CN111123213A - 基于dsp的fmcw周界雷达信号处理系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于DSP的FMCW周界雷达信号处理系统及方法，该系统包括多模式通信模块，用于实现DSP与上位机之间的数据通信；发射波形控制模块，用于通过DSP配置雷达前端以控制雷达的发射波形；回波模拟信号调理模块，用于对回波信号进行滤波和增益放大；滤波控制模块，用于调节滤波截止频率和放大增益；信号采集模块，用于通过DSP将雷达模拟回波信号转换为数字信号；信号处理模块，用于通过DSP对雷达数字回波信号进行信号处理获取目标参数信息，并传输到上位机。方法基于上述系统实现雷达信号处理。本发明具有低成本、低功耗、高准确性、高可靠性、高实时性以及适应性广等特点，能够通过上位机对雷达参数进行控制，并实现信号处理结果的实时显示。
Description
技术领域
本发明属于雷达信号处理领域，特别涉及一种基于DSP的FMCW周界雷达信号处理系统及方法。
背景技术
毫米波FMCW雷达兼具毫米波雷达和FMCW雷达的优点，具有极高的距离分辨率；其方向性极好，有较高的跟踪精度，空间分辨率高；多普勒带宽较宽，多普勒分辨率也比较高，因此具有较高的测速精度；相比于激光和红外雷达，能够穿透烟雾、灰尘，不受天气影响从而可以实现全天候工作；具有较高目标识别能力和多目标分辨力，适用于导航、测距、测高等需要高分辨率的应用领域，因此得到了研究人员的广泛重视。
目前市面上的毫米波FMCW雷达信号处理系统大多只注重对回波的数字信号处理，雷达传感器的控制和模拟信号的调理往往需要额外的控制芯片和硬件电路。此外，雷达系统中对模拟信号的采样通常使用的是独立于数字信号处理芯片的ADC，并且需要采取FPGA+DSP的架构实现信号采样和数字信号处理，这就进一步导致硬件集成度的降低以及产品生产成本的上升。
发明内容
本发明的目的在于提供一种具有低成本、低功耗、低复杂度、高准确性、高可靠性、高实时性以及适应性广等特点的雷达信号处理系统及方法。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于DSP的FMCW周界雷达信号处理系统，包括多模式通信模块、发射波形控制模块、回波模拟信号调理模块、滤波控制模块、信号采集模块以及信号处理模块；
所述多模式通信模块，用于实现DSP与上位机之间的数据收发通信；
所述发射波形控制模块，用于通过DSP配置雷达前端锁相环芯片以控制雷达的发射波形，产生周期、带宽以及增益可控的锯齿波信号；
所述回波模拟信号调理模块，用于对回波信号进行滤波和增益放大；
所述滤波控制模块，用于调节控制回波模拟信号调理模块的滤波截止频率和放大增益；
所述信号采集模块，用于通过DSP将多通道雷达模拟回波信号同步转换为数字信号；
所述信号处理模块，用于通过DSP对多通道雷达数字回波信号进行雷达信号处理获取目标参数信息，并将信息通过多模式通信模块传输到上位机。
基于上述基于DSP的FMCW周界雷达信号处理系统的雷达信号处理方法，包括以下步骤：
步骤1，通过上位机确定与雷达系统的通信模式，并由多模式通信模块按照设定的通信协议，向发射波形控制模块发送设定的雷达发射波形参数：周期、带宽、信号增益；
步骤2，发射波形控制模块读取波形参数数据并进行参数转换计算，对雷达前端锁相环芯片写入指令进行控制，产生发射波形；
步骤3，通过滤波控制模块设置滤波截止频率与放大增益参数；
步骤4，回波模拟信号调理模块依据步骤3设置的参数对雷达模拟回波信号进行相应的滤波和增益放大；
步骤5，信号采集模块将步骤4处理后的多通道雷达模拟回波信号同步转换为雷达数字回波信号；
步骤6、信号处理模块对多通道雷达数字回波信号依次进行高通滤波、数据重排、动目标显示MTI、动目标检测MTD、恒虚警检测、目标凝聚以及测角，获得目标的速度、距离以及角度信息；
步骤7、多模式通信模块将步骤6获得的目标速度、距离以及角度信息传输至上位机进行显示，完成雷达系统对目标的检测。
