CN109613538A - 一种双模式汽车探测毫米波雷达帧结构及其设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种双模式汽车探测雷达发射信号帧结构及其设计方法，具体分为五层：第一层，一帧由多个相同长度的子帧组成；第二层，一个子帧包含近距及中距两种检测模式的检测信号时隙和解速度模糊时隙，共四个时隙；第三层，每个时隙由不同数量的子时隙组成，每个时隙内的子时隙长度相同；第四层，每个子时隙由扫频信号和保护间隔组成；第五层，扫频信号和保护间隔均由数倍的采样间隔组成。本发明的帧结构采用固定长度的子帧以及半固定长度的子时隙，帧结构相对简单的同时能够灵活适应不同的检测模式、检测需求以及解速度模糊功能，以采样间隔为最小时间单位，有利于系统时间同步。

Description

一种双模式汽车探测毫米波雷达帧结构及其设计方法

技术领域

本发明属于雷达信号处理和汽车电子技术领域，尤其涉及一种双模式汽车探测毫米波雷达帧结构及其设计方法。

背景技术

汽车无人驾驶雷达传感器的研究起始于20世纪60年代，早期受到元器件的限制发展较慢，随着近年来集成电路的进步和无人驾驶人工智能研究的深入，汽车雷达传感器的研究变的活跃起来。

实现无人驾驶传感器功能的技术可以有多种选择，比如超声波雷达测距、激光雷达探测定位技术、摄像头图像检测技术、毫米波雷达探测定位技术等。毫米波探测雷达对目标的速度信息比较敏感，在常见的天气状况下均能正常工作，如雾、雨、雪等，即使在比较恶劣的环境下也能维持一定的性能水平。基于以上原因，毫米波探测雷达相比于其它的无人驾驶传感器有着明显的优势和不可替代的作用。除此之外，宽频带、短波长、大气吸收作用明显是毫米波探测雷达的基本特性：

1、有大量带宽可以使用，国际上将77GHz-81GHz的频段划分为无人驾驶毫米波探测雷达的工作频率范围。宽频带能提高传感器距离分辨率，有效消除相邻目标的相互干扰。

2、短波长，窄波束，高增益，可以提高传感器空间分辨率，同时原件尺寸小、重量轻，符合车载雷达体积小巧的要求。

3、大气吸收作用强于微波、衰减大，不易相互干扰，减少电磁污染。

汽车毫米波探测雷达通常采用线性调频连续波体制(LFMCW)，这是由于线性调频连续波频率随着时间线性增长，信号产生和处理简单，能同时获得较高的距离分辨率和速度分辨率，混频能够降低AD采样机的压力。在线性调频连续波体制雷达中，锯齿波调制方式检测精度高，不涉及多目标的匹配，能获得更低的虚警率和漏警率。

汽车毫米波探测雷达的有效探测距离一般为200米，目标反射信号信噪比变化范围在有效探测距离范围内变化较大，对于AD采样位宽有着较高的要求。采用双模式汽车探测毫米波雷达，可以通过划分探测范围，降低对AD采样位宽的要求，并且能够针对不同探测范围，调整系统参数以适应不同场景下的性能需求。同时汽车探测雷达场景下的目标径向速度较大，其多普勒带宽大于锯齿波调制方式的扫频信号重复频率，需要引入解速度模糊子帧，以完成目标多普勒频率的不模糊估计。

目前，关于双模汽车探测雷达没有一个统一的层次清晰的帧结构设计，导致系统实现成本较高，实用性较差。

发明内容

发明目的：针对目前汽车探测雷达发射信号帧结构复杂、系统实现成本高的问题，本发明提出一种双模式、多层次、低复杂度的帧结构及其设计方法，降低系统实现成本。

技术方案：为实现本发明的目的，本发明所采用的技术方案是：一种双模式汽车探测雷达发射信号帧结构，所述帧结构分为5个层次，具体为：第一层，一帧由多个长度相同的子帧组成；第二层，一个子帧由四个长度不同的时隙组成，完成近距及中距两种检测模式；第三层，每个时隙由不同数量长度相同的子时隙组成；第四层，每个子时隙由扫频信号和保护间隔组成；第五层，扫频信号和保护间隔均由整数倍的采样间隔组成。

进一步的，所述子帧长度为:

T_SF＝T_F/N_SF (7)

其中，T_F为一帧时长，N_SF为子帧个数，且N_SF≥N_Dmin，N_Dmin为一帧最少检测次数。

进一步的，所述时隙长度为其中，k＝0，1，2，3分别对应近距检测时隙，近距解速度模糊时隙、中距检测时隙和中距解模糊时隙。

进一步的，所述子时隙长度为半固定，即：

(1)同一种探测模式下的子时隙扫频信号长度相同而不同探测模式下的子时隙扫频信号长度不同；

(2)同一个时隙内的子时隙长度相同而不同时隙内的子时隙长度不同，通过调整子时隙的保护间隔长度，以保证检测时隙的扫频信号重复频率与解模糊时隙的扫频信号重复频率不同，并满足余数定理，子时隙的长度为其中，k＝0，1，2，3，分别对应近距模式下的检测子时隙、解模糊子时隙以及中距模式下的检测子时隙、解模糊子时隙。

