CN103529444A

CN103529444A - 一种车载毫米波雷达动目标识别器及识别方法

Info

Publication number: CN103529444A
Application number: CN201310451869.3A
Authority: CN
Inventors: 王桂丽
Original assignee: Anhui Normal University
Current assignee: Anhui Normal University
Priority date: 2013-09-27
Filing date: 2013-09-27
Publication date: 2014-01-22

Abstract

本发明公开了一种车载毫米波雷达动目标识别器，其特征在于：所述的识别器为频率合成器产生捷变频连续信号被调制成脉冲信号后经上变频处理为毫米波信号，经功率放大器放大后发射出去；天线接收雷达回波信号至环形器，再送到混频器中，高频回波脉冲与高稳定本振产生的等幅高频电压混频，将信号降为中频经过中频放大器，由A/D转换模块对中频信号直接采样，当完整的一串脉冲的回波信号采样完成后存入存储单元，再经过信号处理单元测出目标的个数、速度、方向等信息发送给报警执行单元。由于采用上述的结构，本发明的优点在于：1、提高对于运动目标的测距、测角精度；2、无需增加过多的硬件，生产成本较低。

Description

一种车载毫米波雷达动目标识别器及识别方法

技术领域

本发明涉及毫米波雷达，特别涉及一种车载毫米波雷达动目标识别器及识别方法。

背景技术

现有的车载毫米波雷达都是用调频连续波(FMCW)体制的。该方法首先通过发射毫米波段的调频连续波信号，再接收的目标回波中计算目标的个数和速度。调制波形产生器控制调制振荡器产生FMCW信号，经定向耦合器传输给天线发送出去，接收天线接收雷达回波传输给混频器，再经过混频、滤波生成中频信号，中频信号经过A/D采样之后送入数字芯片处理计算，最终实现目标搜索和测距，运算结果发给控制器，控制器使声光报警器发出报警信号。

这种FMCW体制的毫米波雷达具有高信噪比、低副瓣的良好性能。但是对于运动目标来说，该方法测距、测角的误差较大。为了减小误差如果选取较大的频偏，即当发射毫米波信号的时宽T已确定时，应取较大的频偏B。由此带来的数字处理所必需的A/D采样难以实现；另外，在近距离时，发射信号脉宽有限，在短时间内调制大带宽也很困难。若是通过提高时宽T来获得较大的频偏B，势必会提高雷达发射功率。

针对上述情况，提供一种新型的车载毫米波雷达，提高对于运动目标的测距、测角精度是现有技术需要解决的问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种车载毫米波雷达动目标识别器及识别方法，以达到提高对于运动目标的测距、测角精度的目的。

为达到上述目的，本发明的技术方案是，一种车载毫米波雷达动目标识别器，其特征在于：所述的识别器为频率合成器产生捷变频连续信号被调制成脉冲信号后经上变频处理为毫米波信号，经功率放大器放大后发射出去；天线接收雷达回波信号至环形器，再送到混频器中，高频回波脉冲与高稳定本振产生的等幅高频电压混频，将信号降为中频经过中频放大器，由A/D转换模块对中频信号直接采样，当完整的一串脉冲的回波信号采样完成后存入存储单元，再经过信号处理单元测出目标的个数、速度、方向等信息发送给报警执行单元。

所述的环形器接收的回波信号经过低噪声高频放大器放大后送到混频器。

所述的A/D转换模块对中频信号采样完成后经过正交检波单元获得同相和正交的两路正交信号送入存储单元。

所述的信号处理单元为正交信号依次经过速度补偿单元、脉冲压缩单元、一维距离像单元。

所述的频率合成器、高稳定本振通过两组上变频和功率放大器分别输入环形器、混频器。

一种车载毫米波雷达动目标识别器的识别方法，其特征在于：所述的识别方法为识别器的毫米波频率步进雷达发射一帧载频依次增加的相参脉冲序列信号；对于天线接收回来的信号通过傅里叶逆变换进行测距，再利用脉冲多普勒所得的精确速度补偿频率步进的测距误差，得出目标的精确距离，实现对运动目标的测速、测距。

一种车载毫米波雷达动目标识别器及识别方法，由于采用上述的结构，本发明的优点在于：1、提高对于运动目标的测距、测角精度；2、无需增加过多的硬件，生产成本较低。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明；

图1为本发明一种车载毫米波雷达动目标识别器的结构示意框图；

图2为本发明一种车载毫米波雷达动目标识别器信号处理单元的结构示意框图；

图3为本发明一种车载毫米波雷达动目标识别器频率步进信号中各子脉冲的频谱图；

图4为现有技术中FMCW体制雷达的结构示意框图；

在图1-2中，1、高稳定本振；2、频率合成器；3、上变频；4、功率放大器；5、天线；6、环形器；7、混频器；8、中频放大器；9、A/D转换模块；10、正交检波单元；11、存储单元；12、信号处理单元；13、报警执行单元；14、速度补偿单元；15、脉冲压缩单元；16、一维距离像单元。

