CN106443658A - 一种近距雷达传感器及其测距方法 - Google Patents

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Abstract

一种近距雷达传感器,包括天线、雷达波发生器、及连接在二者之间的环行器，还包括与环行器和雷达波发生器输出端连接的混频器，所述混频器输出端连接一分路器，所述分路器包括至少两个输出端，分别连接第一信号处理支路及第二信号处理支路；第一信号处理支路及第二信号处理支路的输出端均与数字信号处理器连接；还包括可撤除或关闭的回波屏蔽装置。本发明还公开了一种近距雷达传感器测距方法。本发明的有益效果是：通过在近距雷达传感器中引入对消电路，对消掉泄漏信号，排除了干扰，从而实现近距离目标的精确测量。

Description

一种近距雷达传感器及其测距方法
技术领域
本发明属于电子通信领域，具体涉及一种近距雷达传感器及其测距方法。
背景技术
连续波雷达中广泛使用的线性调频连续波（LFMCW）雷达，存在着调制波泄漏信号。LFMCW雷达的调制波泄漏信号是指由于天线失匹、环行器泄漏等原因造成的在没有目标的情况下，输出端依旧有一个强的类似于调制波的信号，如图1所示，为一次实际测量三角波调制FMCW雷达中频输出端信号，其中方波下方的类似于三角波的信号即为上述的泄漏信号。
LFMCW雷达在测量远距离目标时，泄漏信号通常是一个幅值很大的低频信号，有用的中频信号虽然幅值低，但频率较高，不会与泄漏信号的频谱发生重叠，所以不会被泄漏信号的频谱掩盖，采用滤波的方法可得到有用的中频信号，从而求得远距离目标的距离值。如图2所示，为一次LFMCW雷达测量远距离目标时对中频信号进行傅里叶变换后得到的频谱示意图，可以看出该远距离目标的频谱和泄漏信号的频谱并未发生混叠，通过滤波可分离出目标频谱，得到目标距离，如图3所示，为对中频信号进行高通滤波处理后得到的频谱示意图。
对于近距雷达传感器，泄漏信号同样是一个幅值很大的低频信号，而此时有用的中频信号不仅幅值较小，频率也很低，与泄漏信号的频率接近，两者之间的频谱发生混叠，这使得滤波处理无法将泄漏信号去掉，也就导致无法测量近距离目标。如图4所示，为一次LFMCW雷达测量近距离目标时对中频信号进行傅里叶变换后得到的频谱示意图，可以看出近距离目标的频谱被泄漏信号的旁瓣完全掩盖，通过滤波处理无法将有用的中频信号提取出来，故不能达到测量近距离目标的要求。
泄漏是调频连续波雷达中的一个严重问题，对于近距雷达传感器，必须采用新方法来有效地解决泄漏信号的影响。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于为线性调频连续波近距离传感器提供一种泄漏信号对消电路及方法，通过对混频后的信号进行对消处理来解决泄漏问题对近距离目标测量的影响。本发明提出了一种近距雷达传感器及其测距方法。
本发明所述近距雷达传感器,包括天线、雷达波发生器、及连接在二者之间的环行器，还包括与环行器和雷达波发生器输出端连接的混频器，所述混频器输出端连接一分路器，所述分路器包括至少两个输出端，分别连接第一信号处理支路及第二信号处理支路；第一信号处理支路及第二信号处理支路的输出端均与数字信号处理器连接；
所述第一信号处理支路包括对消减法器及与对消减法器输出端连接的第一模数转换器；所述第二信号处理支路包括第二模数转换器，模数转换器的输出端作为信号处理支路的输出端；所述第一模数转换器和第二模数转换器均由ADC和连接在ADC输入端的滤波放大模块组成；所述环行器和混频器之间还连接有一滤波放大模块；
所述数字信号处理器与一控制器信号连接，所述控制器连接有一DAC，所述对消减法器的两个输入端分别连接分路器和DAC的输出端；所述DAC具有增益调整功能；所述控制器具有信号同步控制功能；
所述近距雷达传感器还包括可撤除或关闭的回波屏蔽装置。
优选的,所述回波屏蔽装置为安装在天线口的微波吸收装置。
优选的,所述DAC还包括作用在输入数字信号上的低通滤波器。