进一步的，不同时隙内的子时隙数量由不同时隙内的系统工作的发射天线数不同时隙的长度和其对应子时隙长度确定：

其中，k＝0，1，2，3。

进一步的，扫频信号长度T_k，其中k＝0，1，2，3，分别对应四种不同时隙内的子时隙，根据不同检测模式下的扫频带宽B、最大检测距离r_max，距离为目标相对雷达的径向距离、最大检测速度v_max，速度为目标相对雷达的径向速度，芯片采样频率f_s确定，具体方法如下：

在锯齿波体制雷达中，需要将接收的目标反射信号与发射信号进行混频、低通滤波，得到中频信号，中频信号的频率表达式如下：

式中，B为扫频带宽，c为电磁波在真空的传播速度，f₀为载波频率，r为目标径向距离，v为目标径向相对速度，以接近雷达为正；

检测范围内目标信号最大中频频率为：

根据奈奎斯特采样定律，若要目标信号在采样后中频频率不发生模糊现象，目标信号最大中频频率和芯片采样频率f_s之间需满足以下关系：

f_bmax≤f_s (11)

则扫频信号长度需满足：

进一步的，所述子时隙内的前置保护间隔其中k＝0，1，2，3，分别对应不同的时隙内的子时隙，要大于芯片信号起振时间T_B和芯片天线切换时间T_switch；后置保护间隔要大于芯片信号拖尾时间T_E。

进一步的，所述帧结构的同一检测模式下包含检测信号时隙和解模糊信号时隙，能完成解模糊功能。

进一步的，所述帧结构同时包含近距检测模式和中距检测模式。

此外本发明还提供一种如前述的双模式汽车探测雷达发射信号帧结构的设计方法，包括如下步骤：

步骤1：根据不同检测模式的扫频带宽B、最大检测距离r_max、最大检测速度和芯片采样频率确定不同检测模式下的扫频信号长度，扫频时间长度应取采样间隔的整数倍；

步骤2：根据天线切换时间、芯片信号起振时间和信号拖尾时间确定子时隙信号间保护间隔长度，从而确定不同时隙内的子时隙长度前置保护间隔长度应大于信号起振时间T_B和天线切换时间T_switch，后置保护间隔应大于信号拖尾时间T_E，保护间隔长度为采样间隔的整数倍，检测时隙保护间隔与解模糊时隙保护间隔的设置应使得扫频信号重复频率满足余数定理，以完成多普勒频率解模糊；

步骤3：根据帧长度及一帧最少检测次数确定一帧包含的子帧个数，由式(1)计算得到一个子帧的长度；

步骤4：根据子帧的总长度，按照长度比值为4:1:4:1的方式，设定四个时隙的初始长度；

步骤5：根据系统工作的发射天线数、时隙的长度和子时隙的长度由式(2)计算子时隙的个数；

步骤6：根据系统仿真性能和需求，适当调整四个时隙的长度，回到步骤5，直到得到最优的帧结构设计。

有益效果：与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下有益技术效果：

本发明提出的帧结构层次结构清晰，与一般的帧结构相比，双模式探测帧结构能够降低AD采样位宽的需求，灵活适应不同探测范围场景的需求，采用固定长度的子帧和扫频信号长度及半固定长度的子时隙长度，在实现双模式探测和解模糊功能的基础上，使帧结构更加简单，降低了硬件实现复杂度。同时所述帧结构以采样间隔为最小时间单位，有利于系统的时间同步。

附图说明

图1为本发明发射信号帧结构；

图2为本发明帧结构设计流程图；

图3为本发明实施案例中天线发射信号时频图；

图4为本发明实施案例中发射信号帧结构。

具体实施方式

下面结合具体实施案列，进一步阐明本发明，应理解这些实施案例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

如图1所示，一种双模式汽车探测雷达的帧结构，以芯片采样间隔为最小时间单位，主要分为五层，具体为：第一层，一帧由多个相同长度的子帧组成，其长度为T_SF；第二层，一个子帧包含四个长度不同的时隙，从左到右依次为近距检测时隙，近距解速度模糊时隙，简称解模糊时隙、中距检测时隙和中距解模糊时隙，其长度分别为 第三层，一个时隙包含多个长度相同的子时隙，四个时隙内的子时隙长度分别为第四层，每个子时隙由固定长度的扫频信号长度和信号前后保护间隔组成，保护间隔用于芯片完成发射天线的切换，信号的起振和结束。近距指 1米至30米的径向距离范围，中距指30米至120米的径向距离范围。