具体实施方式

如图1-2所示，本发明中为频率合成器2产生捷变频连续信号被调制成脉冲信号后经上变频3处理为毫米波信号，经功率放大器4放大后发射出去；天线5接收雷达回波信号至环形器6，再送到混频器7中，高频回波脉冲与高稳定本振1产生的等幅高频电压混频，将信号降为中频经过中频放大器8，由A/D转换模块9对中频信号直接采样，当完整的一串脉冲的回波信号采样完成后存入存储单元11，再经过信号处理单元12测出目标的个数、速度、方向等信息发送给报警执行单元13。

环形器6接收的回波信号经过低噪声高频放大器放大后送到混频器7。A/D转换模块9对中频信号采样完成后经过正交检波单元10获得同相和正交的两路正交信号送入存储单元11。信号处理单元12为正交信号依次经过速度补偿单元14、脉冲压缩单元15、一维距离像单元16。频率合成器2、高稳定本振1通过两组上变频3和功率放大器4分别输入环形器6、混频器7。

本发明所要阐述的识别方法为识别器的毫米波频率步进雷达发射一帧载频依次增加的相参脉冲序列信号；对于天线5接收回来的信号通过傅里叶逆变换进行测距，再利用脉冲多普勒所得的精确速度补偿频率步进的测距误差，得出目标的精确距离，实现对运动目标的测速、测距。

本发明的信号基本形式为毫米波频率步进雷达的发射信号是一帧载频依次增加的相参脉冲序列，设步进信号的总带宽为B，脉冲个数为N，脉冲宽度为TP，脉冲重复周期为Tr，频率进步量为Δf，第一个子脉冲的中心载频为f0，则雷达发射的脉冲序列的数学表达式为：

s_{i} (t) = \frac{1}{\sqrt{N}} Σ_{i - 1}^{N} \frac{1}{\sqrt{Tp}} rect (\frac{t - iTr}{Tp}) \exp (j 2 π f_{i} t) - - - (1)

式中:fi=f0+iΔf。

对于距离为Rm的目标，假设有有M个散射点，用与发射脉冲信号载频相同的相参本振进行混频，经过I/Q正交及归一化处理，可得目标回波的复包络输出为：

x_{i} (t) = Σ_{m - 1}^{m} B_{m} rect (\frac{t - iTr - τ (t)}{Tp}) \exp (- j 2 π f_{i} (t)) - - - (2)

式中：

为目标回波时延；这里Rm是第m个散射点到雷达的初始距离，m＝1，2，……，M；v为目标的径向速度；C为光速；Bm为第m个散射点回波的幅值。

把τ(t)代入式错误！未找到引用源。，取样得：

其中

这里ts是采样时间，iTr+τn<ts<iTr+Tp+τn，τn是第n个散射中心到雷达的时延。上述数学表达式可以作类似的理解：一组等间隔的频率谱线，向线性目标系统发射，对目标进行激励，其回波是对目标系统的频域采样，对得到的频域信息调序后进行IDFT,就可以得到相应的时域信息，即目标一维距离像。当目标有速度时,发生多普勒频移,则目标系统为一个非线性系统,必须进行补偿后才能处理。

多普勒效应对于以速度v运动的目标，令φ′m(i)=-2π(θ′i+θ′vi),这里，θ′i和θ′vi分别是与速度无关的项和与速度有关的项，它们表示为：

θ_{i}^{'} = \frac{2 f_{i} R_{m}}{C} - - - (2)

θ_{v}^{'} = - \frac{2 f_{i} v (t_{s} + i T_{r})}{C} - - - (3)

θ′i是静止时的正常相位关系，θ′vi是速度引起的相移。

多普勒测速方法为相邻的两帧步进信号脉冲回波，第一帧和第二帧之间相同载频的脉冲相差时间为NTr。则第一帧的信号回波如式(1)所示，对第二帧脉冲回波，在iTr+ts+NTr时刻采样，可得到：

式中，

θ_{i}^{''} = \frac{{2 f}_{i} R}{C}, θ_{vi}^{''} = - \frac{2 f_{i} v (t_{s} + i T_{r} + N T_{r})}{C} .

