CN112649801A - 一种毫米波多天线距离测量系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种毫米波多天线距离测量系统，包括多天线收发结构，和与其对应窗口处理及距离角度结合扩展算法。多天线收发结构含四个发射天线、八个接收天线及电子切换开关。系统利用天线采集数据，并进行距离维度FFT，依次实现一次加窗、一次截取、二次加窗、二次截取操作获取处理窗口。之后二次采集，将天线虚拟为一发三十二收，对数据进行距离维度FFT并利用窗口截取及保存数据，再依次进行第二次距离维度FFT及天线维度FFT，结合窗口得角度范围角度仓，对其进行调整和扩展扫描得内部角度值。之后选取角度对应天线的数据处理，扩展1024点扫描获取距离值，最后进行距离在角度仓内角度方向投影，得高精度距离值。

Description

一种毫米波多天线距离测量系统
技术领域
本发明涉及天线技术及距离测量领域，涉及一种工作在77GHz～81GHz频段的毫米波多天线距离测量系统。
背景技术
毫米波是波长为1～10mm的电磁波，工作频率为30～300GHz。毫米波与其他波段的电磁波相比有很多优点如：波束窄，方向性好，有极高的空间分辨力，跟踪精度高；多普勒效应明显，多普勒分辨力良好；有极宽的带宽等。另外，通过算法处理结合多天线的使用，可以实现对平面的距离测量，并在多天线的使用下实现高精度测量。本发明使用工作在77GHz～81GHz频段的毫米波天线，将多天线收发结构与数据处理结合起来，实现多天线距离测量，克服了接收信号不足的缺点，也提高了测量距离的准确性。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是实现一个应用毫米波实现多天线距离测量的系统，选择毫米波波段进行发送和接收，使用多天线收发结构，配合与结构对应的窗口处理及距离角度结合扩展算法，实现高精度距离测量。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：设计多天线收发结构，设计与结构对应的窗口处理及距离角度结合的扩展算法。
所述的多天线收发结构由发射天线阵、接收天线阵以及电子切换开关组成，通过发射天线发射毫米波，接收天线接收回波并结合电子切换开关实现天线收发，发射天线阵含有四个发射天线，接收天线阵含有八个接收天线。系统使用电子切换开关分别对发射天线、接收天线进行切换，发射天线阵使用三个电子切换开关进行切换、接收天线阵使用七个电子切换开关进行切换。所有天线均与AWR1243芯片连接，系统使用两片AWR1243芯片进行级联，每片AWR1243连接两个发射天线、四个接收天线。
所述多天线收发结构的发射天线和接收天线为微带直线阵列天线，由长为1.5mm、宽为0.97mm的矩形贴片组成，其中馈线的长为1.18mm、宽为0.1mm，介质采用RO4350B，介质厚度为0.1016mm，采用天线加介质基片加参考地的方式构成。
所述多天线收发结构由四个发射天线和八个接收天线组成。接收天线阵的八个接收天线相邻，每两个接收天线的间距为半个波导波长，发射天线阵的四个发射天线相邻，每两个发射天线的间距为两个波导波长，发射天线阵与接收天线阵的间距为7mm。发射天线与接收天线的距离关系可以将四发八收天线虚拟为一发三十二收。
窗口处理及距离角度结合的扩展算法步骤如下：
(1)系统使用TX1与RX1天线进行毫米波收发，每次采样512点，并对采样信号在距离维度作快速傅里叶变换即FFT得距离-脉冲图，对距离-脉冲图进行扫描，取最大脉冲幅值的索引t111，以及左右次大值脉冲幅值索引t110和tx112,得窗口win11[t110,t112]；
(2)系统利用电子切换开关将接收天线按照RX1、RX2、RX3、RX4、RX5、RX6、RX7、RX8的顺序进行切换，每个接收天线按照(1)进行处理，对于每个接收天线得到的区间win11～win18进行求“或”运算，即将所得区间进行合并，相邻的区间合并为一个区间，不相邻的区间保留原有的区间范围，得到包含win11～win18所有区间范围的窗口win1[t10,t12]，即实现一次加窗；
