CN109283517A - 一种fmcw雷达距离分辨率和测距范围动态调节的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种FMCW雷达距离分辨率和测距范围动态调节的方法，包括：通过调节雷达系统的中频滤波器带宽确认目标的实际距离；根据目标的实际距离，对中频滤波器带宽进行调整，从而获得当前距离下雷达系统最优的射频调频带宽及最优的距离分辨率；持续识别目标的实际距离，并判断目标距离变化率是否大于第二阈值，若是则返回上一步骤，否则继续保持当前中频滤波器带宽和当前射频调频带宽，并计算雷达系统的测距范围。本发明通过动态调整中频滤波器带宽以实现不同距离目标参数的动态调节，以实现测量近距离目标时可以得到较好的距离分辨率，测量远距离目标时可以得到较远的测量距离，且本发明的动态调节可以根据目标的实际距离使雷达系统性能效果更佳。

Description

一种FMCW雷达距离分辨率和测距范围动态调节的方法
技术领域
本发明涉及雷达信号处理技术领域，特别是涉及一种FMCW雷达距离分辨率和测距范围动态调节的方法。
背景技术
随着汽车产业的快速发展，汽车普及率显著提高，汽车安全驾驶已经成为现阶段的主要热门关注点。而毫米波雷达在辅助驾驶系统传感器中有着重要的地位。对于以后的高级辅助驾驶，甚至自动驾驶来说，毫米波雷达将会成为标配。
毫米波雷达系统可以实现对目标物体的测距，测速和测角。对于FMCW（FrequencyModulation Continuous Waves——调频连续波）雷达来说，调频带宽越大，距离分辨率就越高，对于同一角度不同距离的物体的辨识就更准确。对于近距离的目标分辨，我们希望距离分辨率越小越好，这样，我们就希望射频调频带宽B尽量大。但当射频调频带宽B增大，对于同样距离的目标，差频（发射信号和回波信号的频率差）就需要越大；同样的，测量同样距离的目标，射频调频带宽B减小一半的话，差频△f需要减小一半。
而，差频信号增大会引起下面两个问题：
a. 差频增大后需调高中频滤波器的上限截止频率，从而增加宽带噪声，会使BIF（中频滤波器带宽）增大，从而使灵敏度恶化。
b. 差频增大后会导致信号强度被中频滤波器衰减，从而使接收有用信号强度下降，在噪声不变的情况下，SNR（信噪比）会下降，从而使灵敏度恶化。
然而，雷达的威力范围和灵敏度是呈负相关的。所以上面两种情况导致的灵敏度恶化都会导致雷达的威力范围变小。
因此，距离分辨率和雷达测距威力范围存在矛盾，两者不可兼得。
发明内容
本发明为克服上述现有技术所述的不足，提供一种FMCW雷达距离分辨率和测距范围动态调节的方法。
为解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：
一种FMCW雷达距离分辨率和测距范围动态调节的方法，包括步骤：
S10. 通过调节雷达系统的中频滤波器带宽确认目标的实际距离；
S20. 根据目标的实际距离，对中频滤波器带宽进行调整，从而获得当前距离下雷达系统最优的射频调频带宽，并根据当前射频调频带宽计算雷达系统当前最优的距离分辨率；
S30. 持续识别目标的实际距离，并判断目标距离变化率是否大于第二阈值，若是，则返回步骤S20，否则，继续保持当前中频滤波器带宽和当前射频调频带宽，并计算雷达系统的测距范围。
进一步的，作为优选技术方案，步骤S20具体包括：
S201. 根据目标的实际距离，对中频滤波器带宽进行调整，并计算在该中频滤波器带宽下雷达系统的最大威力距离；
S202. 使雷达系统的最大威力距离大于目标的实际距离，且两者之差处于第一阈值范围内；
S203. 根据当前目标的实际距离和中频滤波器带宽，计算雷达系统当前最优的射频调频带宽；
S204. 根据当前射频调频带宽计算雷达系统当前最优的距离分辨率。
进一步的，作为优选技术方案，所述第一阈值范围为不小于10m；所述第二阈值范围为-5m/s~5m/s。
进一步的，作为优选技术方案，步骤S10中，所述中频滤波器带宽包括中频滤波器的窄带模式和宽带模式。
进一步的，作为优选技术方案，所述中频滤波器的窄带模式配置为fLmax≤ BIF ≤fHmin；中频滤波器的宽带模式配置为fLmin≤BIF≤fHmax；