具体的,所述雷达波发生器由波形发生器和与其输出端连接的定向耦合器组成，所述定向耦合器输出端与环行器和混频器连接；所述控制器与波形发生器控制连接。
优选的,所述数字信号处理器具备数据存储功能。
本发明还公开了一种近距雷达传感器测距方法，基于如上所述近距雷达传感器，具体包括如下步骤：
步骤1. 开启雷达并使回波屏蔽装置正常工作，采集混频器输出的第一基带信号Sb1(t)并经分路器、第二信号处理支路输入到数字信号处理器，数字信号处理器采集第二信号处理支路传输的信号并存储第一基带信号Sb1(t)；
步骤2. 关闭或移除回波屏蔽装置；从DAC输出第一基带信号Sb1(t)；
混频器输出的第二基带信号Sb2(t)经分路器后与DAC输出的第一基带信号Sb1(t)在对消减法器处相减得到校准基带信号Sb(t)，并通过第一信号支路输入到数字信号处理器，数字信号处理器对校准基带信号Sb(t)进行数据处理，从而判定有无目标并测量目标距离；
所述步骤2中，控制器控制第一基带信号Sb1(t)、第二基带信号Sb2(t)同步。
具体的,所述步骤2中，对校准基带信号Sb(t)进行数据处理的具体过程为：首先进行FFT处理，再通过CFAR判定有无目标，最后通过频谱的峰值测量包括近距目标在内的所有目标距离。
优选的, 所述步骤2中，还包括调整DAC输出信号的增益，使得其输出的第一基带信号Sb1(t)频谱功率之和最小。
本发明的有益效果是：通过在近距雷达传感器中引入对消电路，对消掉泄漏信号，排除了干扰，从而实现近距离目标的精确测量。
附图说明
图1是实际测量中LFMCW雷达的中频输出端信号示意图；图1横坐标为时间，纵坐标为信号电压幅值；
图2是LFMCW雷达测量远距离目标时对中频信号进行傅里叶变换后得到的频谱示意图；
图3是为对中频信号进行高通滤波处理后得到的频谱示意图；
图4是LFMCW雷达测量近距离目标时对中频信号进行傅里叶变换后得到的频谱示意图；
图5是本发明所述的近距雷达传感器的一种具体实施方式示意图；
图6是本发明在进行测距时的一个具体实施方式，图6左半部分为标定模式时雷达所接受到的信号示意图，右半部分为置于测量模式时雷达所接受到的信号示意图；图6横坐标为时间，纵坐标为信号电压幅值；
图7是具体实施例1中系统置于测量模式时，对经第二信号处理支路所采集到的未经对消的信号进行傅里叶变换得到的频域信号示意图
图8是具体实施例1中对经第一信号处理支路所采集到的对消后的信号进行傅里叶变换得到的目标频域信号示意图；
图2、3、4、7、8中横坐标均表示距离，纵坐标表示频率幅值。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。
本发明所述近距雷达传感器,包括天线、雷达波发生器、及连接在二者之间的环行器，还包括与环行器和雷达波发生器输出端连接的混频器，所述混频器输出端连接一分路器，所述分路器包括至少两个输出端，分别连接第一信号处理支路及第二信号处理支路；第一信号处理支路及第二信号处理支路的输出端均与数字信号处理器连接；
所述第一信号处理支路包括对消减法器及与对消减法器输出端连接的第一模数转换器；所述第二信号处理支路包括第二模数转换器，模数转换器的输出端作为信号处理支路的输出端；所述第一模数转换器和第二模数转换器均由ADC和连接在ADC输入端的滤波放大模块组成；
所述数字信号处理器与一控制器信号连接，所述控制器连接有一DAC，所述对消减法器的两个输入端分别连接分路器和DAC的输出端；所述DAC具有增益调整功能；所述控制器具有信号同步控制功能。
所述近距雷达传感器还包括可撤除或关闭的回波屏蔽装置。
如图5所示给出本发明所述近距雷达传感器的一个具体实施方式，图5中，雷达波发生器由波形发生器和与其输出端连接的定向耦合器组成，所述定向耦合器输出端与环行器和混频器连接；所述控制器与波形发生器控制连接，波形发生器受控制器控制，从而可以方便的控制频率、波形及相位。