(3)系统利用电子切换开关将发射天线由TX1切换为TX3，接收天线选取RX1进行收发，重新进行采样并作距离维度FFT，选取最大脉冲值索引t311以及左右次大值索引t310和t312，得窗口win31[t310,t312]；
(4)系统利用电子切换开关将接收天线按照RX1、RX2、RX3、RX4、RX5、RX6、RX7、RX8的顺序进行切换，每个接收天线按照(3)进行处理，系统对于每个接收天线得到的区间win31～38进行求“或”运算，再使用求“或”的结果对win1[t10,t12]求“与”运算，求“与”运算即保留两个区间范围重叠的部分舍弃其它部分，实现一次窗口截取，得区间win3[t30,t32]；
(5)系统利用电子切换开关将发射天线切换为TX2，重复(1)(2)运算，再次进行加窗处理，在win3的基础上实现二次加窗，得区间win2[t20,t22]；
(6)系统利用电子切换开关将发射天线切换为TX4，重复(3)(4)运算，再次进行截取处理，在win2的基础上实现二次截取，得区间win4[t40,t42]；
(7)将窗口win4进行点数调整，依次向左向右扩展，共扩展为32个点，得区间win0[i00,i31]；
(8)将四发八收天线进行虚拟扩展，即系统利用发射天线的相对位置关系，实现接收天线的扩展，扩展结果为一发三十二收，依次进行收发，采用点数为512个点，系统在每个接收天线信号采集结束后进行距离维度FFT，保留每个天线的win0[i00,i31]内的点；
(9)对(8)中的32*32共1024个点，系统依次进行第二次距离维度的FFT，以及在多个接收的第二次距离FFT结果上，再次在天线维度作FFT得距离-多普勒-方位图，得到一个小的角度范围，该角度范围包含真实距离所在方向，后续需对这个角度范围进行处理，称这个角度范围为角度仓。将角度仓旋转缩放，中心位置转为0°；
(10)对(9)中的角度仓乘以128点扩展因子，并针对扩展128倍后的点数进行扫描，得角度仓内的高精度角度；
(11)根据角度仓内的高精度角度，选择与其方向对应天线的第一次距离维度FFT的结果进行距离处理，即系统针对该方向的天线的win0[i00,i31]范围内的点进行频域扩展，乘以1024点扩展因子，并针对扩展1024倍后的点数进行扫描，得最大幅值；
(12)根据(10)最大幅值及其对应的FFT点数序号计算得距离向结果；
(13)将(12)中的距离向结果在高精度角度的方向上进行投影，得最终的高精度距离值。
附图说明
图1是本发明系统处理流程图。
图2是本发明窗口处理示意图。
图3是本发明天线虚拟扩展示意图。
图4是本发明收发天线设计图。
图5是本发明多收发天线结构图。
图6是本发明AWR1243连接示意图。
图7是本发明发射天线电子切换开关示意图。
图8是本发明接收天线电子切换开关示意图。
图9是本发明快速傅里叶变换仿真图。
图10是本发明快速傅里叶变换扩展扫描仿真图。
图11是本发明角度仓处理示意图。
具体实施方式
本发明内容，一种毫米波多天线距离测量系统，主要由多天线收发结构，以及与结构对应的窗口处理及距离角度结合的扩展算法组成，系统主要对水平平面进行测量。系统的处理流程图如图1所示。多天线收发结构根据使用情况进行天线设计以及电子切换开关设计，算法处理部分系统首先利用天线收发获取回波数据，每个收发天线的采样点数为512点，四个发射天线依次切换，接收天线对应于每个发射天线均进行八个天线的切换，依次实现如图2所示的窗口处理，包括一次加窗、一次截取、二次加窗、二次截取，并对最终的窗口大小进行调整，使窗口大小为32点。之后进行二次扫描，并将四发八收天线进行如图3的天线虚拟，虚拟为一发三十二收天线，进行数据采集和一次距离维度FFT，通过窗口进行截取获取感兴趣数据范围。