CN108983240A - 基于正交调制体制的防撞毫米波雷达目标信号模拟系统及方法 - Google Patents

基于正交调制体制的防撞毫米波雷达目标信号模拟系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了基于正交调制体制的防撞毫米波雷达目标信号模拟系统及方法，包括：射频变频收发模块，所述射频变频收发模块接收防撞毫米波雷达发射的线性扫频信号并进行下变频，得到中频信号；正交调制模块，所述正交调制模块接收射频变频收发模块输出的中频信号，作为正交调制器的本振信号；基带信号处理模块，通过任意加载速度与距离方式将速度和距离进行频率和相位重映射，可模拟任意场景，模拟的距离或速度信号分正交两路输出至正交调制模块；本发明基于正交调制体制的防撞毫米波雷达目标信号模拟方法以软件无线电和射频变频收发架构为基础，采用“全数字基带+射频变频收发”模式，模拟功能全由数字实现，具有体积小、成本低与实用方便等优点。

Description

基于正交调制体制的防撞毫米波雷达目标信号模拟系统及 方法
技术领域
本发明涉及防撞毫米波雷达目标信号模拟技术领域，特别是涉及基于正交调制体制的防撞毫米波雷达目标信号模拟系统及方法。
背景技术
传统防撞毫米波雷达目标信号模拟器采用信号延迟线方法，体积大，成本高，距离和速度无法连续宽范围模拟，只能提供固定点模拟，无法满足防撞雷达研制过程、实验等全方位测试需求。
防撞毫米波雷达利用波长为毫米级的雷达快速准确获取车身周围信息，并根据所探知的信息进行目标追踪、识别分类，并做出相应警示或决策。防撞毫米波雷达不仅应用于防碰撞系统，而且已经在自适应巡航控制系统和无人驾驶系统中得到广泛应用。在防撞毫米波雷达实验、研制与生产过程中，为了更好的完成雷达性能的测试工作，需要进行防撞毫米波雷达信号目标模拟，验证防撞毫米波雷达测距与测速等核心功能的准确性。
传统防撞毫米波雷达目标模拟方法采用信号延迟线的方法。如图1所示，防撞毫米波雷达首先产生线性调频连续波雷达信号输入到防撞毫米波雷达目标模拟器的输入开关切换单元，中央控制处理单元根据需要模拟的距离和速度选择相应的切换路由到延迟控制单元。延迟控制单元是整个防撞毫米波雷达目标模拟器的核心，当模拟不同距离时，先计算需要映射的延迟时间，计算时需要包含往返的全程，然后再选择相应的延迟线实现所需模拟的距离。当模拟速度时，在不同距离下信号的频率和相位的变化量与延迟时间进行映射，通过快速切换不同延迟线实现速度模拟。延迟线控制单元后模拟信号最终经过输出开关切换单元后输出回防撞毫米波雷达进行信号解析，验证防撞毫米波雷达是否正常。
目前，现有技术存在以下缺点：
1、传统防撞毫米波雷达目标模拟器采用延迟线方法，体积大，成本高，重量也不轻，灵活方便性差，非常不实用。
2、采用延迟线方式只能提供离散固定距离模拟，距离模拟范围有限，没有距离连续模拟功能，无法满足宽范围连续模拟需求。
3、采用延迟线方式无法进行任意速度模拟，模拟场景单一，不能实现距离和速度的高精度连续复杂混合模拟，无法逼真的反应真实的工作环境。
4、传统延迟线方法模拟多目标时需要额外的延迟线模块，要模拟几个目标就需要增加相应几个延迟线模块，成本及其体积成倍数增长，也不实用。
发明内容
为了解决现有技术的不足，本发明提供了基于正交调制体制的防撞毫米波雷达目标信号模拟系统，本发明采用“全数字基带+射频变频收发”模式，模拟功能全由数字实现，具有体积小、成本低与实用方便等优点。
基于正交调制体制的防撞毫米波雷达目标信号模拟系统，包括：
射频变频收发模块，所述射频变频收发模块接收防撞毫米波雷达发射的线性扫频信号并进行下变频，得到中频信号；
