CN108627828A

CN108627828A - 一种毫米波雷达广域远距离目标探测的方法

Info

Publication number: CN108627828A
Application number: CN201810242116.4A
Authority: CN
Inventors: 吴九冬
Original assignee: Suzhou Speed Intelligent Technology Co Ltd
Current assignee: Suzhou Speed Intelligent Technology Co Ltd
Priority date: 2018-03-22
Filing date: 2018-03-22
Publication date: 2018-10-09
Anticipated expiration: 2038-03-22
Also published as: CN108627828B

Abstract

本发明提供一种毫米波雷达广域远距离目标探测的方法，包括：生成探测用毫米波波束；在预设时序控制下，由天线阵列中与当前时序对应的目标阵元将所述毫米波波束以恒定频率发射出去，所述天线阵列不同阵元的辐射方向角不同；由所述目标阵元接收所述毫米波波束的回波；获取对于产生所述回波的目标物体的探测结果。本发明主要是解决固定主波束毫米波雷达探测距离过小和范围过窄的问题；既可以在最低成本和复杂度的情况下最大程度提高目标探测范围，减少探测盲点；又可以避免使用多个低增益天线进行目标的水平方位探测；该发明有利于提高探测效率，实现全天候目标探测。

Description

一种毫米波雷达广域远距离目标探测的方法

技术领域

本发明属于雷达通信和阵列信号处理技术领域，特别适用于对处于静止或者移动状态的多个目标进行远距离广域范围探测的应用场合；本发明具体涉及到一种毫米波雷达广域远距离目标探测的方法。

背景技术

目标探测技术的优劣直接影响探测的效果和精度。总结下来对目标进行探测的技术可以分为以下几类：

第一、超声，红外，摄像头或微波探测。超声探测距离过小且容易受环境和风的影响，使用场合受限。红外技术已广泛应用于自动门开关装置中，但是由于易受户外光和温度的影响使得其主要用于室内场合。摄像头是现在使用最广的目标记录和探测手段之一，但是由于雨雾天气对其探测效果影响较大，所以也有其使用的局限性。

第二、采用毫米波单波束进行探测的雷达系统。毫米波雷达是一种利用波长为毫米级的电磁波进行目标探测的雷达技术。毫米波雷达相较于传统雷达系统有许多有点：首先毫米波雷达系统的元器件尺寸在毫米波频段可以做得更小；另外雷达在毫米波频段目标探测的精度可以更高。最后毫米波作为一种无线电波探测手段，由于其在户外极端雨雾天气下都具有非常良好的探测性能，所以市场前景巨大，其在现代自动驾驶、工业机器人、智能交通控制、无人机防碰撞等方面有许多应用。

波束增益大和分辨率高是毫米波单波束的主要优点，但是其不能进行大角度范围的目标探测。在中国专利一种结合并馈公分网络的微带串馈阵列天线(专利号CN107623192A)中公开的技术方案可知，在毫米波雷达前端输出功率一定的情况下，探测范围始终与天线的增益成反比。为了进行大范围的探测必须通过使用多套雷达系统进行覆盖，成本大大增加。

为了扩大毫米波雷达的探测角度范围，现有技术中作出了如下努力：

(1)采用机械式扫描对大范围目标进行探测。可以将雷达安装放置在一个旋转马达上进行扫描，如中国专利一种新型测量高炉料面形状的机械式扫描雷达装置(专利号：CN102864263A)。但是机械转动的速度限制导致扫描速度低，不利于对快速机动目标进行跟踪探测；另外机械系统的稳定性和使用寿命也低于电子系统，机械无故障时间小于1000小时，故障率较高。

(2)采用相控阵对大范围目标进行探测。通过加入电子移相器，形成相控阵雷达进行电子扫描，如中国专利机载二次雷达相控阵询问系统动态目标模拟器(专利号：CN102012504A)。但是硬件上由于需要高频移相器和放大器进行相位和增益控制，成本很高；而且扫描过程中波束会因频率的不同指向会发生变化，波形会发生波束展宽和畸变。工作频率太窄直接限制了其扫描范围。

