CN108169724B - 基于实信号数字波束形成的汽车防撞雷达系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于实信号数字波束形成的汽车防撞雷达系统及方法。系统的发射通道包括顺次连接的信号发生器、功分器、功率放大器、发射天线，每路接收通道包括顺次连接的接收天线、低噪声放大器、混频器、中频放大器、A/D变换器，A/D变换器最后均接入DSP。方法为：信号发生器产生线性调频连续波，依次经过功分器、功率放大器后由发射天线发射；接收天线的接收信号通过低噪声放大器后，与功分器得到的本振信号进入混频器得到下变频信号，该下变频信号经过中频放大器后直接输入A/D变换器，得到采样点数为2N点的实信号，接收通道的实信号均输入DSP，进行处理得到目标的距离和速度信息。本发明在保证测角精度高的同时，具有系统结构简单、成本低及鲁棒性好等特点。

Description

基于实信号数字波束形成的汽车防撞雷达系统及方法
技术领域
本发明涉及道路交通目标检测技术领域，特别是一种基于实信号数字波束形成的汽车防撞雷达系统及方法。
背景技术
我国汽车数量逐年增加，公路交通安全问题日益突出。为了防止交通事故的发生，改善交通安全问题，车载雷达成为确保安全行车的重要手段之一。国内外已经开始毫米波雷达防撞系统进行了研究。车载雷达具备测速、测距以及测角的功能，判断前方目标对己车的威胁，及时提醒司机注意安全。
为了实现防撞雷达小型化和商用化的目的，一般采用线性调频连续波(LFMCW)体制，利用发射频率和接收频率之间的差频实现目标测距、测速功能。同时为得到的目标方位角，需采用天线阵列进行数字波束形成。常见的数字波束形成需要将接收信号进行I、Q解调得到解析信号。这使得系通过结构变大，成本增高，且通道数越多，其引入的系统噪声和误差对结果的影响就越大。
发明内容
本发明的目的在于提供一种测角精度高、结构简单、成本低及鲁棒性好的基于实信号数字波束形成的汽车防撞雷达系统及方法。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于实信号数字波束形成的汽车防撞雷达系统，发射通道包括顺次连接的信号发生器、功分器、功率放大器、发射天线，接收通道共有M路，每路接收通道包括顺次连接的接收天线、低噪声放大器、混频器、中频放大器、A/D变换器，各路接收通道的A/D变换器最后均接入DSP；
所述信号发生器产生线性调频连续波，依次经过功分器、功率放大器后由发射天线发射；接收天线的接收信号通过低噪声放大器后，与功分器得到的本振信号进入混频器得到下变频信号，该下变频信号经过中频放大器后直接输入A/D变换器，得到采样点数为2N点的实信号，其中上扫频N点、下扫频N点，M路接收通道的实信号均输入DSP，进行处理得到目标的距离和速度信息。
进一步地，所述信号发生器产生的线性调频三角连续波中心频率为f0＝24.05GHz，带宽B＝100MHz，总时宽T＝20ms，上扫频和下扫频时间都为10ms。
一种基于实信号数字波束形成的汽车防撞方法，对接收信号进行傅里叶变换，时域信号变换到频域，周期性信号转化为单独谱线，将频域数据作为阵列接收信号X并利用MUSIC算法求得目标方位角，具体步骤如下：
第一步：假设目标距离为R，速度为v，接收天线阵列共M阵元，对每一阵元的线性调频三角波回波信号进行混频处理，下变频后得到中频信号，对中频信号采样得到数字信号，采样频率为Fs；
第二步：分别对上扫频和下扫频的实信号进行N点傅里叶变换，得到关于0频点对称的两条谱线，分别是：上扫频FFT频率
Figure BDA0001174632510000021
下扫频FFT频率
Figure BDA0001174632510000022
其中
Figure BDA0001174632510000023
B为线性调频三角连续波的带宽、T为线性调频三角连续波的总时宽、f0为线性调频三角连续波的中心频率；
第三步：选取下扫频FFT数据fft_down的正频率部分，即
Figure BDA0001174632510000024
频点FFT结果，共M个阵元，组成M×(N/2)维矩阵作为波束形成输入信号X；
第四步：求信号X的协方差矩阵
Figure BDA0001174632510000025
并做特征分解；根据特征值变化趋势，确定目标特征值和噪声特征值，从而得到目标个数和对应噪声子空间矩阵UN；最后基于MUSIC算法，将UN带入公式得到空间谱函数PMUSIC：