正交调制模块，所述正交调制模块接收射频变频收发模块输出的中频信号，作为正交调制器的本振信号；
基带信号处理模块，采用全数字模式，通过任意加载速度与距离方式将速度和距离进行频率和相位重映射，可模拟任意场景，模拟的距离或速度信号分正交两路输出至正交调制模块；
基带信号处理模块输出的正交两路信号送入正交调制模块与射频变频收发模块下变频后的中频信号进行调制，将距离或速度信息携带到中频信号上，并对调制后的信号进行调理，调理后的信号经过射频变频收发模块上变频后输出送给防撞毫米波雷达。
进一步优选的技术方案，防撞毫米波雷达发射的线性扫频信号首先经过防撞毫米波雷达信号模拟器喇叭天线接收后送入射频变频收发模块进行下变频，得到中频信号。
进一步优选的技术方案，所述射频变频收发模块包括下变频单元、上变频单元及六倍频单元，所述下变频单元、上变频单元混频所需的本振信号均由微波本振源模块产生后经六倍频器产生。
进一步优选的技术方案，所述下变频单元对接收的信号进行下变频得到的中频信号经过放大器模块调理后送入正交调制模块。
进一步优选的技术方案，所述基带信号处理模块包含距离模式、速度模式，其中速度模式可混合模拟速度和距离。
进一步优选的技术方案，所述基带信号处理模块当要模拟距离时，采用周期性直接数字合成与重映射技术进行频率匹配，首先将模拟距离折算成要模拟的时间，该时间包含往返全程时间，然后根据雷达扫频带宽和扫频时间的线性度乘上全程时间进行重映射得到要模拟的频率差；该频率差采用直接数字合成方式产生，并与防撞毫米波雷达的周期进行匹配，最后产生周期性的距离模拟信号，从而实现距离的连续模拟。
进一步优选的技术方案，所述基带信号处理模块当模拟速度时，采用结合希尔伯特变换与任意波形发生技术对信号进行模拟，通过希尔伯特变换方法抑制镜像问题产生虚假目标；
首先根据雷达扫频信号特征即扫频带宽与时间结合模拟速度值重映射得到模拟变化的相位差值，该相位差值与模拟距离的频率结合经过希尔伯特变换技术产生正交两路模拟信号，两路正交模拟信号在雷达每周期内增加相应的相位差值；
两路模拟信号经过任意波形发生技术加载到数字信号平台的大容量存储器后进行播放。
进一步优选的技术方案，所述基带信号处理模块采用功率调整控制方法，通过同步调整基带处理模块输出同相与反相两路的偏置电平与峰值电压，使得调制后信号本振泄露最小，然后对输入正交调制模块的本振信号进行功率调整，并对正交调制后的信号进行抑制。
基于正交调制体制的防撞毫米波雷达信号模拟方法，包括：
防撞毫米波雷达发射的线性扫频信号首先经过防撞毫米波雷达信号模拟器喇叭天线接收后送入射频变频收发模块进行下变频，得到中频信号；
防撞毫米波雷达目标信号模拟器得到的中频信号经过放大器模块调理后送入正交调制模块，作为正交调制器的本振信号；
基带信号处理模块采用全数字模式，模拟的距离或速度信号分正交两路输出；
基带信号处理模块输出的正交两路信号送入正交调制模块与射频变频收发模块下变频后的中频信号进行调制，将距离或速度信息携带到中频信号上，并对调制后的信号进行调理；
调制后的信号经过射频变频收发模块上变频后输出送给防撞毫米波雷达，防撞毫米波雷达最后解算后与模拟值进行对比，从而验证雷达的性能。
进一步优选的技术方案，当要模拟距离时，采用周期性直接数字合成与重映射技术进行频率匹配，首先将距离折算成要模拟的时间，该时间包含往返全程时间，然后根据雷达扫频带宽和扫频时间的线性度乘上全程时间进行重映射得到要模拟的频率差，该频率差采用直接数字合成方式产生，并与防撞毫米波雷达的周期进行匹配，最后产生周期性的距离模拟信号，从而实现距离的连续模拟。