(3)采用Butler矩阵对大范围目标进行探测。通过设计Butler矩阵，对各天线阵列单元分别进行相位控制，从而实现波束切换扫描，如中国专利基于基片集成波导的二维波束扫描天线阵(专利号：CN105186139A)，这种方法属于波束切换型扫描方法；因为需要额外设计移相器和3dB电桥耦合器，占用很多印制电路板面积使得电路板很大；Butler矩阵的复杂程度跟雷达天线需要扫描的步进数呈正比；同样扫描过程也会出现波束展宽和畸变情形。

综上所述，目前进行目标探测的雷达技术普遍存在受环境因素影响大、探测范围过窄，系统稳定性差、成本高且系统过于复杂的特点。

发明内容

为了解决单波束毫米波雷达探测距离过小和范围过窄的问题；本发明公开了一种毫米波雷达广域远距离目标探测的方法。本发明可以用于对目标进行测速、测距，还可以在不需要借助多天线技术的前提下进行目标方位的探测。

本发明是以如下技术方案实现的：

一种毫米波雷达广域远距离目标探测的方法，包括下述步骤：

生成探测用毫米波波束；

在预设时序控制下，由天线阵列中与当前时序对应的目标阵元将所述毫米波波束以恒定频率发射出去，所述天线阵列不同阵元的辐射方向角不同；

由所述目标阵元接收所述毫米波波束的回波；

获取对于产生所述回波的目标物体的探测结果。

进一步地，所述天线阵列能够覆盖需要探测的全部角度。

进一步地，所述天线阵列通过下述方法获得：

根据天线阵列需要探测的角度生成所述天线阵列中天线阵元的目标辐射方向角；

根据预设目标公式设计所述天线阵元。

进一步地，所述天线阵元为目标阵列，所述根据预设目标公式设计所述天线阵元包括：控制目标阵列中相邻两个辐射单元之间的距离。

进一步地，相邻两辐射单元之间距离与目标辐射方向角之间的关系满足预设目标公式其中λ为毫米波在空气中的波长，L_f+L_p为两个相邻辐射单元之间的距离，λ_g为毫米波在介质基板中的波长。

进一步地，所述目标阵列是一种串馈微带阵列。

进一步地，所述目标阵列被设计成端接负载的行波结构，或终端短路或者开路的驻波结构。

本发明的有益效果是：

本发明提供的一种毫米波雷达广域远距离目标探测的方法，其具有如下有益效果：

本发明主要是解决固定主波束毫米波雷达探测距离过小和范围过窄的问题；同时与利用Butler矩阵和相控阵的波束扫描方法相比成本更低，结构更加简单且易于实现。该发明既可以在最低成本和复杂度的情况下最大程度提高目标探测范围，减少探测盲点；又可以避免使用多个低增益天线进行目标的水平方位探测；该发明有利于提高探测效率，实现全天候目标探测。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种毫米波雷达广域远距离目标探测的方法流程图；

图2是本发明实施例提供的一种天线阵元设计方法流程图；

图3是本发明实施例提供的目标阵列示意框图；

图4是本发明实施例提供的一种天线阵元示意图；

图5是本发明实施例提供的微带串馈天线阵列的二维辐射方向图示意图；

图6是本发明实施例提供的匹配性能示意图；

图7是本发明实施例提供的射频开关矩阵控制天线阵列示意图；

图8是本发明实施例提供的基于射频开关矩阵实现广域扫描的仿真结果示意图；

图9是本发明实施例提供的实现种毫米波雷达广域远距离目标探测的装置框图；

图10是本发明实施例提供的实现种毫米波雷达广域远距离目标探测的装置示意图；

图11是本发明实施例提供的基于所述毫米波雷达广域远距离目标探测的装置进行目标探测的方法流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步地详细描述。

