CN108519593B - 一种基于单站双频连续波雷达的异步定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于双频连续波雷达定位技术领域，涉及一种基于单站双频连续波雷达的异步定位方法。本发明的方法不再同时传输两种不同频率的连续波信号，而是在三个状态之间切换发射两个不同频率的连续波信号，利用第三个状态补偿由目标速度引起的相位扰动。与同步模式相比，该方法具有较低的复杂度和成本，适用于单一振荡器结构的短程雷达的大多数商业产品。仿真结果表明，该方法的定位精度可以达到厘米级。

Description

一种基于单站双频连续波雷达的异步定位方法

技术领域

本发明属于双频连续波雷达定位技术领域，涉及一种基于单站双频连续波雷达的异步定位方法。

背景技术

近程非接触式微波雷达系统已广泛用于军事、环境、卫生和商业系统的监测。短距离微波/毫米波雷达的重要领域之一是移动目标检测、定位和跟踪，这是安全与监视应用领域的一个热点话题。通过测量距离、到达角(AOA)或混合参数，利用几种定位技术对近程雷达系统的目标位置进行了估计。在短距离雷达中，宽带雷达和双频连续波(CW)应用于距离估计。前者，如调频波(FMCW)雷达、步进频率雷达和超宽带雷达，能够确定静止和移动目标的范围。由于固定散射体也会反射回声，这些宽带雷达容易受到环境的干扰。虽然目前研究学者讨论了各种各样的杂波缓解和抑制方案，例如移动目标检测(MTD)，但这种雷达对MTD的精度往往是有问题的，因为它依赖于参数化、建模。宽带雷达的另一个问题是，复杂的调制形式和宽带信号将不可避免地导致昂贵的成本。

由于双频连续波雷达的复杂性低和成本低，因此它是移动目标(MT)定位的首选解决方案。对于双频连续波雷达，其基本工作原理是发射两种载波频率的连续波，利用多普勒信号的相位差来估计目标和雷达的距离。由于多普勒回波只由目标的运动产生，双频率雷达对静止目标的杂波具有免疫效果。两个不同频率连续波的频率差被用来确定最大不模糊距离。需要指出的是，现有的双频雷达研究都是为同步模式设计的。在同步模式下，双频连续波雷达需要两个振荡器同时传输两个不同频率的连续波信号，而每个接收机天线需要两个接收通道。不幸的是，像K-MC和IVQ系列，这样的短程雷达的大多数商业产品都是采用单一振荡器结构。所以双频雷达在同步模式的定位方法并不适用与大多数商用短程雷达，因为它不能同时产生两个不同频率的连续波信号。

发明内容

本发明的目的是针对现有的双频连续波雷达定位算法是为同步模式设计的，由于动目标运动引起的相位扰动，在异步模式下会导致较大的误差，提出了一种基于双频雷达相位补偿的异步模式定位方法。本发明的方法不再同时传输两种不同频率的连续波信号，而是在三个状态之间切换发射两个不同频率的连续波信号，利用第三个状态补偿由目标速度引起的相位扰动。与同步模式相比，该方法具有较低的复杂度和成本，适用于单一振荡器结构的短程雷达的大多数商业产品。仿真结果表明，该方法的定位精度可以达到厘米级。

本发明的解决方案是：首先雷达连续发射三个状态的不同频率的连续波信号，将两个接收天线接收到的三个状态下的回波信号与对应状态下的发射信号混频得到中频信号。然后对中频信号进行快速傅里叶变换，得到每个状态的相位。最后利用同一接收天线中的不同状态之间的相位差确定目标的距离，利用不同接收天线中的同一状态下的相位差确定目标的到达角，从而确定目标的位置。

本发明的详细方法包括：

步骤1：雷达连续发射三个状态的不同频率的连续波信号，并将回波信号与发射信号混频得到中频信号。

假设被估计的动目标位置为(x,y)，并且已知天线的位置，发射天线的位置为(x₀,y₀)＝(-d,0)，两接收天线的位置分别为(x₁,y₁)＝(0,0)、(x₂,y₂)＝(d,0)。d为两个接收天线距离间隔，为了避免相位模糊，一般d为半波长。r_ij表示目标在第j个状态时与第i个天线的真实距离。发射角度为θ₀，接收天线(x₁,y₁)的目标DOA为θ₁。假设φ_ij表示第i个天线在第j个状态时的相位。假设三个状态的连续波信号的频率分别为f₁，f₂，f₂，并且每个状态持续的时间为T。

