CN111983593A - 一种高精度双基地线性调频连续波雷达同步系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高精度双基地线性调频连续波雷达同步系统，涉及雷达技术领域，该系统包括第一雷达子系统、第二雷达子系统和调度模块，由调度模块利用无线透传模块对两个雷达子系统进行统一控制和调度，各雷达上电后，一部雷达发射调频连续波、另一部雷达接收，利用两个回波信号可以实现对两个雷达子系统的固有频差的测量，雷达系统调整自身的同步信号来实现线性调频起始时刻的大致对齐即能消除起始时刻偏差和频偏，实现两个雷达子系统的同步，解决无法测距的问题、提高测距精度。

Description

一种高精度双基地线性调频连续波雷达同步系统
技术领域
本发明涉及雷达技术领域，尤其是一种高精度双基地线性调频连续波雷达同步系统。
背景技术
随着雷达在汽车领域的应用，77GHz频段车载毫米波雷达相关技术日益成熟，产生了很多低成本的解决方案，并在各领域推广使用，77GHz频段车载毫米波雷达逐渐应用于安防雷达中探人、液位物位雷达的测距和室内精确定位。毫米波雷达在室内精确定位应用中，会面临复杂的杂波环境和多径问题，采用应答式的双基地雷达可以很好的解决这一问题，但应答式的双基地雷达的两部雷达间会存在同步问题，导致精度不够甚至无法实现测距。
发明内容
本发明人针对上述问题及技术需求，提出了一种高精度双基地线性调频连续波雷达同步系统，本发明的技术方案如下：
一种高精度双基地线性调频连续波雷达同步系统，该系统包括第一雷达子系统、第二雷达子系统和调度模块，两个雷达子系统的电路结构相同且分别设置在定位点处，每个雷达子系统内部分别包括FPGA、毫米波雷达和无线透传模块，无线透传模块和毫米波雷达分别与FPGA相连；两个雷达子系统内部的无线透传模块均与调度模块建立无线通信连接；两个雷达子系统上电后：
第一雷达子系统中的FPGA控制毫米波雷达发射第一调频连续波，第二雷达子系统中的FPGA通过毫米波雷达接收到第一调频连续波对应的第一回波信号；
第二雷达子系统中的FPGA控制毫米波雷达发射第二调频连续波，第一雷达子系统中的FPGA通过毫米波雷达接收到第二调频连续波对应的第二回波信号；
调度模块获取第一回波信号和第二回波信号，调度模块计算第一回波信号和第二回波信号的平均值得到两个雷达子系统之间的固有频差，并将固有频差发送给两个雷达子系统；
两个雷达子系统根据固有频差调节线性调频的起始时刻并重新执行第一雷达子系统中的FPGA控制毫米波雷达发射第一调频连续波的步骤，直至固有频差在预定范围内时完成两个雷达子系统的上电同步。
其进一步的技术方案为，在两个雷达子系统运行过程中，每隔预定时间执行第一雷达子系统中的FPGA控制毫米波雷达发射第一调频连续波的步骤，直至固有频差在预定范围内时完成两个雷达子系统的运行过程同步。
其进一步的技术方案为，每个雷达子系统内部还包括温度补偿晶体振荡器，温度补偿晶体振荡器连接所在子系统的FPGA。
其进一步的技术方案为，调度模块独立于两个雷达子系统，则两个雷达子系统分别通过无线透传模块与调度模块建立无线通信连接。
其进一步的技术方案为，调度模块内置于其中一个雷达子系统的FPGA中，则两个雷达子系统通过无线透传模块建立无线通信连接。
其进一步的技术方案为，两个回波信号分别表示为fIF1＝kT+kTc以及fIF2＝kTc-kT，则固有频差为Fc＝(fIF1+fIF2)/2＝kTc，其中，k为两个雷达子系统发射的调频连续波的线性调频斜率，T＝R/C且表示电磁波传输时间，R为两个雷达子系统之间的距离，C为光速，Tc为固有时间延迟。
本发明的有益技术效果是：
