CN108627803B - 基于波束形成的频谱配对法及配对系统 - Google Patents

基于波束形成的频谱配对法及配对系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于波束形成的频谱配对法及配对系统，利用波束形成原理，基于目标对应的谱峰上角度信息一致的特点，通过权向量系数对FFT谱做波束形成，即同相数据叠加，不同相数据抑制，因此能突出目标角度上的谱峰，即目标对应的谱峰，从而求出速度和距离。本发明不仅具有实信号系统结构简单、成本低及鲁棒性较好等特点，并且能够通过频谱配对选取正确的单峰抑制错误频谱。

Description

基于波束形成的频谱配对法及配对系统
技术领域
本发明涉及频谱配对技术，特别是一种基于波束形成的频谱配对法及配对系统。
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MUSIC算法。为了应对道路的复杂情况，需要考虑多目标的数据处理，对于多目标FFT频谱多谱峰的情况，需要频谱配对来选择正确的谱峰，传统频谱配对通过计算差拍幅度谱面积来确定谱峰，此种方法计算量大而且在两个目标回波相近时容易发生错误。
发明内容
本发明目的在于提供一种基于波束形成的频谱配对法及配对系统。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于波束形成的频谱配对法，包括以下步骤：
步骤1，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；
步骤2，接收天线的接收信号通过低噪声放大器后与功分得到的本振信号下变频，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；
步骤3，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点对称的谱线，分别是
Figure BDA0001248004160000011
每条谱线包含目标方位角、距离和速度信息，fR为距离频率，fd为多普勒频率；
步骤4，将单阵元傅里叶变换后的前N/2点数据，共M阵元，组成M*N/2维矩阵X作为波束形成输入信号；
步骤5，求取信号X的协方差矩阵
Figure BDA0001248004160000021
并对其进行特征分解，得到目标个数k，利用MUSIC算法得到目标来波方向θ1～θk，θi∈(-90° 90°)，1≤i≤k；
步骤6，根据波束形成原理用θi得到加权矢量ω(θi)＝R-1α(θi)(α(θi)HR-1α(θi))-1，α(θi)为导向矢量，
Figure BDA0001248004160000022
d为天线阵元间距；分别对上扫频和下扫频FFT数据做波束形成，加权后的频谱图中，根据谱峰得到θi角度对应实际频率值
Figure BDA0001248004160000023
和
Figure BDA0001248004160000024
最终得到目标距离和速度。
一种基于波束形成的频谱配对系统，包括信号发生器、功分器、功率放大器、发射天线、接收天线、低噪声放大器、混频器、中频放大器、AD采样和信号处理模块；
所述信号发生器用于产生线性调频连续波，经功分器、功率放大器，由发射天线发射；
所述接收天线用于接收信号，并通过低噪声放大器后与功分得到的本振信号经混频器下变频，经中频放大器放大后进入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；
信号处理模块用于对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点对称的谱线；将单阵元傅里叶变换后的前N/2点数据，共M阵元，组成M*N/2维矩阵X作为波束形成输入信号；求取信号X的协方差矩阵R，并对其进行特征分解，得到目标个数k，利用MUSIC算法得到目标来波方向θ1～θk；根据波束形成原理用θi得到加权矢量ω(θi)＝R-1α(θi)(α(θi)HR-1α(θi))-1，1≤i≤k，α(θi)为导向矢量，
Figure BDA0001248004160000025
d为天线阵元间距；分别对上扫频和下扫频FFT数据做波束形成，加权后的频谱图中，根据谱峰得到θi角度对应实际频率值
Figure BDA0001248004160000026
和
Figure BDA0001248004160000027
最终得到目标距离和速度。
本发明与现有技术相比，其显著优点为：本发明在保证频谱配对的准确性同时，大大缩短了计算量，并且对于实信号的对称频谱也有明显的抑制。
附图说明
图1为本发明频谱配对算法的前端雷达系统框图。
图2为本发明基于波束形成的频谱配对法流程图。
图3(a)为时域FFT后上扫频频域波形图，图3(b)为时域FFT后下扫频频域波形图。
图4为本发明的目标来波方向MUSIC算法结果图。
图5(a)为本发明目标一波束形成后的上扫频频谱配对结果图，图5(b)为本发明目标一波束形成后的下扫频频谱配对结果图。
图6(a)为本发明目标二波束形成后的上扫频频谱配对结果图，图6(b)为本发明目标二波束形成后的下扫频频谱配对结果图。
具体实施方式
结合图1、图2，一种基于波束形成的频谱配对法，包括以下步骤：
步骤1，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；
步骤2，接收天线的接收信号通过低噪声放大器后与功分得到的本振信号下变频，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；
步骤3，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点对称的谱线，分别是
Figure BDA0001248004160000031
每条谱线包含目标方位角、距离和速度信息，fR为距离频率，fd为多普勒频率；
步骤4，将单阵元傅里叶变换后的前N/2点数据，共M阵元，组成M*N/2维矩阵X作为波束形成输入信号；
步骤5，求取信号X的协方差矩阵R，并对其进行特征分解，得到目标个数k，利用MUSIC算法得到目标来波方向θ1～θk；
步骤6，根据波束形成原理用θi得到加权矢量ω(θi)＝R-1α(θi)(α(θi)HR-1α(θi))-1，1≤i≤k，α(θi)为导向矢量，
Figure BDA0001248004160000032
d为天线阵元间距；分别对上扫频和下扫频FFT数据做波束形成，加权后的频谱图中，根据谱峰得到θi角度对应实际频率值
Figure BDA0001248004160000033
和
Figure BDA0001248004160000034
最终得到目标距离和速度。
一种基于波束形成的频谱配对系统，包括信号发生器、功分器、功率放大器、发射天线、接收天线、低噪声放大器、混频器、中频放大器、AD采样和信号处理模块；
所述信号发生器用于产生线性调频连续波，经功分器、功率放大器，由发射天线发射；
所述接收天线用于接收信号，并通过低噪声放大器后与功分得到的本振信号经混频器下变频，经中频放大器放大后进入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；
信号处理模块用于对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点对称的谱线；将单阵元傅里叶变换后的前N/2点数据，共M阵元，组成M*N/2维矩阵X作为波束形成输入信号；求取信号X的协方差矩阵R，并对其进行特征分解，得到目标个数k，利用MUSIC算法得到目标来波方向θ1～θk；根据波束形成原理用θi得到加权矢量ω(θi)＝R-1α(θi)(α(θi)HR-1α(θi))-1，1≤i≤k，α(θi)为导向矢量，
Figure BDA0001248004160000041
d为天线阵元间距；分别对上扫频和下扫频FFT数据做波束形成，加权后的频谱图中，根据谱峰得到θi角度对应实际频率值
Figure BDA0001248004160000042
和
Figure BDA0001248004160000043
最终得到目标距离和速度。
下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细描述。
实施例
(1)本实施例的天线阵列是6元均匀线阵，阵元间距
Figure BDA0001248004160000044
采样频率Fs＝40KHz,多目标情况下，目标一距离R1＝30m，速度v1＝2m/s，方向角θ1＝10°，目标二R2＝40m，v2＝10m/s，θ2＝-25°。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。目标靠近雷达运动，v为正数；远离雷达运动，v为负数。
(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800。
(3)对信号的上扫频数据和下扫频数据分别进行400点傅里叶变换，根据原理计算目标一上扫频频率1679.3Hz，下扫频频率2320.7Hz；目标二上扫频频率1063.3Hz，下扫频频率4270Hz。其阵元1接收数据频谱图，结果如图3(a)和图3(b)所示。目标数为2，因此频谱图中谱峰个数为4；
(4)用全部6阵元的下扫频FFT数据，组成6*512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 BDA0001248004160000051
最终通过MUSIC算法得到两个目标方位角θ1＝-25°，θ2＝10°。结果如图4所示；
(5)多目标情况下需要分别波束形成。首先是将θ1带入式ω(θi)＝R-1α(θi)(α(θi)HR-1α(θi))-1，得加权矢量w(-25°)。分别加权FFT_UP和FFT_DOWN，加权后的频谱图结果如图5(a)和图5(b)。由波束形成结果可知，w(-25°)加权后突出了对应角度目标的频率，即
Figure BDA0001248004160000052
目标一方向的信号则被抑制了。因此距离dis＝40.5m，vel＝9.98m/s，θ＝-25°。在误差范围内算法结果与仿真参数一致。
(6)第二个目标检测同样，将θ2带入式ω(θi)＝R-1α(θi)(α(θi)HR-1α(θi))-1，得加权矢量w(10°)。分别加权FFT_UP和FFT_DOWN，加权后的频谱图结果如图6(a)和图6(b)。w(10°)加权后突出了对应角度目标的频率，即
Figure BDA0001248004160000053
目标二方向的信号则被抑制了。最终目标参数为dis＝30m，vel＝1.87m/s，θ＝10°。在误差范围内，算法结果与设置参数一致。