(1)扫频信号长度根据不同检测模式下的扫频带宽B、最大检测距离r_max，检测距离为目标相对雷达的径向距离、最大检测速度v_max，检测速度为目标相对雷达的径向速度和芯片采样频率f_s确定，四个时隙内的子时隙扫频信号长度分别为T₀，T₁，T₂，T₃；

(2)前置保护间隔要大于信号起振时间T_B和发射天线切换时间T_switch，四个时隙内的子时隙前置保护间隔长度分别为

(3)后置保护间隔要大于信号拖尾时间T_E，四个时隙内的子时隙后置保护间隔长度分别为

第五层，扫频信号和前后保护间隔均由整数倍的芯片采样间隔组成。

图2描述了帧结构设计的具体流程，首先根据扫频带宽、最大检测距离、最大检测速度、天线切换时间、信号起振和拖尾时间和芯片采样频率确定扫频信号长度和保护间隔，然后根据一帧总长度以及一帧所需的最小检测次数对帧结构进行划分，通过系统仿真调整四个时隙的长度以达到最优的系统性能，对帧结构进行优化。

表1 系统参数设置

本发明实施案例中，毫米波雷达采用两发四收天线阵列，两根发射天线采用时分的方式依次发射锯齿波信号，天线发射信号时频关系如图3所示。在第k个检测时隙内，两根天线轮流工作，天线1经过前置保护间隔后发射扫频信号长度为T_k，扫频带宽为B_k的锯齿波信号。经过后置保护间隔后，天线2同样再经过前置保护间隔发射同样的锯齿波信号，最后再经过后置保护间隔后，两根天线以上述同样的方式继续轮流发射锯齿波信号，其中k＝0，2，分别对应近距检测时隙，中距检测时隙。如上所述，通过轮流发射信号和虚拟阵列可以将两发四收的天线阵列等效为1×8的天线阵列。在第k个解模糊时隙内，单根天线连续工作，天线1经过前置保护间隔后发射扫频信号长度为T_k，扫频带宽为B_k的锯齿波信号。经过后置保护间隔后，天线1 以上述同样的方式继续发射锯齿波信号，其中k＝1，3，分别对应近距解模糊时隙，中距解模糊时隙。系统参数如表1所示。

帧结构的具体设计方法如下：

步骤1：根据扫频带宽、最大检测距离、最大相对速度、采样频率和式(6)确定扫频信号长度：

为了充分利用整个频谱且节省帧资源，扫频信号长度取最小值。

步骤2：根据天线切换时间、芯片信号起振时间和信号拖尾时间确定子时隙保护间隔长度。前置保护长度应大于天线切换时间T_switch和信号起振时间T_B，后置保护长度应大于信号拖尾时间T_E。需要注意的是，本发明实施案例中，近距模式和中距模式下的解模糊时隙内，只有单根发射天线工作，不涉及发射天线间的切换，所以其对应的前置保护间隔长度只需要大于其芯片信号起振时间。为了节省帧资源，近距检测时隙和中距检测时隙内的保护间隔应取最小值。同时需要保证检测时隙的子时隙长度与解模糊时隙的子时隙长度不同，并满足余数定理，以完成解模糊功能。基于以上原则保护间隔应设置为：

则四个时隙的子时隙长度分别为：

步骤3：根据帧长度和一帧最少检测次数确定一帧包含的子帧个数，得到一个子帧的长度。根据帧长度T_F＝50ms，一帧最少检测次数N_Dmin＝2，可将一帧划分为两个子帧，每个子帧长度T_SF为25毫秒。

步骤4：根据子帧的长度T_SF设定四个时隙的初始长度。按照经验，将四个时隙长度设置为分别对应近距检测时隙，近距解模糊时隙，中距检测时隙和中距解模糊时隙。

步骤5：根据四个时隙内系统工作的发射天线数四个时隙的总长度及其对应的子时隙长度确定子时隙的个数。系统发射天线数N_T＝2，两根发射天线采用时间分集的方式发射信号，如图3所示。由式(2)可得到四个时隙内的子时隙的数量分别为：

步骤6：根据系统仿真性能和需求，适当调整四个时隙的长度，回到步骤5，直到得到最优的帧结构设计。图4即为实际案例帧结构示意图。

Claims (10)

1.一种双模式汽车探测雷达发射信号帧结构，其特征在于，所述帧结构分为5个层次，具体为：第一层，一帧由多个长度相同的子帧组成；第二层，一个子帧由四个长度不同的时隙组成，完成近距及中距两种检测模式；第三层，每个时隙由不同数量长度相同的子时隙组成；第四层，每个子时隙由扫频信号和保护间隔组成；第五层，扫频信号和保护间隔均由整数倍的采样间隔组成。