其中： 0.1MHz≤fL≤1.6MHz，7.5MHz≤fH≤15MHz，fL表示中频滤波器的下限截至频率，fH表示中频滤波器的上限截至频率。
进一步的，作为优选技术方案，再执行步骤S10之前，雷达系统以每一帧数据发送一种调频制式信号的方式分时发送中频滤波器带宽的窄带模式和宽带模式下的调频制式信号。
进一步的，作为优选技术方案，所述雷达系统的最大威力距离是通过中频滤波器带宽根据以下公式计算：
；
；
其中：Rr表示雷达系统计算的最大威力距离；Pt表示雷达系统的发射功率；Gt表示发射天线增益； Gr表示接收天线增益；σ表示系统雷达散射截面积；λ表示发射信号中心频率波长；Pr表示雷达系统的接收灵敏度；K表示玻尔曼兹常数；BIF 表示中频滤波器带宽；NF表示噪声系数；SNR表示噪声比。
进一步的，作为优选技术方案，所述雷达系统的射频调频带宽通过以下公式计算：
；
其中：Rc表示目标的实际距离；△f表示发射信号和回波信号的差频，即中频滤波器带宽值。
进一步的，作为优选技术方案，所述距离分辨率通过以下公式计算：
；
其中：△R表示距离分辨率；c表示真空中光速；Tc表示一个chirp的周期；B表示射频调频带宽，单位为MHz；fs表示采样频率；Nc表示一个chirp的采样点数。
进一步的，作为优选技术方案，所述射频调频带宽的初始值配置为雷达系统的差频信号位于中频滤波器衰减最小的位置时的值。
一种FMCW雷达系统，包括处理模块、与所述处理模块通信连接的FMCW雷达以及中频滤波器，所述处理模块采用了所述的距离分辨率和测距范围动态调节的方法对雷达的距离分辨率和测距范围进行动态调节。
与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是：
本发明通过动态调整中频滤波器带宽以实现不同距离目标参数的动态调节，从而获得雷达系统的最优距离分辨率和测距范围，以实现测量近距离目标时可以得到较好的距离分辨率，测量远距离目标时可以得到较远的测量距离，且本发明的动态调节可以根据目标的实际距离使雷达系统性能效果更佳。
附图说明
图1为本发明的动态调节方法流程图。
图2为本发明的动态调节方法步骤S20具体流程图。
附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的；相同或相似的标号对应相同或相似的部件；附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征更易被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围作出更为清楚的界定。
实施例1
一种FMCW雷达距离分辨率和测距范围动态调节的方法，如图1所示：包括步骤：
S10. 通过调节雷达系统的中频滤波器带宽BIF确认目标的实际距离Rc。
在本步骤中，中频滤波器带宽BIF包括中频滤波器的窄带模式和宽带模式；中频滤波器的窄带模式配置为fLmax≤ BIF ≤fHmin；中频滤波器的宽带模式配置为fLmin≤BIF≤fHmax；
其中： 0.1MHz≤fL≤1.6MHz，7.5MHz≤fH≤15MHz，fL表示中频滤波器的下限截至频率，fH表示中频滤波器的上限截至频率。
因此，窄带模式配置为1.6 MHz ≤ BIF ≤7.5MHz；中频滤波器的宽带模式配置为0.1MHz≤BIF≤15MHz；而，中频滤波器的最窄带宽为5.9 MHz，最宽带宽为14.9 MHz。
而在再执行步骤S10之前，雷达系统以每一帧数据发送一种调频制式信号的方式分时发送中频滤波器的窄带模式和宽带模式下的调频制式信号。
本步骤具体为：配置雷达系统的各项参数后，雷达系统以每一帧数据发送一种调频制式信号的方式分时发送中频滤波器的窄带模式和宽带模式下的调频制式信号，并通过调节雷达系统的中频滤波器的窄带模式下的最窄带宽和宽带模式下的最宽带宽确认目标的实际距离Rc。
在本步骤中，雷达系统的各项参数的配置包括射频调频带宽B的初始值的配置，该射频调频带宽B的初始值配置为雷达系统的差频信号位于中频滤波器衰减最小的位置时的值，中频滤波器的窄带模式下，雷达系统的射频调频带宽B的初始值配置为200 MHz，而，中频滤波器的宽带模式下，雷达系统的射频调频带宽B的最大值配置为1000 MHz。