本发明实施例首先公开了一种毫米波雷达广域远距离目标探测的方法，如图1所示，包括；

S101.生成探测用毫米波波束。

S102.在预设时序控制下，由天线阵列中与当前时序对应的目标阵元将所述毫米波波束以恒定频率发射出去，所述天线阵列不同阵元的辐射方向角不同。

本发明实施例中通过天线阵列实现固定频点下目标范围的全覆盖，从而在不额外增加机械结构以及不改变毫米波波束频率的前提下实现大角度的目标探测，所述天线阵列应当能够覆盖需要探测的全部角度。

S103.由所述目标阵元接收所述毫米波波束的回波。

S104.获取对于产生所述回波的目标物体的探测结果。

为了获得在固定频点下，具备不同辐射方向角的天线阵元，本发明实施例进一步公开了一种天线阵元设计方法，如图2所示，包括：

D1.生成所述天线阵元的目标辐射方向角。

根据天线阵列需要探测的角度生成所述天线阵列中天线阵元的目标辐射方向角，天线阵元的目标辐射方向角的设定与天线阵列需要探测的角度有关。

在一种可行的实施方式中，将多个指向不同的天线阵元的半功率波束宽度依次重叠组合实现目标范围的全覆盖。假设一共有N个阵元，将天线阵列以中间为界分成上下两部分。在进行天线阵元设计时候，当N为偶数时，只需要设计N/2个上半部分天线阵元，它们能够得到辐射方向角不同的波束；然后下半部分的天线阵元只需将上半部分的天线阵元进行180度旋转便可用于下半部分的角度覆盖。同样对于N为奇数时候，只需要设计(N-1)/2个上半部分天线阵元加中间1个天线阵元，然后下半部分的天线阵元只需将上半部分的天线阵元进行180度旋转便可用于下半部分的角度覆盖。

当然在另一种可行的实施方式中，还可以根据具体需求对每个天线阵元进行单独设计。

D2.根据预设目标公式设计所述天线阵元。

具体地，所述天线阵元也可以是一种天线阵列结构，本发明实施例称之为目标阵列，D2即是对于目标阵列的设计步骤。

在一种可行的实施方式中，如图3所示，所述目标阵列是一种串馈微带阵列。可以设计成端接负载的行波结构，也可以设计成终端短路或者开路的驻波结构。所述目标阵列可以利用相似的结构在相同频率下实现主波束扫描。主波束是天线辐射方向图的主瓣。主波束宽度越窄,天线的方向性越好，作用距离也越远。

由于在串馈微带阵列中，相邻两个辐射单元之间由于空间间距会出现馈电的相位差其中L_f+L_p为两个相邻辐射单元之间的距离，λ_g为毫米波在介质基板中的波长。

相邻两个辐射单元在目标辐射方向角处观察会存在空间相位差

其中λ为毫米波在空气中的波长。为了使得两个辐射单元之间出现正向最大相干叠加，两个相邻辐射单元间的总相位差为δ_total＝δ_feed+δ_space＝2π，由此，便可以得到预设目标公式所述预设目标公式用于描述辐射单元之间距离与目标辐射方向角之间的关系。

当频率一定时候，自由空间波长λ和介质中波长λ_g保持不变，通过设定两个相邻辐射单元之间的距离就可以得到沿目标辐射方向角的并且实现最大正相干的串馈微带天线阵列，这种结构的串馈微带天线阵列即可作为本发明实施例中的天线阵元。具体地L_f和L_p的具体数值可以由本领域技术人员在具体研发环节中，在确保预设目标公式成立的前提下自主进行设计。

在相同工作频点条件下，通过控制相邻辐射单元间距可以得到不同波束指向；串馈微带阵列呈现一定准周期结构，其包含很多个形状相似尺寸可以不同的辐射单元，通过辐射单元个数进行相干叠加实现高增益和超窄波束，从而提高探测距离和分辨率。

在本发明实施例中，进一步地提供了一种天线阵元，所述天线阵元具体为微带串馈天线阵列，如图4所示，需要说明的是这并不限制本发明的保护范围。该微带串馈天线阵列工作于24GHz，介质基板使用的是RO4350B，厚度10mil，介电常数3.5。微带串馈天线阵列的二维辐射方向图如图5所示，在水平方位角度内通过10个辐射单元可以实现20度极窄波束，增益达到14dBi；在俯仰角度方向可以实现大于90度角度范围的大范围扫描。天线的匹配性能如图6所示，在频段24GHz到24.25GHz目标频段内实现了非常好的匹配效果。