对窗口截取的数据，一方面进行数据保存用于后续计算；另一方面在第一次FFT的基础上依次进行再次距离维度FFT、多个接收天线的天线维度FFT，得距离-多普勒-方位图，得到感兴趣小角度范围即角度仓，将角度仓进行水平处理，再针对角度仓进行扩展扫描，扩展点数为128点，得角度仓内的高精度角度。再选取前面保存的数据中，高精度角度所对应的天线第一次距离维度FFT窗口数据，进行扩展扫描，扩展点数为1024点，得距离值。最后将距离值在角度仓内的高精度角度方向进行投影，得到高精度距离值。
上述具体实施例中，天线的频率范围为77～81GHz，中心频率f0＝78.5GHz，根据天线的理论计算，可得出初步的天线参数。
天线宽度W计算如下：
Figure BDA0002827471020000041
把c＝3×108m/s，天线中心频率f0＝78.5GHz，材料的介电常数εr＝3.66代入计算得到W＝1.252mm。
天线有效相对介电常数εe和波导波长λg计算如下：
Figure BDA0002827471020000042
Figure BDA0002827471020000043
代入板厚h为0.1mm，可得εe＝3.277，λg＝2.116mm。
天线贴片的长度L计算以及天线的辐射缝隙的长度ΔL计算公式如下：
Figure BDA0002827471020000051
Figure BDA0002827471020000052
代入得到ΔL＝0.0487mm、L＝0.966mm。
上述具体实施例中，设计的天线结构如图4所示。每个天线的矩形贴片的长为1.5mm、宽为0.97mm，馈线长1.18mm，馈线宽0.1mm。
上述具体实施例中，四发八收天线的结构如图5所示，所有天线每次测量共进行两次扫描，第一次从TX1发射天线到TX4发射天线共四个发射天线，每个发射天线对应RX1接收天线到RX8接收天线共八个接收天线扫描。收发天线与AWR1243的连接图如图6所示。
上述具体实施例中发射天线电子切换开关以及接收天线电子切换开关分别如图7和图8所示，使用的电子切换开关使用型号HMC-SDD112。单个电子切换开关实现二选一的功能，四个发射天线使用三个电子切换开关实现切换，八个接收天线使用七个电子切换开关实现切换。
上述具体实施例中，距离的计算根据天线处理得出的差频信号进行计算，计算的公式如下：
R＝c*fm*T/2B
其中，B为有效带宽为4GHz,T是一个扫频周期为114.4us，fm为差频频率，c为光速为3×108m/s。
差频信号由快速傅里叶变换得出，公式为：
Figure BDA0002827471020000053
其中N为采样点数，本系统采样点数为512点。
测量的距离精度表达式计算如下：
fb＝fs/N
Figure BDA0002827471020000061
其中采样频率fs为5MHz，采样点数N为512，调频率β＝33.71MHz/us，c为光速3×108m/s，fb频率精度为9765.625，计算可得未进行扩展扫描的距离精度为4.34cm。
上述具体实施例中，经过快速傅里叶变换以及进行距离计算之后，可以得到初步的距离值，之后在原有的变换结果之上进行扩展处理，处理即在原有快速傅里叶变换的基础上乘以一个1024点扩展因子，表达式如下：
Figure BDA0002827471020000062
其中，a为当前间隔的序号，1024为扩展扫描的倍数，选取处理所得的窗口部分在第二次扫描中进行扩展再扫描，根据扫描的结果再进行距离计算，可计算得高精度距离，此时扩展扫描距离的精度精确1024倍，即由4.34cm精确为42.38um。
上述具体实施例中，针对扩展扫描算法进行仿真，仿真的信号与差频信号形式相同，信号的表达式如下所示：
x(t)＝3cos(2πftt)
对信号离散化后进行快速傅里叶变换，其中，输入信号ft＝1MHz，fs＝5MHz，采样点数N＝512，未扩展的仿真结果如图9所示，仿真结果幅值为581.70916。
