CN104579324B - 调频连续波雷达系统及其运用方法 - Google Patents

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Abstract

根据本发明的一实施例的调频连续波雷达系统，包括：PLL(Phase Locked Loop‑锁相环路)模块，应对频率步骤的变化而利用环路滤波器调整回应时间，由此生成线性调频(chirp)信号；及补正模块，收集所述生成的线性调频信号而生成使原信号及以运营最大距离延迟原信号的信号的拍频，补正所述环路滤波器而使该拍频的相位误差维持在事先规定的范围内。

Description

调频连续波雷达系统及其运用方法
技术领域
本发明涉及调频连续波(Frequency Modulated Continuous Wave，FMCW)雷达系统及其运用方法，即能够改善线性调频(chirp)信号的线性度的调频连续波雷达系统及其运用方法。
背景技术
调频连续波(Frequency Modulated Continuous Wave，FMCW)雷达系统中线性调频(Chirp)信号的线性度是决定目标分辨率及探测距离的重要因素，最近为呈现高分辨率雷达而要求更快时间内生成更宽频带的线性调频(Chirp)信号。据此，提出了多种改善线性度的方法。
传统调频连续波(FMCW)雷达系统中的一个具有为产生线性度优秀的FMCW信号而通过查询表(Lookup table)直接控制电压控制振荡器(VCO)的开电路形态的频率控制结构。
并且，传统调频连续波雷达系统为补正对环境变化的电压控制振荡器(VCO)的特性变化而构成另外的拍频生成装置而分析误差并补正，使雷达对环境变化维持优秀的线性度。
但是，传统调频连续波雷达系统在实际运用条件下具有不足之处。
利用电压控制振荡器的直接控制方法中线性调频(chirp)信号的生成是根据控制步骤而产生步骤时间内的误差，仍然存在现有的所有线性调频信号发生器所具有的线性度问题。
并且，用于生成拍频信号的延迟器由光学变换器及光缆构成且这是价格相当高的产品，因此像远距离雷达等的实际运营状况中呈现最大距离的延迟器，现实中存在很大的负担。
现有技术文献
KR10-2007-7009723A
发明内容
(要解决的技术问题)
本发明的目的在于提供一种调频连续波雷达系统及运用方法，通过调整环路滤波器的回应时间而最小化现有结构中频率步骤变化时发生的步骤误差，即使因环境变化而电压控制振荡器(Voltaqge Controlled Oscillator，VCO)的特性发生变化，也能克服现有方法的成型性的局限性。
(解决问题的手段)
为解决所述发明的目的的根据本发明的一方面的调频连续波雷达系统，其特征在于，包括：PLL(Phase Locked Loop-锁相环路)模块，应对频率步骤的变化而利用环路滤波器调整回应时间，由此生成线性调频(chirp)信号；及补正模块，收集所述生成的线性调频信号而生成使原信号及以运营最大距离延迟原信号的信号的拍频，补正所述环路滤波器而使该拍频的相位误差维持在事先规定的范围内。
所述PLL模块，可具备：第1频率分频器，为了与基准时钟频率进行相位比较而分频反馈的输出侧频率；相位探测器，产生相当于根据该第1频率分频器分频的分频频率与所述基准时钟频率之间的频率差的电荷；环路滤波器，把根据该相位探测器产生的电荷变换成电压而消除高频段的寄生侧带波；电压控制振荡器，生成相当于从该环路滤波器输入的电压的频率并最终输出。
所述补正模块，可具备：耦合器及电力分配器，分配所述最终输出；第2频率分频器，从所述电力分配器接收线性调频(chirp)信号而降频变换频率；ADC(模数转换器)，收集根据所述第2频率分频器降频变换的信号；MCU(微控制单元)，利用根据所述ADC收集的信号而执行演算。
