CN105676212B - 一种近程测距雷达系统和基于该系统的目标测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种近程测距雷达系统和基于该系统的目标测量方法，所述系统包括：信号发生器，用于产生发射信号；发射天线，用于发射所述发射信号；第一接收天线和第二接收天线，用于接收接收信号；第一接收机和第二接收机，分别用于解调接收信号，并各产生一路I、Q信号到信号处理机；信号处理机，用于对所述I、Q信号进行处理产生目标参数送到后台计算机，同时对信号发生器进行时序控制；后台计算机，用于对所述目标参数进行处理得到目标测量结果。接收天线采用双通道接收，这样两个接收天线形成两路I、Q信号，能精确测量目标距离和角度。该近程测距雷达系统结构简单、成本低廉。

Description

一种近程测距雷达系统和基于该系统的目标测量方法

技术领域

本发明涉及雷达技术领域，具体涉及一种近程测距雷达系统和基于该系统的目标测量方法。

背景技术

近程测距雷达系统不仅要求高的测距精度，还要求高精度的测量目标角度，而且是针对多个目标。目前一般采用大带宽体制的雷达来实现高精度测距，但是大带宽体制的雷达无法实现高精度的测量目标角度，而且系统复杂、成本高。

发明内容

本发明的目的是提供一种能同时高精度的测量目标距离和角度的近程测距雷达系统和基于该系统的目标测量方法，并且所述雷达系统简单、成本低。

为实现上述发明目的，本发明提供了一种近程测距雷达系统，所述系统包括：

信号发生器，用于产生发射信号；

发射天线，用于发射所述发射信号；

第一接收天线和第二接收天线，用于接收接收信号；

第一接收机和第二接收机，分别用于解调接收信号，并各产生一路I、Q信号到信号处理机；

信号处理机，用于对所述I、Q信号进行处理产生目标参数送到后台计算机，同时对信号发生器进行时序控制；

后台计算机，用于对所述目标参数进行处理得到目标测量结果。

优选的，所述第一接收天线、第二接收天线和所述发射天线分开设置。

相应的，本发明还提供了一种基于上述近程测距雷达系统的目标测量方法，所述目标测量方法包括以下步骤：

S11、信号发生器产生多频连续波发射信号，所述多频连续波发射信号包括持续第一预设周期的跳频波段，所述跳频波段由多个频率不同的连续波组成，所述跳频波段中每个频率的连续波均持续第一预设时间；所述多频连续波发射信号通过发射天线发射出去；

S12、第一接收机和第二接收机对接收信号进行处理并各自产生一路I、Q信号到信号处理机，信号处理机采样各个频率的I、Q信号，依次通过FFT处理、门限检测、目标配对、速度解算、距离解算、角度解算、反射强度计算形成目标参数送到后台处理计算机；

S13、后台计算机对各目标参数进行虚假目标剔除、目标起始、目标跟踪、目标终结、目标分类、目标统计，得出每一个目标的距离、速度和角度。

具体的，所述跳频波段由4个频率不同的连续波组成。

具体的，所述第一预设时间为5.5us，所述第一预设周期为2048个周期。

由上述技术方案可知，接收天线采用双通道接收，这样两个接收天线形成两路I、Q信号，在信号处理时能够产生更多的不模糊距离数据用于计算目标距离，精度更高，目标角度可以采用双天线相位差测角法，能精确测量目标角度。该近程测距雷达系统结构简单、成本低廉。

本发明的有益效果如下：

1)采用两个接收天线形成两路I、Q信号能精确测量目标距离和角度。

2)采用多个频点跳频采样能产生更多的不模糊距离数据用于解算目标距离，目标距离的测量精度更高。

3)采用多个频点跳频采样并重复一定的周期，速度一致性好，能高精度的测量目标速度。

4)结构简单、成本低廉。

附图说明

图1是本发明近程测距雷达系统的一个实施例的结构示意图。

图2是本发明目标测量方法的一个实施例中多频连续波发射信号的频率变换时序示意图。

图3为本发明目标测量方法的一个实施例中，由4个频点构成的跳频波段的时序示意图。

图4为本发明目标测量方法的一个实施例的角度测量原理图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参照图1，本发明实施例提供的近程测距雷达系统，所述系统包括：

信号发生器40，用于产生发射信号；

发射天线10，用于发射所述发射信号；

第一接收天线20和第二接收天线30，用于接收接收信号；

第一接收机50和第二接收机60，分别用于解调接收信号，并各产生一路I、Q信号到信号处理机70；

信号处理机70，用于对所述I、Q信号进行处理产生目标参数送到后台计算机80，同时对信号发生器40进行时序控制；

后台计算机80，用于对所述目标参数进行处理得到目标测量结果。

由于雷达设备安装固定，为获取高精度目标方位和距离信息，接收天线采用双通道接收，这样两个接收天线可以形成两路I、Q信号(如图1所示I1、Q1、I2、Q2)，在信号处理时能够产生更多的不模糊距离数据用于计算目标距离，精度更高，目标角度可以采用双天线相位差测角法，能精确测量目标角度。该近程测距雷达系统结构简单、成本低廉。其中I表示同相分量，Q表示正交分量。

