CN109061580B - 一种调频间断连续波雷达缓和相互干扰方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种调频间断连续波（FMICW）雷达缓和相互干扰方法。利用FMICW雷达信号波形的间断性，发送端对扫频周期内的每一个脉冲段附加一个随机初始相位，接收端用该发送信号对回波信号做混频可消除该附加随机初始相位对本机的影响。由于所述附加初始相位的随机性，不同雷达间的接收信号和本地信号将会分别经过不同初始相位的调制和解调制，实现对接收到的干扰信号功率进行衰减。进一步地，本发明使用真随机数产生器根据回波信号的噪声频谱产生多相随机初始相位，由于噪声频谱的随机性和各雷达噪声频谱的不相关性，所述附加初始相位具有真随机数的不可重复性和非周期性，从而实现干扰信号和本地信号在相位上的进一步失配，使得接收到的干扰信号功率被更大限度地衰减。

Description

一种调频间断连续波雷达缓和相互干扰方法

【技术领域】

本发明涉及调频间断连续波(FMICW)雷达技术领域，特别涉及一种采用真随机数对扫频周期内的脉冲段添加随机初始相位以缓和FMICW雷达信号的相互干扰方法。

【背景技术】

调频连续波(FMCW)雷达因其低峰值功率，高距离分辨率等优点而得到广泛应用。FMCW雷达的主要缺点是要求接收机和发射机之间有良好的功率隔离。调频间断连续波(FMICW)体制采用单个收发共用天线，利用天线收发开关在扫频周期内切换发送和接收模式，可以有效降低收发功率隔离度要求和系统成本。图1为FMICW雷达发送和接收信号时频示意图。图中f_o为载波频率,B为扫频带宽,T为扫频周期,T_c为收发开关周期(即脉冲段周期)，τ为发送时间(即脉冲宽度)。可以看出在每一个扫频周期T内，FMICW发送和接收信号均为周期性的脉冲段。在接收端数字信号处理模块对回波信号的差频信号(即混频和低通滤波后信号)做处理(比如频谱分析)即可获得目标距离，速度，方位等参数信息。虽然与调频连续波雷达在原理和处理方式上类似，但是由于发送和接收波形的间断，FMICW雷达信号具有诸多特性。这些特性可以用来改善系统的某些性能。

随着相同频段雷达数量的增加，雷达信号之间的相互干扰将会严重影响雷达的正常工作。比如在汽车应用中，迎面而来的汽车会直接干扰本汽车的雷达。同样，配备后向探测雷达的汽车会对其后方汽车的前向探测雷达产生干扰。调频间断连续波雷达间的相互干扰会导致两个主要问题：幽灵目标和本底噪声的增加。幽灵目标会增加虚警概率，本底噪声会降低雷达检测灵敏度。

【发明内容】

为了克服现有FMICW雷达技术中相互干扰大的缺陷，本发明提供一种调频间断连续波雷达缓和相互干扰方法。本发明利用FMICW雷达信号波形的间断性在扫频周期内引入随机性,达到增强系统抗干扰能力的目的。发送端对扫频周期内的每一个脉冲段附加一个随机初始相位，接收端用该发送信号(即本地信号) 对回波信号做混频即可消除该附加随机初始相位对本机的影响。然而，由于所述附加初始相位的随机性，不同雷达间的接收信号和本地信号将会分别经过不同初始相位的调制和解调制，实现对接收到的干扰信号功率进行衰减。进一步地，本发明使用真随机数产生器根据回波信号的噪声频谱产生多相随机初始相位，由于噪声频谱的随机性和各雷达噪声频谱的不相关性，所述附加初始相位具有真随机数的不可重复性和非周期性，从而实现干扰信号和本地信号在相位上的进一步失配，使得接收到的干扰信号功率被更大限度地衰减。

本发明的技术方案如下，一种调频间断连续波雷达缓和相互干扰方法，包含以下步骤：

步骤1：初始化过程，产生第一个扫频周期发送信号脉冲段所需的N个M元随机数{c_n，n＝0，1，…N-1}，这里M为大于等于2的整数，N为一个扫频周期内的脉冲段数目，即

N＝floor(T/T_c)

其中，T为扫频周期,T_c为收发开关周期，floor(x)为高斯符号(即取不大于x 的最大整数)，其中，随机数{c_n，n＝0，1，…N-1}为一组动态随机数，在每一个扫频周期是随机产生。

