CN110488270B - 一种用于车载lfmcw雷达解速度模糊测角方法 - Google Patents

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Abstract

该发明公开了一种用于车载LFMCW雷达解速度模糊测角方法，属于信号处理技术，具体涉及解速度模糊和雷达虚拟孔径测量波达方向技术。本发明在一帧信号内进行解速度模糊和MIMO雷达虚拟孔径测角处理，以两发四收雷达系统为例，雷达发射端利用时分复用技术发射不同斜坡时长、带宽相同的线性调频连续波信号，在雷达接收端利用四个接收天线同时接收两个发射天线经过物体反射回来的信号。回波信号经过混频、低通滤波和模数转换后，最终进入数字信号处理器DSP。在DSP里先进行2D‑FFT和二维恒虚警检测，再解速度模糊和相位补偿，最后进行MIMO雷达虚拟孔径测角处理，从而实现发明目的。具有的效果包括：减少信号处理时间，提高雷达数据率。

Description

一种用于车载LFMCW雷达解速度模糊测角方法
技术领域
本发明属于信号处理技术，具体涉及解速度模糊技术和MIMO雷达虚拟孔径测量波达方向技术。
背景技术
77G车载毫米波雷达由于其大带宽、波长短、检测精度高、尺寸小等优点被越来越多地应用到汽车驾驶辅助系统上。该体制雷达的基本工作过程是发射机产生快速斜坡模式LFMCW波形，即发射频率随着时间线性变化的高频等幅连续波，也称为锯齿波。目标回波信号与发射本振信号混频，然后进行滤波处理，得到的差拍基带信号中包含目标的距离、速度和角度信息，可以通过差拍基带信号频率对目标进行测距、测速和测角处理。
77G车载毫米波雷达利用测量目标回波谱线对于发射谱线的多普勒频率fd来确定目标相对雷达的径向速度。当fd大于斜坡重复频率fr的一半时，测得的目标速度将与(fd-nfr)/2(n为正整数)对应的目标速度相混淆。设目标实际速度为vr，雷达最高检测速度为vmax，目标模糊速度为va，则它们之间的关系满足公式1。在解速度模糊方面，可以利用剩余定理，使用两组不同的va和vmax可以解得唯一的vr。
va＝vr mod vmax (1)
MIMO雷达虚拟孔径测角技术是由于接收天线间的距离会引起波程差，通过波程差可以得到相位差，相位差与目标的角度有关。因为接收天线距离相同，所以天线间的相位差也是固定的。取出每个接收天线检测出的目标值再做角度维快速傅里叶变换FFT可以得到角度值，而且接收天线数越多，角度分辨力越高。实际上由于成本、资源限制，需要采用等效的MIMO体制方法。例如一发八收雷达可以等效为双发四收雷达，因为两个发射天线之间的距离会产生相位差，这样可以在接收端虚拟出四个天线，再进行角度维FFT得到角度值。实现双发四收的等效需要时分复用技术，即两个发射天线交替发射信号。
由于传统方法需要处理两帧信号才能实现MIMO雷达虚拟孔径测角和解速度模糊处理，如图1所示。这样会增加信号处理时间，降低雷达数据率。为了解决这一问题，现在提出一种车载LFMCW雷达解速度模糊测角方法。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，减少信号处理时间，提高雷达数据率。
本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是，提出一种车载LFMCW雷达解速度模糊测角新方法。
对于常规的77G车载两发四收毫米波雷达，通常是将解速度模糊和MIMO雷达虚拟孔径测角分两帧信号处理。