假设在第一个状态的发射信号为：

u_t＝cos(2πf₁t) (1)

则目标的回波信号为：

u_r＝cos(2πf₁(t-T_d)) (2)

其中T_d为电磁波来回传播时间：

其中R(t)为目标与天线的瞬时距离，R为目标与天线的初始距离，C为电磁波传播速度，v_r为目标与天线的径向速度。

将回波信号与发射信号混频后，得到中频信号：

其中：

同理可得第二个状态的中频信号为：

其中：

第三个状态中的中频信号为：

其中：

步骤2：对中频信号进行快速傅里叶变换，得到两根接收天线的三个状态的相位。

步骤3：利用同一根接收天线中三个状态之间的相位差计算目标的距离。

根据步骤1的分析，可以建模为：

由上式可得φ_i1和φ_i2的相位差，即：

假设v表示雷达与动目标之间的径向速度，因为持续时间T很短，所以假定v在这三个状态中是一个常数。因此，有：

r_1j＝r_1(j-1)-vT (9)

令j＝2再代入式(8)中，可得：

从式中可以看出，在异步模式中，由于目标的运动将会带来额外相位扰动-4πf₂vT/c。额外的相位扰动主要是因为目标从第1个状态到第2个状态发生了位置变化。

所以利用第三个状态与第二个状态的相位差补偿相位扰动，φ_i2和φ_i3的相位差为：

将上式代入式(10)，可得：

考虑到两个天线接收到的信号，r₁₁最终可以表示为：

其中a＝c/2π(f₂-f₁)。

步骤4：利用不同接收天线中的同一状态下的相位差确定目标的到达角。

同一时刻，两接收天线与目标之间距离的距离差为：

dr＝dcosθ (14)

所以由距离差dr引起的两接收天线之间的相位差可以表示为：

φ_1j-φ_2j＝2πf_jdr/c＝2πdcosθ/λ_j (15)

考虑到三个状态两个天线接收到的信号，θ最终可以表示为：

步骤5：利用步骤3和步骤4得到目标的距离和到达角确定目标的位置。

最后，动目标的位置(x,y)可以表示为：

x＝r₁₁ cosθ,y＝r₁₁ sinθ (17)

本发明能带的有益效果：

本发明利用发射三个状态的不同频率的连续波信号，用第三个状态补偿由目标运动带来的相位扰动，实现了在异步模式下，对目标精准定位；同时本发明具有较低的复杂度和成本，适用于单一振荡器结构的短程雷达的大多数商业产品，并且定位精度可以达到厘米级。

附图说明

图1本发明的异步定位算法流程图。

图2本发明的异步模式下三个发射状态转换图。

图3本发明的二维平面定位图。

图4被估计动目标运动轨迹图。

图5本发明的算法与传统方法测距对比图。

图6本发明在不同相位噪声下的定位误差。

图7本发明在不同距离下的定位误差。

图8本发明在不同DOA下的定位误差。

图9本发明在不同速度下的定位误差。

具体实施方式

以下结合附图及实施例对本发明作进一步说明：

为了更加方便地阐述本发明，如图2所示，雷达发射三个状态的连续波信号，假设雷达载波频率f₁＝24Ghz，f₂＝24.003Ghz,每个状态的持续时间T＝45ms。如图3所示在二维平面上有一个线性阵列。如图4所示，被估计的动目标运动轨迹，速度为3.7km/h，假设此时动目标的位置为(0,25)。

步骤1：雷达连续发射三个状态的不同频率的连续波信号，并将回波信号与发射信号混频得到中频信号。

在第一个状态的发射信号为：

u_t＝cos(2πf₁t)＝cos(150.72×10⁹t) (1)

则目标的回波信号为：

u_r＝cos(150.72×10⁹×(t-T_d)) (2)