步骤2：添加初始相位，根据所述随机数{c_n}对一个扫频周期内的每一个脉冲段信号附加一个M相随机初始相位

其中,

步骤3：发送端发送所述一个扫频周期的发送信号；

步骤4：接收端接收所述一个扫频周期发送信号的回波信号；

步骤5：频谱分析过程，对所述一个扫频周期回波信号的差频信号z(n)进行快速傅里叶变换得到回波信号频谱；

步骤6：噪声频谱提取过程，对所述回波信号频谱做信号检测，判断出目标点和噪声点；

步骤7：噪声频谱处理过程，将所述噪声频谱进行平移，量化和抽样处理，产生N个M元随机数{c_n，n＝0，1，…N-1}，用于下一个扫频周期发送信号脉冲段初始相位的添加；

步骤8：将所述一个扫频周期回波信号的差频信号z(n)传送数字信号处理模块保存；

步骤9：重复运行步骤2至步骤7的操作P-1次，其中P为一帧数据所需的扫频次数,其取值为大于等于1的整数。

步骤10：目标参数估计过程，数字信号处理模块对所述P个扫频周期回波信号的差频信号z(n)进行处理(比如频谱分析)，提取目标距离，速度，方位等参数信息。

进一步地，扫频周期内脉冲段添加随机初始相位后的发送周期性脉冲信号为

其中，t为时间变量，rect(t)为矩形函数：

T_c为脉冲段周期(即收发开关周期)，τ为脉冲宽度，f₀为中心频率，μ＝B/T 为扫频斜率，B为扫频带宽,T为扫频周期。

进一步地，所述初始化过程产生N个M元随机数{c_n}的操作为，从整数集{0, 1,2,…,M-1}中随机抽取。其中

c_n＝(ac_n-1+b)mod M，(n＝0，1，...，N-1)

其中常数的设定范围为:乘积因子0<a<M；增量因子0≤b<M；种子0< c_-1<M。

进一步地，所述接收一个扫频周期发送信号的回波信号，对其进行频谱分析得到回波信号频谱的操作如下，对其差频数字信号序列{z(n)，n＝1,2,…,Q} 做L点快速傅立叶变换(FFT)再取其幅值的平方得到回波信号频谱p(k),其中， Q为一个扫频周期差频信号数据点数,L为大于等于Q的整数，即

p(k)＝|FFT(z(n))|²，(k＝0，1，…，L-1)

进一步地，对回波信号所述提取噪声频谱过程操作如下，对回波信号频谱 {p(k),k＝0,1,…,L-1}做信号检测(比如标准的单元平均法恒虚警率检测 CA-CFAR)判断出目标点和噪声点，其中，噪声点有K个，其对应的频率值(即 k值)为K₀，K₁，…，K_K-1,这些噪声点的p(k)值就构成了噪声频谱序列{r(k)}，即

r(k)＝p(K_k)，(k＝0，1，...，K-1)

进一步地，所述噪声频谱处理过程产生N个M元随机数的操作如下，首先将噪声频谱{r(k)}平移得到平移后噪声频谱{q(k)}:

q(k)＝r(k)-r_min，(k＝0，1，…，K-1)

其中，r_min为r(k)的最小值，即r_min＝min(r(k)，k＝0，1，…，K-1)；然后通过量化噪声频谱产生N个随机数：

其中，量化步长Δ＝q_max/M,q_max为q(k)的最大值，即q_max＝max(q(k)，k＝ 0，1，…，K-1)，k_n为从整数集{0,1,2,…,K-1}中随机抽取一个，具体地，

k_n＝(ak_n-1+b)mod K，(n＝0，1，...，N-1)

其中常数的设定范围为:乘积因子0<a<K；增量因子0≤b<K；种子0< k_-1<K。

进一步地，所述接收端用原始发送信号(即本地信号)s(t)对回波信号x(t) 做混频得到y(t):

y(t)＝s(t).*conj(x(t))

其中，.*为点乘运算，conj()为取共轭复数，再经反混叠滤波和模数变换(ADC) 得到数字差频信号z(n)。

进一步地，所述接收端数字差频信号z(n)传送真随机数产生器。所述真随机数产生器执行所述步骤5至步骤7的操作产生随机数{c_n}。

进一步地，所述发送端利用移相器按开关信号g(t)提供的时间基准根据所述随机初始相位

进行初始相位的添加。

本发明的有益效果：与现有技术相比，本发明提供一种调频间断连续波 (FMICW)雷达缓和相互干扰方法。利用FMICW雷达信号波形的间断性，发送端对扫频周期内的每一个脉冲段附加一个随机初始相位，接收端用该发送信号对回波信号做混频可消除该附加随机初始相位对本机的影响。由于所述附加初始相位的随机性，不同雷达间的接收信号和本地信号将会分别经过不同初始相位的调制和解调制，实现对接收到的干扰信号功率进行衰减。进一步地，本发明使用真随机数产生器根据回波信号的噪声频谱产生多相随机初始相位，由于噪声频谱的随机性和各雷达噪声频谱的不相关性，所述附加初始相位具有真随机数的不可重复性和非周期性，从而实现干扰信号和本地信号在相位上的进一步失配，使得接收到的干扰信号功率被更大限度地衰减。

