CN107765229B - 一种毫米波雷达接收链路增益自动校准方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种毫米波雷达接收链路增益自动校准方法。在接收链路的幅频响应曲线上选定两个频点，毫米波雷达上电后，先进入自动校准模式，数字处理器输出方波信号作为校准信号源，校准信号源经过接收链路之后，经由模拟数字转换器转换成数字信号，数字处理器接收数字信号进行FFT变换得到校准信号源经过接收链路之后的幅频响应结果；取幅频响应结果中两个频点对应的幅度值，再计算幅频响应结果中两个频点的增益差异，然后进行判断和调整。本发明能将每个毫米波雷达产品的接收链路增益自动校准到设计值范围内，可保证毫米波雷达产品性能的一致性，尤其适合批量生产的毫米波雷达产品。
Description
技术领域
本发明涉及了一种雷达信号处理方法，尤其是涉及智能驾驶领域的一种毫米波雷达接收链路增益自动校准方法。
背景技术
毫米波雷达在智能驾驶领域中的应用已日渐成熟。随着MMIC技术的飞速发展，毫米波雷达接收链路的大部分已经集成到一片MMIC中。接收链路的增益曲线有低通特性的，也有带通特性的，可以通过MMIC的寄存器对增益曲线进行微调。在毫米波雷达批量生产时，由于MMIC芯片的个体差异及PCB生产工艺存在的公差，会出现毫米波雷达产品之间接收链路增益存在较大差异的情况，进而影响到毫米波雷达的性能指标。因此，迫切需要一种按统一标准来自动校准毫米波雷达接收链路增益曲线的方法。
发明内容
为了解决背景技术中存在的问题，本发明提出了一种毫米波雷达接收链路增益自动校准方法，以方波信号为校准信号源输入到接收链路中，根据校准信号源经过接收链路的幅频响应结果来自动调整接收链路的增益。
本发明采用的技术方案是：
将方波信号作为校准信号源输入到毫米波雷达的接收链路中，根据校准信号源在经过接收链路后获得的幅频响应结果来调整接收链路的增益，实现校准。
本发明完全依赖于毫米波雷达自身的硬件、软件资源，不需要其他辅助校准设备。
所述的方波信号由毫米波雷达中的数字处理器控制产生，并且方波信号的频率根据接收链路的增益特性而调整改变。
具体实施中，接收链路的带通增益特性的3dB增益频点分别为60kHz和220kHz。
所述方法具体包括以下步骤：
1)在接收链路的幅频响应曲线上选定两个频点(f1，A1)和(f2，A2)，f1和f2分别为两个频点在幅频响应曲线中对应的频率，A1和A2为两个频点在幅频响应曲线中对应的幅度值，两个频点之间的增益差异为G0＝20lg(A1/A2)，满足G0≥3dB；
2)毫米波雷达上电后，先进入自动校准模式，数字处理器输出方波信号作为校准信号源，其中方波信号的频率为f0，且满足频率f1＝Mf0和f2＝Nf0，M和N为非零奇数且M≠N；
将方波信号以傅里叶级数展开表示为：
式中，E为方波信号的幅度值，n为非零奇数，t表示时间；
并且用方波信号的傅里叶级数展开式计算f1和f2两个频点之间的理论增益差异为ΔG＝20lg(N/M)；
3)校准信号源经过接收链路之后，经由模拟数字转换器转换成数字信号；
4)数字处理器接收数字信号进行FFT变换得到校准信号源经过接收链路之后的幅频响应结果；
5)选取幅频响应结果中f1和f2两个频点对应的幅度值为B1和B2，再计算幅频响应结果中f1和f2两个频点的增益差异为G＝20lg(B1/B2)，然后进行以下判断：
若|G-(ΔG+G0)|不大于预设的增益校准门限值，则认为毫米波雷达无需进行接收链路增益校准，停止发送方波信号，并使得毫米波雷达跳出自动校准模式，运行正常模式；
若|G-(ΔG+G0)|大于预设的增益校准门限值，则减小接收链路中的寄存器所设定的3dB截止频率值，改变接收链路的幅频响应曲线，然后重新回到步骤3)，重复步骤3)～5)。