本发明与现有技术相比，其显著优点为：1)本发明在系统设计时将对前端的控制和后端回波信号处理集成在一起，仅需一片DSP执行，降低了系统的成本与复杂度；2) 本发明的回波模拟信号调理模块，可实现软件编程设置滤波截止频率与放大增益，提高了硬件电路的适用性；3)本发明的信号处理模块，通过滤波、杂波抑制、恒虚警等一系列处理模块能有效抑制静止杂波及干扰，提高了回波信号的信噪比，进一步提高了目标信息的准确性和可靠性；4)本发明的多模式通信模块，能够通过RS485、网口等多种方式与上位机进行通信，应用场景更为广泛。
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
附图说明
图1为本发明基于DSP的FMCW雷达周界雷达信号处理系统的结构框图。
图2为本发明中滤波控制模块结构框图。
图3为本发明中带通可编程增益可控放大电路示意图。
图4为本发明中信号处理模块流程框图。
具体实施方式
结合图1，本发明提出了一种基于DSP的FMCW周界雷达信号处理系统，包括多模式通信模块、发射波形控制模块、回波模拟信号调理模块、滤波控制模块、信号采集模块以及信号处理模块；
多模式通信模块，用于实现DSP与上位机之间的数据收发通信；
发射波形控制模块，用于通过DSP配置雷达前端锁相环芯片以控制雷达的发射波形，产生周期、带宽以及增益可控的锯齿波信号；
回波模拟信号调理模块，用于对回波信号进行滤波和增益放大；
滤波控制模块，用于调节控制回波模拟信号调理模块的滤波截止频率和放大增益；
信号采集模块，用于通过DSP将多通道雷达模拟回波信号同步转换为数字信号；
信号处理模块，用于通过DSP对多通道雷达数字回波信号进行雷达信号处理获取目标参数信息，并将信息通过多模式通信模块传输到上位机。
进一步地，在其中一个实施例中，多模式通信模块实现DSP与上位机之间的数据收发通信，具体包括实现雷达发射波形参数的获取与雷达回波信号处理结果的发送。
进一步地，在其中一个实施例中，多模式通信模块支持的通信方式包括网口通信以及RS485串口通信等，均由DSP内的串行通信接口SCI(Serial CommunicationInterface) 实现。
作为一种具体示例，网口通信模式利用网络串口透传芯片CH9121，实现串口数据和网络数据的双向透明传输。CH9121内部集成TCP/IP协议栈，具有TCP CLIENT、TCPSERVER、UDP CLIENT、UDP SERVER四种工作模式，串口波特率最高可支持 921600bps，可通过上位机软件配置网络参数和端口参数。其中网络参数可通过自动向具有DHCP SERVER功能的网关设备获取参数，包括当前选中模块的MAC地址、 CH9121 IP地址、子网掩码、默认网关等。端口参数包括网络模式、本地端口、目标IP、目的端口、串口参数等。简单的通过上位机配置软件设置后，即可通过计算机网口与雷达系统进行通信。
作为一种具体示例，上位机向多模式通信模块发送包含波形参数为中频24GHz、重复频率1kHz、带宽240MHz、前端内部增益为34dB的锯齿波调频连续波信号的通信数据帧，多模式通信模块将数据解析后再把相应的参数交由发射波形控制模块读取。
进一步地，在其中一个实施例中，发射波形控制模块从多模式通信模块上获取上位机发送的雷达发射波形参数，并将雷达发射波形参数转换为指令，之后通过SPI总线实现指令数据传输，将指令写入雷达前端，从而产生发射波形。其中，波形控制模块具体是根据前端PLL芯片如ADF4158与增益控制芯片如MCP4351的数据格式要求，将参数转换为相应的指令，并通过SPI接口按照芯片时序写入雷达前端。
进一步地，在其中一个实施例中，回波模拟信号调理模块，包括依次相连的二阶高通滤波电路、带通可编程增益可控放大电路、二阶低通滤波电路，依次实现对雷达回波信号的高通滤波、带通放大以及低通滤波。