优选的，在本发明近程测距雷达系统的某些优选实施例中，所述第一接收天线、第二接收天线和所述发射天线分开设置。发射天线和接收天线分开设置，即采用双天线的形式，可以增大系统收、发通道的隔离度，避免干扰。

所述发射天线、第一接收天线、第二接收天线为所述雷达系统的天线部分，所述第一接收机、第二接收机和信号发生器为所述雷达系统的射频部分，在实际应用中，所述射频部分可以放置于所述天线部分的背部，所述射频部分和天线部分也可以集成在一块电路板上。这样设置可以节省更多的空间，便于小型化。

相应的，本发明还提供了一种基于上述近程测距雷达系统的目标测量方法，所述目标测量方法包括以下步骤：

步骤A1：信号发生器产生多频连续波发射信号，所述多频连续波发射信号包括持续第一预设周期的跳频波段，所述跳频波段由多个频率不同的连续波组成，所述跳频波段中每个频率的连续波均持续第一预设时间；所述多频连续波发射信号通过发射天线发射出去；

所述信号发生器周期性的产生多频连续波发射信号，所述多频连续波发射信号采用多频点交替发射的方式，用于高精度解算距离和速度。多个频点依次发射，并均持续第一预设时间，且此多个频点在第一预设周期内循环往复持续发射。采用多个频点跳频采样能产生更多的不模糊距离数据用于解算目标距离，目标距离的测量精度更高。并且速度一致性好，能高精度的测量目标速度。

步骤A2：第一接收机和第二接收机对接收信号分别进行处理并各自产生一路I、Q信号到信号处理机，信号处理机采样各个频率的I、Q信号，依次通过FFT处理、门限检测、目标配对、速度解算、距离解算、角度解算、反射强度计算形成目标参数送到后台处理计算机；

信号处理机采样完毕后，对不同频点数据做FFT处理，在预知噪声电平的基础上，设置门限，去除小信噪比的目标。然后根据不同频点的数据，对各个目标进行解速度模糊。由于频点参数的设计，同一目标在不同频点的峰值应在同一序号，并且根据不同频点对应关系，不模糊速度可以确定地解析出来。根据同一目标在不同频点的对应关系，进行目标配对，进一步解算目标距离。在实际应用中，根据各个频点选取关系，可以逐渐将目标距离精确聚焦到0.25m以内。

步骤A3：后台计算机对各目标参数进行虚假目标剔除、目标起始、目标跟踪、目标终结、目标分类、目标统计，得出每一个目标的距离、速度和角度。

步骤A2和步骤A3所表述的对接收信号的处理过程属于常规的信号处理技术，此部分内容可以参见现有技术，在此不再赘述。

具体的，在本发明目标测量方法的某些优选实施例中，所述跳频波段由4个频率不同的连续波组成。所述第一预设时间为5.5us，所述第一预设周期为2048个周期。请参照图2，跳频波段由4个频点(即频点f0，f1，f2和f3)跳频组成，如图3所示，每个频点的发射时间均为5.5us，4个一组22us，共2048组，约45ms。4个频点跳频，对同一目标产生不同相位信息，用于高精度地解算距离。4个频点跳频采样并重复2048个周期，用于高精度的测量目标速度。

下面结合本发明目标测量方法的优选实施例详细说明目标距离、角度和速度的测量原理。在该实施例中，跳频波段的四个频率分为f0＝24.0810GHz,f1＝24.0817GHz,f2＝24.0827GHz,f3＝24.0882GHz，所述第一预设时间为5.5us，所述第一预设周期为2048个周期。

四个频点形成三个频差，Δf1＝f1-f0＝0.7MHz，Δf2＝f2-f0＝1.7MHz，Δf3＝f3-f0＝7.2MHz，

根据不模糊距离公式：

R＝c/(2Δf)，其中R表示不模糊距离，c表示光速。

那么可以得出三个不模糊距离即三个频差的测量距离分别为R1＝214.3m，R2＝88.3m，R3＝20.8m。即三个频差可以对同一目标产生三个距离，但不模糊距离小的第二频差、第三频差可能模糊，而不模糊距离大的第一频差由于雷达发射功率较小的原因，不会出现模糊，即不会超出214.3m。也就是第一频差的倍率永远是0，即第一频点距离＝第一频点测量距离+0*R1。根据测距原理：频差小的不模糊距离大，但测距精度差，频差大的不模糊距离小，但测距精度高。所以用第一频差确定大致距离，即确定第二频差的倍率；再利用第二频差测量距离和相应的倍率，进一步提高距离精度，确定第三频差的倍率；再利用第三频差测量距离和相应的倍率，确定最终的精确距离。

