CN108983166A - 用于提高雷达系统收发信号的隔离度的对消装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于提高雷达系统收发信号隔离度的对消装置，该对消装置包括：用于获取雷达系统泄露信号的接收模块；以及与接收模块通信连接的对消模块，对消模块用于产生对消信号，接收由接收模块传递的泄露信号的信息，并根据泄露信号的信息调控对消信号的幅度和相位，将调控后的对消信号和泄露信号进行整合。本发明还提供一种用于提高雷达系统收发信号的隔离度的方法。

Description

用于提高雷达系统收发信号的隔离度的对消装置及方法

技术领域

本发明涉及电子雷达领域，尤其涉及一种用于提高雷达系统收发信号的隔离度的对消装置及方法。

背景技术

调频连续波(FMCW)雷达因其具有结构简单、体积小、成本低、分辨率高等诸多优点，已广泛应用国防、军事、民用等领域。然而，隔离度问题一直是FMCW雷达的设计难题，在高集成度、小尺寸电路条件下的芯片化FMCW雷达收发泄露问题尤其严重。系统隔离度差会造成系统干扰，导致系统作用距离、目标检测概率等性能指标严重下降，因此收发隔离度对FMCW雷达的系统性能至关重要，如何提高收发隔离度已成为FMCW雷达设计的关键技术。

目前提高收发隔离度的方法存在一些缺陷，首先，现有方法需要高速的模数转换(ADC)获取泄露信号信息，并通过数模转换(DAC)实现主动对消信号的产生，高频泄露信号对消还需要上变频单元模块，该方法存在设计复杂、功耗较大、不易于工程实现等严重缺陷，对于芯片化FMCW雷达是不利的；其次，传统的数字自适应对消方法采用ADC与DAC产生主动对消信号，ADC与DAC工作带宽有限，造成射频对消带宽受限，通常对消带宽不超过1GHz，已经不满足雷达系统对带宽的需求。

发明内容

为了克服上述问题的至少一个方面，本发明实施例提供一种用于提高雷达系统收发信号的隔离度的对消装置和方法。本发明采用了一种基于数字锁相技术的矢量信号产生方法，并采用了一种新的射频对消策略及算法流程实现FMCW雷达系统的高收发隔离度，且本发明的对消装置体积小、功耗低，适用于芯片化FMCW雷达系统，且能够在较宽的带宽上实现对消。

根据本发明的一个方面，提供一种用于提高雷达系统收发信号的隔离度的对消装置，该对消装置包括：用于获取雷达系统的泄露信号的接收模块；以及与接收模块通信连接的对消模块，对消模块用于产生对消信号，接收由接收模块传递的泄露信号的信息，并根据泄露信号的信息调控对消信号的幅度和相位，将调控后的对消信号和泄露信号进行整合。

根据本发明的用于提高雷达系统收发信号的隔离度的对消装置的一些实施例，接收模块包括：用于采集泄露信号的天线；与天线通信连接的前置放大器，前置放大器用于接收泄露信号，并对泄露信号进行放大处理；以及与前置放大器通信连接的采集与处理单元，采集与处理单元用于获取泄露信号的信息，并将泄露信号的信息传递到对消模块。

根据本发明的用于提高雷达系统收发信号的隔离度的对消装置的一些实施例，对消模块包括：用于接收泄露信号的信息并根据信息产生调控对消信号的相位和幅度的指令的控制单元；与控制单元通信连接的初始单元，初始单元用于产生初始对消信号，接收来自控制单元的调控指令并根据调控指令对初始对消信号的幅度和相位进行调控；以及与初始单元通信连接的合成单元，合成单元用于将调控后的对消信号和泄露信号进行整合。

根据本发明的用于提高雷达系统收发信号的隔离度的对消装置的一些实施例，初始单元包括：用于产生初始对消信号的数字锁相环，接收控制单元的相位调控指令并根据相位调控指令对初始对消信号的相位进行调控；以及衰减器，包括第一输入端和第二输入端，第一输入端与数字锁相环通信连接，接收相位调控后的对消信号，第二输入端与控制单元通信连接，接收控制单元的幅度调控指令并根据幅度调控指令对第一输入端接收的对消信号的幅度进行调控。

根据本发明的另一个方面，提供一种提高雷达系统收发信号的隔离度的方法，该方法包括如下步骤：S1、获取雷达系统的泄露信号；S2、产生对消信号，接收所述泄露信号的信息，并根据所述泄露信号的信息调控所述对消信号的幅度和相位；以及S3、将泄露信号和调控后的对消信号进行整合。

根据本发明的提高雷达系统收发信号的隔离度的方法的一些实施例，步骤S1包括以下步骤：S1.1、采集泄露信号；S1.2、对泄露信号进行放大处理；以及S1.3、根据放大处理后的泄露信号获取泄露信号的信息。