而目标的实际距离通过以下公式计算：
；
其中：Rc表示目标的实际距离；c表示真空中光速；Tc表示一个chirp的周期；B表示射频调频带宽，单位为MHz；△f表示发射信号和回波信号的差频，所述差频值△f即为中频滤波器带宽BIF。
S20. 根据目标的实际距离Rc，对中频滤波器带宽BIF进行调整，从而获得当前距离下雷达系统最优的射频调频带宽B，并根据当前射频调频带宽B计算雷达系统当前最优的距离分辨率△R。
本步骤具体包括：
S201. 根据目标的实际距离，对中频滤波器带宽BIF进行调整，并计算在该中频滤波器带宽BIF下雷达系统的最大威力距离Rr。
雷达系统的最大威力距离Rr是通过以下公式计算：
；；
其中：Rr表示雷达系统计算的最大威力距离；Pt表示雷达系统的发射功率；Gt表示发射天线增益； Gr表示接收天线增益；σ表示系统雷达散射截面积；λ表示发射信号中心频率波长；Pr表示雷达系统的接收灵敏度；K表示玻尔曼兹常数；BIF 表示中频滤波器带宽；NF表示噪声系数；SNR表示噪声比。
S202. 使雷达系统的最大威力距离Rr大于目标的实际距离Rc，且两者之差处于第一阈值范围内。
在本步骤中，第一阈值范围为不小于10m，即，使通过步骤S201计算的雷达系统的最大威力距离Rr大于目标的实际距离Rc，且两者之差不小于10m。
S203. 根据当前目标的实际距离Rc和中频滤波器带宽BIF，计算雷达系统当前最优的射频调频带宽B。
在本步骤中，射频调频带宽B通过以下公式计算：
；
其中：Rc表示目标的实际距离；c表示真空中光速；Tc表示一个chirp的周期；B表示射频调频带宽，单位为MHz；△f表示发射信号和回波信号的差频，所述差频值△f即为中频滤波器带宽BIF。
S204. 根据当前射频调频带宽B计算雷达系统当前最优的距离分辨率△R。
在本步骤中，距离分辨率通过以下公式计算：
；
其中：△R表示距离分辨率；c表示真空中光速；Tc表示一个chirp的周期；B表示射频调频带宽，单位为MHz；fs表示采样频率；Nc表示一个chirp的采样点数。
在步骤S20中，当目标的实际距离Rc确定，中频滤波器带宽BIF增大时，差频值就越大，从而导致射频调频带宽B增大，带宽噪声也增大，使得雷达系统的信号强度被中频滤波器衰减，从而使雷达系统的灵敏度Pr恶化，导致雷达系统的最大威力距离Rr变小，反之，当中频滤波器带宽BIF减小时，差频值就越小，从而导致射频调频带宽B减小，带宽噪声也减小，使得雷达系统的信号强度增强，从而使雷达系统的灵敏度Pr增强，导致雷达系统的最大威力距离Rr变大，因此，在中频滤波器带宽BIF取窄带模式的最窄带宽值时，雷达系统的射频调频带宽B最小，所得到的雷达系统的最大威力距离Rr越大，即，通过中频滤波器的窄带模式的最窄带宽值可计算得到雷达系统的最大威力距离Rr；同样的，在雷达系统的中频滤波器带宽BIF取宽带模式的最宽带宽值时，雷达系统的射频调频带宽B最大，所得到的雷达系统的距离分辨率△R值最小，从而使雷达系统的距离分辨率最高。
S30. 持续识别目标的实际距离Rc，并判断目标距离变化率是否大于第二阈值，若是，则返回步骤S20，否则，继续保持当前中频滤波器带宽BIF和当前射频调频带宽B，并计算雷达系统的测距范围。
其中，距离变化率表示相邻两次测量的目标的实际距离变化与相邻两次测量的目标的实际距离的时间间隔的比值，第二阈值范围为-5m/s~5m/s。
所述雷达系统的测量范围包括最远测量距离和最近测量距离，而最远测量距离即为通过中频滤波器带宽BIF的窄带模式的最窄带宽值计算得到的最大威力距离Rr，而最近测量距离则为通过目标的实际距离公式计算得到的最小值，即，差频值△f取最小值，而射频调频带宽B取最大值，即，中频滤波器带宽BIF取宽带模式下的最窄带宽值。
本发明通过动态调整中频滤波器带宽以实现不同距离目标参数的动态调节，从而获得雷达系统的最优距离分辨率和测距范围，以实现测量近距离目标时可以得到较好的距离分辨率，测量远距离目标时可以得到较远的测量距离，且本发明的动态调节可以根据目标的实际距离使雷达系统性能效果更佳。实施例2