进一步地，在其中一个实施例中，结合图2，滤波控制模块具体是通过DSP对二阶高通滤波电路、二阶低通滤波电路内的译码器以及带通可编程增益可控放大电路的电位器进行软件编程，实现滤波截止频率和放大增益的调节控制。
作为一种具体示例，二阶高通滤波电路由TLV2374及外围电路搭建，其增益为0dB、滤波截止频率可由DSP对八选一译码器进行编码控制选择，可选择的频率有50Hz、 500Hz、1kHz、2kHz、5kHz、10kHz。带通可编程增益可控放大电路由DSP对电位器 MCP42100进行编程从而实现TLV2374电路的0～40dB可调放大增益控制。二阶低通滤波电路由AD8532及外围电路搭建，放大增益为20dB、截止频率同样可由DSP对二选一译码器控制在15kHz、30kHz之间选择。雷达回波信号经过由滤波控制模块控制的模拟信号调理模块滤波与放大后，能够有效的降低雷达前端天线泄露、静止杂波、噪声对回波信号有用信息的影响，提高了回波信号的可靠性。
作为一种具体示例，结合图3，带通可编程增益可控放大电路包括运算放大器芯片TLV2374 U1、电阻R1、可变电阻R2、电容C1。高通滤波后的输出信号Ui经电阻R1 和电容C1后接入芯片TLV2374 U1的反向输入端，芯片TLV2374 U1的正向输入端与参考电压Up相连，电阻R1与芯片TLV2374 U1的输出端之间跨接可变电阻R2，通过改变可变电阻R2接入电路的电阻值即可实现反向放大电路的增益控制。
进一步地，在其中一个实施例中，信号采集模块具体通过DSP片内的多个AD转换模块实现多通道雷达模拟回波信号的同步转换。多个ADC由同一个增强型脉宽调制器产生的ePWMxSOC触发启动，采样频率由ePWM决定，由此实现了多路回波信号同步采样。为降低DSP中断响应频率，将ADC一次转换完成的数据通过DMA读取，存储到缓冲区中，等待采样周期数达到要求的一次信号处理积累周期数后，再由DMA触发中断，将所有采集的数据从缓冲区传输到信号处理模块进行后续信号处理。
作为一种具体示例，将ePWMxSOC触发频率设置为50kHz，每完成一次数据采样后，DMA就将多路数据从外设ADC结果寄存器读取到缓冲区，多个ADC转换结果按照积累周期数400的间隔进行存放。当采样周期计数达到400时，DMA产生中断，将所有的数据即多路50*400点数据传输给信号处理模块。
进一步地，在其中一个实施例中，信号处理模块包括高通滤波单元、数据重排单元、动目标显示单元、动目标检测单元、恒虚警单元、目标凝聚单元和测角单元；其中，
高通滤波单元，用于对采集到的雷达数字回波信号进行高通滤波；
数据重排单元，用于按照脉冲数及每个脉冲中的采样点数将滤波后的信号转化为二维矩阵；
动目标显示单元，用于对重排后的信号进行脉冲相消处理；
动目标检测单元，用于从脉冲相消后的信号中获取目标的距离、速度信息；
恒虚警单元，用于保持信号检测时虚警率恒定；
目标凝聚单元，用于将恒虚警单元处理得到的目标信息凝聚为点迹信息；
测角单元，用于测量目标相对于雷达在水平方向上的角度。
作为一种具体示例，假设信号采集模块传输了4路信号，信号处理模块首先将4路信号分为2路I、Q正交信号，合并成I+jQ的数据形式，具体工作方式如下：
高通滤波单元对2路信号分别进行高通滤波处理，由于多数情况下杂波功率集中于零频附近，所以可以利用FIR滤波器滤除不在测量范围内的信号，将回波信号中的直流分量、低频的杂波干扰等滤除；
数据重排单元分别对两路信号进行数据重排，将每一路信号排列成一个50*400个点的二维矩阵，其中每一行为一个周期内的信号采样点，对应的行数为一次信号处理的积累周期数；
动目标显示单元使用动目标显示技术，将重排后数据中的后一行减去前一行，进行脉冲对消，即将每个脉冲中相同的、不变的信号去掉，抑制静止杂波；
动目标检测单元中由于接收到的信号为去斜信号，因此对杂波抑制后的二维矩阵的每一行和每一列分别进行二维FFT变换，之后得到的数据中每一行对应目标的距离维信息，每一列对应目标的速度维信息；
