CN109932694A - 一种77GHz毫米波雷达线性度提升方法与系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种77GHz毫米波雷达线性度提升方法，包括如下步骤：(S1)采集FMCW雷达发射链路中锁相环反馈至鉴相器的射频信号；(S2)将射频信号转化为数字信号，得到实际的压控电压值；(S3)根据实际的压控电压值与预设的存表值进行差异计算，得到频率差值；(S4)根据得到的频率差值，由电压产生电路利用单片处理电路的输出信号生成一个与频率差值成正比的补偿电压；(S5)将补偿电压通过隔离电路进行隔离输出，得到隔离电路的输出电压；(S6)根据隔离电路的输出电压与锁相环内的输出电压进行相加求和，以实现雷达线性度的提升。本发明解决了现有FMCW雷达中线性度不足的问题。本发明方法灵活，具有推广价值。

Description

一种77GHz毫米波雷达线性度提升方法与系统
技术领域
本发明涉及调频连续波雷达技术领域，尤其涉及一种77GHz毫米波雷达线性度提升方法与系统。
背景技术
汽车毫米波雷达在我国属于新兴的产品，汽车主动安全系统也是未来发展的一个重要方向，随着目前我国自主品牌汽车上高级驾驶辅助系统(ADAS,Advanced DriverAssistance System)产品的普遍应用和国家标准对汽车主动安全系统的要求逐渐提高，在未来的汽车产品制造中，汽车行业将以毫米波雷达的搭载应用作为战略性的发展目标，而77GHz毫米波防撞雷达是目前汽车毫米波雷达发展的主流趋势。
77GHz毫米波雷达利用电磁波发射后遇到障碍物反射的回波对其不断检测，计算出与前方或后方障碍物的相对速度和距离。当车辆行进中时，发射机产生的雷达窄波束向前发射FMCW(调频连续波)信号，当发射信号遇到目标时被反射回来，并为接收天线接收，经混频放大处理后，可用其差拍时间差来表示雷达与目标的距离，再根据差频信号相差与相对速度关系，计算出目标对雷达的相对速度及危险时间，从而通过防撞系统对车辆做出预判警告。实际应用中，FMCW探测系统通常采用一次变频体制，通过频率源耦合一路信号直接与回波信号进行混频至基带，在射频完成了去斜处理。测速、测距、测角是FMCW雷达的三个关键技术要求，根据FMCW雷达原理，回波信号在经过ADC采样后对多个连续的chirp信号做FFT即可获得目标的速度信息，对单个chirp内信号做FFT后可获得目标的距离信息，对不同接收天线信号进行鉴相，得到相位差后即可得到目标的角度信息。当发射信号为理想的线性调频时，发射信号与点目标回波信号的差拍信号在一个调频周期的有效时间内为一个单频信号，其距离分辨力主要由有效时间内发射信号带宽决定；当发射信号为非理想的线性调频时，其调频规律就会和理想的调频规律之间存在频率偏移，在这种情况下，差拍信号就会有一定的带宽，差拍信号的频谱展宽不仅意味着信噪比的下降使得其作用距离受到线性度的影响，而且使得相邻物体不能分辨。
目前，FMCW雷达信号的产生方式有很多种，一种是VCO直控式，直接控制VCO的压控电压，由于VCO本身的非线性，其产生的信号线性度是不理想的，且随着环境温度的变化，其频率曲线的变化非常明显；另一种是DDS数字频率合成方式，该方式产生的信号的线性度是最优的，但是由于DDS带宽小以及频率低的限制，其往往都需要很复杂的混合频率合成方式才能达到理想效果，这样会带来成本的直线上升。目前常用的方式是采用锁相环的方式产生一段线性调频信号，该方式实现原理简单，是目前最常用的产生线性调频信号的方法，但是由于锁相环自身工作原理的限制，传统锁相环的锁定时间一般在几百us左右，所以在几十us的时间内产生一段连续跳变的频点，其中间频点是不能正常锁定的，所以就会带来调频连续波雷达信号的非线性，进而影响雷达系统的整体性能，因此，提升基于锁相环方式的调频连续波雷达系统的线性度是目前的技术难点。
发明内容
针对现有技术中的上述不足，本发明提供的一种77GHz毫米波雷达线性度提升方法与系统，解决了针对用锁相环方式产生线性调频信号不足的问题，以及在高低温环境下线性度恶化的问题，改善了77GHz毫米波雷达的分辨率指标以及保证了全温度范围内的良好指标。
为了达到以上目的，本发明采用的技术方案为：
本方案提供一种77GHz毫米波雷达线性度提升方法，包括如下步骤：
(S1)采集FMCW雷达发射链路中锁相环反馈至鉴相器的射频信号；
(S2)利用ADC采样电路将所述射频信号转化为数字信号，得到实际的压控电压值；
(S3)将所述实际的压控电压值与预设的存表值进行差异计算，得到频率差值；
(S4)根据得到的频率差值，由电压产生电路利用单片处理电路的输出信号生成一个与所述频率差值成正比的补偿电压；
(S5)将所述补偿电压通过隔离电路进行隔离输出，得到隔离电路的输出电压；
