CN108802695B - 毫米波3d雷达系统及信号处理流程 - Google Patents

Abstract

本发明适用于雷达技术领域，提供了一种毫米波3D雷达系统及信号处理流程，包括信号源、发射信号源功分网络、接收信号源功分网络、控制模块、阵列射频前端和数字后端。本申请采用时分复用‑多输入多输出技术和二维平面稀疏阵列技术设计了毫米波3D雷达系统，其不仅可实现可对复杂环境中存在的固定目标、低速目标等进行三维探测，也极大地降低了雷达系统硬件复杂度和成本。

Description

毫米波3D雷达系统及信号处理流程

技术领域

本发明属于雷达技术领域，尤其涉及一种毫米波3D雷达系统及信号处理流程。

背景技术

近年来，随着自动驾驶技术的迅猛发展，应用于车辆周围环境测量与感知的传感器系统也得到快速发展，其中以视频系统、激光雷达和毫米波雷达为主要代表。相对于视频系统和激光雷达，毫米波雷达具有更好的环境适应性和更低的安装使用成本，因此也被广泛应用于汽车辅助驾驶、汽车安全防护应用中。

但现有的毫米波雷达产品在处理复杂环境时还存在严重不足，尤其当汽车行驶于郊外、市区、市场等环境复杂区域(存在诸多固定目标、低速运动目标)时，仅对运动的少数目标进行二维空间探测已不能满足应用需求。

发明内容

有鉴于此，本发明实施例提供了一种毫米波3D雷达系统及信号处理流程，以解决现有技术中毫米波雷达仅对运动的少数目标进行二维空间探测不能满足应用要求的问题。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：一种毫米波3D雷达系统，包括信号源、发射信号源功分网络、接收信号源功分网络、控制模块、阵列射频前端和数字后端；

所述信号源产生毫米波的发射步进频信号和毫米波的接收步进频信号，所述信号源将发射步进频信号传输至所述发射信号源功分网络，并将接收步进频信号传输至所述接收信号源功分网络；

所述发射信号源功分网络将接收的发射步进频信号等分为若干路，并将等分的若干路发射步进频信号传输至所述阵列射频前端中的若干个发射阵元；

所述接收信号源功分网络将接收的接收步进频信号等分为若干路，并将等分的若干路接收步进频信号传输至所述阵列射频前端中的若干个接收阵元；

所述数字后端包括若干路ADC数据采集通道和FPGA模块，对所述阵列射频前端中的若干个接收阵元的中频输出信号和所述阵列射频前端中接收天线接收的信号进行并行数据采集，根据采集的数据发送控制数据至所述控制模块；

所述控制模块接收所述数据后端发送的控制数据，并根据控制数据控制所述阵列射频前端中的若干个发射阵元和若干个接收阵元发射信号的顺序。

进一步地，所述阵列射频前端包括96个发射阵元和96个接收阵元。

进一步地，所述阵列射频前端的长度为

所述阵列射频前端的宽度为

所述阵列射频前端中的96个发射阵元构成两行发射阵列，96个接收阵元构成两行接收阵列，两行发射阵列的间距和两行接收阵列的间距均为

相邻的两个发射阵元的间距和相邻的两个接收阵元的间距均为

其中C为光速，f_RF为所述阵列射频前端的工作频率。

进一步地，所述阵列射频前端的工作频率f_RF为24GHz或77GHz。

进一步地，所述信号源包括恒温晶体振荡器、发射直接数字频率合成器、接收直接数字频率合成器、发射倍频器和接收倍频器，所述恒温晶体振荡器分别连接所述发射直接数字频率合成器的输入端和所述接收直接数字频率合成器的输入端，所述发射直接数字频率合成器的输出端连接所述发射倍频器的输入端，所述接收直接数字频率合成器的输出端连接所述接收倍频器的输入端，所述发射倍频器的输出端连接所述发射信号源功分网络，所述接收倍频器的输出端连接所述接收信号源功分网络。