恒虚警单元对动目标检测后的矩阵使用自适应门限，超过门限的数据保留并确定为目标点，低于门限的数据置为0并确定为杂波，解决了漏检率、虚警概率高等问题；
目标凝聚单元将恒虚警后得到的相邻目标点进行合并，凝聚成一个点目标，将处理后的两个数据矩阵中的非零值所对应的横纵坐标转化为目标的距离信息，纵坐标转化为目标的速度信息；
测角单元将目标凝聚后两个数据矩阵中的目标点的相位做差，借助雷达传感器的鉴角曲线获得每个目标点在水平方向的角度信息。
基于上述基于DSP的FMCW周界雷达信号处理系统，本发明提出了一种基于DSP 的FMCW周界雷达信号处理方法，包括以下步骤：
步骤1，通过上位机确定与雷达系统的通信模式，并由多模式通信模块按照设定的通信协议，向发射波形控制模块发送设定的雷达发射波形参数：周期、带宽、信号增益；
步骤2，发射波形控制模块读取波形参数数据并进行参数转换计算，对雷达前端锁相环芯片写入指令进行控制，产生发射波形；
步骤3，通过滤波控制模块设置滤波截止频率与放大增益参数；
步骤4，回波模拟信号调理模块依据步骤3设置的参数对雷达模拟回波信号进行相应的滤波和增益放大；
步骤5，信号采集模块将步骤4处理后的多通道雷达模拟回波信号同步转换为雷达数字回波信号；
步骤6、信号处理模块对多通道雷达数字回波信号依次进行高通滤波、数据重排、动目标显示MTI、动目标检测MTD、恒虚警检测、目标凝聚以及测角，获得目标的速度、距离以及角度信息；
步骤7、多模式通信模块将步骤6获得的目标速度、距离以及角度信息传输至上位机进行显示，完成雷达系统对目标的检测。
作为一种具体示例，基于DSP的周界雷达信号处理系统的工作方式如下：
多模式通信模块通过上位机实现人机交互，将用户设置的雷达发射波形参数通过设定的通信模式发送给雷达系统。
发射波形控制模块从多模式通信模块读取上位机发送的波形参数并进行参数转换计算，对前端芯片写入指令进行控制，从而产生中频24GHz、重复频率1kHz、带宽240MHz、前端内部增益为34dB的锯齿波调频连续波发射信号。
经过雷达前端混频后获得的四路回波数据，交由回波模拟信号调理模块进行调理滤波，依次通过高通滤波电路、增益放大电路、低通滤波电路，降低雷达前端天线泄露、静止杂波、噪声对回波信号有用信息的影响，提高了雷达回波信号的可靠性。
信号采集模块对四路经过调理滤波的回波信号进行同步采样转换，采样率为50kHz，并将转换后的数据暂存在缓冲区，当信号采集的周期数达到一次信号处理积累周期数 400时，再由DMA将所有数据传输给信号处理模块。
信号处理模块对接收到四路信号进行合并，获得I+jQ形式的两路信号，对两路信号分别进行高通滤波，滤除直流分量、低频杂波干扰等，保留需要频率的信号，然后通过数据重排单元，将数据按照每一脉冲内的采样点进行排列，通过动目标显示技术，相邻脉冲数据相减，去掉各脉冲中相同的不变的分量，实现静止杂波抑制，对杂波抑制后信号的每一行和每一列进行二维FFT变换，获得对应的距离维-速度维二维矩阵，通过恒虚警处理，将高于一定门限的目标信息保留下来，低于门限的杂波干扰、噪声等置为 0，对不为0的相邻目标点进行合并，通过目标凝聚获得不同目标对应的目标点，记录下各目标对应的距离、速度信息，同时根据目标点的相位差，利用鉴角曲线获得目标相对雷达的水平方向的角度，最后将得到的目标距离、速度、角度信息发送给多模式通信模块，由通信模块发送给上位机进行显示。
本发明的周界雷达信号处理系统具有低成本、低功耗、软件化、高准确性、高可靠性、高实时性以及适应性广等特点，能够通过上位机对雷达参数进行控制，并实现信号处理结果的实时显示。
Claims (9)
1.一种基于DSP的FMCW周界雷达信号处理系统，其特征在于，包括多模式通信模块、发射波形控制模块、回波模拟信号调理模块、滤波控制模块、信号采集模块以及信号处理模块；
所述多模式通信模块，用于实现DSP与上位机之间的数据收发通信；
所述发射波形控制模块，用于通过DSP配置雷达前端锁相环芯片以控制雷达的发射波形，产生周期、带宽以及增益可控的锯齿波信号；
