CN106125052A - 一种线性调频连续波雷达调制泄露的消除方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于雷达调制技术领域，具体涉及一种线性调频连续波雷达泄露的消除方法和系统。本发明通过IF信号提取一路调制泄露信号，基于参考调制信号拟合出一路调制泄露信号，根据两路调制泄露信号的相关性运算与拟合误差运算，对拟合参数进行自适应调整，实现在全数字域实现调制信号泄露的对消；根据相关性和拟合误差的值，自适应调整拟合信号幅度系数、相位等拟合参数，直到获得最大的相关值和最小的拟合误差。此时获得的拟合调制信号近似为IF信号中包含的调制泄露信号，由IF信号减去拟合调制泄露信号，获得调制泄露的消除后的目标回波信号。本发明在全数字域实现IF调制泄露信号的对消，简化了雷达射频前段的设计，使整个雷达系统结构简单灵活。

Description

一种线性调频连续波雷达调制泄露的消除方法和系统

技术领域

本发明属于雷达调制技术领域，具体涉及一种线性调频连续波雷达泄露的消除方法和系统。

背景技术

线性调频连续波（LFMCW）体制雷达与脉冲体制雷达相比具有雷达设备体积小、重量轻、发射峰值功率低、没有距离盲区等特点，非常适合于汽车防撞、安防等领域的应用。但LFMCW雷达由于其发送和接收信号是同时进行的，因此，发送到接收的泄露信号将会对雷达接收机的接收性能产生很大影响。

在汽车防撞及安防领域，雷达作用距离一般在几十厘米到数百米，其发送信号功率一般在10dBm(10mW)左右或以下，采用收发天线分离结构，一般可实现收发隔离度在20dB~30以上。因此，基于目前的电子技术，在汽车防撞和安防领域，可实现LFMCW雷达射频前端不会因为调制泄露而导致射频前端放大器电路出现饱和。在中频段，通过合理的设计一般也可避免放大器饱和现象。但对于微弱的目标反射信号，由于泄露信号的存在，为了避免中频放大器出现饱和，不得不将放大器的增益控制在一定范围内，这将导致整个接收通路的动态范围变窄，从而降低雷达接收机的灵敏度，使LFMCW雷达的系统性能劣化。因此，如能在射频段或中频段采用泄露对消，将可提高LFMCW雷达系统性能，这也是目前LFMCW雷达系统调制泄露对消的主要解决技术和方法。

基于射频或中频对消、或射频与中频对消相结合的调制泄露对消技术，其基本原理都是基于相位补偿的相消技术，即通过电路产生一个其幅度和相位可调整的对消信号，使其与泄露信号抵消，从而降低发射信号到接收机的泄露，以保证LFMCW雷达系统满足所需的性能。另外，由于泄露信号会随着电磁环境的变化而变化，故一般需要自适应调整以获得较高的对消比。可见，无论是射频对消还是中频对消，一般是在模拟信号域完成，难免会导致雷达系统的设计难度提高、结构复杂、系统灵活性差，也相应增加了系统成本。基于射频或中频对消技术除了对消设备实现较为复杂的缺点外，泄露对消信号的快速准确匹配的实现也较为困难，要实现高对消比，对自适应算法的速度、精度及控制电路的精度都有非常高的要求。

考虑到影响LFMCW雷达系统接收灵敏度和动态范围性能参数的主要有三个关键功能电路：射频(RF)放大器、中频(IF)放大器和模数变换器(ADC)。在传统的射频和中频对消系统中，并没有充分考虑ADC电路对系统动态范围和灵敏度的影响。同时，在汽车防撞和安防等应用领域，LFMCW雷达系统因为作用距离的原因，正常的系统设计可确保射频放大器不会出现饱和现象，而在射频域实现对消，无论时技术实现难度还是成本都是最高的。因此，可将泄露信号的对消处理，主要放在信号频率较低的中频信号域或ADC之后进行综合考虑，以便实现在满足雷达系统性能要求的前提下，尽可能地低成本、灵活地实现LFMCW雷达系统。本发明正是充分考虑了现有高分辨率ADC技术和数字信号处理技术及汽车防撞、安防等应用领域对LFMCW雷达系统的要求，采用自适应数字对消技术以解决调制泄漏信号的抑制问题，尽可能使LFMCW雷达系统射频前端结构简单、成本低，后端数据处理系统充分利用高分辨率ADC技术，在保证雷达系统的接收灵敏度和动态范围的前提下，系统结构灵活、简单。

发明内容

本发明的目的在于提供一种结构简单、成本低廉的线性调频连续波雷达调制泄露的消除方法和系统。

本发明提出的线性调频连续波雷达调制泄露的消除方法和系统，是基于目前已成熟并处于高速发展的高分辨率ADC电路技术，将接收IF信号变换到数字域之后，在数字信号域实现对LFMCW雷达调制泄露信号的对消处理。