所述补正模块，应对根据环境变化的所述电压控制振荡器的特性变化，在联机(on-line)状态下实时计算所述拍频的相位误差率。
所述MCU，控制所述环路滤波器而使其生成线性调频信号的同时，通过所述ADC而收集所述生成的线性调频信号。
所述线性调频信号的生成路径依次按照所述电压控制振荡器、所述耦合器、所述电力分配器、所述第1频率分频器、所述相位探测器及所述环路滤波器；所述线性调频信号的收集路径依次按照所述电压控制振荡器、所述耦合器、所述电力分配器、所述第2频率分频器及所述ADC。
所述MCU生成所述拍频后，作为所述拍频的相位误差，通过电压的峰点发生时间而测定频率的分散程度或RMS(Root Mean Square-均方根)颤动大小；通过增加所述环路滤波器的带宽而变更环路回应时间，在其变更的条件下，重新测定拍频的分散程度或RMS(RootMean Square-均方根)颤动大小并与之前测定值进行比较；其比较结果小于之前测定值时，以增加所述环路滤波器的带宽的方向执行控制，大于之前测定值时，以减少所述环路滤波器的带宽的方向执行控制。
所述MCU，若以减少所述环路滤波器的带宽的方向进行了控制时，减少所述环路滤波器的带宽而变更环路回应时间，在其变更的条件下，重新测定拍频的分散程度或RMS(Root Mean Square-均方根)颤动大小而与之前测定值进行比较，其比较结果小于之前测定值时，以减少所述环路滤波器的带宽的方向执行控制，大于之前测定值时，以增加所述环路滤波器的带宽的方向执行控制。
根据达成所述目的的本发明的另一方面，涉及一种调频连续波雷达系统的运用方法，所述调频连续波雷达系统包括：PLL(Phase Locked Loop-锁相环路)模块，应对频率步骤的变化而利用环路滤波器调整回应时间，由此生成线性调频(chirp)信号；及补正模块，收集所述生成的线性调频信号而生成使原信号及以运营最大距离延迟原信号的信号的拍频，补正所述环路滤波器而使该拍频的相位误差维持在事先规定的范围内；所述方法，包括以下步骤：所述调频连续波雷达系统在决定对线性调频信号的信息后，设定所述环路滤波器的初始值，利用该设定的环路滤波器的初始值而生成线性调频信号的同时，通过ADC收集已生成的线性调频信号的步骤；所述调频连续波雷达系统设定使所述收集的线性调频信号延迟到所述运营最大距离程度的延迟时间，并测定所述拍频的相位误差的步骤；及所述调频连续波雷达系统增加所述环路滤波器的带宽而变更环路回应时间，在其变更的条件下重新测定所述拍频的相位误差并与之前测定值进行比较，其比较结果再测定值小于其之前测定值时，以增加所述环路滤波器的带宽的方向执行控制，其比较结果再测定值大于其之前测定值时，以减少所述环路滤波器的带宽的方向执行控制的步骤。
本发明的调频连续波雷达系统的运用方法还可包括：所述调频连续波雷达系统减少所述环路滤波器的带宽而变更环路回应时间，在其变更的条件下重新测定所述拍频的相位误差并与之前测定值进行比较，其比较结果再测定值小于其之前测定值时，以减少所述环路滤波器的带宽的方向执行控制，其比较结果再测定值大于其之前测定值时，以增加所述环路滤波器的带宽的方向执行控制的步骤。
(发明的效果)
如上述，本发明通过PLL模块10的环路滤波器而调整整体回应时间，能够最小化生成线性调频(Chirp)信号时发生的步骤误差，通过软件处理用于生成拍频信号的时间延迟，无需高价的硬件而生成符合实际运营状况的拍频信号，由此最小化误差而维持对环境变化的最佳线性度。
附图说明
图1是根据本发明的一实施例的调频连续波雷达系统的框图。
图2是呈现现有PLL结构的图。
图3是用于说明根据现有DAC的开放型频率控制方法的图。
图4是呈现现有DDS结构的图。
图5是用于说明根据现有调频连续波雷达系统的步骤误差的图。
