由可编程逻辑器件10控制D/A转换器11产生三角波步进调谐电压信号控制压控振荡器13去产生发射信号，同时产生同步信号给数字信号处理器9，作为采样开始信号。本实施例中，调制信号采用3种步进频率，周期性变化，以便后端的多目标识别处理，根据相同的工作原理，调制信号也可采用大于3的步进频率。

系统采用双波束接收天线2；接收到的双通道信号分别经过混频器19进行去斜处理，得到差拍信号，进入模拟处理部分。差拍信号经放大和带通滤波，得到所需频带内的信号，数字信号处理器9控制数字程控增益放大器6进行AGC控制使接收机接收到的信号幅度在一个恰当的范围内。对消放大器7消除寄生调幅信号，避免D/A输出噪声对灵敏度的影响。抗混叠滤波器8滤除高频信号，避免采样模糊。输出的信号进入数字处理部分。数字信号处理器9根据同步信号采样输入信号，进行FFT处理后进入算法判别环节。算法判别主要通过频谱分析的方法完成。系统设定能量门限A和频谱宽度门限B，进行全频域搜索，求出前后都大于门限A的频谱区域宽度，剔除能量小于门限A和频谱宽度大于B的干扰类目标，其余认为是真实目标。对于一个正负频率调制周期，可以分别得到频率f₊和f_-，进行相加和相减处理可以求得目标距离和速度。由于采用了3种步进频率，在每个ΔF参数下进行频谱配对求得一组距离和速度，3组进行比较，找出相同的距离速度对就是真实的目标。由于系统采用左右双通道接收，对其中某一组距离速度对，比较其左路和右路的能量大小，即可判别该目标的车道信息。具体处理流程见图3。

(1)调制信号产生

77GHz步进变化的射频信号由压控振荡器13经步进调谐信号控制后经倍频产生，步进调谐信号采用步进台阶变化的电压信号，该控制形式不同于三角波线性变化控制信号，便于修正VCO调制的非线性，产生线性度较高的步进变化调频射频信号。

图4所示为系统采用的步进频率产生方式，调频信号每隔时间τ频率步进Δf，每个周期由正斜率段和负斜率段组成，形成正负频率调制。

(2)多目标信号检测识别

由于三角波调频在多目标的情况下会产生虚假目标，所以需要进行频谱匹配，此处采用多斜率步进调频的方案。图5为一个周期内多斜率步进调频连续波信号的频率随时间变化的示意图。信号的一个周期包含3个三角形，又可细分为A到F共6段，每一段又由N个子信号频率组成，这N个子信号的频率在A，C，E段依不同的步进频率ΔF依次递增，而在B，D，F段依次递减。在每个子脉冲发射完毕时，系统对连续回波信号进行采样并存储，用于后续的信号处理。

采用交叉寻找的思想逐次逼近，完成多目标检测并同时有效去除虚假判断。以图5中A和B两段调制信号为例，假设存在三个真实目标，对A、B两段调制的回波信号采样并进行FFT，每个目标分别在A段和B段会得到一个f₊和f_-，对于三个目标会得到三个f₊和三个f_-，在未知真实距离的前提下，通过三对f₊和f_-两两组合，便可计算出九对R和v，即防撞雷达发现了九个可能的目标。同理，在另外的两个调制信号中，也各自发现了九个可能的目标。实际上，三个真实目标会在每个调制过程中都会出现，将每个调制信号过程中得到的九个目标两两相比，可以去掉假目标，将比较后匹配的目标保留下来，可以认为是真实存在的目标。

(3)目标车道信息判别

车道信息判别通过双通道信号比幅实现。系统采用双通道接收，设计天线波束指向如图6所示。双波束天线指向分别为-5°、+5°，3dB波束宽度10°，两波束在空间互相重叠，和波束指向0°，实现空间-5°、0°、+5°三波束工作。0°为发射波束、其他为接收波束。

对目标的回波信号作频谱分析，比较两路信号能量，当能量相当便认为在本车道，否则目标必定在能量偏大的那一路方向。据此可判断目标的车道信息。

(4)路况智能分析判别

对于弯道或狭窄道路两旁设施，除通过方位判别外，在信号处理中采用智能判别算法，从目标回波谱线中进行区分。对于典型汽车目标在频谱分析中以点目标形式反应，对于其他设施干扰类目标以扩展目标形式反应，由于扩展目标的频谱比点目标明显要宽，因此可以从频谱分析中采用相应算法加以区分。系统可设定频谱宽度门限，当小于该门限认为是汽车目标，否则认为是围栏等干扰目标。对于行人等干扰目标，可设定能量门限，小于该门限即认为是干扰目标，予以剔除。具体门限值应根据实际试验确定。