2.根据权利要求1所述的一种双模式汽车探测雷达发射信号帧结构，其特征在于，所述子帧长度为:

T_SF＝T_F/N_SF (1)

其中，T_F为一帧时长，N_SF为子帧个数，且N_SF≥N_Dmin，N_Dmin为一帧最少检测次数。

3.根据权利要求1或2所述的一种双模式汽车探测雷达发射信号帧结构，其特征在于，所述时隙长度为其中，k＝0，1，2，3，分别对应近距检测时隙，近距解速度模糊时隙、中距检测时隙和中距解模糊时隙。

4.根据权利要求1或2或3所述的一种双模式汽车探测雷达发射信号帧结构，其特征在于，所述子时隙长度为半固定，即：

(1)同一种探测模式下的子时隙扫频信号长度相同而不同探测模式下的子时隙扫频信号长度不同；

(2)同一个时隙内的子时隙长度相同而不同时隙内的子时隙长度不同，通过调整子时隙的保护间隔长度，以保证检测时隙的扫频信号重复频率与解模糊时隙的扫频信号重复频率不同，并满足余数定理，子时隙的长度为其中，k＝0，1，2，3，分别对应近距模式下的检测子时隙、解模糊子时隙以及中距模式下的检测子时隙、解模糊子时隙。

5.根据权利要求4所述的一种双模式汽车探测雷达发射信号帧结构，其特征在于，不同时隙内的子时隙数量由不同时隙内的系统工作的发射天线数不同时隙的长度和其对应子时隙长度确定：

其中，k＝0，1，2，3。

6.根据权利要求4所述的一种双模式汽车探测雷达发射信号帧结构，其特征在于，扫频信号长度T_k，其中k＝0，1，2，3，分别对应四种不同时隙内的子时隙，根据不同检测模式下的扫频带宽B、最大检测距离r_max，距离为目标相对雷达的径向距离、最大检测速度v_max，速度为目标相对雷达的径向速度，芯片采样频率f_s确定，具体方法如下：

在锯齿波体制雷达中，需要将接收的目标反射信号与发射信号进行混频、低通滤波，得到中频信号，中频信号的频率表达式如下：

式中，B为扫频带宽，c为电磁波在真空的传播速度，f₀为载波频率，r为目标径向距离，v为目标径向相对速度，以接近雷达为正；

检测范围内目标信号最大中频频率为：

根据奈奎斯特采样定律，若要目标信号在采样后中频频率不发生模糊现象，目标信号最大中频频率和芯片采样频率f_s之间需满足以下关系：

f_bmax≤f_s (5)

则扫频信号长度需满足：

7.根据权利要求1所述的一种双模式汽车探测雷达发射信号帧结构，其特征在于，所述子时隙内的前置保护间隔其中k＝0，1，2，3，分别对应不同的时隙内的子时隙，要大于芯片信号起振时间T_B和芯片天线切换时间T_switch；后置保护间隔要大于芯片信号拖尾时间T_E。

8.根据权利要求1所述的一种双模式汽车探测雷达发射信号帧结构，其特征在于，所述帧结构的同一检测模式下包含检测信号时隙和解模糊信号时隙，能完成解模糊功能。

9.根据权利要求1所述的一种双模式汽车探测雷达发射信号帧结构，其特征在于，所述帧结构同时包含近距检测模式和中距检测模式。

10.根据权利要求1-9任一项所述的双模式汽车探测雷达发射信号帧结构的设计方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤1：根据不同检测模式的扫频带宽B、最大检测距离r_max、最大检测速度和芯片采样频率确定不同检测模式下的扫频信号长度，扫频时间长度应取采样间隔的整数倍；

步骤2：根据天线切换时间、芯片信号起振时间和信号拖尾时间确定子时隙信号间保护间隔长度，从而确定不同时隙内的子时隙长度前置保护间隔长度应大于信号起振时间T_B和天线切换时间T_switch，后置保护间隔应大于信号拖尾时间T_E，保护间隔长度为采样间隔的整数倍，检测时隙保护间隔与解模糊时隙保护间隔的设置应使得扫频信号重复频率满足余数定理，以完成多普勒频率解模糊；

步骤3：根据帧长度及一帧最少检测次数确定一帧包含的子帧个数，由式T_SF＝T_F/N_SF计算得到一个子帧的长度；

步骤4：根据子帧的总长度，按照长度比值为4:1:4:1的方式，设定四个时隙的初始长度；

步骤5：根据系统工作的发射天线数、时隙的长度和子时隙的长度由式计算子时隙的个数；

步骤6：根据系统仿真性能和需求，适当调整四个时隙的长度，回到步骤5，直到得到最优的帧结构设计。