MMIC中带通滤波器的幅频响应曲线为统一的初始化值，但由于MMIC个体差异及PCB生产工艺中存在的公差，会出现毫米波雷达产品之间接收链路增益存在较大差异的情况。本发明通过校准信号经过接收链路，利用幅频响应结果可以有针对性的对带通滤波器的幅频响应曲线进行微调，以达到每个毫米波雷达接收链路的幅频响应曲线基本一致的目的。
本发明的有益效果是：
本发明完全依赖于毫米波雷达自身的硬件、软件资源，不需要其他额外的辅助校准设备。
本发明能将每个毫米波雷达产品的接收链路增益自动校准到设计值范围内，保证毫米波雷达产品性能的一致性，尤其适合批量生产的毫米波雷达产品，可广泛应用于毫米波雷达产品。
附图说明
图1是本发明方法的系统结构示意图。
图2是接收链路幅频响应曲线示意图。
图3是频率为20kHz的方波信号的频谱示意图。
图4是方波信号经带通滤波后的频谱示意图。
图5是方波信号经校准的带通滤波后的频谱示意图。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细说明。
如图1所示，本发明具体实施包括数字处理器、单片微波集成电路(MMIC)、模拟数字转换器和低噪声放大器，低噪声放大器输出端连接到单片微波集成电路的输入端，单片微波集成电路的输出端经模拟数字转换器连接到数字处理器，数字处理器的方波信号输出端和控制输出端均连接到接收链路，数字处理器的方波信号输出端连接到接收链路的通路中，数字处理器的控制输出端连接到接收链路的寄存器中。
数字处理器包括校准调整模块、方波信号产生模块和FFT转换模块，单片微波集成电路(MMIC)包括两路通路和寄存器，每路通路均包括一个带通滤波器和乘法器，两路通路分别为I通路和Q通路，主要由两路通路构成了接收链路，两路通路的乘法器连接低噪声放大器输出端，两路通路的带通滤波器经各自的模拟数字转换器连接到数字处理器的FFT转换模块，FFT转换模块输出端连接到校准调整模块，校准调整模块输出截止频率调整控制信号到接收链路的寄存器中，校准调整模块输出方波产生控制信号到接收链路的通路中，具体方波信号作为校准信号源输入到接收链路的带通滤波器(BPF)和乘法器之间。
雷达回波信号经低噪声放大器后分为I通路和Q通路，I通路和Q通路分别依次通过各自通路的带通滤波器进行滤波处理、模拟数字转换器进行模拟数字转换后连接到数字处理器，数字处理器用于对信号进行FFT转换、计算和增益的校准调整，同时数字处理器发送方波控制信号作为校准信号源。
具体实施中，数字处理器为FPGA或DSP，接收链路具有带通特性。
数字处理器中的FFT转换计算就是常规的FFT算法，校准调整是计算目前接收链路增益与设计值之间的差异，然后对MMIC寄存器进行截止频率值的调整。若目前状态满足要求，则停止发送方波信号，并退出自动校准模式。
上述的数字处理器为FPGA或DSP。
本发明的实施例及其实施过程如下：
1)如图2所示，在接收链路的幅频响应曲线上选定两个频点(f1，A1)和(f2，A2)，f1和f2分别为两个频点在幅频响应曲线中对应的频率，A1和A2为两个频点在幅频响应曲线中对应的幅度值，两个频点之间的增益差异为G0＝20lg(A1/A2)，满足G0≥3dB；
2)毫米波雷达上电后，先进入自动校准模式，数字处理器输出方波信号作为校准信号源，其中方波信号的频率为f0，且满足频率f1＝Mf0和f2＝Nf0，M和N为非零奇数且M≠N；
频率为f0的方波信号的傅里叶级数展开式为：
式中，E为方波信号的幅度值，n为非零奇数，t表示时间；
并且计算f1和f2两个频点之间的理论增益差异为ΔG＝20lg(N/M)；已知带通滤波器的幅频响应曲线如图2所示，那么频率为f0的方波信号经过该带通滤波器之后，频率f1和f2的增益差异设计值为(ΔG+G0)。
3)校准信号源经过接收链路之后，经由模拟数字转换器转换成数字信号；