(S6)将所述隔离电路的输出电压与锁相环内的输出电压进行相加求和，从而实现雷达线性度的提升。
再进一步地，所述(S3)中预设的存表值为纯线性调频连续波的压控电压曲线值。
再进一步地，所述(S3)中频率差值的计算公式如下：
V0＝abs(V1-V2)
其中，V0为频率差值，V1为存表值，V2为实际得到的压控电压值，abs(·)为取绝对值运算。
再进一步地，所述(S6)中相加求和的计算公式为：
U＝m*U1+n*U2
其中，U为实际的频率输出电压，U1为隔离电路的输出电压，U2为锁相环内的输出电压，m为实际得到的压控电压的求和绝对值，n为电路产生的真实电压的求和绝对值。
基于上述方法，本发明还公开了一种77GHz毫米波雷达线性度提升系统，包括频率采集模块、与所述频率采集模块连接的电压调整模块以及与所述电压调整模块连接的压控电路模块，其中，
所述频率采集模块包括ADC电路，用于采集锁相环反馈至鉴相器的射频信号；
所述电压调整模块包括单片处理电路和电压产生电路，用于根据实时采集的射频信号计算出频率差值，并根据所述频率差值生成一个补偿电压，其中，所述单片处理电路产生的数字二进制信号作为所述电压产生电路的输入信号，所述电压产生电路根据所述输入信号与所述频率差值产生补偿电压；
所述压控电路模块包括隔离电路和电压求和电路，用于根据由频率采集模块和电压调整模块得到的补偿电压，并将所述补偿电压通过隔离电路后叠加到锁相环内输出的电压上，从而得到实际的频率输出电压，以实现雷达线性度的提升，其中，所述隔离电路的输出信号作为所述电压求和电路的输入信号。
本发明的有益效果：
(1)本发明通过采用数字电路与模拟电路相结合的设计方法，将补偿电路集成于77GHz毫米波雷达发射的内部，是对传统锁相环电路的进一步提升，相比于传统的应用于VCO电路中的压控电压预置的方法具有实时性、高效性的特点，有效地提升了77GHz毫米波雷达的性能；
(2)本发明根据电磁兼容设计思路进行设计实现，相比于传统的纯数字式的补偿方法，该方法更容易集成于射频电路中，通过内部设计的隔离电路及布板设计，使得FMCW雷达发射信号的射频性能不受影响，不仅提高了实用性还改善了77GHz毫米波雷达的分辨率指标；
(3)本发明中所有部件和电路均基于先进的微系统设计理念及微组装工艺进行生产装配，广泛应用多种新技术(多功能芯片、MCM、LTCC、多层微波印制电路、新型封装材料等)，集成密度显著提升，大大减小了电路尺寸，具有体积小、性能稳定以及指标一致性的特点，同时具有良好的输入输出匹配，适用于雷达、卫星通信、汽车电子等各类微波系统中。
(4)本发明中频率采集模块内部采用ADC电路，其具有采集位数高以及频率精确度高的特点，有效地提高了采集射频信号的精准度；
(5)本发明中电压调整模块内部由单片控制电路和电压调整电路组成，其具有数字化以及高温度稳定度的特点，有效地提高了其输出信号的精确度；
(6)本发明中压控电路模块由隔离电路及电压求和电路组成，其具有高隔离度以及求和策略调整灵活的特点，有效地干扰了数字信号的串扰，为实现提供雷达线性度提供了良好的条件。
附图说明
图1为本发明的方法流程图。
图2为本发明的系统控制结构示意图。
图3为本实施例中77GHz毫米波雷达波形实没图。
图4为本实施例中77GHz毫米波雷达波形线性度示意图。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
实施例
如图1所示，一种77GHz毫米波雷达线性度提升方法，其实现方法如下步骤：
(S1)采集FMCW雷达发射链路中锁相环反馈至鉴相器的射频信号；
(S2)利用ADC采样电路将所述射频信号转化为数字信号，得到实际的压控电压值，其中，所述预设的存表值为纯线性调频连续波的压控电压曲线值；
(S3)将所述实际的压控电压值与预设的存表值进行差异计算，得到频率差值，其中，频率差值的计算公式如下：
V0＝abs(V1-V2)
其中，V0为频率差值，V1为存表值，V2为实际得到的压控电压值，abs(·)为取绝对值运算；
(S4)根据得到的频率差值，由电压产生电路利用单片处理电路的输出信号生成一个与所述频率差值成正比的补偿电压；
(S5)将所述补偿电压通过隔离电路进行隔离输出，得到隔离电路的输出电压；
(S6)根据所述隔离电路的输出电压与锁相环内的输出电压进行相加求和，得到实际的频率输出电压，以实现雷达线性度的提升，其中，相加求和的计算公式为：
U＝m*U1+n*U2
其中，U为实际的频率输出电压，U1为隔离电路的输出电压，U2为锁相环内的输出电压，m为实际得到的压控电压的求和绝对值，n为电路产生的真实电压的求和绝对值。
如图2所示，基于上述方法，本发明还提供了一种77GHz毫米波雷达线性度提升系统，包括频率采集模块、与所述频率采集模块连接的电压调整模块以及与所述电压调整模块连接的压控电路模块，其中，