进一步优选的技术方案，当模拟速度时，采用结合希尔伯特变换与任意波形发生技术对信号进行模拟，首先根据雷达扫频信号特征即扫频带宽与时间结合模拟速度值重映射得到模拟变化的相位差值，该相位差值与模拟距离的频率结合经过希尔伯特变换技术产生正交两路模拟信号，两路正交模拟信号在雷达每周期内增加相应的相位差值，两路模拟信号经过任意波形发生技术加载到数字信号平台的大容量存储器后进行播放。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明提出一种基于正交调制体制的防撞雷达目标信号模拟方法，采用射频变频收发架构和任意加载距离和速度方式，将速度和距离进行频率和相位重映射，并与雷达中频信号进行正交调制来模拟距离与速度信息。该发明不仅降低了硬件成本与体积，特别实现了距离和速度的高精度连续或复杂混合模拟，满足防撞雷达研制过程、实验室与生产线的测试需求。
本发明基于正交调制体制的防撞毫米波雷达目标信号模拟方法以软件无线电和射频变频收发架构为基础，采用“全数字基带+射频变频收发”模式，模拟功能全由数字实现，具有体积小、成本低与实用方便等优点。
本发明采用周期性直接数字合成与重映射技术，将距离模拟转换成频率差模拟，实现距离任意连续模拟，保证距离模拟的连续性。通过希尔伯特变换与任意波形发生技术，将速度模拟转换成相位差模拟，基于希尔伯特变换保证两路信号的正交性，并采用任意波形发生实现速度的连续模拟。
本发明采用共享本振技术，通过同一本振的复用保证相位的一致性，实现高精度雷达信号模拟。本发明体积小，重量轻，成本也很低，重点实现了距离和速度的高精度连续或复杂混合模拟，满足防撞毫米波雷达研制过程、实验室与生产线的测试需求。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。
图1为基于延迟线的防撞毫米波雷达目标模拟实现框图；
图2为基于正交体制的防撞毫米波雷达信号目标模拟实现框图。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
防撞毫米波雷达频率覆盖76～82GHz，采用线性调频连续波调制样式，频率扫频时呈锯齿波形状，扫频时间最快可达几十us，扫频速度非常快，带宽一般都是GHz级别，非常宽。防撞毫米波雷达连续不断发射线性扫频信号，然后该扫频信号经过目标反射回防撞毫米波雷达，防撞毫米波雷达根据当前发射信号与接收信号的相位差计算相应的速度与距离。目标反射不仅会降低扫频信号的功率，最重要的是影响该信号的频率和相位。当目标与防撞毫米波雷达距离固定时，防撞毫米波雷达接收的相位差是固定；当两者发生相对运动时，就会产生相应的频率差或相位变化差。
根据以上防撞毫米波雷达的调制格式、解析方式等特点，本发明提出一种基于正交调制体制的防撞毫米波雷达目标信号模拟方法及系统，以软件无线电和射频变频收发架构为核心，采用任意加载距离和速度方式，将速度和距离进行频率和相位重映射，并与雷达中频信号进行正交调制来模拟距离与速度信息。采用“全数字基带+射频变频收发”模式，通过任意加载速度与距离方式将速度和距离进行频率和相位重映射，可模拟静目标与动目标等任意场景。采用正交调制方法将模拟场景信号调制到雷达信号上来模拟距离与速度信息，并利用雷达信号泄露抑制技术与希尔伯特变换方法实现虚假目标的消除。
本申请的一种典型的实施方式中，如图2所示，提供了基于正交调制体制的防撞毫米波雷达目标信号模拟系统，该基于正交调制体制的防撞毫米波雷达目标信号模拟系统中包括：
射频变频收发模块，所述射频变频收发模块接收防撞毫米波雷达发射的线性扫频信号并进行下变频，得到中频信号；