所谓滤波放大模块是对波形进行处理的常用装置，一般由滤波器和放大器级联组成，对接收到的模拟波形信号进行滤波和放大。在环行器和混频器之间连接一滤波放大模块，对环行器输出到混频器的信号进行滤波和放大处理。
本发明所述近距雷达传感器的DAC用于将数字信号转化为模拟信号，由于数字信号经第二支路模拟信号采样得到，将产生频率为1/Ts的高频信号，Ts为采样周期。为屏蔽这些高频信号的影响，可以在DAC中设置作用在输入数字信号的上的低通滤波器，将高频信号滤除后再进行数模转换处理。
回波屏蔽装置一般是安装在天线口的微波吸收装置，例如表面为微波吸收材料的微波吸收器，对回波信号吸收。回波屏蔽装置可以被关闭或移除以使雷达可以正常进行测距工作，移除方式可以采用自动机械装置或人工移除。
以产生线性调频连续波的近距雷达传感器为例，由于泄露信号与回波信号频带高度重叠，因此难以筛选出其中的有用信号。本发明所述雷达传感器可以通过预先测量得到泄露信号对接收信号进行校准，从而排除泄露信号的干扰。
本发明中，基于上述雷达传感器进行测量及校准的步骤如下：
步骤1. 开启雷达并使回波屏蔽装置正常工作，采集混频器输出的第一基带信号Sb1(t)并经分路器、第二信号处理支路输入到数字信号处理器，数字信号处理器采集第二信号处理支路传输的信号并存储第一基带信号Sb1(t)。第一基带信号可以存储在数字信号处理器中。
步骤1也可称为标定模式。
步骤2. 关闭或移除回波屏蔽装置；从DAC输出第一基带信号Sb1(t)；
混频器输出的第二基带信号Sb2(t)经分路器后与DAC输出的第一基带信号Sb1(t)在对消减法器处相减得到校准基带信号Sb(t)，并通过第一信号支路输入到数字信号处理器。
为保证信号同步相减，所述步骤2中，由控制器控制第一基带信号Sb1(t)、第二基带信号Sb2(t)同步。步骤2中，可以调整DAC输出信号的增益，使得其输出的第一基带信号Sb1(t)频谱功率之和最小，可以减弱回波影响，并使两个基带信号同步相减结果更加可靠。步骤2也可称为测量模式。
数字信号处理器对校准基带信号Sb(t)进行数据处理，从而判定有无目标并测量目标距离；可以对校准基带信号Sb(t)首先进行FFT（（Fast Fourier Transformation，即快速傅里叶变换）处理，再通过CFAR （CFAR即Constant False-Alarm Rate，恒虚警率检测）判定有无目标，最后通过频谱的峰值测量包括近距离目标在内的所有目标距离。
以下给出本发明的一个具体实施例:
本实施例中采用具有泄漏信号对消电路的雷达传感器对近距离静止目标进行测距。
本实施例中，采用如图5所示的雷达传感器结构，波形产生器产生对称三角调频连续波（LFMCW） 作为雷达的发射信号，具体参数为：调制周期T r =1ms，载波起始频率f 0 =34GHz,调频带宽B=400MHz，中频采样率200kHz。两条信号处理支路中的滤波放大模块器均为模拟低通滤波器，截止频率为5kHz。
为了达到近距离测量目标的效果，在测量前，系统首先置于标定模式，以获取对消的基准信号。然后将系统置于测量模式，中频信号经对消处理，并进行采集处理，得到近距离目标的距离信息。
应用本发明所述近距雷达传感器及其测距方法进行测距，有如下结果：
如图6所示，左、右两部分分别为系统置于标定模式和置于测量模式时雷达所接受到的信号，在左半部分中可以看到，由于发射信号的本振信号泄漏、天线驻波等引起的泄漏问题，在天线口面前放置微波吸收装置时所接收到的信号呈类似三角波的形状，即是所谓的泄漏信号；而在右半部分中，测距时接收到的有用信号附加在泄漏信号上，呈现出如图所示的信号形状，比较左、右两部分波形可以看出，实际的近距离目标信号的幅度远小于泄漏信号的幅度，是附加在泄漏信号上的微弱信号。
如图7所示为系统置于测量模式时，对经第二信号处理支路所采集到的未经对消的信号进行傅里叶变换得到的频域信号示意图，图8为系统置于测量模式时，对经第一信号处理支路所采集到的对消后的信号进行傅里叶变换得到的目标频域信号示意图，可以看到对消处理后测得的目标距离为1.318m，测出了近距离目标的距离。这也说明泄漏信号的影响已经被去除，能有效地检测近距离目标。