根据本发明的提高雷达系统收发信号的隔离度的方法的一些实施例，步骤S2在接收所述泄露信号的信息之后还包括步骤：根据泄露信号的信息产生调控对消信号的相位和幅度的调控指令。

根据本发明的提高雷达系统收发信号的隔离度的方法的一些实施例，步骤S2中通过如下步骤产生调控对消信号的相位和幅度的调控指令：S2a、根据泄露信号的相位和幅度设置对消信号的相位初始值和幅度初始值；S2b、将对消信号的幅度设置为初始值且不变，调整对消信号的相位，根据相位误差与对消比的变换关系得到最大对消比条件下的相位值，根据最大对消比条件下的相位值产生相位调控指令；以及S2c、将对消信号的相位设置为初始值且不变，调整对消信号的幅度，得到最大对消比条件下的幅度值，根据最大对消比条件下的幅度值产生幅度调控指令。

根据本发明的提高雷达系统收发信号的隔离度的方法的一些实施例，步骤S2在产生调控所述对消信号的相位和幅度的调控指令之后还包括步骤：接收调控指令，并根据调控指令对初始对消信号的幅度和相位进行调控。

根据本发明的提高雷达系统收发信号的隔离度的方法的一些实施例，该方法还包括步骤：S4、设置触发下一次将泄露信号和对消信号进行整合的条件。

与现有技术相比，本发明至少具有如下优点之一：

(1)电路结构简单、功耗低；

(2)电路集成度高；

(3)可直接产生相位可控的高频微波信号。

附图说明

通过下文中参照附图对本发明所作的描述，本发明的其它目的和优点将显而易见，并可帮助对本发明有全面的理解。

图1是根据本发明实施例的用于提高雷达系统收发信号的隔离度的对消装置的示意图；

图2是根据本发明实施例的用于提高雷达系统收发信号的隔离度的对消装置的数字锁相环的示意图；

图3是幅度误差和相位误差分别与对消比的关系图；

图4是根据本发明实施例的对消流程图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明实施例中使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本发明。除非另外定义，本发明使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。

本发明提供一种基于数字锁相环的对消装置，通过数字锁相技术产生矢量信号，并采用了一种新的射频对消策略及算法流程实现FMCW雷达系统的收发信号较高的隔离度，能够在较宽的带宽上实现对消。另外，本发明提供的对消装置体积小、功耗低，适用于芯片化FMCW雷达系统。

下面结合附图对本发明实施例作进一步的说明。

图1是根据本发明实施例的用于提高雷达系统收发信号的隔离度的对消装置的示意图。如图1所示，该对消装置包括用于获取雷达系统的泄露信号的接收模块1以及与接收模块1通信连接的对消模块2，对消模块2用于产生对消信号，接收由接收模块1传递的所述泄露信号的信息，泄露信号的信息包括幅度信息和相位信息，并根据泄露信号的信息调控所述对消信号的幅度和相位，将调控后的对消信号和泄露信号进行整合。图中a表示泄露信号，图中b表示回波信号。

接收模块1包括采集泄露信号的天线13、与天线13通信连接的前置放大器11和与前置放大器11通信连接的采集与处理单元12。前置放大器11用于接收所述泄露信号并将泄露信号进行放大，采集与处理单元12接收前置放大器11放大后的泄露信号，并对其进行处理，获取泄露信号的信息，然后将信息传递给对消模块2。

对消模块2包括：用于接收泄露信号的信息并根据该信息产生调控对消信号的相位和幅度的指令的控制单元21；与控制单元21通信连接的初始单元22，初始单元22用于产生初始对消信号，接收控制单元21的调控指令并根据调控指令对初始对消信号的幅度和相位进行调控；以及与初始单元22通信连接的合成单元23，合成单元23用于将调控后的对消信号和泄露信号进行整合。

初始单元22包括用于产生初始对消信号的数字锁相环24和与数字锁相环24通信连接的衰减器25，数字锁相环24接收控制单元的相位调控指令并根据相位调控指令对初始对消信号的相位进行调控。衰减器25包括第一输入端和第二输入端，第一输入端与数字锁相环24通信连接，接收相位调控后的对消信号，第二输入端与控制单元21通信连接，接收控制单元21的幅度调控指令并根据幅度调控指令对第一输入端接收的对消信号的幅度进行调控。