扩展扫描仿真a从(-511，512]取值，针对扩展扫描的仿真结果频点为996093.75Hz，按照输入信号ft进行计算，可得a取点数410，可得最大幅值，计算公式如下：
Figure BDA0002827471020000063
对扩展情况进行仿真，仿真结果如图10所示，此时幅值为768.2863，将扩展扫描结果带回计算，可计算得频率为1000003.813Hz，与实际输入频率1MHz相差3.813Hz，将误差频率距离公式做计算，可得频率差引起的误差变为16.97um。
上述具体实施例中，角度测量利用不同接收天线的相对位置实现，根据对回波信号的相位，实现角度估计，角度θ测量的公式如下所示：
Figure BDA0002827471020000071
其中，λ为波导波长，d为两相邻天线之间的距离，两者关系为λ＝2d，根据角度公式计算，可以得雷达检测到目标时，目标对应雷达扫描范围的角度位置。
角度分辨率θres公式如下所示：
Figure BDA0002827471020000072
其中，N为虚拟天线总数，N＝32，带入θ＝0，得分辨率为3.58°。
角度扩展采用与距离扩展类似的思想，同样乘以一个128点扩展因子，再进行天线维度快速傅里叶变换时乘以128点扩展扫描因子，表达式如下所示：
Figure BDA0002827471020000073
其中128表示角度扩展为128倍，即再最终角度计算时进行扫描，最终扩展扫描角度分辨率为0.028°。
雷达的最大视场角θmax公式为：
Figure BDA0002827471020000074
又因为关系λ＝2d，则可得最大视场角为[-90°，+90°]，最终测得的角度将在最大视场角范围内。
上述具体实施例中，角度仓处理示意图如图11所示。二次扫描选取的角度计算感兴趣点数为32点，其中采样点数为512点，则将限制视场角在1/8范围内，感兴趣角度为22.5°，即角度范围仓为22.5°，对角度宽度进行比例缩放，将角度仓范围限制在±11.25°，左边界为-11.25°，右边界为+11.25°。
角度的扩展扫描精度为0.028°，结合角度范围仓，将在±11.25°进行扫描，扫描结果即距离所对应角度仓内的角度，将距离在角度仓内进行投影，在角度仓内将距离角度结合，得到最终的高精度距离值，实现多天线高精度距离测量。

Claims (4)

1.一种毫米波多天线距离测量系统，其特征在于本发明设计了多天线收发结构，结构由发射天线阵、接收天线阵及电子切换开关组成；设计了与结构对应的窗口处理及距离角度结合扩展算法，实现高精度距离测量。
2.根据权利1所述的一种毫米波多天线距离测量系统，其特征在于多天线收发结构共包含四个发射天线以及八个接收天线，系统用电子切换开关分别对发射天线、接收天线进行切换。所有天线均与AWR1243相连，系统使用两片AWR1243芯片进行级联，每片AWR1243与两个发射天线和四个接收天线相连。
3.根据权利1所述的一种毫米波多天线距离测量系统，其特征在于使用四个发射天线切换，依次对八个接收天线进行数据采集以及距离维度快速傅里叶变换FFT处理，并配合窗口处理，依次实现一次加窗、一次截取、二次加窗、二次截取，得到最终处理所需窗口。
4.根据权利1所述的一种毫米波多天线距离测量系统，其特征在于系统获取窗口之后进行二次扫描，天线虚拟为一发三十二收，先进行距离维度FFT并进行窗口截取保留数据，再进行窗口数据二次距离维度FFT以及多个接收天线的天线维度FFT，得一个角度范围即角度仓，并对角度仓进行缩放至水平位置以及扩展128点扫描，获取角度仓内高精度角度。之后选取高精度角度所对应的天线保留数据进行处理，进行窗口数据扩展1024点扫描获取距离值，最后进行距离在角度仓内高精度角度方向投影，得高精度距离值。
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