图6是用于定义根据现有调频连续波雷达系统的线性误差的图。
图7是用于说明根据本发明的一实施例的调频连续波雷达系统的根据环路回应时间的线性调频的线性度的图表。
图8是根据本发明的一实施例的调频连续波雷达系统的控制流程图。
图9是呈现根据本发明的一实施例的调频连续波雷达系统的线性调频分布及同步化信号的图表。
图10是用于说明根据本发明的一实施例的调频连续波雷达系统的拍频生成原理的图表。
图11是用于说明根据本发明的一实施例的调频连续波雷达系统的线性调频线性度较差时的拍频的变化的图。
符号说明
10：PLL模块
20：补正模块
101：电压控制振荡器
102：耦合器
103：电力分配器
104：第1频率分频器
105：相位探测器
106：环路滤波器
107：基准时钟频率发生器
108：第2频率分频器
109：ADC
110：MCU
具体实施方式
以下参照附图说明根据本发明的实施例的调频连续波雷达系统及其运用方法。附图所呈现的结构只是用于说明本发明的概念的概念图，省略与结构相关公开技术的说明。
本发明的实施形态是为了给本技术领域具有一般知识的人更加完整地说明本发明而提供的。因此，有可能为更加明确的说明而夸大附图中要素的形状及大小等。
图1是根据本发明的一实施例的调频连续波雷达系统的框图。参照图1，根据本实施例的调频连续波雷达系统可具备PLL(Phase Locked Loop-锁相环路)模块10及补正模块20。
根据本实施例的PLL模块10为频率反馈型电路，应对频率步骤的变化而利用环路滤波器106调整回应时间，由此生成线性调频(chirp)信号，可包括第1频率分频器104、相位探测器105、环路滤波器106及电压控制振荡器101。
第1频率分频器104为了与基准时钟频率进行相位比较而分频反馈的输出侧频率，相位探测器105产生相当于反馈信号分频频率/基准时钟频率间频率差的电荷。基准时钟频率根据基准时钟频率发生器107生成。
环路滤波器106把电荷变换成电压而消除高频段的寄生侧带波(spurious)，电压控制振荡器101生成相当于从环路滤波器106输入的电压的频率并输出。
以下，参照图2至图4，说明3种现有调频连续波雷达系统的线性调频信号生成方法。
图2是呈现现有PLL结构的图，如图2所图示，RFD比较基准时钟与分频的VCO输出时钟之间的相位及频率差而生成Up(上升)/Down(下降)脉冲。电荷泵(Charge pump)与环路滤波器把离散性的Up/Down脉冲变换成能够控制VCO的模拟电压，控制VCO输出频率最终达到基准时钟频率的N倍。这种根据现有PLL的频率生成可实现正确的频率控制，但因负反馈控制导致的时间延迟，很难适用于快速步骤的控制。
图3是用于说明根据现有DAC的开放型频率控制方法的图，由VCO210、DAC220、MCU(微控制单元)230构成。结构不是根据负反馈的频率控制，而是直接控制VCO210的电压的方式，正确知道根据VCO210的电压的频率回应特性时，可进行线性控制。VCO210的回应特性绝对地左右其性能，因此VCO210的特性需所有运用温度别查询表(Lookup table)作业，在Off-line(离线)状态下执行这种表格作业。
图4是呈现现有DDS结构的图，是为了说明根据DAC的开放型频率控制方法的图，由DAC310、PAC320、相位电阻330构成。与模拟方式不同，通过变换器输出对保存到电阻的相位的电压值而产生信号。这时，根据数码方式组合根据时间的相位变化，由此生成所需的频率信号。如所述，用数码方式生成信号的DDS方式相比前述的两个方式，其线性度绝对地优秀，但会因In-Band(带内)发生的寄生侧带波(spurious)而产生探测误差，因频率局限性而主要适用于低频带，为应用到毫米波带而需要附加的Up变换器。