【附图说明】

下面结合附图和具体实施方式对本发明进一步说明。

图1为调频间断连续波(FMICW)雷达信号时间频率示意图。

图2为体现本发明的FMICW雷达系统原理框图。

【具体实施方式】

为使本发明的目的、技术方法和优点更加清楚明了，下面通过附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。但是应该理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。

图1为本发明针对的调频间断连续波(FMICW)雷达发送(tx)和接收(rx)信号时间(t)频率(f)示意图。收发开关使信号波形间断成为周期性脉冲段，同时使收发系统共用一个天线。开关信号g(t)为1，0时分别为发送和接收时段。

图2为体现本发明的FMICW雷达系统原理框图。发送端压控振荡器(VCO) 产生调频正弦波信号。接收端信号经混频，反混叠滤波和模数变换(ADC)后得到的数字差频信号z(n)传送数字信号处理模块提取目标信息。本发明利用真随机数产生器根据回波信号的噪声频谱采样值产生多元随机数{c_n}，再由此产生相移值

并且利用移相器按开关信号g(t)提供的时间基准根据上述随机相移值实现初始相位的添加。

本发明的技术方案如下，一种调频间断连续波雷达缓和相互干扰方法，包含以下步骤：

步骤1：初始化过程，产生第一个扫频周期发送信号脉冲段所需的N个M元随机数{c_n，n＝0，1，…N-1}，这里M为大于等于2的整数，N为一个扫频周期内的脉冲段数目，即

N＝floor(T/T_c)

其中，T为扫频周期,T_c为收发开关周期；

步骤2：添加初始相位，根据所述随机数{c_n}对一个扫频周期内的每一个脉冲段信号附加一个M相随机初始相位

其中,

在M＝2的特例,即采用二元随机数和二元随机相位时，c_n∈{0，1}，

步骤3：发送端发送所述一个扫频周期的发送信号；

步骤4：接收端接收所述一个扫频周期发送信号的回波信号；

步骤5：频谱分析过程，对所述一个扫频周期回波信号的差频信号z(n)进行快速傅里叶变换得到回波信号频谱；

步骤6：噪声频谱提取过程，对所述回波信号频谱做信号检测，判断出目标点和噪声点；

步骤7：噪声频谱处理过程，，将所述噪声频谱进行平移，量化和抽样处理，产生N个M元随机数{c_n，n＝0，1，…N-1}，用于下一个扫频周期发送信号脉冲段初始相位的添加；

步骤8：将所述一个扫频周期回波信号的差频信号z(n)传送数字信号处理模块保存；

步骤9：重复运行步骤2至步骤7的操作P-1次，其中P为一帧数据所需的扫频次数,其取值为大于等于1的整数；

步骤10：目标参数估计过程，数字信号处理模块对所述P个扫频周期回波信号的差频信号z(n)进行处理(比如频谱分析)，提取目标距离，速度，方位等参数信息。

进一步地，扫频周期内脉冲段添加随机初始相位后的发送周期性脉冲信号为

其中，t为时间变量，rect(t)为矩形函数：

T_c为脉冲段周期(即收发开关周期)，τ为脉冲宽度，f₀为中心频率，μ＝B/T 为扫频斜率，B为扫频带宽,T为扫频周期。

进一步地，所述初始化过程产生N个M元随机数{c_n}的操作为，从整数集{0, 1,2,…,M-1}中随机抽取。具体地，

c_n＝(ac_n-1+b)mod M，(n＝0，1，...，N-1)

其中常数的设定范围为:乘积因子0<a<M；增量因子0≤b<M；种子0< c_-1<M。

进一步地，所述接收一个扫频周期发送信号的回波信号，对其进行频谱分析得到回波信号频谱的操作如下，对其差频数字信号序列{z(n)，n＝1,2,…,Q} 做L点快速傅立叶变换(FFT)再取其幅值的平方得到回波信号频谱p(k),其中， Q为一个扫频周期差频信号数据点数,L为大于等于Q的整数，即

p(k)＝|FFT(z(n))|²，(k＝0，1，…，L-1)