由式(1)和式(4)，我们可得到如下表达式：

式中

所以

x {(i)}_{v} = \exp (j \frac{4 π f_{i} vN T_{r}}{C}) = \exp (j \frac{4 π f_{0} vN T_{r}}{C}) = \exp (j \frac{4 πiΔfvN T_{r}}{C}) - - - (6)

对式(6)作FFT，可得

y (k) = B Σ_{i = 0}^{N - 1} \exp (j \frac{4 πiΔfvN T_{r}}{C}) \cdot \exp (- j 2 πi \frac{k}{N}) - - - (7)

式中

B = \exp (- j \frac{4 π f_{0} vN T_{r}}{C}),

所以

| y (k) | = B | \frac{\sin (π (\frac{2 NΔfvN T_{r}}{C} - k))}{\sin (π (\frac{2 ΔfvN T_{r}}{C} - \frac{k}{N}))} | - - - (8)

当

时，|y(k)|有最大值，所以目标速度为：

v = \frac{kC}{2 NΔfN T_{r}} - - - (9)

由式(9)得到的速度对式(1)作速度补偿，然后在作FFT，可得到高分辨的一维距离像。

图2所示为对雷达回波进行运算处理以实现目标识别的处理流程。回波变换为中频后，经A/D采样，进入DSP的存储运算单元，分两个方面，一方面做一维距离像，一方面进行脉冲多普勒测速，最后把测度的精确速度对一维距离像做速度补偿，实现高分辨测速、测距、测角和目标识别等功能。并对超出安全距离的目标给司机发出报警。

本发明的核心技术就是通过频率步进体制的毫米波雷达实现高分辨测距和测速。本方法需要的设置主要由三个部分组成：（1）毫米波频率步进信号发射系统；（2）信号接收和采集系统：接收毫米波雷达的回波信号；（2）数据处理系统：DSP芯片通过计算处理，自动测出本车速度、前车速度以及两车之间的距离，并判断两车的安全距离，如果两车车距小于安全距离，数据处理系统就会发出指令；（3）执行机构：负责实施数据处理系统发出的指令，发出声光警报，提醒司机，如司机没有执行指令，执行机构将自动采取措施，比如自动刹车等。

本发明具有稳定的探测性能。不受被测物体表面形状、颜色等的影响；对大气紊流、气涡等具有适应性。同时还具有良好的环境适应性。毫米波雷达的穿透能力很强，其测距精度受雨、雪、雾及阳光等天气因素和杂音、污染等环境的影响较小，可以保证车辆在任何天气下的正常运行。因此毫米波雷达比其他方式有更大的优越性，能够适应车辆安全驾驶的要求。同时，毫米波雷达不仅可以测量目标距离，而且还可以测量目标物体的相对速度及方位角等参数，使车辆在恶劣气候条件下实现盲行驶成为可能。此外，随着单片微波集成电路的发展，在相同的测量条件下毫米波雷达结构简单、分辨率高、天线部件尺寸小，易于集成和安装。

上面结合附图对本发明进行了示例性描述，显然本发明具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明技术方案进行的各种改进，或未经改进直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种车载毫米波雷达动目标识别器，其特征在于：所述的识别器为频率合成器（2）产生捷变频连续信号被调制成脉冲信号后经上变频（3）处理为毫米波信号，经功率放大器（4）放大后发射出去；天线（5）接收雷达回波信号至环形器（6），再送到混频器（7）中，高频回波脉冲与高稳定本振（1）产生的等幅高频电压混频，将信号降为中频经过中频放大器（8），由A/D转换模块（9）对中频信号直接采样，当完整的一串脉冲的回波信号采样完成后存入存储单元（11），再经过信号处理单元（12）测出目标的个数、速度、方向等信息发送给报警执行单元（13）。

2.根据权利要求1所述的一种车载毫米波雷达动目标识别器，其特征在于：所述的环形器（6）接收的回波信号经过低噪声高频放大器放大后送到混频器（7）。

3.根据权利要求1所述的一种车载毫米波雷达动目标识别器，其特征在于：所述的A/D转换模块（9）对中频信号采样完成后经过正交检波单元（10）获得同相和正交的两路正交信号送入存储单元（11）。

4.根据权利要求1所述的一种车载毫米波雷达动目标识别器，其特征在于：所述的信号处理单元（12）为正交信号依次经过速度补偿单元（14）、脉冲压缩单元（15）、一维距离像单元（16）。

5.根据权利要求1所述的一种车载毫米波雷达动目标识别器，其特征在于：所述的频率合成器（2）、高稳定本振（1）通过两组上变频（3）和功率放大器（4）分别输入环形器（6）、混频器（7）。

6.一种车载毫米波雷达动目标识别器的识别方法，其特征在于：所述的识别方法为识别器的毫米波频率步进雷达发射一帧载频依次增加的相参脉冲序列信号；对于天线（5）接收回来的信号通过傅里叶逆变换进行测距，再利用脉冲多普勒所得的精确速度补偿频率步进的测距误差，得出目标的精确距离，实现对运动目标的测速、测距。