根据本实施例的补正模块20，收集所述生成的线性调频信号而生成使原信号及以运营最大距离延迟原信号的信号的拍频，补正所述环路滤波器106而使该拍频的相位误差减少到事先规定的范围内。
补正模块20如图1所图示，具备：耦合器102及电力分配器103，分配所述最终输出；第2频率分频器108，从电力分配器103接收线性调频(chirp)信号而降频变换频率；ADC(模数转换器)109，收集根据第2频率分频器108降频变换的信号；MCU(微控制单元)110，利用根据ADC(模数转换器)109收集的信号而执行演算。
具体来说，MCU(微控制单元)110在拍频生成后通过电压的Peak(峰)点发生时间而测定频率的分散程度或RMS(Root Mean Square-均方根)颤动大小。
MCU(微控制单元)110通过增加环路滤波器106的带宽而调整环路回应时间，在变更的条件下重新测定拍频的分散程度或RMS颤动大小而与初始值进行比较。
与初始值的比较结果，改善了线性度时，以增加环路滤波器106的带宽的方向进行控制，若相反，以减少环路滤波器106的带宽的方向进行控制。这种控制环路无限反复，在运营过程中使线性调频线性度维持最佳状态。
如上述，根据本实施例的调频连续波雷达系统通过PLL模块10的环路滤波器106调整整体回应时间，能够最小化生成线性调频(Chirp)信号时发生的步骤误差，通过软件处理用于生成拍频信号的时间延迟，无需高价的硬件构成，就能生成符合实际运营状况的拍频信号而最小化误差，应对环境变化维持最佳的线性度。
即，根据补正模块20而补正环路滤波器106，通过调整环路滤波器106的回应时间而最小化频率步骤变化时发生的步骤误差。即，即使因环境变化而VCO(VoltageControlled Oscillator，压控振荡器)的特性产生变化，能够在联机(on-line)状态下持续地实时计算误差率而重新调整环路滤波器106的回应时间。
以下参照图5至图7，与现有调频连续波雷达系统进行比较而说明根据本实施例的调频连续波雷达系统的性能。
图5是用于说明根据现有调频连续波雷达系统的步骤误差的图，图6是用于定义根据现有调频连续波雷达系统的线性误差的图。现有的调频连续波雷达系统都在微小区间内根据控制步骤而产生如图5的步骤误差。因此，即使细化步骤，因微小区间内发生的误差，这种结构具有线性度上的局限性。现有的调频连续波雷达系统中呈现线性度的误差可通过如图6的数学式而确认。该数学式与图6相关，用于定义线性误差的数学式。
【数学式1】
这里，INL是积分线性(Integral Linearity)，fc是结束频率，f1是开始频率。
图7是用于说明根据本发明的一实施例的调频连续波雷达系统的根据环路回应时间的线性调频的线性度的图表。
根据本实施例的PLL模块10的环路回应的线性度的改善程度可根据图7确认。即，通过图7，能够了解环路回应具有适当的延迟时间时，具有最佳的线性度。
并且，根据本实施例的调频连续波雷达系统可通过补正模块20所执行的联机(on-line)补正，根据电压控制振荡器(VCO)的特性而调整环路回应时间。PLL模块的整体环路带宽(W3dB)对电压控制振荡器(VCO)的特性变化敏感地反应。
以下参照图8至图11而说明根据本发明的一实施例的调频连续波雷达系统的动作。
图8是根据本发明的一实施例的调频连续波雷达系统的控制程序图。参照图8，调频连续波雷达系统在如图9决定线性调频信号相关的信息(频带宽、频率Deviation(偏差)、Dwell(延迟)时间、频率Step(步骤)个数)后，设定环路滤波器106的初始值(S110)。图9是呈现根据本发明的一实施例的调频连续波雷达系统的线性调频分布及同步化信号的图表。
其次，调频连续波雷达系统通过根据S110步骤设定的初始值而生成线性调频信号(S115)。Chirp(线性调频)信号的生成根据MCU(微控制单元)110的控制命令而执行，通过ADC(模数转换器)109收集生成信号的同时生成的线性调频信号。