进一步地，对回波信号所述提取噪声频谱过程操作如下，对回波信号频谱 {p(k),k＝0,1,…,L-1}做信号检测(比如标准的单元平均法恒虚警率检测 CA-CFAR)判断出目标点和噪声点，假设有K个噪声点，其对应的频率值(即k 值)为K₀，K₁，…，K_K-1,这些噪声点的p(k)值就构成了噪声频谱序列{r(k)}，即

r(k)＝p(K_k)，(k＝0，1，...，K-1)

进一步地，所述噪声频谱处理过程产生N个M元随机数的操作如下，首先将噪声频谱{r(k)}平移得到平移后噪声频谱{q(k)}:

q(k)＝r(k)-r_min，(k＝0，1，…，K-1)

其中，r_min为r(k)的最小值，即r_min＝min(r(k)，k＝0，1，…，K-1)；然后通过量化噪声频谱产生N个随机数：

其中，量化步长Δ＝q_max/M,q_max为q(k)的最大值，即q_max＝max(q(k)，k＝ 0，1，…，K-1)，k_n为从整数集{0,1,2,…,K-1}中随机抽取一个，具体地，

k_n＝(ak_n-1+b)mod K，(n＝0，1，...，N-1)

其中常数的设定范围为:乘积因子0<a<K；增量因子0≤b<K；种子0< k_-1<K。

进一步地，所述接收端用原始发送信号(即本地信号)s(t)对回波信号x(t) 做混频得到y(t):

y(t)＝s(t)·*conj(x(t))

其中，.*为点乘运算，conj()为取共轭复数，再经反混叠滤波和模数变换(ADC) 得到数字差频信号z(n)。该差频信号中所添加的初始相位的影响被完全消除。数字信号处理模块对其进行处理即可正常提取目标距离，速度，方位等信息。然而，所述发送信号s(t)产生的回波信号在其它雷达接收端由不同初始相位信号 s'(t)混频得到的差频信号在各脉冲段叠加了真随机相位(即发送端信号初始相位

和接收端信号初始相位

之差)，因而其功率会被严重衰减，使得各雷达间信号的相互影响得到缓和。

进一步地，所述接收端数字差频信号z(n)传送真随机数产生器。所述真随机数产生器执行所述步骤5至步骤7的操作产生随机数{c_n}。

进一步地，所述真随机数{c_n}经乘法器乘以系数2π/M产生随机初始相位

进一步地，所述发送端利用移相器按开关信号g(t)提供的时间基准根据所述随机初始相位

进行初始相位的添加。

和伪随机数产生的结果不同，由于噪声频谱的随机性和各雷达噪声频谱的不相关性，上述方法产生的随机初始相位具有真正的随机性。采用上述缓和相互干扰方法的调频间断连续波雷达系统包含发送端、接收端、天线和天线收发开关；天线收发开关使发送和接收信号波形间断成为周期性脉冲信号；移相器模块，对扫频周期内的每一个脉冲段信号附加一个真随机初始相位，并经所述天线发送和接收回波信号；真随机数产生模块和乘法器，产生真随机初始相位。

发送端进一步包含扫频控制单元、压控振荡器(VCO)、移相器、功率放大器；扫频控制单元与所述压控振荡器一端连接，所述压控振荡器的另一端与移相器连接；移相器分别与功率放大器和所述乘法器连接；乘法器的另一端与真随机数产生器连接；所述功率放大器的另一端与所述天线收发开关连接。真随机数产生器的另一端与模数变换(ADC)模块的输出端连接。

接收端进一步包含低噪声放大器、混频器、中频放大器、低通滤波器、模数变换模块及数字信号处理模块；所述低噪声放大器的一端与天线收发开关连接；另一端与所述混频器连接；混频器另一端连接中频放大器；中频放大器另一端与低通滤波器连接；低通滤波器另一端与所述模数变换模块连接；模数变换模块另一端与所述数字信号处理模块连接。

本发明提供一种调频间断连续波(FMICW)雷达缓和相互干扰方法。利用 FMICW雷达信号波形的间断性，发送端对扫频周期内的每一个脉冲段附加一个随机初始相位，并进一步地使用真随机数产生器根据回波信号的噪声频谱产生具有真随机数特性的多元随机初始相位，确保干扰信号和本地信号在相位上的失配，达到衰减干扰信号功率的目的。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换或改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种调频间断连续波雷达缓和相互干扰方法，包含以下步骤：