Claims (3)

1.一种W波段前车防撞雷达探测系统的实现方法，所述雷达系统包括发射天线、接收天线、射频前端模块、基带处理模块、串行通信接口；其特征在于：

所述雷达探测系统采用77GHz频段，所述接收天线为双波束接收天线；

所述射频前端模块采用连续波调频步进频体制产生发射信号，即77GHz步进变化的射频发射信号是由压控振荡器经步进调谐信号控制后经倍频产生；所述步进调谐信号采用步进台阶变化的三角波步进调谐电压信号，采用N种步进频率，周期性变化，N为大于等于3的整数，以便后端的多目标判别处理；

所述双波束接收天线接收的双通道回波信号，经射频前端模块进行混频处理后得到差拍信号输入基带处理模块，所述差拍信号输入基带处理模块进行滤波放大和自动增益控制后，通过采样、FFT处理后进入算法判别环节通过频谱分析实现距离速度的计算，并实现多目标判别、车道判别和路况判别；

所述多目标判别采用以下方法判别：对于一个正负频率调制周期，可以分别得到频率f₊和f_-，进行相加和相减处理可以求得目标距离和速度；由于采用了N种步进频率，在每个ΔF参数下进行频谱配对求得一组距离和速度，N组进行比较，找出相同的距离速度就是真实的目标；

所述车道判别采用以下方法判别：对目标的回波信号作频谱分析，比较两路信号能量，当能量相当便认为在本车道，否则目标必定在能量偏大的那一路方向，据此可判断目标的车道信息；

所述路况判别采用以下方法判别：设定能量门限A和频谱宽度门限B，进行全频域搜索，求出前后都大于门限A的频谱区域宽度，剔除能量小于门限A和频谱宽度大于B的干扰类目标，其余可认为是真实目标；

所述串行通信接口将产生的判别结果上传至上位机进行后续处理。

2.按照权利要求1所述的一种W波段前车防撞雷达探测系统的实现方法，其特征在于：

所述射频前端模块包括压控振荡器(13)、倍频器(14)、滤波器(15)、放大器(16)、功分器(17)、放大器(18)、混频器(19)、中频放大器(20)；所述压控振荡器(13)产生的步进调频信号经倍频器(14)得到W波段调频信号，再输入滤波器(15)、放大器(16)进行滤波、功率放大后的W波段调频信号经功分器(18)等分成两路输出，一路由发射天线(1)发射出去，另一路输入混频器(19)；双波束接收天线(2)接收到的双通道回波信号分别经过混频器(19)进行去斜处理，得到差拍信号，所述差拍信号由中频放大器(20)放大后，输入基带处理模块。

3.按照权利要求1或2所述的一种W波段前车防撞雷达探测系统的实现方法，其特征在于：

所述基带处理模块包括放大器(4)、带通滤波器(5)、数字程控增益放大器(6)、对消放大器(7)、抗混叠滤波器(8)、数字信号处理器(9)、可编程逻辑器件(10)、D/A转换器(11)；

差拍信号经放大器(4)放大，带通滤波器(5)滤除噪声，由数字程控增益放大器(6)进行增益控制，所述数字程控增益放大器(6)的控制信号由数字信号处理器(9)产生；差拍信号经放大和带通滤波，得到所需频带内的信号，数字信号处理器(9)控制程控增益放大器(6)进行AGC控制使接收机接收到的信号幅度在一个恰当的范围内；数字程控增益放大器(6)的输出信号经对消放大器(7)和抗混叠滤波器(8)进入数字信号处理器(9)进行采样、FFT处理以及算法判别；对消放大器(7)消除寄生调幅信号，避免D/A输出噪声对灵敏度的影响；抗混叠滤波器(8)滤除高频信号，避免采样模糊；输出的信号进入数字信号处理器(9)；数字信号处理器(9)根据同步信号采样输入信号，进行FFT处理后进行算法判别；

可编程逻辑器件(10)产生控制信号控制D/A转换器(11)产生三角波步进调谐电压信号去控制压控振荡器(13)产生步进调频信号，同时可编程逻辑器件(10)给出同步信号至数字信号处理器(9)。

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