为了减少信号处理时间，提高雷达数据率。在解速度模糊和MIMO雷达虚拟孔径测角方法的基础上进行改进，提出了一种用于车载LFMCW雷达解速度模糊测角方法，该方法包括：
步骤1：配置发射天线Tx1发射单斜坡时长为Tr1的锯齿波信号chirp1，配置发射天线Tx2发射单斜坡时长为Tr2的锯齿波信号chirp2；两个发射天线利用时分复用技术发射信号，如图2所示，且保证Tx1的斜坡周期数n1和Tx2的斜坡周期数n2之间的关系满足公式2；
Tr1n1＝Tr2n2 (2)
步骤2：利用接收天线即接收通道Rx1、Rx2、Rx3、Rx4分别接收Tx1和Tx2的回波信号，进行混频和滤波处理后得到8路缓存的差拍基带信号，每个接收通道先后有2路缓存信号，分别对应Tr1和Tr2的差拍基带信号，第1-4路信号对应接收通道1-4内Tr1的差拍基带信号，第5-8路信号对应接收通道1-4内Tr2的差拍基带信号；
步骤3：对第1路和第5路信号分别进行距离和速度维2D-FFT处理，再进行二维恒虚警检测，可以得到目标的距离值和速度值；若目标速度值模糊，则利用剩余定理进行解速度模糊处理；
步骤4：在解速度模糊处理之后，进行MIMO雷达虚拟孔径测角处理；对第5-8路信号进行相位补偿后再采用步骤3相同的方法一一对应与第2-4路信号一起进行2D-FFT处理和二维恒虚警检测，然后取出8路信号检测出的目标值，进行角度维FFT得到测角结果。
本方法信号处理流程如图4所示。
本发明的有益效果是：
因为采用两个发射天线交替发射时宽不同、带宽相同的锯齿波信号，在接收端能够在一帧信号时间内同时进行解速度模糊和MIMO雷达虚拟孔径测角处理，这样能够减少信号处理时间，提高雷达数据率。
附图说明
图1为传统方法时分复用快速斜坡模式时频图；
图2为本方法时分复用快速斜坡模式时频图；
图3为传统方法两帧信号完成解速度模糊和MIMO雷达虚拟孔径测角的DSP处理流程图；
图4为本方法一帧信号完成解速度模糊和MIMO雷达虚拟孔径测角的DSP处理流程图；
图5为具体实施方式1实验结果图；
图6为具体实施方式2实验结果图；
图7为具体实施方式3实验结果图；
具体实施方式
实施例1
步骤1：假设两个目标，目标1在雷达的右前方28度方向(雷达前方左边为负，右边为正)，距离为80m，速度为30m/s；目标2在雷达的左前方23度方向，距离为60m，速度为13m/s。设置测试指标：目标距离绝对误差在1m以内，速度绝对误差在0.1m/s以内，角度绝对误差在1度以内。
步骤2：设置8个低通滤波器LPF的左右截止频率分别为-255MHz和255MHz，通带为502MHz。设置8个模数转换器ADC的采样率(对单个斜坡)为25.1MHz。
步骤3：利用斜坡产生器产生2路线性调频连续波信号。信号1的Tr1为40μs，带宽B为500MHz，n1为320；信号2的Tr2为50μs，带宽B为500MHz，n2为256。然后经过77G压控振荡器进行混频，再经过功率放大器后利用Tx1发射信号1，利用Tx2发射信号2，Tx1、Tx2利用时分复用技术交替发射信号。
步骤4：利用Rx1、Rx2、Rx3、Rx4先后接收Tx1和Tx2的回波信号，得到8路信号。先通过低噪放大器，再与77G本振信号混频，通过LPF后得到8路差拍基带信号，最后将通过ADC后的数字信号存入AD缓冲区。