所述回波模拟信号调理模块，用于对回波信号进行滤波和增益放大；
所述滤波控制模块，用于调节控制回波模拟信号调理模块的滤波截止频率和放大增益；
所述信号采集模块，用于通过DSP将多通道雷达模拟回波信号同步转换为数字信号；
所述信号处理模块，用于通过DSP对多通道雷达数字回波信号进行雷达信号处理获取目标参数信息，并将信息通过多模式通信模块传输到上位机。
2.根据权利要求1所述的基于DSP的FMCW周界雷达信号处理系统，其特征在于，所述多模式通信模块实现DSP与上位机之间的数据收发通信，具体包括实现雷达发射波形参数的获取与雷达回波信号处理结果的发送。
3.根据权利要求1或2所述的基于DSP的FMCW周界雷达信号处理系统，其特征在于，所述多模式通信模块支持的通信方式包括网口通信以及RS485串口通信。
4.根据权利要求1或2所述的基于DSP的FMCW周界雷达信号处理系统，其特征在于，所述发射波形控制模块从多模式通信模块上获取上位机发送的雷达发射波形参数，并将雷达发射波形参数转换为指令，之后通过SPI总线实现指令数据传输，将指令写入雷达前端。
5.根据权利要求1所述的基于DSP的FMCW周界雷达信号处理系统，其特征在于，所述回波模拟信号调理模块，包括依次相连的二阶高通滤波电路、带通可编程增益可控放大电路、二阶低通滤波电路，依次实现对雷达回波信号的高通滤波、带通放大以及低通滤波。
6.根据权利要求1或5所述的基于DSP的FMCW周界雷达信号处理系统，其特征在于，所述滤波控制模块具体是通过DSP对二阶高通滤波电路、二阶低通滤波电路内的译码器以及带通可编程增益可控放大电路的电位器进行调节控制，实现滤波截止频率和放大增益的调节控制。
7.根据权利要求1所述的基于DSP的FMCW周界雷达信号处理系统，其特征在于，所述信号采集模块具体通过DSP片内的多个AD转换模块实现多通道雷达模拟回波信号的同步转换。
8.根据权利要求1所述的基于DSP的FMCW周界雷达信号处理系统，其特征在于，所述信号处理模块包括高通滤波单元、数据重排单元、动目标显示单元、动目标检测单元、恒虚警单元、目标凝聚单元和测角单元；其中，
高通滤波单元，用于对采集到的雷达数字回波信号进行高通滤波；
数据重排单元，用于按照脉冲数及每个脉冲中的采样点数将滤波后的信号转化为二维矩阵；
动目标显示单元，用于对重排后的信号进行脉冲相消处理；
动目标检测单元，用于从脉冲相消后的信号中获取目标的距离、速度信息；
恒虚警单元，用于保持信号检测时虚警率恒定；
目标凝聚单元，用于将恒虚警单元处理得到的目标信息凝聚为点迹信息；
测角单元，用于测量目标相对于雷达在水平方向上的角度。
9.基于权利要求1至8任意一项所述的基于DSP的FMCW周界雷达信号处理系统的信号处理方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，通过上位机确定与雷达系统的通信模式，并由多模式通信模块按照设定的通信协议，向发射波形控制模块发送设定的雷达发射波形参数：周期、带宽、信号增益；
步骤2，发射波形控制模块读取波形参数数据并进行参数转换计算，对雷达前端锁相环芯片写入指令进行控制，产生发射波形；
步骤3，通过滤波控制模块设置滤波截止频率与放大增益参数；
步骤4，回波模拟信号调理模块依据步骤3设置的参数对雷达模拟回波信号进行相应的滤波和增益放大；
步骤5，信号采集模块将步骤4处理后的多通道雷达模拟回波信号同步转换为雷达数字回波信号；
步骤6、信号处理模块对多通道雷达数字回波信号依次进行高通滤波、数据重排、动目标显示MTI、动目标检测MTD、恒虚警检测、目标凝聚以及测角，获得目标的速度、距离以及角度信息；
步骤7、多模式通信模块将步骤6获得的目标速度、距离以及角度信息传输至上位机进行显示，完成雷达系统对目标的检测。
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