图2是根据本发明实施例的用于提高雷达系统收发信号的隔离度的对消装置的数字锁相环的示意图。如图2所示，数字锁相环24包括鉴相器26、环路滤波器27、压控振荡器28、分频器29和调制器30。图中d表示输入信号，e表示输出信号，c表示相位调控指令。数字锁相环24的输入信号为参考时钟信号，也即是鉴相器26的第一输入信号，分频器29与鉴相器26通信连接，分频器29会将产生的信号传递到鉴相器26，也即是鉴相器26的第二输入信号。鉴相器26根据第一输入信号和第二输入信号产生输出信号，并将输出信号传递到环路滤波器27中，环路滤波器27处理后会将输出信号传递到压控振荡器28。压控振荡器28会产生两路输出信号，第一输出信号传递到衰减器25，第二输出信号作为反馈信号传递到分频器29中。调制器30与分频器29通信连接，调制器30用于接收相位调制的指令。根据分频器29取值方式的不同，数字锁相环24分为整数分频锁相环和小数分频锁相环，当分频器29取整数时，数字锁相环24为整数分频锁相环；当分频器29取小数时，数字锁相环24为小数分频锁相环。

在本实施例中，衰减器25采用数控衰减器，在其他的实施例中，衰减器25还可以采用电调衰减器；在本实施例中，合成单元23可以包括合路器，在其他的实施例中，合成单元23可以为耦合器或功分器；在本实施例中，控制单元21可以包括自适应算法电路，在其他的实施例中，控制单元21可以采用单片机、数字信号处理(DSP)电路或现场可编程门阵列(FPGA)电路。

本发明还提供一种提高雷达系统收发信号的隔离度的方法，该方法可以有效地提高FMCW雷达的收发隔离度，具有功耗低、结构简单、工程可实现性强等特点，解决了芯片化FMCW雷达隔离度低的难题；并且该方法可以在宽带条件下实现芯片化FMCW雷达系统的射频对消，实现了宽带的高收发隔离度。该方法包括如下步骤：

S1、获取雷达系统的泄露信号。

根据优选的实施例，获取雷达系统可以包括如下步骤：S1.1、采集泄露信号；S1.2、对泄露信号进行放大处理；以及S1.3、根据放大处理后的泄露信号获取泄露信号的信息。可以通过天线13采集泄露信号，并将其传递到前置放大器11，前置放大器11对泄露信号进行放大处理，将放大处理后的泄露信号传递到采集与处理单元12，采集与处理单元12获取泄露信号的信息，并将泄露信号的信息传递到对消模块2中。

S2、产生对消信号，接收泄露信号的信息，并根据泄露信号的信息调控对消信号的幅度和相位。

例如可以首先采用数字小数锁相环技术与数控衰减技术实现主动对消矢量信号的产生与控制。基于数字锁相技术的矢量信号产生方法主要用来产生幅度、相位高精度控制的主动对消信号。数字锁相环24产生的矢量信号带宽由压控振荡器28决定，压控振荡器28具有宽带特性，射频对消工作带宽远大于1GHz，解决了传统射频对消方法工作带宽有限的缺陷。相位控制精度由调制器30的相位控制位数决定，相位控制精度可以优于0.1°。调制器30的可以是sigma-delta调制器。采用数字锁相环实现主动对消信号的产生具有电路结构简单、功耗低、可片上集成等优点，较适用于芯片化FMCW的应用。

步骤S2在接收泄露信号的信息之后还包括以下步骤：根据泄露信号的信息产生调控对消信号的相位和幅度的调控指令。图3是幅度和相位误差分别与对消比的关系图。如图3所示，幅度误差、相位误差两个参数中任意一个参数确定时，另一参数与对消比呈二次曲线关系，且有最小值。据此，可以通过如下步骤产生调控对消信号的相位和幅度的调控指令：S2a、根据泄露信号的相位和幅度设置对消信号的相位初始值和幅度初始值；S2b、将对消信号的幅度设置为初始值且不变，调整对消信号的相位，根据相位误差与对消比的变换关系得到最大对消比条件下的相位值，根据最大对消比条件下的相位值产生相位调控指令；以及S2c、将对消信号的相位设置为初始值且不变，调整对消信号的幅度，得到最大对消比条件下的幅度值，根据最大对消比条件下的幅度值产生幅度调控指令。最终获得的相位值、幅度值即为系统在该温度、安装等环境条件下的最优解。

步骤S2在产生调控对消信号的相位和幅度的调控指令之后还包括以下步骤：接收调控指令，并根据调控指令对初始对消信号的幅度和相位进行调控。例如可以利用自适应算法电路根据FMCW雷达接收到的泄露信号的信息实时地控制主动对消信号的幅度与相位。