步骤5：将存储在AD缓冲区的数据传入DSP进行信号处理，DSP处理流程如图4所示，测试结果如图5所示。图中Rx1-R-v为Rx1通道的2D-FFT结果图，主瓣峰值对应的坐标X轴是是待测目标的距离值，Y轴是速度值，Z轴是积累后的幅度值。因为有两个目标，所以有两个峰值。检测到的目标1距离为79.42m，速度为-8.98m/s，目标2距离为60.3m，速度为12.94m/s。图中Rx5-R-v为Rx5通道的2D-FFT结果图，检测到的目标1距离为80.01m，速度为-18.72m/s，目标2距离为60m，速度为12.94m/s。可以看出，两个通道测得的目标2距离值与速度值都符合测试指标，测得的目标1距离值符合测试指标，但速度值产生模糊，不符合指标要求。经过解速度模糊处理后所得的真实速度值为29.98m/s，符合测试指标。图中angle-FFT为角度维FFT结果图，其中主瓣峰值坐标X轴为待测目标角度值，Y轴为幅度值。因为有两个目标，所以有两个峰值。其中目标1角度为-22.99度，目标2角度为28.02度，符合测试指标。因为测得的目标1和目标2距离值、速度值、角度值均符合测试指标，证明了本方法的正确性。
实施例2
步骤1：假设两个目标，目标1在雷达的右前方28度方向(雷达前方左边为负，右边为正)，距离为80m，速度为30m/s；目标2在雷达的左前方23度方向，距离为60m，速度为13m/s。设置测试指标：目标距离绝对误差在1m以内，速度绝对误差在0.1m/s以内，角度绝对误差在1度以内。
步骤2：设置8个低通滤波器LPF的左右截止频率分别为-205MHz和205MHz，通带为402MHz。设置8个模数转换器ADC的采样率(对单个斜坡)为40MHz。
步骤3：利用斜坡产生器产生2路线性调频连续波信号。信号1的Tr1为20μs，带宽B为400MHz，n1为640；信号2的Tr2为25μs，带宽B为400MHz，n2为512。然后经过77G压控振荡器进行混频，再经过功率放大器后利用Tx1发射信号1，利用Tx2发射信号2，Tx1、Tx2利用时分复用技术交替发射信号。
步骤4：利用Rx1、Rx2、Rx3、Rx4先后接收Tx1和Tx2的回波信号，得到8路信号。先通过低噪放大器，再与77G本振信号混频，通过LPF后得到8路差拍基带信号，最后将通过ADC后的数字信号存入AD缓冲区。
步骤5：将存储在AD缓冲区的数据传入DSP进行信号处理，DSP处理流程如图4所示，测试结果如图5所示。图中Rx1-R-v为Rx1通道的2D-FFT结果图，主瓣峰值对应的坐标X轴是是待测目标的距离值，Y轴是速度值，Z轴是积累后的幅度值。因为有两个目标，所以有两个峰值。检测到的目标1距离为80.57m，速度为30m/s，目标2距离为60.06m，速度为13.05m/s。图中Rx5-R-v为Rx5通道的2D-FFT结果图，检测到的目标1距离为79.69m，速度为29.98m/s，目标2距离为59.77m，速度为12.94m/s。可以看出，两个通道测得的目标1和目标2的距离值与速度值都符合测试指标，这里未产生速度模糊。图中angle-FFT为角度维FFT结果图，其中主瓣峰值坐标X轴为待测目标角度值，Y轴为幅度值。因为有两个目标，所以有两个峰值。其中目标1角度为-22.99度，目标2角度为28.02度，符合测试指标。因为测得的目标1和目标2距离值、速度值、角度值均符合测试指标，证明了本方法的正确性。
实施例3
步骤1：假设两个目标，目标1在雷达的右前方28度方向(雷达前方左边为负，右边为正)，距离为80m，速度为30m/s；目标2在雷达的左前方23度方向，距离为60m，速度为13m/s。设置测试指标：目标距离绝对误差在1m以内，速度绝对误差在0.1m/s以内，角度绝对误差在1度以内。
步骤2：设置8个低通滤波器LPF的左右截止频率分别为-155MHz和155MHz，通带为302MHz。设置8个模数转换器ADC的采样率(对单个斜坡)为37.5MHz。