Figure BDA0001174632510000026
其中，α为空间导向矢量；
则谱峰所在点处为目标方位角θ，θ∈(-90° 90°)；
第五步：用θ分别对实信号上扫频和下扫频FFT数据波束形成，得到真实的上扫频频率f+和下扫频频率f-，最终得到目标距离和速度信息。
进一步地，第一步所述对中频信号采样的采样频率Fs＝50KHz。
本发明与现有技术相比，其显著优点为：(1)针对线性调频连续波回波特点，采用基于实信号波束形成的算法，省略Q通道，只利用I解调器接收实信号数据做波束形成，得到目标方位角；(2)应用在6路24GHz线性调频车载雷达上，系统省略了Q通道，可以将中频放大器及AD通道数减小一半，大大降低了雷达成本和系统结构大小；(3)在保持原有算法测角精度同时，具有系统结构简单、成本低及鲁棒性较好等特点。
附图说明
图1为本发明基于实信号数字波束形成的汽车防撞雷达系统的结构框图。
图2为本发明基于实信号数字波束形成的汽车防撞雷达方法的流程图。
图3为本发明的单阵元中频信号实际波形图。
图4为时域FFT后频域波形图，其中(a)为上扫频的频域波形图，(b)为下扫频的频域波形图。
图5为本发明的MUSIC算法结果图。
图6为本发明波束形成后的频谱配对结果图，(a)为上扫频的频谱配对结果图，(b)为下扫频的频谱配对结果图。
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描述。
本发明涉及一种24GHz汽车防撞雷达。一般数字波束形成需要将接收信号I、Q解调得到解析信号进行，本发明针对线性调频连续波回波特点，提出只使用I解调器得到实信号进行波束形成。其技术方案要点是：信号发生器产生线性调频连续波，经过功分器、功率放大器，由发射天线发射。接收天线的接收信号通过低噪声放大器后与发射信号下变频，经过中频放大器直接进行AD采样，得到采样点数为2N点的实信号，其中上扫频和下扫频分别采样N点。对天线单个阵元的上扫频采样点和下扫频采样点分别做N点傅里叶变换，得到关于0点对称的目标回波频谱图，该谱线包含目标方位角、距离和速度信息。将单阵元傅里叶变换后的前N/2点数据(正频率部分)，共M阵元，组成M*N/2维矩阵X作为求目标角度数据。求得X的协方差矩阵R后，利用MUSIC算法可得到目标来波方向θ；随后利用θ值对系统接收信号的FFT数据作波束形成，可以得到目标在上扫频和下扫频的频率；最终得到目标距离和速度信息。
结合图1，本发明基于实信号数字波束形成的汽车防撞雷达系统，发射通道包括顺次连接的信号发生器1、功分器2、功率放大器3、发射天线4，接收通道共有M路，每路接收通道包括顺次连接的接收天线5、低噪声放大器6、混频器7、中频放大器8、A/D变换器9，各路接收通道的A/D变换器9最后均接入DSP10；
所述信号发生器1产生线性调频连续波，依次经过功分器2、功率放大器3后由发射天线4发射；接收天线5的接收信号通过低噪声放大器6后，与功分器2得到的本振信号进入混频器7得到下变频信号，该下变频信号经过中频放大器8后直接输入A/D变换器9，得到采样点数为2N点的实信号，其中上扫频N点、下扫频N点，M路接收通道的实信号均输入DSP10，进行处理得到目标的距离和速度信息。
作为一种具体示例，所述信号发生器1产生的线性调频三角连续波中心频率为f0＝24.05GHz，带宽B＝100MHz，总时宽T＝20ms，上扫频和下扫频时间都为10ms。
结合图2，本发明基于实信号数字波束形成的汽车防撞方法，对接收信号进行傅里叶变换，时域信号变换到频域，周期性信号转化为单独谱线，将频域数据作为阵列接收信号X并利用MUSIC算法求得目标方位角，具体步骤如下：
第一步：假设目标距离为R，速度为v，接收天线阵列共M阵元，对每一阵元的线性调频三角波回波信号进行混频处理，下变频后得到中频信号，对中频信号采样得到数字信号，采样频率为Fs；
第二步：分别对上扫频和下扫频的实信号进行N点傅里叶变换，得到关于0频点对称的两条谱线，分别是：上扫频FFT频率
Figure BDA0001174632510000041
下扫频FFT频率
Figure BDA0001174632510000042
其中
Figure BDA0001174632510000043
B为线性调频三角连续波的带宽、T为线性调频三角连续波的总时宽、f0为线性调频三角连续波的中心频率；
第三步：选取下扫频FFT数据fft_down的正频率部分，即
Figure BDA0001174632510000044