S3、将泄露信号和调控后的对消信号进行整合。

将主动对消信号与系统泄露信号输入合路器中，使得主动对消信号与系统泄露信号在合路器中进行对消，降低了泄露信号的幅度，进而实现系统的收发隔离度提升。

根据优选的实施例，使用上述雷达系统提高收发信号的隔离度的方法还包括以下步骤：

S4、设置触发下一次将泄露信号和对消信号进行整合的条件。

可通过定时设定或对消比阈值设定来触发进行下一次的射频对消流程，以适应系统漂移或环境的变化。

图4是根据本发明实施例的对消流程图。如图4所示，对消开始设置对消信号的相位初值和幅度初值，然后将设置好相位初值和幅度初值的对消信号输入对消电路，然后根据泄露信号调整对消信号的相位，使对消深度最优，然后调整对消信号的幅度，使对消深度最优，此时对消结束，等待下一次对消触发。

与传统自适应射频对消系统相比，本发明的隔离度提高方法可直接产生相位可控的高频微波信号，电路结构简单、功耗低，且数字锁相环、数控衰减器、合路器、自适应算法电路具有可单片集成的特点，解决了传统数字自适应对消方法系统复杂、功耗大、工程实现难、不适用于芯片化FMCW雷达系统隔离度提升的技术缺陷。

最后应说明的是：以上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。

Claims (10)

1.一种用于提高雷达系统收发信号的隔离度的对消装置，其特征在于，所述对消装置包括：

接收模块，用于获取雷达系统的泄露信号；以及

对消模块，与所述接收模块通信连接，用于产生对消信号，接收由所述接收模块传递的所述泄露信号的信息，并根据所述泄露信号的信息调控所述对消信号的幅度和相位，将调控后的对消信号和所述泄露信号进行整合。

2.根据权利要求1所述的对消装置，其特征在于，所述接收模块包括：

天线，用于采集所述泄露信号；

前置放大器，与所述天线通信连接，用于接收所述泄露信号，并对所述泄露信号进行放大处理；以及

采集与处理单元，与所述前置放大器通信连接，用于获取所述泄露信号的信息，并将所述泄露信号的信息传递到所述对消模块。

3.根据权利要求2所述的对消装置，其特征在于，所述对消模块包括：

控制单元，用于接收所述泄露信号的信息并根据所述信息产生调控所述对消信号的相位和幅度的指令；

初始单元，与所述控制单元通信连接，用于产生初始对消信号，接收来自所述控制单元的调控指令并根据所述调控指令对所述初始对消信号的幅度和相位进行调控；以及

合成单元，与所述初始单元通信连接，用于将调控后的对消信号和所述泄露信号进行整合。

4.根据权利要求3所述的对消装置，其特征在于，所述初始单元包括：

数字锁相环，用于产生初始对消信号，接收所述控制单元的相位调控指令并根据所述相位调控指令对所述初始对消信号的相位进行调控；以及

衰减器，包括第一输入端和第二输入端，所述第一输入端与所述数字锁相环通信连接，接收相位调控后的对消信号，所述第二输入端与所述控制单元通信连接，接收所述控制单元的幅度调控指令并根据所述幅度调控指令对所述第一输入端接收的对消信号的幅度进行调控。

5.一种提高雷达系统收发信号的隔离度的方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、获取雷达系统的泄露信号；

S2、产生对消信号，接收所述泄露信号的信息，并根据所述泄露信号的信息调控所述对消信号的幅度和相位；以及

S3、将所述泄露信号和调控后的对消信号进行整合。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述步骤S1包括以下步骤：

S1.1、采集所述泄露信号；

S1.2、对所述泄露信号进行放大处理；以及

S1.3、根据放大处理后的泄露信号获取所述泄露信号的信息。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，步骤S2在接收所述泄露信号的信息之后还包括步骤：根据所述泄露信号的信息产生调控所述对消信号的相位和幅度的调控指令。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，步骤S2中通过如下步骤产生调控所述对消信号的相位和幅度的指令：

S2a、根据所述泄露信号的相位和幅度设置所述对消信号的相位初始值和幅度初始值；

S2b、将所述对消信号的幅度设置为初始值且不变，调整所述对消信号的相位，根据相位误差与对消比的变换关系得到最大对消比条件下的相位值，根据所述最大对消比条件下的相位值产生相位调控指令；以及

S2c、将所述对消信号的相位设置为初始值且不变，调整所述对消信号的幅度，得到最大对消比条件下的幅度值，根据所述最大对消比条件下的幅度值产生幅度调控指令。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，步骤S2在产生调控所述对消信号的相位和幅度的调控指令之后还包括步骤：接收所述调控指令，并根据所述调控指令对所述初始对消信号的幅度和相位进行调控。

10.根据权利要求5-9中任一项所述的方法，其特征在于，所述方法还包括步骤：

S4、设置触发下一次将泄露信号和对消信号进行整合的条件。