步骤3：利用斜坡产生器产生2路线性调频连续波信号。信号1的Tr1为16μs，带宽B为300MHz，n1为800；信号2的Tr2为32μs，带宽B为300MHz，n2为400。然后经过77G压控振荡器进行混频，再经过功率放大器后利用Tx1发射信号1，利用Tx2发射信号2，Tx1、Tx2利用时分复用技术交替发射信号。
步骤4：利用Rx1、Rx2、Rx3、Rx4先后接收Tx1和Tx2的回波信号，得到8路信号。先通过低噪放大器，再与77G本振信号混频，通过LPF后得到8路差拍基带信号，最后将通过ADC后的数字信号存入AD缓冲区。
步骤5：将存储在AD缓冲区的数据传入DSP进行信号处理，DSP处理流程如图4所示，测试结果如图5所示。图中Rx1-R-v为Rx1通道的2D-FFT结果图，主瓣峰值对应的坐标X轴是是待测目标的距离值，Y轴是速度值，Z轴是积累后的幅度值。因为有两个目标，所以有两个峰值。检测到的目标1距离为79.69m，速度为29.98m/s，目标2距离为60.94m，速度为12.94m/s。图中Rx5-R-v为Rx5通道的2D-FFT结果图，检测到的目标1距离为79.69m，速度为29.98m/s，目标2距离为59.77m，速度为12.94m/s。可以看出，两个通道测得的目标1和目标2的距离值与速度值都符合测试指标，这里未产生速度模糊。图中angle-FFT为角度维FFT结果图，其中主瓣峰值坐标X轴为待测目标角度值，Y轴为幅度值。因为有两个目标，所以有两个峰值。其中目标1角度为-22.99度，目标2角度为28.02度，符合测试指标。因为测得的目标1和目标2距离值、速度值、角度值均符合测试指标，证明了本方法的正确性。
表1传统方法与本方法对比
传统方法 本方法
绝对测角误差 ±0.1° ±0.1°
信号处理时间 51.2ms 25.6ms
经过3种具体实施方式验证，目标测距结果绝对误差在0.1m以内，测速结果误差绝对在0.1m/s以内，测角结果绝对误差在0.1度以内，符合测试指标。根据表1所示，本方法在与传统方法保持相同测角精度的同时，减少了一半的信号处理时间，降低了雷达数据率。所以这种车载LFMCW雷达解速度模糊测角新方法优于传统方法。

Claims (1)

1.一种用于车载LFMCW雷达解速度模糊测角方法，该方法包括：
步骤1：配置发射天线Tx1发射单斜坡时长为Tr1的锯齿波信号chirp1，配置发射天线Tx2发射单斜坡时长为Tr2的锯齿波信号chirp2，Tr1和Tr2不相等；两个发射天线利用时分复用技术发射信号，且保证Tx1的斜坡周期数n1和Tx2的斜坡周期数n2之间的关系满足公式2；
Tr1n1＝Tr2n2
步骤2：利用接收天线即接收通道Rx1、Rx2、Rx3、Rx4分别接收Tx1和Tx2的回波信号，进行混频和滤波处理后得到8路缓存的差拍基带信号，每个接收通道先后有2路缓存信号，分别对应Tr1和Tr2的差拍基带信号，第1-4路信号对应接收通道1-4内Tr1的差拍基带信号，第5-8路信号对应接收通道1-4内Tr2的差拍基带信号；
步骤3：对第1路和第5路信号分别进行距离和速度维2D-FFT处理，再进行二维恒虚警检测，可以得到目标的距离值和速度值；若目标速度值模糊，则利用剩余定理进行解速度模糊处理；
步骤4：在解速度模糊处理之后，进行MIMO雷达虚拟孔径测角处理；对第5-8路信号进行相位补偿后再采用步骤3相同的方法一一对应与第2-4路信号一起进行2D-FFT处理和二维恒虚警检测，然后取出8路信号检测出的目标值，进行角度维FFT得到测角结果。
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