所述频率采集模块包括ADC电路，用于采集锁相环反馈至鉴相器的射频信号；
所述电压调整模块包括单片处理电路和电压产生电路，用于根据实时采集的射频信号计算出频率差值，并根据所述频率差值生成一个补偿电压，其中，所述单片处理电路产生的数字二进制信号作为所述电压产生电路的输入信号，所述电压产生电路根据所述输入信号与所述频率差值产生补偿电压；
所述压控电路模块包括隔离电路和电压求和电路，用于根据由频率采集模块和电压调整模块得到的补偿电压，并将所述补偿电压通过隔离电路后叠加到锁相环内输出的电压上，从而得到实际的频率输出电压，以实现雷达线性度的提升，其中，所述隔离电路的输出信号作为所述电压求和电路的输入信号
本发明的工作原理：如图3所示，可以看出在使用该方法之前实际测得的77GHz毫米波雷达波形与理论值偏差较大，为了实现77GHz毫米波雷达线性度的提升，通过频率采集模块采集FMCW雷达发射链路中锁相环内部反馈给鉴相器的射频信号，然后转化为数字信号后由电压调整模块根据相应的数字信号与存表值的差异计算出频率差值，进而产生一个与该频率差值成正比的补偿电压信号，且该补偿电压信号具有位数高、精度高的特点，该补偿电压信号进入压控电路模块后由压控电路模块将该补偿电压与锁相环内部环路滤波器的输出电压按照一定的算法进行相加求和，在与环路滤波器的输出电压进行相加求和之前压控电路模块集成了隔离电路，用以最大限度的减少对锁相环的环路影响，避免了数字部分干扰信号的串扰，以此实现77GHz毫米波雷达线性度的提升，如图4所示，可以看出77GHz毫米波雷达波形接近理论值。
本实施例中，所述内部所有部件和电路均采用通用的印制电路工艺进行生产装配，所述内部所有部件均采用输入、输出阻抗均为50欧姆的标准化模块，其电路结构属于现有技术，本领域技术人员基本电子电路的基本常识和本实施例所阐述的内容可自行配置，此处不再赘述。
本发明通过以上设计解决了对传统用锁相环方式产生线性调频信号的不足，使之能够达到近似于数字频率合成方式(DDS)的线性度效果，该方法简洁、高效，弥补了现有FMCW雷达中线性度不足的缺点，可被推广应用于类似FMCW雷达系统中，保证全温工作范围内的线性度指标。

Claims (5)

1.一种77GHz毫米波雷达线性度提升方法，其特征在于，包括如下步骤：
(S1)采集FMCW雷达发射链路中锁相环反馈至鉴相器的射频信号；
(S2)利用ADC采样电路将所述射频信号转化为数字信号，得到实际的压控电压值；
(S3)将所述实际的压控电压值与预设的存表值进行差异计算，得到频率差值；
(S4)根据得到的频率差值，由电压产生电路利用单片处理电路的输出信号生成一个与所述频率差值成正比的补偿电压；
(S5)将所述补偿电压通过隔离电路进行隔离输出，得到隔离电路的输出电压；
(S6)将所述隔离电路的输出电压与锁相环内的输出电压进行相加求和，从而实现雷达线性度的提升。
2.根据权利要求1所述的77GHz毫米波雷达线性度提升方法，其特征在于，所述(S3)中预设的存表值为纯线性调频连续波的压控电压曲线值。
3.根据权利要求1所述的77GHz毫米波雷达线性度提升方法，其特征在于，所述(S3)中频率差值的计算公式如下：
V0＝abs(V1-V2)
其中，V0为频率差值，V1为存表值，V2为实际得到的压控电压值，abs(·)为取绝对值运算。
4.根据权利要求1所述的77GHz毫米波雷达线性度提升方法，其特征在于，所述(S6)中相加求和的计算公式为：
U＝m*U1+n*U2
其中，U为实际的频率输出电压，U1为隔离电路的输出电压，U2为锁相环内的输出电压，m为实际得到的压控电压的求和绝对值，n为电路产生的真实电压的求和绝对值。
5.一种77GHz毫米波雷达线性度提升系统，其特征在于，包括频率采集模块、与所述频率采集模块连接的电压调整模块以及与所述电压调整模块连接的压控电路模块，其中，
所述频率采集模块包括ADC电路，用于采集锁相环反馈至鉴相器的射频信号；
所述电压调整模块包括单片处理电路和电压产生电路，用于根据实时采集的射频信号计算出频率差值，并根据所述频率差值生成一个补偿电压，其中，所述单片处理电路产生的数字二进制信号作为所述电压产生电路的输入信号，所述电压产生电路根据所述输入信号与所述频率差值产生补偿电压；
所述压控电路模块包括隔离电路和电压求和电路，用于根据由频率采集模块和电压调整模块得到的补偿电压，并将所述补偿电压通过隔离电路后叠加到锁相环内输出的电压上，从而得到实际的频率输出电压，以实现雷达线性度的提升，其中，所述隔离电路的输出信号作为所述电压求和电路的输入信号。
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