正交调制模块，所述正交调制模块接收射频变频收发模块输出的中频信号，作为正交调制器的本振信号；
基带信号处理模块，采用全数字模式，通过任意加载速度与距离方式将速度和距离进行频率和相位重映射，可模拟任意场景，模拟的距离或速度信号分正交两路输出至正交调制模块；
基带信号处理模块输出的正交两路信号送入正交调制模块与射频变频收发模块下变频后的中频信号进行调制，将距离或速度信息携带到中频信号上，并对调制后的信号进行调理，调理后的信号经过射频变频收发模块上变频后输出送给防撞毫米波雷达。
防撞毫米波雷达发射的线性扫频信号首先经过防撞毫米波雷达信号模拟器喇叭天线接收后送入射频变频收发模块进行下变频，得到中频信号。
射频变频收发模块包括下变频单元、上变频单元及六倍频单元，所述下变频单元、上变频单元混频所需的本振信号均由微波本振源模块产生后经六倍频器产生。
下变频单元对接收的信号进行下变频得到的中频信号经过放大器模块调理后送入正交调制模块。
基带信号处理模块包含距离模式、速度模式，其中速度模式可混合模拟速度和距离。
本申请的另一种典型的实施方式中，基于正交调制体制的防撞毫米波雷达目标信号模拟方法，具体步骤：
(1)防撞毫米波雷达发射的线性扫频信号首先经过防撞毫米波雷达信号模拟器喇叭天线接收后送入射频变频收发模块进行下变频，得到中频信号。射频变频收发模块混频所需的本振信号由微波本振源模块产生后经六倍频器产生。为保证收发模块相位与频差的一致性，以提高模拟器模拟精度，下变频单元与上变频单元共享本振技术。
(2)防撞毫米波雷达目标信号模拟器得到的中频信号经过放大器模块调理后送入正交调制模块，作为正交调制模块的本振信号。由于扫频信号很宽，放大器模块带宽可达8GHz以上。
(3)基带信号处理模块采用全数字模式，根据需要模拟的距离或速度选择不同的模式，包含距离、速度模式，其中速度模式可混合模拟速度和距离。模拟的距离或速度信号分正交两路输出。
(4)当要模拟距离时，采用周期性直接数字合成与重映射技术进行频率匹配。首先将距离(距离表示为d)折算成要模拟的时间(时间表示为t),该时间t＝2*d/c包含往返全程时间，c为电磁波传播速度3*108米/秒。然后根据防撞毫米波雷达当前状态设置的雷达扫频带宽(带宽表示为B)和扫频时间(扫频时间表示为T)计算线性度(线性度表示为s，s＝B/T)，将线性度乘上全程时间进行重映射得到要模拟的频率差(频率差表示为Δf)，即Δf＝st。该频率差采用直接数字合成方式产生，并与防撞毫米波雷达的周期进行匹配，该匹配方法是经过防撞毫米波雷达周期后将该频率差信号的初相重新置为零，最后产生周期性的距离模拟信号，从而实现距离的连续模拟。
(5)当模拟速度(速度表示为v)时，采用结合希尔伯特变换与任意波形发生技术对信号进行模拟。首先根据雷达扫频信号特征即防撞毫米波雷达当前状态设置的扫频带宽与扫频时间结合要模拟的速度值重映射得到模拟变化的相位差值(相位差表示为ΔΦ)，即相位重映射为λ为防撞毫米波雷达信号波长，k初始为0，防撞毫米波雷达扫频一个周期k就自动加1。通过该相位差值变化模拟所需的速度，并与频率差结合得到频相偏信号(频相偏信号表示为x＝2πΔft+ΔΦ(t))，经过希尔伯特变换技术产生正交两路模拟信号，其中同相之路模拟信号I(t)＝cos(2πΔft+ΔΦ(t))，反相之路模拟信号为上述两路正交模拟信号在雷达每周期内增加相应的相位差值即两路模拟信号经过任意波形发生技术加载到数字信号平台的大容量存储器后进行播放。由于大容量存储器存储长度必须是八的倍数，为保证模拟精度，任意波形发生的长度保证是八的整数倍。由于相位差任意可设，保证了速度的连续模拟。通过希尔伯特变换方法，保证了同相之路与反相之路的正交性，抑制了由于镜像问题产生的虚假目标。