本申请公开了一种高精度双基地线性调频连续波雷达同步系统，该系统由调度模块统一控制和调度，各定位点的雷达子系统采用二次雷达的工作方式，各雷达上电后，一部雷达发射FMCW(调频连续波)信号，另一部雷达接收，利用回波信号可以实现对固有频差的测量，雷达系统调整自身的同步信号来实现线性调频起始时刻的大致对齐即能消除起始时刻偏差和频偏，解决线性调频的起始时刻以及起始频点在上电时出现很大偏差从而造成与接收回波混频的本振不同、无法实现测距的问题。而在运行过程中定期进行同步操作，可以消除积累误差及温漂的影响，提高测距精度。
附图说明
图1是本申请的高精度双基地线性调频连续波雷达同步系统的结构图。
图2是该系统在同步过程中的一个时序示意图。
图3是该系统在同步过程中的另一个时序示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步说明。
本申请公开了一种高精度双基地线性调频连续波雷达同步系统，请参考图1，该系统包括第一雷达子系统、第二雷达子系统和调度模块，两个雷达子系统的电路结构相同且分别设置在定位点处，每个雷达子系统内部分别包括FPGA、毫米波雷达和无线透传模块，无线透传模块和毫米波雷达分别与FPGA相连。FPGA通过串口通信连接无线透传模块和毫米波雷达，同时FPGA还控制毫米波雷达的辐射开关和同步触发脉冲。
两个雷达子系统内部的无线透传模块均与调度模块建立无线通信连接。实际主要有两种实现方式：调度模块独立于两个雷达子系统，则两个雷达子系统分别通过无线透传模块与调度模块建立无线通信连接，此时调度模块可以基于独立的FPGA实现。或者，调度模块内置于其中一个雷达子系统的FPGA中，则这两个雷达子系统通过无线透传模块建立无线通信连接，如图1以调度模块内置于第一雷达子系统的FPGA为例。
进一步的，每个雷达子系统内部还包括温度补偿晶体振荡器，温度补偿晶体振荡器连接所在子系统的FPGA。
无论采用何种结构，该系统的工作过程为：
在两个雷达子系统上电后，对两个子系统进行同步。在本申请的举例中，调度模块控制第二雷达子系统的同步触发脉冲，使其提前第一雷达子系统的同步触发脉冲100ns左右(对应300m距离)，调度模块控制各个雷达子系统中雷达辐射开关，第一雷达子系统中的FPGA控制毫米波雷达发射第一调频连续波，第二雷达子系统中的FPGA通过毫米波雷达接收到第一调频连续波对应的第一回波信号，这一过程的时序示意图请参考图2，其中x1(t)表示第一雷达子系统发射的第一调频连续波，fIF1表示第二雷达子系统接收到的第一回波信号，Lo2表示第二雷达子系统的本振信号。
第二雷达子系统中的FPGA控制毫米波雷达发射第二调频连续波，第一雷达子系统中的FPGA通过毫米波雷达接收到第二调频连续波对应的第二回波信号，这一过程的时序示意图请参考图3。其中x2(t)表示第二雷达子系统发射的第一调频连续波，fIF2表示第一雷达子系统接收到的第一回波信号，Lo1表示第一雷达子系统的本振信号。
在上述两个过程中，一个雷达子系统中发射的单个chirp信号可以表示为：
Figure BDA0002644646570000041
对应的另一个雷达子系统接收到的信号可以表示为：
Figure BDA0002644646570000042
其中，f0表示载波频率，k为两个雷达子系统发射的调频连续波的线性调频斜率。T＝R/C且表示电磁波传输时间，R为两个雷达子系统之间的距离，C为光速。υ表示两个雷达子系统的相对速度。由此，两个回波信号分别表示为fIF1＝kT+kTc以及fIF2＝kTc-kT，Tc为固有时间延迟。
两个雷达子系统会通过无线透传模块将两个回波信号传输给调度模块，则调度模块对应的获取第一回波信号和第二回波信号，然后调度模块计算第一回波信号和第二回波信号的平均值得到两个雷达子系统之间的固有频差，也即固有频差为Fc＝(fIF1+fIF2)/2＝kTc。
调度模块会通过无线透传模块将固有频差发送给两个雷达子系统，后续两个雷达子系统根据该固有频差调节线性调频的起始时刻，然后重复执行上述同步过程，直至固有频差在预定范围内时完成两个雷达子系统的上电同步。