频点FFT结果，共M个阵元，组成M×(N/2)维矩阵作为波束形成输入信号X；
第四步：求信号X的协方差矩阵
Figure BDA0001174632510000045
并做特征分解；根据特征值变化趋势，确定目标特征值和噪声特征值，从而得到目标个数和对应噪声子空间矩阵UN；最后基于MUSIC算法，将UN带入公式得到空间谱函数PMUSIC：
Figure BDA0001174632510000046
其中，α为空间导向矢量；
则谱峰所在点处为目标方位角θ，θ∈(-90° 90°)；
第五步：用θ分别对实信号上扫频和下扫频FFT数据波束形成，得到真实的上扫频频率f+和下扫频频率f-，最终得到目标距离和速度信息。
作为一种具体示例，第一步所述对中频信号采样的采样频率Fs＝50KHz。
实施例1
1、本发明的天线阵列是6元均匀线阵，动目标距离为90m，速度为40m/s，角度为-15°。发射信号中心频率为24.05GHz，带宽100MHz，总时宽20ms的线性调频三角波；信噪比为10dB。计算得fR＝6000Hz，fd＝6413.3Hz。
2、对接收信号进行混频处理，下变频后得到中频采样信号，采样点数为1000。阵元1的中频采样信号波形图如图3所示。前500点为上扫频采样，后500点为下扫频采样；
3、对信号的上扫频数据和下扫频数据分别进行500点傅里叶变换，其阵元1接收数据频谱图，结果如图4所示(图4(a)上扫频±400Hz图4(b)下扫频±12400Hz)；
4、用全部6阵元的下扫频FFT数据，组成6*500维矩阵作为MUSIC波束形成算法的接收数据X。求得接收数据协方差矩阵
Figure BDA0001174632510000051
最终通过MUSIC算法得到目标方位角θ＝-15°，结果如图5所示；
5、利用线性约束最小无失真响应LCMV算法，利用波束形成角度θ对实信号FFT结果做波束形成。选取阵元1的上扫频波束形成数据，得到目标上扫频频率f+＝-400Hz，其结果如图6(a)所示；同理通过下扫频波束形成数据，得到目标下扫频频率f-＝12400Hz，结果如图6(b)所示；
6、利用f+和f-，计算得到目标距离dis＝90m和速度vel＝39.92m/s。结果表明该算法有效。
本发明方法省略了Q通道，可以将中频放大器及AD通道数减小一半，大大降低了雷达成本。与传统方法相比，发明在保持原有算法测角精度同时，具有系统结构简单、成本低及鲁棒性较好等特点。

Claims (2)

1.一种基于实信号数字波束形成的汽车防撞方法，其特征在于，对接收信号进行傅里叶变换，时域信号变换到频域，周期性信号转化为单独谱线，将频域数据作为阵列接收信号X并利用MUSIC算法求得目标方位角，具体步骤如下：
第一步：假设目标距离为R，速度为v，接收天线阵列共M阵元，对每一阵元的线性调频三角波回波信号进行混频处理，下变频后得到中频信号，对中频信号采样得到数字信号，采样频率为Fs；
第二步：分别对上扫频和下扫频的实信号进行N点傅里叶变换，得到关于0频点对称的两条谱线，分别是：上扫频FFT频率
Figure FDA0003192276940000011
下扫频FFT频率
Figure FDA0003192276940000012
其中
Figure FDA0003192276940000013
B为线性调频三角连续波的带宽、T为线性调频三角连续波的总时宽、f0为线性调频三角连续波的中心频率；
第三步：选取下扫频FFT数据fft_down的正频率部分，即
Figure FDA0003192276940000014
频点FFT结果，共M个阵元，组成M×(N/2)维矩阵作为波束形成输入信号X；
第四步：求信号X的协方差矩阵
Figure FDA0003192276940000015
并做特征分解；根据特征值变化趋势，确定目标特征值和噪声特征值，从而得到目标个数和对应噪声子空间矩阵UN；最后基于MUSIC算法，将UN带入公式得到空间谱函数PMUSIC：
Figure FDA0003192276940000016
其中，α为空间导向矢量；
则谱峰所在点处为目标方位角θ，θ∈(-90°90°)；
第五步：用θ分别对实信号上扫频和下扫频FFT数据波束形成，得到真实的上扫频频率f+和下扫频频率f_，最终得到目标距离和速度信息。
2.根据权利要求1所述的基于实信号数字波束形成的汽车防撞方法，其特征在于，第一步所述对中频信号采样的采样频率Fs＝50KHz。
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