进一步地，所述发射直接数字频率合成器和所述接收直接数字频率合成器输出信号的中心频率均为

所述发射倍频器和所述接收倍频器输出信号的中心频率均为

所述发射倍频器和所述接收倍频器的倍频数均为256，其中f_RF为所述阵列射频前端的工作频率。

进一步地，所述阵列射频前端包括发射通道和接收通道，所述发射通道对所述发射信号源功分网络输入的发射步进频信号依次进行倍频、滤波、混频、滤波、放大后，输出至所述阵列射频前端上的发射天线；所述阵列射频前端上的接收天线接收信号并对接收的信号进行放大，所述接收通道对所述接收信号源功分网络输入的接收步进频信号依次进行倍频、滤波、混频、滤波后，和放大后的接收天线接收的信号依次进行混频、滤波后，输出至ADC数据采集通道。

一种毫米波3D雷达系统的信号处理流程，包括数据采集流程，所述数据采集流程包括以下步骤：

所述控制模块根据预先计算得出的频点数据对所述信号源进行频点参数配置，控制所述信号源进行频点切换，并控制所述阵列射频前端中的若干个发射阵元进行切换；

所述ADC数据采集通道对所述阵列射频前端中的若干个接收阵元输出信号进行采集；

所述控制模块判断所述阵列射频前端中的若干个发射阵元是否完成切换；若所述阵列射频前端中的若干个发射阵元完成切换，则判断所述信号源频点是否完成切换；若所述信号源频点完成切换，则所述控制模块控制所述ADC数据采集通道结束数据采集。

进一步地，若所述阵列射频前端中的若干个发射阵元没有完成切换，所述控制模块控制所述阵列射频前端中的发射阵元进行切换；若信号源频点没有完成切换，所述控制模块控制信号源进行频点切换。

进一步地，所述的毫米波3D雷达系统的信号处理流程还包括雷达信号处理流程，所述雷达信号处理流程包括以下步骤：

所述数字后端对采集的数据进行读取与缓存，对采集的数据进行有效性判定，并通过滤波去除无效数据，对有效数据中的接收数字波束进行成形处理，对接收数字波束成形输出数据中的发射数字波束进行成形处理，对发射数字波束成形输出数据按波束指向角度进行重新排列，对重新排列后的输出数据在频率维上的距离进行压缩处理，对距离压缩输出的数据进行阈值滤波处理，进行雷达视场三维重构。

采用上述技术方案所产生的有益效果在于：本发明通过设计毫米波3D雷达系统及信号处理流程，包括信号源、发射信号源功分网络、接收信号源功分网络、控制模块、阵列射频前端和数字后端。本申请采用时分复用-多输入多输出技术和二维平面稀疏阵列技术设计了毫米波3D雷达系统，其不仅可实现可对复杂环境中存在的固定目标、低速目标等进行三维探测，也极大地降低了雷达系统硬件复杂度和成本。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的毫米波3D雷达系统硬件组成结构示意图；

图2是本发明实施例提供的阵列射频前端结构示意图；

图3是本发明实施例提供的信号源组成结构图；

图4是本发明实施例提供的收发通道架构示意图；

图5是本发明实施例提供的数据采集流程逻辑示意图；

图6是本发明实施例提供的雷达信号处理流程逻辑示意图。

图中：1、信号源；2、发射信号源功分网络；3、接收信号源功分网络；4、控制模块；5、阵列射频前端；6、数字后端；7、发射阵元；8、接收阵元；9、恒温晶体振荡器；10、发射直接数字频率合成器；11、接收直接数字频率合成器；12、发射倍频器；13、接收倍频器；14；发射通道；15、接收通道。

具体实施方式

以下描述中，为了说明而不是为了限定，提出了诸如特定系统结构、技术之类的具体细节，以便透彻理解本发明实施例。然而，本领域的技术人员应当清楚，在没有这些具体细节的其它实施例中也可以实现本发明。在其它情况中，省略对众所周知的系统、装置、电路以及方法的详细说明，以免不必要的细节妨碍本发明的描述。