一种FMCW雷达系统，包括处理模块、与处理模块通信连接的FMCW雷达以及中频滤波器，所述处理模块采用了实施例1所述的距离分辨率和测距范围动态调节的方法对雷达的距离分辨率和测距范围进行动态调节。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (11)

1.一种FMCW雷达距离分辨率和测距范围动态调节的方法，其特征在于，包括步骤：
S10. 通过调节雷达系统的中频滤波器带宽确认目标的实际距离；
S20. 根据目标的实际距离，对中频滤波器带宽进行调整，从而获得当前距离下雷达系统最优的射频调频带宽，并根据当前射频调频带宽计算雷达系统当前最优的距离分辨率；
S30. 持续识别目标的实际距离，并判断目标距离变化率是否大于第二阈值，若是，则返回步骤S20，否则，继续保持当前中频滤波器带宽和当前射频调频带宽，并计算雷达系统的测距范围。
2.根据权利要求1所述的FMCW雷达距离分辨率和测距范围动态调节的方法，其特征在于，步骤S20具体包括：
S201. 根据目标的实际距离，对中频滤波器带宽进行调整，并计算在该中频滤波器带宽下雷达系统的最大威力距离；
S202. 使雷达系统的最大威力距离大于目标的实际距离，且两者之差处于第一阈值范围内；
S203. 根据当前目标的实际距离和中频滤波器带宽，计算雷达系统当前最优的射频调频带宽；
S204. 根据当前射频调频带宽计算雷达系统当前最优的距离分辨率。
3.根据权利要求2所述的FMCW雷达距离分辨率和测距范围动态调节的方法，其特征在于，所述第一阈值范围为不小于10m；所述第二阈值范围为-5m/s~5m/s。
4.根据权利要求1所述的FMCW雷达距离分辨率和测距范围动态调节的方法，其特征在于，步骤S10中，所述中频滤波器带宽包括中频滤波器的窄带模式和宽带模式。
5.根据权利要求4所述的FMCW雷达距离分辨率和测距范围动态调节的方法，其特征在于，所述中频滤波器的窄带模式配置为fLmax≤ BIF ≤fHmin；中频滤波器的宽带模式配置为fLmin≤BIF≤fHmax；
其中： 0.1MHz≤fL≤1.6MHz，7.5MHz≤fH≤15MHz，fL表示中频滤波器的下限截至频率，fH表示中频滤波器的上限截至频率。
6.根据权利要求5所述的FMCW雷达距离分辨率和测距范围动态调节的方法，其特征在于，再执行步骤S10之前，雷达系统以每一帧数据发送一种调频制式信号的方式分时发送中频滤波器带宽的窄带模式和宽带模式下的调频制式信号。
7.根据权利要求2所述的FMCW雷达距离分辨率和测距范围动态调节的方法，其特征在于，所述雷达系统的最大威力距离是通过中频滤波器带宽根据以下公式计算：
；
；
其中：Rr表示雷达系统计算的最大威力距离；Pt表示雷达系统的发射功率；Gt表示发射天线增益； Gr表示接收天线增益；σ表示系统雷达散射截面积；λ表示发射信号中心频率波长；Pr表示雷达系统的接收灵敏度；K表示玻尔曼兹常数；BIF 表示中频滤波器带宽；NF表示噪声系数；SNR表示噪声比。
8.根据权利要求2所述的FMCW雷达距离分辨率和测距范围动态调节的方法，其特征在于，所述雷达系统的射频调频带宽通过以下公式计算：
；
其中：Rc表示目标的实际距离；△f表示发射信号和回波信号的差频，即中频滤波器带宽值。
9.根据权利要求8所述的FMCW雷达距离分辨率和测距范围动态调节的方法，其特征在于，所述距离分辨率通过以下公式计算：
；
其中：△R表示距离分辨率；c表示真空中光速；Tc表示一个chirp的周期；B表示射频调频带宽，单位为MHz；fs表示采样频率；Nc表示一个chirp的采样点数。
10.根据权利要求1所述的FMCW雷达距离分辨率和测距范围动态调节的方法，其特征在于，所述射频调频带宽的初始值配置为雷达系统的差频信号位于中频滤波器衰减最小的位置时的值。
11.一种FMCW雷达系统，其特征在于，包括处理模块、与所述处理模块通信连接的FMCW雷达以及中频滤波器，所述处理模块采用了如权利要求1~10中任一项所述的距离分辨率和测距范围动态调节的方法对雷达的距离分辨率和测距范围进行动态调节。
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