优选的，辐射单元可以包括介质基片，上层天线辐射金属基片和介质背面金属地。金属贴片的宽度呈现渐变结构，有利于实现辐射效率和天线带宽之间的平衡。

需要说明的是，经过相关实验可知，当目标阵元中相邻辐射单元间距从十六分之一个介质波长变化到三分之一个介质波长时候，主波束指向可以实现宽角度范围的步进扫描。通过该方法的有效设计可以实现更大范围的远距目标探测。

在获得了可以实现固定频点下目标范围的全覆盖的天线阵列的前提下，为实现目标范围内的依序扫描，还需要对于扫描过程进行控制。在本发明实施例中为了有序执行步骤S102，本发明实施例采用了一种射频开关矩阵，所述射频开关矩阵中的射频开关与天线阵元的馈电输入点相连。如图7所示，可以额外利用信号处理控制器对射频开关矩阵中的射频开关依次切换从而按照预设时序开启目标阵元，进而实现远距离广域空间的波束扫描。射频开关的数量根据需要覆盖的角度范围和天线阵元的半功率波束宽度进行确定；射频开关矩阵可以由任何单刀多掷开关组成。请参考图8，其进一步提供了一种基于射频开关矩阵实现广域扫描的仿真结果示意图。

本发明实施例通过使用高增益天线阵列配合射频矩阵开关对目标范围进行电子扫描，从而实现全天候远距离广域目标检测。相较于传统机械马达旋转扫描大大提高了系统稳定性和扫描速度；与相控阵雷达相比降低了系统复杂度和单机雷达成本，从而实现军用雷达技术在工业和民用领域的有效扩展。

本发明另一个实施例进一步提供了一种实现毫米波雷达广域远距离目标探测的装置，如图9所示，包括：

天线阵列1、天线阵列控制器、毫米波处理组件和信号控制组件，所述天线阵列1受控于所述天线阵列控制器，所述毫米波处理组件经由所述天线阵列控制器与所述天线阵列1连接；所述信号控制组件与所述毫米波处理组件连接；

所述毫米波处理组件用于产生毫米波，进行毫米波发送和回波信号接收；

所述信号控制组件用于获取所述毫米波处理组件传输的回波信号，并进行处理；

所述天线阵列不同阵元的辐射方向角不同；所述天线阵列控制器用于按照预设时序开启天线阵列中与当前时序对应的目标阵元。

所述装置还包括电源模块，所述电源模块用于为所述天线阵列控制器、毫米波处理组件以及信号控制组件供电。

在一种可行的实施方式中，所述天线阵列控制器可以由射频开关矩阵和控制所述射频开关矩阵的控制器构成，所述控制器用于按照预设时序控制射频开关矩阵；在另一种可行的实施方式中，所述射频开关矩阵也可以内置有控制单元，从而独立实现对于天线阵列1的时序控制。

在一个具体的实施例中，如图10所示，所述天线阵列控制器的功能由射频开关矩阵2实现。所述毫米波处理组件包括微波电路3、毫米波射频前端组件4和波形发生器5；所述信号控制组件包括依次连接的下变频电路6、中频放大器7、信号处理电路8以及显示模块9，下变频电路6与毫米波射频前端组件4相连。其中天线阵列1、射频开关矩阵2、微波电路3、毫米波射频前端组件4和波形发生器5依次双向连接。

当然，在另一种可行的实施方式中，所述下变频电路6也可以内置于毫米波处理组件，或信号控制组件中。

具体地，所述波形发生器5可以产生多普勒连续波，调频连续波或者频移键控调制波。其中调频连续波(FMCW)多适用于测距和测速，频移键控调制波(FSK)多适用于对运动的物体测距和测速。