本发明中所公开的实施例描述的方法或算法的步骤可以直接用硬件、处理器执行的软件模块，或者二者的结合来实施。软件模块可以置于随机存储器(RAM)、内存、只读存储器(ROM)、电可编程ROM、电可擦除可编程ROM、寄存器、硬盘、可移动磁盘、CD-ROM、或技术领域内所公知的任意其它形式的存储介质中。
前文所述的为本发明的各个优选实施例，各个优选实施例中的优选实施方式如果不是明显自相矛盾或以某一优选实施方式为前提，各个优选实施方式都可以任意叠加组合使用，所述实施例以及实施例中的具体参数仅是为了清楚表述发明人的发明验证过程，并非用以限制本发明的专利保护范围，本发明的专利保护范围仍然以其权利要求书为准，凡是运用本发明的说明书及附图内容所作的等同结构变化，同理均应包含在本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种近距雷达传感器,包括天线、雷达波发生器、及连接在二者之间的环行器，还包括与环行器和雷达波发生器输出端连接的混频器，其特征在于, 所述混频器输出端连接一分路器，所述分路器包括至少两个输出端，分别连接第一信号处理支路及第二信号处理支路；第一信号处理支路及第二信号处理支路的输出端均与数字信号处理器连接；
所述第一信号处理支路包括对消减法器及与对消减法器输出端连接的第一模数转换器；所述第二信号处理支路包括第二模数转换器，模数转换器的输出端作为信号处理支路的输出端；所述第一模数转换器和第二模数转换器均由ADC和连接在ADC输入端的滤波放大模块组成；所述环行器和混频器之间还连接有一滤波放大模块；
所述数字信号处理器与一控制器信号连接，所述控制器连接有一DAC，所述对消减法器的两个输入端分别连接分路器和DAC的输出端；所述DAC具有增益调整功能；所述控制器具有信号同步控制功能；
所述近距雷达传感器还包括可撤除或关闭的回波屏蔽装置。
2.如权利要求1所述近距雷达传感器，其特征在于,所述回波屏蔽装置为安装在天线口的微波吸收装置。
3.如权利要求1所述的近距雷达传感器，其特征在于,所述DAC还包括作用在输入数字信号上的低通滤波器。
4.如权利要求1所述的近距雷达传感器，其特征在于,所述雷达波发生器由波形发生器和与其输出端连接的定向耦合器组成，所述定向耦合器输出端与环行器和混频器连接；所述控制器与波形发生器控制连接。
5.如权利要求1所述的近距雷达传感器，其特征在于,所述数字信号处理器具备数据存储功能。
6.一种近距雷达传感器测距方法，基于如权利要求1-5任意一项所述近距雷达传感器，其特征在于,具体包括如下步骤：
步骤1. 开启雷达并使回波屏蔽装置正常工作，采集混频器输出的第一基带信号Sb1(t)并经分路器、第二信号处理支路输入到数字信号处理器，数字信号处理器采集第二信号处理支路传输的信号并存储第一基带信号Sb1(t)；
步骤2. 关闭或移除回波屏蔽装置；从DAC输出第一基带信号Sb1(t)；
混频器输出的第二基带信号Sb2(t)经分路器后与DAC输出的第一基带信号Sb1(t)在对消减法器处相减得到校准基带信号Sb(t)，并通过第一信号支路输入到数字信号处理器，数字信号处理器对校准基带信号Sb(t)进行数据处理，从而判定有无目标并测量目标距离；
所述步骤2中，控制器控制第一基带信号Sb1(t)、第二基带信号Sb2(t)同步。
7.如权利要求6所述的近距雷达传感器测距方法，其特征在于,所述步骤2中，对校准基带信号Sb(t)进行数据处理的具体过程为：首先进行FFT处理，再通过CFAR判定有无目标，最后通过频谱的峰值测量包括近距目标在内的所有目标距离。
8.如权利要求6所述的近距雷达传感器测距方法，其特征在于, 所述步骤2中，还包括调整DAC输出信号的增益，使得其输出的第一基带信号Sb1(t)频谱功率之和最小。
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