为了说明本发明所述的技术方案，下面通过具体实施例来进行说明。

如图1所示，毫米波3D雷达系统，包括信号源1、发射信号源功分网络2、接收信号源功分网络3、控制模块4、阵列射频前端5和数字后端6；

信号源1产生毫米波的发射步进频信号和毫米波的接收步进频信号，信号源1将发射步进频信号传输至发射信号源功分网络2，并将接收步进频信号传输至接收信号源功分网络3；

发射信号源功分网络2将接收的发射步进频信号等分为若干路，并将等分的若干路发射步进频信号传输至阵列射频前端5中的若干个发射阵元7；

接收信号源功分网络3将接收的接收步进频信号等分为若干路，并将等分的若干路接收步进频信号传输至阵列射频前端5中的若干个接收阵元8；

数字后端6包括若干路ADC数据采集通道和FPGA模块，对阵列射频前端5中的若干个接收阵元8的中频输出信号和阵列射频前端5中接收天线接收的信号进行并行数据采集，根据采集的数据发送控制数据至控制模块4；

控制模块4接收数据后端发送的控制数据，并根据控制数据控制阵列射频前端5中的若干个发射阵元7和若干个接收阵元8发射信号的顺序。

如图2所示，阵列射频前端5由若干个发射阵元7和若干个接收阵元8组成。

本发明的一个实施例中，阵列射频前端5包括96个发射阵元7和96个接收阵元8，阵列射频前端5的长度为

阵列射频前端5的宽度为

阵列射频前端5中的96个发射阵元7构成两行发射阵列，96个接收阵元8构成两行接收阵列，两行发射阵列的间距和两行接收阵列的间距均为

相邻的两个发射阵元7的间距和相邻的两个接收阵元8的间距均为

其中C为光速，f_RF为阵列射频前端5的工作频率，阵列射频前端5的工作频率f_RF为24GHz或77GHz。

如图3所示，信号源1包括恒温晶体振荡器9、发射直接数字频率合成器10、接收直接数字频率合成器11、发射倍频器12和接收倍频器13，恒温晶体振荡器9分别连接发射直接数字频率合成器10的输入端和接收直接数字频率合成器11的输入端，发射直接数字频率合成器10的输出端连接发射倍频器12的输入端，接收直接数字频率合成器11的输出端连接接收倍频器13的输入端，发射倍频器12的输出端连接发射信号源功分网络2，接收倍频器13的输出端连接接收信号源功分网络3。发射直接数字频率合成器10和接收直接数字频率合成器11的波形生成参数可由数字后端6进行设置。

本发明的一个实施例中，发射直接数字频率合成器10和接收直接数字频率合成器11输出信号的中心频率均为

发射倍频器12和接收倍频器13输出信号的中心频率均为

发射倍频器12和接收倍频器13的倍频数均为256，其中f_RF为阵列射频前端5的工作频率。

如图4所示，阵列射频前端5包括发射通道和接收通道，发射通道对发射信号源功分网络2输入的发射步进频信号依次进行倍频、滤波、混频、滤波、放大后，输出至阵列射频前端5上的发射天线；阵列射频前端5上的接收天线接收信号并对接收的信号进行放大，接收通道对接收信号源功分网络3输入的接收步进频信号依次进行倍频、滤波、混频、滤波后，和放大后的接收天线接收的信号依次进行混频、滤波后，输出至ADC数据采集通道。

发射通道14输出至天线端的信号频率为f_tx，接收通道15第一级混频器频率为f_tx+f_if，其中f_if为接收通道15输出的信号频率。发射通道14对信号源1产生的发射步进频信号进行四倍频处理，接收通道15对信号源1产生的接收步进频信号进行四倍频处理。