线性调频信号的生成路径为电压控制振荡器101、耦合器102，电力分配器103、第1频率分频器104、相位探测器105、环路滤波器106，线性调频信号收集路径为电压控制振荡器101、耦合器102、电力分配器103、第2频率分频器108、ADC(模数转换器)109。
然后，调频连续波雷达系统设定使收集的线性调频信号延迟到原信号及其原信号的运营最大距离为止的延迟时间(S120)，测定线性误差即拍频的相位误差(S125)。
具体来说，MCU(微控制单元)110是生成所述拍频生成后所述拍频的相位误差，通过电压的峰点发生时间而测定频率的分散程度或RMS(Root Mean Square-均方根)颤动大小。
然后，调频连续波雷达系统增加环路滤波器106的带宽(S130)而变更环路回应时间，在其变更的条件下，测定重新拍频的分散程度或RMS(Root Mean Square-均方根)颤动大小(S135)，与之前测定值进行比较(S140)。
根据本实施例的MCU(微控制单元)执行的拍频的生成原理如图10，线性调频信号的线性度差时，如图11所图示，拍频不固定而产生变化。图10是用于说明根据本发明的一实施例的调频连续波雷达系统的拍频生成原理的图表，图11是用于说明根据本发明的一实施例的调频连续波雷达系统的线性调频线性度较差时的拍频的变化的图。
S140步骤的比较结果为再测定值小于之前测定值时，调频连续波雷达系统返回S130步骤而以增加环路滤波器106的带宽的方向执行控制。
相反，S140步骤的比较结果为再测定值大于之前测定值时，调频连续波雷达系统以减少环路滤波器106的带宽的方向执行控制。
即，调频连续波雷达系统通过减少环路滤波器106的带宽(S145)而变更环路回应时间，在其变更的条件下作为拍频的相位误差，重新测定拍频的分散程度或RMS(Root MeanSquare-均方根)颤动大小(S150)而与之前测定值进行比较(S155)。
S155步骤的比较结果为再测定值小于之前测定值时，返回S145步骤而以减少环路滤波器106的带宽的方向执行控制。
相反，S155步骤的比较结果为再测定值大于之前测定值时，返回S130步骤而以增加环路滤波器106的带宽的方向执行控制。
如上述，根据本实施例的调频连续波雷达系统及其运用方法通过PLL模块10的环路滤波器106而调整整体回应时间，由此能够最小化生成线性调频(Chirp)信号时发生的步骤误差，通过软件处理用于生成拍频信号的时间延迟，无需高价的硬件而生成符合实际运营状况的拍频信号，由此最小化误差而维持对环境变化的最佳线性度。
根据本发明的一实施例的调频连续波雷达系统及其运用方法并不限定于上述说明的实施例的构成及方法，根据使用者的需要，可选择性地组合实施例的全部或部分而构成。
如上述，根据具体的构成要素等特定事项和限定的实施例及附图而说明了本发明，但这只是为了有助于全面地理解本发明而提供的，并不是指本发明限定于所述实施例，在本发明所属领域具有一般知识的人能够通过所述记载而进行多种修正及变形。

Claims (8)

1.一种调频连续波雷达系统，其特征在于，包括：
锁相环路PLL模块，应对频率步骤的变化而利用环路滤波器调整回应时间，由此生成线性调频信号；及
补正模块，收集所述生成的线性调频信号而生成使原信号及以运营最大距离延迟原信号的信号的拍频，补正所述环路滤波器而使该拍频的相位误差维持在事先规定的范围内，
所述PLL模块，具备：
第1频率分频器，为了与基准时钟频率进行相位比较而分频反馈的输出侧频率；
相位探测器，产生相当于根据该第1频率分频器分频的分频频率与所述基准时钟频率之间的频率差的电荷；
环路滤波器，把根据该相位探测器产生的电荷变换成电压而消除高频段的寄生侧带波；