本发明提出的线性调频连续波雷达调制泄露的消除方法，具体步骤为：

（1）将来自LFMCW雷达前端、已完成下变频的IF接收信号，经过可变增益放大器(VGC)放大之后，直接输入高分辨率的模数转换（ADC），进行模数转换以获得数字化的IF接收信号；该中频信号包含调制泄露干扰信号和目标有效回波信号；其中，VGC的增益大小，可根据ADC是否产生截止进行调节，以保证最大输入信号不超过ADC的满幅度输入；

（2）分出部分雷达调制信号作为调制参考信号，直接输入与IF接收信号相同分辨率的ADC，并且同步工作，将调制参考信号数字化；根据参考调制信号，可以拟合IF信号中包含的调制干扰信号；

（3）基于调制泄露信号稳定不变的特性，从数字化的IF接收信号提取出调制泄露信号，并与基于参考调制信号拟合产生的调制干扰信号分别进行相关性和相减运算，其中，相减输出可看作拟合的调制干扰信号与提取出来的干扰信号之间的误差信号。提取的调制泄露信号与基于参考调制拟合的调制干扰信号相关性运算越大、相减获得的误差越小，则拟合的调制泄露信号越接近于IF信号中包含的调制泄露信号。根据相关性运算及误差信号的大小是否满足系统要求决定是否对拟合调制泄露信号的幅度、相位是否调整。如果不满足，则调整调制参考信号的幅度系数和相位参数，直到相关性运算大于、误差信号小于系统要求，此时，基于调制参考信号拟合出IF接收信号中包含的调制泄露信号；

（4）将IF接收信号减去拟合的调制泄露信号，可对消IF信号中的调制泄露干扰信号，输出信号为目标有效回波信号，经过后续的信号处理获得相应的雷达测量参数。

基于上述方法的LFMCW雷达调制泄露的消除系统，其结构框图如图1所示。该系统包括：用于IF信号可变增益放大的可变增益放大器(VGC)1，IF信号的（高分辨率的）模数变换器（ADC）2，调制泄露信号的提取单元3，用于判别IF信号是否满幅度的判决单元5，参考调制信号的（高分辨率的）模数变换器（ADC）6，基于参考调制信号拟合调制泄露信号的拟合单元7，实现两路调制泄露信号相减的减法器4，实现两路调制泄露信号相关性运算的相关模块8，实现IF信号减去拟合调制泄露信号的减法器9；其中，IF接收信号经过可变增益放大器1对雷达射频前端输入的IF信号进行放大，然后输入到IF信号的ADC电路2，经过ADC变换为数字信号，IF信号的ADC电路2的输出进入调制泄露信号的提取单元3，提取单元3采用基于累加等算法从IF信号中提取调制泄露信号；利用是否满幅度判决单元5对输入信号进行判定，如果输入信号超过ADC 2的满幅度，则调整可变增益放大器1减小IF信号增益直到低于ADC 2的满幅度输入；同时，从雷达前端输入的雷达调制信号作为参考调制信号输入参考调制信号的ADC电路6，参考调制信号的ADC电路6与IF信号的ADC电路2具有相同分辨率并同步工作；参考调制信号的ADC电路6的输出进入到调制信号拟合单元7，调制信号拟合单元7的输出分别与调制泄露信号提取单元3输出的调制泄露信号通过减法器4和相关器8进行求差和相关运算，获得拟合误差和相关值；调制信号拟合单元7的输出与调制泄露信号提取单元3的输出越接近，则拟合误差越小、相关值越大，并根据减法器4和相关器8的输出自适应调整调制信号拟合单元7的幅度、相位参数，以实现尽可能小的拟合误差小和尽可能大的相关值；对消系统的输出由IF信号ADC电路2的输出信号通过减法器9实现减去调制信号拟合单元7的输出信号，减法器9的输出为实现调制泄露对消后的目标回波IF信号。

本发明的优点在于：调制泄露信号的对消全部在数字域完成，不涉及到射频前端部分电路，使系统结构简单、灵活，适应性强。

附图说明

图1为本发明LFMCW雷达调制泄露对消系统结构框图。

图中标号：1为可变增益放大器(VGC)；2为IF信号的ADC；3为泄露信号提取单元；4为实现两路调制泄露信号相减的减法器；5为是否满幅度判决单元；6为参考调制信号的ADC；7为泄露信号拟合单元；8为相关器；9为实现IF信号减去拟合调制泄露信号的减法器。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，进一步描述本发明。来自采用三角波调制的24GHz调频连续波防撞雷达射频前端的IF信号输入可变增益放大器(VGC)1,将IF信号进行适当幅度放大后，输入到IF信号的ADC 2。IF信号的ADC 2的输出信号分为两路，一路输入判决单元5，以控制可变增益放大器(VGC)1的放大幅度，以免IF信号放大过大导致IF信号的ADC 2过载；另一路输入到泄露信号提取单元3以提取调制泄露信号。由于调制泄露信号在雷达结构确定后，雷达系统的调制泄露也会基本不变的这一特性，可以通过信号累加平均方法或数字域拟合算法提取三角波调制泄露信号。另一路来自24GHz调频连续波防撞雷达前端的三角波调制参考调制输入参考调制信号的ADC 6，作为参考信号与提取从泄露信号提取单元3输出的泄露信号进行求差及相关运算。正常情况下，泄露信号提取单元3的输出与参考调制信号的ADC6的输出差别越小，减法器4的输出是其误差信号也就越小，相关器8其相关输出信号就越大。但由于在实际的24GHz调频连续波防撞雷达系统中，其调制信号泄露链路可能存在收发天线耦合、前端收发射频电路及芯片封装/焊接等耦合、前端收发芯片电源耦合等多种路径，每种耦合路径都会存在耦合幅度和信号相位的偏差，因此，要实现高性能的调制泄露消除，需要对这多种可能的耦合通路的幅度及对应相位信号都需要拟合出来，经泄露信号拟合单元7输出并在减法器9实现对消。最常规的做法采用减法求差获得两种信号的误差信号，并让其尽可能小，从而获得调制泄露信号，从而进一步实现对消。由于提取泄露信号与参考泄露信号越接近，该信号越小，因此容易受到系统器件精度的限制导致系统精度会受到一定程度的限制；而相关运算是大信号，在器件应用上更容以满足。并且方案把两种方法结合起来自适应处理，从而可获得更高的系统精度和性能。