4)数字处理器接收数字信号进行FFT变换得到校准信号源经过接收链路之后的幅频响应结果；
5)选取幅频响应结果中f1和f2两个频点对应的幅度值为B1和B2，再计算幅频响应结果中f1和f2两个频点的增益差异为G＝20lg(B1/B2)，然后进行以下判断：
若|G-(ΔG+G0)|不大于预设的增益校准门限值，则说明该毫米波雷达的接收链路增益与设计值基本一致，可满足毫米波雷达的性能指标要求，认为毫米波雷达无需进行接收链路增益校准，停止发送方波信号，并使得毫米波雷达跳出自动校准模式，运行正常模式；
若|G-(ΔG+G0)|大于预设的增益校准门限值，则说明该毫米波雷达的接收链路增益超过了设计值，进而会影响到毫米波雷达的性能指标。因此，必须通过进一步调整MMIC的寄存器来调整带通滤波器的实际幅频响应曲线，最终达到|G-(ΔG+G0)|不大于设定的门限值的要求。因此本发明是减小接收链路中的寄存器所设定的3dB截止频率值，改变接收链路的幅频响应曲线，然后重新回到步骤3)，重复步骤3)～5)。
实施例使用实际的毫米波雷达产品来进行实验验证。
方波信号频率f0为20kHz，f1和f2分别为60kHz和220kHz，即M＝3，N＝11。可得到ΔG＝20lg(11/3)＝11.29dB，实际测试结果为11.282dB(图3)，与理论计算结果一致。设计f1和f2的增益差异为G0＝-3.5dB，所以方波信号经过带通滤波器之后f1和f2的增益差异设计值为ΔG+G0＝7.79dB。
实际的毫米波雷达产品得到的FFT曲线如图4所示，可计算得到f1和f2的增益差异为9.389dB。设计的门限值为0.5dB，显然|G-(ΔG+G0)|＝1.599dB大于设定的门限值。经过进一步减小3dB截止频率的寄存器值，毫米波雷达得到的FFT曲线如图5所示，可计算得到f1和f2的增益差异为8.113dB。显然|G-(ΔG+G0)|＝0.323dB不大于设定的门限值，说明经过了校准调整之后，接收链路的幅频响应曲线与设计值一致。
按本发明的方法对5个毫米波雷达产品进行了验证，结果如表1所示。
表1毫米波雷达实施例结果
表1中的数据显示，不同的毫米波雷达个体之间的接收链路增益相差较大，最大相差2.02dB。但经过自动校准之后，不同的毫米波雷达个体之间的接收链路增益基本一致，最大相差0.744dB。
本发明通过上述实施例证实了方法在毫米波雷达应用中的有效性。
Claims (1)
1.一种毫米波雷达接收链路增益自动校准方法，其特征在于：将方波信号作为校准信号源输入到毫米波雷达的接收链路中，根据校准信号源在经过接收链路后获得的幅频响应结果来调整接收链路的增益，实现校准；
所述方法具体包括以下步骤：
1)在接收链路的幅频响应曲线上选定两个频点(f1，A1)和(f2，A2)，f1和f2分别为两个频点在幅频响应曲线中对应的频率，A1和A2为两个频点在幅频响应曲线中对应的幅度值，两个频点之间的增益差异为G0＝20lg(A1/A2)，满足G0≥3dB；
2)毫米波雷达上电后，先进入自动校准模式，数字处理器输出方波信号作为校准信号源，其中方波信号的频率为f0，且满足频率f1＝Mf0和f2＝Nf0，M和N为非零奇数且M≠N；并且计算f1和f2两个频点之间的理论增益差异为ΔG＝20lg(N/M)；
3)校准信号源经过接收链路之后，经由模拟数字转换器转换成数字信号；
4)数字处理器接收数字信号进行FFT变换得到校准信号源经过接收链路之后的幅频响应结果；
5)选取幅频响应结果中f1和f2两个频点对应的幅度值为B1和B2，再计算幅频响应结果中f1和f2两个频点的增益差异为G＝20lg(B1/B2)，然后进行以下判断：
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