电压控制振荡器，生成相当于从该环路滤波器输入的电压的频率并最终输出，
所述补正模块，具备：
耦合器及电力分配器，分配所述最终输出；
第2频率分频器，从所述电力分配器接收线性调频信号而降频变换频率；
ADC，收集根据所述第2频率分频器降频变换的信号；
MCU，利用根据所述ADC收集的信号而执行演算。
2.根据权利要求1所述的调频连续波雷达系统，其特征在于，
所述补正模块，应对根据环境变化的所述电压控制振荡器的特性变化，在联机状态下实时计算所述拍频的相位误差率。
3.根据权利要求1所述的调频连续波雷达系统，其特征在于，
所述MCU，控制所述环路滤波器而使其生成线性调频信号的同时，通过所述ADC而收集所述生成的线性调频信号。
4.根据权利要求1所述的调频连续波雷达系统，其特征在于，
所述线性调频信号的生成路径依次按照所述电压控制振荡器、所述耦合器、所述电力分配器、所述第1频率分频器、所述相位探测器及所述环路滤波器；所述线性调频信号的收集路径依次按照所述电压控制振荡器、所述耦合器、所述电力分配器、所述第2频率分频器及所述ADC。
5.根据权利要求1所述的调频连续波雷达系统，其特征在于，
所述MCU生成所述拍频后，作为所述拍频的相位误差，通过电压的峰点发生时间而测定频率的分散程度或均方根RMS颤动大小；通过增加所述环路滤波器的带宽而变更环路回应时间，在其变更的条件下，重新测定拍频的分散程度或均方根RMS颤动大小并与之前测定值进行比较；其比较结果小于之前测定值时，以增加所述环路滤波器的带宽的方向执行控制，大于之前测定值时，以减少所述环路滤波器的带宽的方向执行控制。
6.根据权利要求5所述的调频连续波雷达系统，其特征在于，
所述MCU，若以减少所述环路滤波器的带宽的方向进行了控制时，减少所述环路滤波器的带宽而变更环路回应时间，在其变更的条件下，重新测定拍频的分散程度或均方根RMS颤动大小而与之前测定值进行比较，其比较结果小于之前测定值时，以减少所述环路滤波器的带宽的方向执行控制，大于之前测定值时，以增加所述环路滤波器的带宽的方向执行控制。
7.一种调频连续波雷达系统的运用方法，所述调频连续波雷达系统包括：锁相环路PLL模块，应对频率步骤的变化而利用环路滤波器调整回应时间，由此生成线性调频信号；及补正模块，收集所述生成的线性调频信号而生成使原信号及以运营最大距离延迟原信号的信号的拍频，补正所述环路滤波器而使该拍频的相位误差维持在事先规定的范围内，所述方法其特征在于，包括以下步骤：
所述调频连续波雷达系统在决定对线性调频信号的信息后，设定所述环路滤波器的初始值，利用该设定的环路滤波器的初始值而生成线性调频信号的同时，通过ADC收集已生成的线性调频信号的步骤；
所述调频连续波雷达系统设定使所述收集的线性调频信号延迟到所述运营最大距离程度的延迟时间，并测定所述拍频的相位误差的步骤；及
所述调频连续波雷达系统增加所述环路滤波器的带宽而变更环路回应时间，在其变更的条件下重新测定所述拍频的相位误差并与之前测定值进行比较，其比较结果再测定值小于其之前测定值时，以增加所述环路滤波器的带宽的方向执行控制，其比较结果再测定值大于其之前测定值时，以减少所述环路滤波器的带宽的方向执行控制的步骤。
8.根据权利要求7所述的调频连续波雷达系统的运用方法，其特征在于，还包括：
所述调频连续波雷达系统减少所述环路滤波器的带宽而变更环路回应时间，在其变更的条件下重新测定所述拍频的相位误差并与之前测定值进行比较，其比较结果再测定值小于其之前测定值时，以减少所述环路滤波器的带宽的方向执行控制，其比较结果再测定值大于其之前测定值时，以增加所述环路滤波器的带宽的方向执行控制的步骤。
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