如图5所示，本发明公开了一种毫米波3D雷达系统的数据采集流程，包括数据采集流程，数据采集流程包括以下步骤：

控制模块4根据预先计算得出的频点数据对信号源1进行频点参数配置，控制信号源1进行频点切换，并控制阵列射频前端5中的若干个发射阵元7进行切换。

ADC数据采集通道对阵列射频前端5中的若干个接收阵元8输出信号进行采集。

控制模块4判断阵列射频前端5中的若干个发射阵元7是否完成切换；若阵列射频前端5中的若干个发射阵元7完成切换，则判断信号源频点是否完成切换；若信号源频点完成切换，则控制模块4控制所述ADC数据采集通道结束数据采集。

若阵列射频前端5中的若干个发射阵元7没有完成切换，控制模块4控制阵列射频前端5中的发射阵元7进行切换；若信号源频点没有完成切换，控制模块4控制信号源进行频点切换。

如图6所示，本发明公开了一种毫米波3D雷达系统的雷达信号处理流程，雷达信号处理流程包括加载采集数据、数据预处理、接收数字波束成形、发射数字波束成形、空间数据合成、距离压缩和雷达视场三维重构。

加载采集数据：完成对数字后端6采集的ADC采集数据的读取与缓存。加载的ADC采集数据表示为s_rev(k,m_tx,m_rx)，其中k为发射信号频点序号，m_tx为发射阵元7序号，m_rx为接收阵元8序号。

数据预处理：完成对加载的采样数据的有效性进行判定，并通过滤波去除无效数据。数据预处理输出的数据表示为

其中k为发射信号频点序号，m_tx为发射阵元7序号，m_rx为接收阵元8序号。

接收数字波束成形：完成对有效采样数据的接收数字波束成形处理。接收数字波束成形处理的定义为

其中

为接收数字波束成形输出数据，(θ,φ)为波束指向角度，

为波束指向角度为(θ,φ)的发射阵列加权值。

发射数字波束成形：完成对接收数字波束成形输出数据的发射数字波束成形处理。发射波束成形处理的定义为

其中

为发射数字波束成形的输出数据，

为波束指向角度为(θ,φ)的接收阵列加权值。

空间数据合成：完成发射数字波束成形输出数据按波束指向角度进行重新排列。

距离压缩：完成对空间数据合成输出数据在频率维上的距离压缩处理。距离压缩处理的定义为

其中

表对自变量k进行IFFT变换。

雷达视场三维重构：实现对距离压缩输出数据s_range(n,θ,φ)进行阈值滤波处理。

结束：实现雷达视场三维重构输出数据的存储与传输。

本申请采用时分复用-多输入多输出技术和二维平面稀疏阵列技术设计了毫米波3D雷达系统，其不仅可实现可对复杂环境中存在的固定目标、低速目标等进行三维探测，也极大地降低了雷达系统硬件复杂度和成本。

以上所述实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种毫米波3D雷达系统，其特征在于，包括信号源、发射信号源功分网络、接收信号源功分网络、控制模块、阵列射频前端和数字后端，其中所述阵列射频前端包括若干个发射阵元和若干个接收阵元，所述阵列射频前端的长度为

所述阵列射频前端的宽度为

其中N为发射阵元的个数，N也为接收阵元的个数，所述阵列射频前端中的N个发射阵元构成两行发射阵列，N个接收阵元构成两行接收阵列，两行发射阵列的间距和两行接收阵列的间距均为

相邻的两个发射阵元的间距和相邻的两个接收阵元的间距均为

其中C为光速，f_RF为所述阵列射频前端的工作频率；

所述信号源产生毫米波的发射步进频信号和毫米波的接收步进频信号，所述信号源将发射步进频信号传输至所述发射信号源功分网络，并将接收步进频信号传输至所述接收信号源功分网络；

所述发射信号源功分网络将接收的发射步进频信号等分为若干路，并将等分的若干路发射步进频信号传输至所述阵列射频前端中的若干个发射阵元；

所述接收信号源功分网络将接收的接收步进频信号等分为若干路，并将等分的若干路接收步进频信号传输至所述阵列射频前端中的若干个接收阵元；

所述数字后端包括若干路ADC数据采集通道和FPGA模块，对所述阵列射频前端中的若干个接收阵元的中频输出信号和所述阵列射频前端中接收天线接收的信号进行并行数据采集，根据采集的数据发送控制数据至所述控制模块；