Claims (2)

1.一种基于波束形成的频谱配对法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，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；
步骤2，接收天线的接收信号通过低噪声放大器后与功分得到的本振信号下变频，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；
步骤3，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点对称的谱线，分别是
Figure FDA0001248004150000011
每条谱线包含目标方位角、距离和速度信息，fR为距离频率，fd为多普勒频率；
步骤4，将单阵元傅里叶变换后的前N/2点数据，共M阵元，组成M*N/2维矩阵X作为波束形成输入信号；
步骤5，求取信号X的协方差矩阵R，并对其进行特征分解，得到目标个数k，利用MUSIC算法得到目标来波方向θ1～θk；
步骤6，根据波束形成原理用θi得到加权矢量ω(θi)＝R-1α(θi)(α(θi)HR-1α(θi))-1，1≤i≤k，α(θi)为导向矢量，
Figure FDA0001248004150000012
d为天线阵元间距；分别对上扫频和下扫频FFT数据做波束形成，加权后的频谱图中，根据谱峰得到θi角度对应实际频率值
Figure FDA0001248004150000013
和
Figure FDA0001248004150000014
最终得到目标距离和速度。
2.一种基于波束形成的频谱配对系统，其特征在于，包括信号发生器、功分器、功率放大器、发射天线、接收天线、低噪声放大器、混频器、中频放大器、AD采样和信号处理模块；
所述信号发生器用于产生线性调频连续波，经功分器、功率放大器，由发射天线发射；
所述接收天线用于接收信号，并通过低噪声放大器后与功分得到的本振信号经混频器下变频，经中频放大器放大后进入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；
信号处理模块用于对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点对称的谱线；将单阵元傅里叶变换后的前N/2点数据，共M阵元，组成M*N/2维矩阵X作为波束形成输入信号；求取信号X的协方差矩阵R，并对其进行特征分解，得到目标个数k，利用MUSIC算法得到目标来波方向θ1～θk；根据波束形成原理用θi得到加权矢量ω(θi)＝R-1α(θi)(α(θi)HR-1α(θi))-1，1≤i≤k，α(θi)为导向矢量，
Figure FDA0001248004150000021
d为天线阵元间距；分别对上扫频和下扫频FFT数据做波束形成，加权后的频谱图中，根据谱峰得到θi角度对应实际频率值
Figure FDA0001248004150000022
和
Figure FDA0001248004150000023
最终得到目标距离和速度。
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