由于是双天线，一个频差可以产生两个距离，即全部可以产生6个测量距离。

如果某次目标测量相位差解算距离为：

74.7397

77.6579

2.3416

1.8210

7.3488

7.6148

前两项是第一频差双天线测量的距离，第3、4项是第二频差双天线测量的距离，最后两项是第三频差双天线测量的距离。经计算，最终结果是：

1.0000

4.0000

90.8151

第一行是第二频差倍率，第二行是第三频差倍率，最后一行是最终距离。

又如：

某目标测量相位差解算距离为：

14.6057

206.2969

12.0614

6.4804

12.2761

11.9324

经计算，最终结果是：

0.0000

0.0000

12.1042

第一行是第二频差倍率，第二行是第三频差倍率，最后一行是最终距离。

所述目标角度采用采用双天线相位差测角法，请参照图4。

两天线阵元接收到的信号的空间相位差Φ为:

其中θ是目标入射角，K0和K1为两个天线，D是天线间距。根据上面公式即可求得目标角度θ。

因为有四个频点发射信号，双天线求相差，可有4个相差。实际测试4个相差分别为：

-199.6397

-157.5984

-142.4100

-125.5804

根据实际数据规律，采用中值滤波，即按大小排序，取中间值(奇数个数据求中间值，偶数个数值中间两个求均值)。根据数据稳定性，直接取第二个，即最终相差：

-125.5804

再根据公式(1)，即可求得目标角度θ。

测速根据传统的连续波测速方法：

fd＝2*v/λ

fd即目标多普勒频率，v是目标速度，λ是目标波长，等于c/f，即光速除以频率。

fd＝fs/2,即目标多普勒频率等于采样频率的一半，由于目标积累点数是2048，并且目标速度有正负之分，所以多普勒分辨率是fs/2/(2048/2)＝fs/2048。当目标出现在某个频道K时,目标的fd＝fs/2048*K.再根据v＝fd*λ/2，解算目标速度。

在实际测量中，某目标频道是94，那么目标速度解算为：52.0m/s。

在实际应用中，信号处理机可以采用一块电路板，负责全机时序的产生。其核心是一块DSP芯片，芯片内嵌硬件定时器，并在GPIO口产生相应脉冲，控制射频电路的时序产生。这些都脱离DSP的控制，独立运行。DSP内嵌一个12位AD，并且可采16路信号。

本发明的近程测距雷达系统和目标测量方法既可以用于靶场测距、测速，也可用于低空目标跟踪，同时也可用于交通雷达，可以有效进行车辆停车线检测，车辆队列长度检测，车辆闯红灯检测。同时跟踪和分类多达64个目标(包括车辆、自行车、行人)，可以同时覆盖4条车道甚至更多车道，最远可以测量到240米；自动检测交通流的运行方向；用在交叉路口，可以检测车辆的存在；可以检测每条车道上车辆的体积、容量、车辆之间的间隔和车辆的行进状态等。

Claims (4)

1.一种基于近程测距雷达系统的目标测量方法，其特征在于，所述系统包括：

信号发生器，用于产生发射信号；

发射天线，用于发射所述发射信号；

第一接收天线和第二接收天线，用于接收信号；

第一接收机和第二接收机，分别用于解调接收信号，并各产生一路I、Q信号到信号处理机；

信号处理机，用于对所述I、Q信号进行处理产生目标参数送到后台计算机，同时对信号发生器进行时序控制；

后台计算机，用于对所述目标参数进行处理得到目标测量结果；

所述目标测量方法包括以下步骤：

S11、信号发生器产生多频连续波发射信号，所述多频连续波发射信号包括持续第一预设周期的跳频波段，所述跳频波段由多个频率不同的连续波组成，所述跳频波段中每个频率的连续波均持续第一预设时间；所述多频连续波发射信号通过发射天线发射出去；

S12、第一接收机和第二接收机对接收信号进行处理并各自产生一路I、Q信号到信号处理机，信号处理机采样各个频率的I、Q信号，依次通过FFT处理、门限检测、目标配对、速度解算、距离解算、角度解算、反射强度计算形成目标参数送到后台处理计算机；

S13、后台计算机对各目标参数进行虚假目标剔除、目标起始、目标跟踪、目标终结、目标分类、目标统计，得出每一个目标的距离、速度和角度。

2.根据权利要求1所述的目标测量方法，其特征在于，所述跳频波段由4个频率不同的连续波组成。

3.根据权利要求1或2所述的目标测量方法，其特征在于，所述第一预设时间为5.5us，所述第一预设周期为2048个周期。

4.根据权利要求1或2所述的目标测量方法，其特征在于，所述第一接收天线、第二接收天线和所述发射天线分开设置。