其中T_d为电磁波来回传播时间：

其中R(t)为目标与天线的瞬时距离，R为目标与天线的初始距离，C为电磁波传播速度，v_r为目标与天线的径向速度。

将回波信号与发射信号混频后，得到中频信号：

其中：

此时v_r＝-0.9399m/s，负号代表目标远离雷达。

同理可得第二个状态的中频信号为：

其中：

此时v_r＝-0.9399m/s。

第三个状态中的中频信号为：

其中：

此时v_r＝-0.9399m/s。

步骤2：对中频信号进行快速傅里叶变换，得到两根接收天线的三个状态的相位。

中频信号进行快速傅里叶变换之后，从其频谱图得到两根接收天线的三个状态的相位，分别为：

φ₁₁＝-0.0060,φ₁₂＝1.6859,φ₁₃＝0.2298

φ₂₁＝0.0769,φ₂₂＝1.7004,φ₂₃＝0.1996

步骤3：利用同一根接收天线中三个状态之间的相位差计算目标的距离。

考虑到两个天线接收到的信号，r₁₁最终可以表示为：

其中a＝c/2π(f₂-f₁)＝15.9155。

将步骤2得到的相位代入上式中，即可得到目标的距离。

步骤4：利用不同接收天线中的同一状态下的相位差确定目标的到达角。

考虑到三个状态两个天线接收到的信号，θ最终可以表示为：

将步骤2得到的相位代入上式中，即可得到目标的到达角，注意上式得到的θ值为弧度。

最后，动目标的位置(x,y)可以表示为：

x＝r₁₁ cosθ＝-0.1781,y＝r₁₁ sinθ＝24.7288 (9)

从上式可以看出，本发明能够准确定位目标位置。

为了进一步说明本发明方法的定位效果，将所提出的方法与理论方法和所提出方法的CRLB在不同环境下进行对比。因为传统方法在异步模式下的定位效果不好，所以传统方法不再加入对比。在图6中给出了在不同的相位噪声下的定位误差。图7给出了在不同距离下的定位误差。图8给出了在不同DOA下的定位误差。图9给出了在不同速度下的定位误差。从图中可以看出本发明方法定位精度达到了理论方差，可以提供精确的厘米级定位精度，可以满足近距离定位的大多数应用。

Claims (3)

1.一种基于单站双频连续波雷达的异步定位方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：雷达连续发射三个状态的不同频率的连续波信号，并将回波信号与发射信号混频得到中频信号；具体方法为：

设被估计的动目标位置为(x,y)，并且已知天线的位置，发射天线的位置为(x₀,y₀)＝(-d,0)，两接收天线的位置分别为(x₁,y₁)＝(0,0)、(x₂,y₂)＝(d,0)；d为两个接收天线距离间隔，r_ij表示目标在第j个状态时与第i个天线的真实距离，发射角度为θ₀，接收天线(x₁,y₁)的目标DOA为θ₁，设φ_ij表示第i个天线在第j个状态时的相位，设三个状态的连续波信号的频率分别为f₁，f₂，f₂，并且每个状态持续的时间为T：

设定第一个状态的发射信号为：

u_t＝cos(2πf₁t) (1)

则目标的回波信号为：

u_r＝cos(2πf₁(t-T_d)) (2)

其中T_d为电磁波来回传播时间：

其中R(t)为目标与天线的瞬时距离，R为目标与天线的初始距离，C为电磁波传播速度，v_r为目标与天线的径向速度；

将回波信号与发射信号混频后，得到中频信号：

其中：

同理可得第二个状态的中频信号为：

其中：

第三个状态中的中频信号为：

其中：

步骤2：对中频信号进行快速傅里叶变换，得到两根接收天线的三个状态的相位；

步骤3：利用同一根接收天线中三个状态之间的相位差计算目标的距离；具体方法为：建立目标模型为：

由上式可得φ_i1和φ_i2的相位差，即：

设定v_r在这三个状态中是一个常数；因此，有：

r_1j＝r_1(j-1)-v_rT (9)

令j＝2再代入公式(8)差中，可得：

上式中具有额外相位扰动-4πf₂v_rT/c；

利用第三个状态与第二个状态的相位差补偿相位扰动，φ_i2和φ_i3的相位差为：

将上式代入式(10)，可得：

考虑到两个天线接收到的信号，r₁₁最终可以表示为：

其中a＝c/2π(f₂-f₁)；

步骤4：利用不同接收天线中的同一状态下的相位差确定目标的到达角；

步骤5：利用步骤3和步骤4得到目标的距离和到达角确定目标的位置。

2.根据权利要求1所述的一种基于单站双频连续波雷达的异步定位方法，其特征在于：所述步骤4的具体方法为：

同一时刻，两接收天线与目标之间距离的距离差为：

dr＝d cosθ (14)

所以由距离差dr引起的两接收天线之间的相位差可以表示为：

φ_1j-φ_2j＝2πf_jdr/c＝2πd cosθ/λ_j (15)

考虑到三个状态两个天线接收到的信号，θ最终可以表示为：

3.根据权利要求2所述的一种基于单站双频连续波雷达的异步定位方法，其特征在于：所述步骤5的具体方法为：

动目标的位置(x,y)通过下式获得：

x＝r₁₁cosθ,y＝r₁₁sinθ (17)。

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