Claims (2)

1.一种线性调频连续波雷达调制泄露的消除方法，其特征在于具体步骤为：

（1）将来自LFMCW雷达前端、已完成下变频的IF接收信号，经过可变增益放大器(VGC)放大，然后直接输入高分辨率的模数转换器（ADC）进行模数转换，以获得数字化的IF接收信号；该中频信号包含调制泄露干扰信号和目标有效回波信号；其中，VGC的增益大小，根据ADC是否产生截止进行调节，以保证最大输入信号不超过ADC的满幅度输入；

（2）分出部分雷达调制信号作为调制参考信号，直接输入与IF接收信号相同分辨率的ADC，并且同步工作，将调制参考信号数字化；根据调制参考信号，拟合IF信号中包含的调制泄露干扰信号；

（3）基于调制泄露信号稳定不变的特性，从数字化的IF接收信号提取出调制泄露信号，并与基于调制参考信号拟合产生的调制干扰信号分别进行相关性和相减运算；其中，相减输出看作拟合的调制干扰信号与提取出来的干扰信号之间的误差信号；提取的调制泄露信号与基于参考调制拟合的调制干扰信号相关性运算越大、相减获得的误差越小，则拟合的调制泄露信号越接近于IF信号中包含的调制泄露信号；根据相关性运算及误差信号的大小是否满足系统要求，决定是否对拟合调制泄露信号的幅度、相位进行调整：如果不满足，则调整调制参考信号的幅度系数和相位参数，直到相关性运算大于、误差信号小于系统要求，此时，基于调制参考信号拟合出IF接收信号中包含的调制泄露信号；

（4）将IF接收信号减去拟合的调制泄露信号，以对消IF信号中的调制泄露干扰信号，输出信号为目标有效回波信号，经过后续的信号处理获得相应的雷达测量参数。

2.一种线性调频连续波雷达调制泄露的消除系统，其特征在于包括：用于IF信号可变增益放大的可变增益放大器(VGC)（1），IF信号的模数变换器（ADC）（2），调制泄露信号的提取单元（3），用于判别IF信号是否满幅度的判决单元（5），参考调制信号的模数变换器（ADC）（6），基于参考调制信号拟合调制泄露信号的拟合单元（7），实现两路调制泄露信号相减的第一减法器（4），实现两路调制泄露信号相关性运算的相关器（8），实现IF信号减去拟合调制泄露信号的第二减法器（9）；其中：

IF接收信号经过可变增益放大器（1）对雷达射频前端输入的IF信号进行放大，然后输入到IF信号的ADC（2），经过ADC变换为数字信号，IF信号的ADC（2）的输出进入调制泄露信号的提取单元（3），调制泄露信号的提取单元（3）采用基于累加等算法从IF信号中提取调制泄露信号；利用是否满幅度判决单元（5）对输入信号进行判定，如果输入信号超过IF信号的ADC（2）的满幅度，则调整可变增益放大器（1）减小IF信号增益直到低于IF信号的ADC（2）的满幅度输入；同时，从雷达前端输入的雷达调制信号作为参考调制信号输入参考调制信号的ADC（6），参考调制信号的ADC（6）与IF信号的ADC（2）具有相同分辨率并同步工作；参考调制信号的ADC（6）的输出进入到调制信号拟合单元（7），调制信号拟合单元（7）的输出分别与调制泄露信号提取单元（3）输出的调制泄露信号通过第一减法器（4）和相关器（8）进行求差和相关运算，获得拟合误差和相关值；调制信号拟合单元（7）的输出与调制泄露信号提取单元（3）的输出越接近，则拟合误差越小、相关值越大，并根据第一减法器（4）和相关器（8）的输出自适应调整调制信号拟合单元（7）的幅度、相位参数，以实现尽可能小的拟合误差小和尽可能大的相关值；对消系统的输出由IF信号ADC（2）的输出信号通过第二减法器（9）实现减去调制信号拟合单元（7）的输出信号，第二减法器（9）的输出为实现调制泄露对消后的目标回波IF信号。