所述微波电路3可以包括功率合成器，滤波器等。所述波形发生器5用于产生规定频段的调制信号并发送至毫米波射频前端组件4；所述下变频电路6用于将接收到的回波信号转为中频信号；所述中频放大器7用于放大所述中频信号；所述信号处理电路8以及所述显示模块9用于进行数据采样、处理以及显示。

具体地，中频放大器7还可以包括中频匹配滤波器和前置低噪声放大器。所述信号处理电路8可以是包含数字信号处理功能的微控制器，也可以是FPGA处理芯片；信号处理电路8可以用于对雷达目标回波进行采样和傅立叶运算提取目标的速度和/或位置信息，对目标进行跟踪和识别，并将实时探测结果输出至显示模块9。

请结合图11，其示出了基于所述毫米波雷达广域远距离目标探测的装置进行目标探测的方法，包括：

S201.波形发生器产生波形调制信号。

在一个可行的实施方式中，如果使用FMCW调制信号进行测速，频率是从24GHz扫到24.25GHz的，在一个天线扫描周期内，其频点是一样的。相应的，天线阵列是一个带宽250MHz的天线阵，其方向图在从24GHz变化到24.25GHz时变化甚微。

S202.射频开关矩阵按照预设时序连通天线阵列中与当前时序对应的目标阵元。

S203.所述波形调制信号经过上变频后，经由微波电路和射频开关矩阵后，由目标阵元发射出去。

上变频是通过混频功能实现的，混频可能由毫米波射频前端组件4实现，也可以通过其它独立元件实现。

S204.目标阵元接收回波信号。

S205.回波信号经过射频开关矩阵、微波电路和下变频电路得到中频信号。

S206.中频信号经过中频放大电路放大后送至信号处理电路进行采样。

S207.信号处理电路对采样结果进行快速傅氏变换和相关分析处理。

S208.由显示模块显示结果。

本发明实施例中时序的设计可以根据具体需求进行定制，相关毫米波处理组件、信号控制组件可以采用现有技术，而且具体的毫米波发生及处理方法，以及回波处理方法也可以采用现有技术进行设计，而天线阵列作为本申请的独创性设计在前文已经有充分记载。本发明实施例基于天线阵列可以实现对目标的距离、速度、方位的测量同时对目标进行跟踪和识别。

本发明实施例首先提出了一种通过控制天线阵元中相邻辐射单元之间的距离来实现固定频点下扫描指向不同的主波束的方法。然后将这些阵元的半功率波束宽度依次重叠组合实现目标范围的全覆盖。在具体的扫描过程中，可以通过射频开关矩阵依次切换从而实现远距离广域空间的波束扫描。本发明实施例使用了高增益和不同波束指向的天线阵列，从而实现了广域探测并且能够确保探测性能。

本发明实施例支持大区域、多目标、实时跟踪的检测方式：以多普勒连续波或者调频连续波的形式进行扫描，目标通过天线波束时会有连续的反射信号，根据接收的连续反射信号进行相应的调制处理及分析，就能准确检测目标的速度，距离和方位。后续还能够对物体进行跟踪和测量，直至目标离开扫描区域。进一步还可以根据目标对雷达波的散射特性进行二维成像，从而对目标的大小，种类和数目进行统计分析，可见，本发明实施例具备广阔的应用前景。

综合来说，本发明实施例相较于现有技术存在下述显著优势：

(1)通过控制目标阵元中相邻辐射单元之间的距离来实现能够发出指向不同的波束的天线阵列，得到的天线阵列结构轻巧紧凑；同时避免了使用复杂的Butler矩阵网络，射频移相器和放大器，易于设计实现；

(2)由于不需要使用移相器进行波束形成，输出的毫米波的频率可以保持不变，从而确保波束一直保持稳定；天线阵列的辐射波形不会发生畸变；

(3)可以保证扫描范围的每一个扇区探测效果一致；各扇区的依次扫描通过天线阵列控制器进行控制；

(4)天线阵列的数量可以根据需要探测的角度范围和天线的3dB波束宽度简单确定；

(5)不需要借助多天线和复杂的空间谱估计算法就可以准确估计目标方位；只需将一个天线同时用于收发且将该天线的波束设计得尽量窄；这样既可以提高方位角度的分辨率，又可以提高探测距离；