所述控制模块接收所述数据后端发送的控制数据，并根据控制数据控制所述阵列射频前端中的若干个发射阵元和若干个接收阵元发射信号的顺序。

2.根据权利要求1所述的毫米波3D雷达系统，其特征在于，所述阵列射频前端包括96个发射阵元和96个接收阵元。

3.根据权利要求2所述的毫米波3D雷达系统，其特征在于，所述阵列射频前端的工作频率f_RF为24GHz或77GHz。

4.根据权利要求1所述的毫米波3D雷达系统，其特征在于，所述信号源包括恒温晶体振荡器、发射直接数字频率合成器、接收直接数字频率合成器、发射倍频器和接收倍频器，所述恒温晶体振荡器分别连接所述发射直接数字频率合成器的输入端和所述接收直接数字频率合成器的输入端，所述发射直接数字频率合成器的输出端连接所述发射倍频器的输入端，所述接收直接数字频率合成器的输出端连接所述接收倍频器的输入端，所述发射倍频器的输出端连接所述发射信号源功分网络，所述接收倍频器的输出端连接所述接收信号源功分网络。

5.根据权利要求4所述的毫米波3D雷达系统，其特征在于，所述发射直接数字频率合成器和所述接收直接数字频率合成器输出信号的中心频率均为

所述发射倍频器和所述接收倍频器输出信号的中心频率均为

所述发射倍频器和所述接收倍频器的倍频数均为256，其中f_RF为所述阵列射频前端的工作频率。

6.根据权利要求1所述的毫米波3D雷达系统，其特征在于，所述阵列射频前端包括发射通道和接收通道，所述发射通道对所述发射信号源功分网络输入的发射步进频信号依次进行倍频、滤波、混频、滤波、放大后，输出至所述阵列射频前端上的发射天线；所述阵列射频前端上的接收天线接收信号并对接收的信号进行放大，所述接收通道对所述接收信号源功分网络输入的接收步进频信号依次进行倍频、滤波、混频、滤波后，和放大后的接收天线接收的信号依次进行混频、滤波后，输出至ADC数据采集通道。

7.一种基于权利要求1-6任一项所述的毫米波3D雷达系统的信号处理流程，其特征在于，包括数据采集流程，所述数据采集流程包括以下步骤：

所述控制模块根据预先计算得出的频点数据对所述信号源进行频点参数配置，控制所述信号源进行频点切换，并控制所述阵列射频前端中的若干个发射阵元进行切换；

所述ADC数据采集通道对所述阵列射频前端中的若干个接收阵元输出信号进行采集；

所述控制模块判断所述阵列射频前端中的若干个发射阵元是否完成切换；若所述阵列射频前端中的若干个发射阵元完成切换，则判断所述信号源频点是否完成切换；若所述信号源频点完成切换，则所述控制模块控制所述ADC数据采集通道结束数据采集。

8.根据权利要求7所述的毫米波3D雷达系统的信号处理流程，特征在于，若所述阵列射频前端中的若干个发射阵元没有完成切换，所述控制模块控制所述阵列射频前端中的发射阵元进行切换；若信号源频点没有完成切换，所述控制模块控制信号源进行频点切换。

9.根据权利要求7所述的毫米波3D雷达系统的信号处理流程，其特征在于，还包括雷达信号处理流程，所述雷达信号处理流程包括以下步骤：

所述数字后端对采集的数据进行读取与缓存，对采集的数据进行有效性判定，并通过滤波去除无效数据，对有效数据中的接收数字波束进行成形处理，对接收数字波束成形输出数据中的发射数字波束进行成形处理，对发射数字波束成形输出数据按波束指向角度进行重新排列，对重新排列后的输出数据在频率维上的距离进行压缩处理，对距离压缩输出的数据进行阈值滤波处理，进行雷达视场三维重构。

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