(6)基带信号处理模块输出的正交两路信号送入正交调制模块与射频变频收发模块下变频后的中频信号进行调制，将距离或速度信息携带到中频信号上，并对调制后的信号进行调理。为抑制本振泄露产生的虚假目标，采用功率调整控制方法，首先同步调整基带处理模块输出同相与反相两路的偏置电平与峰值电压，使得调制后信号本振泄露最小，然后对输入正交调制器的本振信号进行功率调整，并对输出正交调制后的信号进行抑制。
(7)正交调制后的信号经过射频变频收发模块上变频后经喇叭天线输出送给防撞毫米波雷达，防撞毫米波雷达最后解算后与模拟值进行对比，从而验证雷达的性能。上变频所需的本振与下变频所需的本振为同一本振源，保证相位的一致性。
本发明提出一种基于正交调制体制的防撞毫米波雷达目标信号模拟方法，采用射频变频收发架构和任意加载距离和速度方式，将速度和距离进行频率和相位重映射，并与雷达中频信号进行正交调制来模拟距离与速度信息。该发明不仅降低了硬件成本与体积，还实现了距离和速度的高精度连续或复杂混合模拟，满足防撞雷达研制过程、实验室的测试需求。
本发明提出一种基于正交调制体制的防撞毫米波雷达目标信号模拟方法采用软件无线电体系架构，以“全数字基带+射频变频收发”模式为核心，将射频变频收发模块高度集成，模拟功能全由数字实现，大大降低了模拟器体积、功耗以及硬件成本等，实用方便。
本发明采用周期性直接数字合成与重映射技术，将距离模拟转换成频率差模拟，实现距离任意连续模拟，保证距离模拟的连续性。
本发明采用希尔伯特变换与任意波形发生技术，将速度模拟转换成相位差模拟，通过希尔伯特变换保证两路信号的正交性，抑制了由于镜像问题产生的虚假目标，并采用任意波形发生实现速度的连续模拟。
本发明采用功率调整控制方法，对基带信号处理模块输出两路模拟信号进行调整，并通过调制前后的功率调理，抑制本振泄露产生的虚假目标。
本发明射频变频收发模块采用共享本振技术，通过同一本振的复用保证相位的一致性，实现高精度雷达信号模拟。
以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.基于正交调制体制的防撞毫米波雷达目标信号模拟系统，其特征是，包括：
射频变频收发模块，所述射频变频收发模块接收防撞毫米波雷达发射的线性扫频信号并进行下变频，得到中频信号；
正交调制模块，所述正交调制模块接收射频变频收发模块输出的中频信号，作为正交调制器的本振信号；
基带信号处理模块，采用全数字模式，通过任意加载速度与距离方式将速度和距离进行频率和相位重映射，可模拟任意场景，模拟的距离或速度信号分正交两路输出至正交调制模块；
基带信号处理模块输出的正交两路信号送入正交调制模块与射频变频收发模块下变频后的中频信号进行调制，将距离或速度信息携带到中频信号上，并对调制后的信号进行调理，调理后的信号经过射频变频收发模块上变频后输出送给防撞毫米波雷达。
2.如权利要求1所述的基于正交调制体制的防撞毫米波雷达目标信号模拟系统，其特征是，防撞毫米波雷达发射的线性扫频信号首先经过防撞毫米波雷达信号模拟器喇叭天线接收后送入射频变频收发模块进行下变频，得到中频信号。
3.如权利要求1所述的基于正交调制体制的防撞毫米波雷达目标信号模拟系统，其特征是，所述射频变频收发模块包括下变频单元、上变频单元及六倍频单元，所述下变频单元、上变频单元混频所需的本振信号均由微波本振源模块产生后经六倍频器产生。