步骤1：初始化过程，产生第一个扫频周期发送信号脉冲段所需的N个M元随机数{c_n，n＝0，1，…N-1}，M为大于等于2的整数，N为一个扫频周期内的脉冲段数目，即

N＝floor(T/T_c)

其中，T为扫频周期,T_c为收发开关周期；

步骤2：添加初始相位，根据所述随机数{c_n}对一个扫频周期内的每一个脉冲段信号附加一个M相随机初始相位

其中,

步骤3：发送端发送所述一个扫频周期的发送信号；

步骤4：接收端接收所述一个扫频周期发送信号的回波信号；

步骤5：频谱分析过程，对所述一个扫频周期回波信号的差频信号z(n)进行快速傅里叶变换得到回波信号频谱；

步骤6：噪声频谱提取过程，对所述回波信号频谱做信号检测，判断目标点和噪声点；

步骤7：噪声频谱处理过程，将所述噪声频谱进行平移，量化和抽样处理，产生N个M元随机数{c_n，n＝0，1，…N-1}，用于下一个扫频周期发送信号脉冲段初始相位的添加；

步骤8：将所述一个扫频周期回波信号的差频信号z(n)传送数字信号处理模块保存；

步骤9：重复运行步骤2至步骤7的操作P-1次，其中P为一帧数据所需的扫频次数,其取值为大于等于1的整数；

步骤10：目标参数估计过程，数字信号处理模块对所述P个扫频周期回波信号的差频信号z(n)进行处理，提取目标参数信息。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述扫频周期内脉冲段添加随机初始相位后的发送周期性脉冲信号为

其中，t为时间变量，rect(t)为矩形函数：

T_c为收发开关周期，τ为脉冲宽度，f₀为中心频率，μ＝B/T为扫频斜率，B为扫频带宽,T为扫频周期。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述初始化过程产生N个M元随机数{c_n}的操作为，从整数集{0,1,2,…,M-1}中随机抽取，其中

c_n＝(ac_n-1+b)mod M，n＝0，1，…，N-1

其中常数的设定范围为:乘积因子0<a<M；增量因子0≤b<M；种子0<c_-1<M。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，对所述一个扫频周期回波信号的差频信号z(n)进行快速傅里叶变换得到回波信号频谱的操作为：对差频数字信号序列{z(n)，n＝1,2,…,Q}做L点快速傅立叶变换(FFT)再取其幅值的平方得到回波信号频谱p(k),其中，Q为一个扫频周期差频信号数据点数,L为大于等于Q的整数，即

P(k)＝|FFT(z(n))|²，k＝0，1，…，L-1。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，对所述回波信号频谱提取噪声频谱，过程操作为：对回波信号频谱{p(k),k＝0,1,…,L-1}做信号检测判断出目标点和噪声点，其中，噪声点为K个，其对应的频率值为K₀，K₁，…，K_K-1，噪声点的p(k)值就构成了噪声频谱序列{r(k)}，即

r(k)＝p(K_k)，k＝0，1，...，K-1。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述噪声频谱处理过程产生N个M元随机数的操作步骤为：

将噪声频谱{r(k)}平移得到平移后噪声频谱{q(k)}:

q(k)＝r(k)-r_min，k＝0，1，…，K-1

其中，r_min为r(k)的最小值，即r_min＝min(r(k)，k＝0，1，…，K-1)；通过量化噪声频谱产生N个随机数：

其中，floor(x)为高斯符号，量化步长Δ＝q_max/M，q_max为q(k)的最大值，即q_max＝max(q(k)，k＝0，1，…，K-1)，k_n为从整数集{0，1，2，…，K-1}中随机抽取一个，

k_n＝(ak_n-1+b)mod K，n＝0，1，...，N-1

其中常数的设定范围为:乘积因子0＜a＜K；增量因子0≤b＜K；种子0＜k_-1＜K。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述接收端用原始发送信号s(t)对回波信号x(t)做混频得到y(t):

y(t)＝s(t).*conj(x(t))

其中，.*为点乘运算，conj()为取共轭复数，再经反混叠滤波和模数变换(ADC)得到数字差频信号z(n)。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述接收端数字差频信号z(n)传送至真随机数产生器，所述真随机数产生器执行所述步骤5至步骤7的操作产生随机数{c_n}。

9.根据权利要求1-8任一权利要求所述的方法，其特征在于，所述发送端利用移相器按开关信号g(t)提供的时间基准根据所述随机初始相位

进行初始相位的添加。

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