雷达上电时的同步过程可以消除起始时刻偏差和频偏，避免不同步造成的无法测距问题、也有利于提高测距精度。而进一步的，在两个雷达子系统运行过程中，每隔预定时间执行上述同步过程计算固有频差并进行调整，直至固有频差在预定范围内时完成两个雷达子系统的运行过程同步，运行过程中的同步，可以消除积累误差及温漂的影响，进一步提高测距精度。
在图1所示的结构，调度模块内置在雷达子系统的FPGA中，其以FPGA为核心，实现MODBUS协议，定时功能和串口通信功能，具体内容如下：
a)任务调度功能，通过无线透传模块发送命令，控制各雷达开关辐射；
b)定时功能，确保各雷达同步触发脉冲间的固定延迟及固定时序；
c)通过串口通信接收各雷达经无线透传模块发送的数据；
d)通过串口通信把各雷达数据及状态，送往各毫米波雷达，进行坐标计算和修正。
以上所述的仅是本申请的优选实施方式，本发明不限于以上实施例。可以理解，本领域技术人员在不脱离本发明的精神和构思的前提下直接导出或联想到的其他改进和变化，均应认为包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种高精度双基地线性调频连续波雷达同步系统，其特征在于，所述系统包括第一雷达子系统、第二雷达子系统和调度模块，两个雷达子系统的电路结构相同且分别设置在定位点处，每个雷达子系统内部分别包括FPGA、毫米波雷达和无线透传模块，所述无线透传模块和所述毫米波雷达分别与所述FPGA相连；两个雷达子系统内部的无线透传模块均与所述调度模块建立无线通信连接；两个雷达子系统上电后：
所述第一雷达子系统中的FPGA控制毫米波雷达发射第一调频连续波，所述第二雷达子系统中的FPGA通过毫米波雷达接收到所述第一调频连续波对应的第一回波信号；
所述第二雷达子系统中的FPGA控制毫米波雷达发射第二调频连续波，所述第一雷达子系统中的FPGA通过毫米波雷达接收到所述第二调频连续波对应的第二回波信号；
所述调度模块获取所述第一回波信号和所述第二回波信号，所述调度模块计算所述第一回波信号和所述第二回波信号的平均值得到两个雷达子系统之间的固有频差，并将所述固有频差发送给两个雷达子系统；
两个雷达子系统根据所述固有频差调节线性调频的起始时刻并重新执行所述第一雷达子系统中的FPGA控制毫米波雷达发射第一调频连续波的步骤，直至所述固有频差在预定范围内时完成两个雷达子系统的上电同步。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，在两个雷达子系统运行过程中，每隔预定时间执行所述第一雷达子系统中的FPGA控制毫米波雷达发射第一调频连续波的步骤，直至所述固有频差在预定范围内时完成两个雷达子系统的运行过程同步。
3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，每个雷达子系统内部还包括温度补偿晶体振荡器，所述温度补偿晶体振荡器连接所在子系统的FPGA。
4.根据权利要求1-3任一所述的系统，其特征在于，所述调度模块独立于两个雷达子系统，则两个雷达子系统分别通过无线透传模块与所述调度模块建立无线通信连接。
5.根据权利要求1-3任一所述的系统，其特征在于，所述调度模块内置于其中一个雷达子系统的FPGA中，则两个雷达子系统通过无线透传模块建立无线通信连接。
6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，两个回波信号分别表示为fIF1＝kT+kTc以及fIF2＝kTc-kT，则所述固有频差为Fc＝(fIF1+fIF2)/2＝kTc，其中，k为两个雷达子系统发射的调频连续波的线性调频斜率，T＝R/C且表示电磁波传输时间，R为两个雷达子系统之间的距离，C为光速，Tc为固有时间延迟。
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