(6)支持使用波形发生器通过锁相环生成调频连续波信号，对静止和移动目标同时都具有很好的探测性能；

(7)既可以在最低成本和复杂度的情况下最大程度提高目标探测范围，减少探测盲点；又有利于提高探测效率，实现全天候目标探测；

(8)利用提出的天线阵列(具体为高增益波束天线)配合射频开关矩阵，避免了复杂的模拟相控和增益控制硬件网络，也避免了复杂的波束综合算法，结构精巧，算法复杂度低，可广泛应用于智能交通控制，智能路灯控制和复杂的工业大型机械防碰撞等多种场合。

在此处所提供的说明书中，说明了大量具体细节。然而，能够理解，本发明的实施例可以在没有这些具体细节的情况下实践。在一些实例中，并未详细示出公知的方法、结构和技术，以便不模糊对本说明书的理解。

类似地，应当理解，为了精简本公开并帮助理解各个发明方面中的一个或多个，在上面对本发明的示例性实施例的描述中，本发明的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该公开的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本发明要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多的特征。更确切地说，如本发明的权利要求书所反映的那样，发明方面在于少于前面公开的单个实施例的所有特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本发明的单独实施例。

本领域那些技术人员可以理解，可以对实施例中的设备中的模块进行自适应性地改变并且把它们设置在与该实施例不同的一个或多个设备中。可以把实施例中的模块或单元或组件组合成一个模块或单元或组件，以及此外可以把它们分成多个子模块或子单元或子组件。除了这样的特征和/或过程或者单元中的至少一些是相互排斥之外，可以采用任何组合对本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的所有特征以及如此公开的任何方法或者设备的所有过程或单元进行组合。除非另外明确陈述，本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的每个特征可以由提供相同、等同或相似目的的替代特征来代替。

此外，本领域的技术人员能够理解，尽管在此所述的实施例包括其它实施例中所包括的某些特征而不是其它特征，但是不同实施例的特征的组合意味着处于本发明的范围之内并且形成不同的实施例。例如，在本发明的权利要求书中，所要求保护的实施例的任意之一都可以以任意的组合方式来使用。

本发明还可以实现为用于执行这里所描述的方法的一部分或者全部的设备或者系统程序(如计算机程序和计算机程序产品)。这样的实现本发明的程序可以存储在计算机可读介质上，或者可以具有一个或者多个信号的形式。这样的信号可以从因特网网站上下载得到，也可以在载体信号上提供，或者以任何其他形式提供。

应该注意的是，上述实施例是对本发明进行说明而不是对本发明进行限制，并且本领域技术人员在不脱离所附权利要求的范围的情况下可设计出替换实施例。在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。单词“包含”不排除存在未列在权利要求中的元件或者步骤等。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。本发明可以借助于包括有若干不同元件的硬件以及借助于适当编程的计算机来实现。在列举了若干系统的单元权利要求中，这些系统中的若干个可以是通过同一个硬件项来具体体现。单词第一、第二以及第三等的使用不表示任何顺序，可将这些单词解释为名称。

Claims

1.一种毫米波雷达广域远距离目标探测的方法，其特征在于，包括下述步骤：

生成探测用毫米波波束；

由所述目标阵元接收所述毫米波波束的回波；

获取对于产生所述回波的目标物体的探测结果。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：

所述天线阵列能够覆盖需要探测的全部角度。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述天线阵列通过下述方法获得：

根据预设目标公式设计所述天线阵元。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述天线阵元为目标阵列，所述根据预设目标公式设计所述天线阵元包括：控制目标阵列中相邻两个辐射单元之间的距离。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于：

相邻两辐射单元之间距离与目标辐射方向角之间的关系满足预设目标公式

其中λ为毫米波在空气中的波长，L_f+L_p为两个相邻辐射单元之间的距离，λ_g为毫米波在介质基板中的波长。

6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于：

所述目标阵列是一种串馈微带阵列。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于：

所述目标阵列被设计成端接负载的行波结构，或终端短路或者开路的驻波结构。