4.如权利要求1所述的基于正交调制体制的防撞毫米波雷达目标信号模拟系统，其特征是，所述下变频单元对接收的信号进行下变频得到的中频信号经过放大器模块调理后送入正交调制模块。
5.如权利要求1所述的基于正交调制体制的防撞毫米波雷达目标信号模拟系统，其特征是，所述基带信号处理模块包含距离模式、速度模式，其中速度模式可混合模拟速度和距离。
6.如权利要求1所述的基于正交调制体制的防撞毫米波雷达目标信号模拟系统，其特征是，所述基带信号处理模块当要模拟距离时，采用周期性直接数字合成与重映射技术进行频率匹配，首先将模拟距离折算成要模拟的时间，该时间包含往返全程时间，然后根据雷达扫频带宽和扫频时间的线性度乘上全程时间进行重映射得到要模拟的频率差；该频率差采用直接数字合成方式产生，并与防撞毫米波雷达的周期进行匹配，最后产生周期性的距离模拟信号，从而实现距离的连续模拟。
7.如权利要求1所述的基于正交调制体制的防撞毫米波雷达目标信号模拟系统，其特征是，所述基带信号处理模块当模拟速度时，采用结合希尔伯特变换与任意波形发生技术对信号进行模拟，通过希尔伯特变换方法抑制镜像问题产生虚假目标；
首先根据雷达扫频信号特征即扫频带宽与时间结合模拟速度值重映射得到模拟变化的相位差值，该相位差值与模拟距离的频率结合经过希尔伯特变换技术产生正交两路模拟信号，两路正交模拟信号在雷达每周期内增加相应的相位差值；
两路模拟信号经过任意波形发生技术加载到数字信号平台的大容量存储器后进行播放。
8.如权利要求1所述的基于正交调制体制的防撞毫米波雷达目标信号模拟系统，其特征是，所述基带信号处理模块采用功率调整控制方法，通过同步调整基带处理模块输出同相与反相两路的偏置电平与峰值电压，使得调制后信号本振泄露最小，然后对输入正交调制模块的本振信号进行功率调整，并对正交调制后的信号进行抑制。
9.采用权利要求1-8任一所述的基于正交调制体制的防撞毫米波雷达目标信号模拟系统的方法，其特征是，包括：
防撞毫米波雷达发射的线性扫频信号首先经过防撞毫米波雷达信号模拟器喇叭天线接收后送入射频变频收发模块进行下变频，得到中频信号；
防撞毫米波雷达信号模拟器得到的中频信号经过放大器模块调理后送入正交调制模块，作为正交调制器的本振信号；
基带信号处理模块采用全数字模式，模拟的距离或速度信号分正交两路输出；
基带信号处理模块输出的正交两路信号送入正交调制模块与射频变频收发模块下变频后的中频信号进行调制，将距离或速度信息携带到中频信号上，并对调制后的信号进行调理；
调制后的信号经过射频变频收发模块上变频后输出送给防撞毫米波雷达，防撞毫米波雷达最后解算后与模拟值进行对比，从而验证雷达的性能。
10.如权利要求9所述的所述的基于正交调制体制的防撞毫米波雷达目标信号模拟系统的方法，其特征是，当要模拟距离时，采用周期性直接数字合成与重映射技术进行频率匹配，首先将距离折算成要模拟的时间，该时间包含往返全程时间，然后根据雷达扫频带宽和扫频时间的线性度乘上全程时间进行重映射得到要模拟的频率差，该频率差采用直接数字合成方式产生，并与防撞毫米波雷达的周期进行匹配，最后产生周期性的距离模拟信号，从而实现距离的连续模拟；
当模拟速度时，采用结合希尔伯特变换与任意波形发生技术对信号进行模拟，首先根据雷达扫频信号特征即扫频带宽与时间结合模拟速度值重映射得到模拟变化的相位差值，该相位差值与模拟距离的频率结合经过希尔伯特变换技术产生正交两路模拟信号，两路正交模拟信号在雷达每周期内增加相应的相位差值，两路模拟信号经过任意波形发生技术加载到数字信号平台的大容量存储器后进行播放。
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