CN112748411A - 一种针对锯齿波雷达的近距离目标回波模拟方法及系统 - Google Patents

一种针对锯齿波雷达的近距离目标回波模拟方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种针对锯齿波雷达的近距离目标回波模拟方法及系统，通过信号处理实现对系统固有延时的补偿，使得模拟目标的最近距离不受系统固有延时的限制，使DRFM技术能够解决近距离的目标模拟问题，最近可模拟目标距离能够达到零米。

Description

一种针对锯齿波雷达的近距离目标回波模拟方法及系统
技术领域
本发明属于雷达测试技术领域，具体涉及一种针对锯齿波雷达的近距离目标回波模拟方法及系统。
背景技术
随着汽车辅助驾驶、自动驾驶的迅速发展，车载毫米波雷达的需求与日俱增。雷达在研发和量产测试时需要用到目标模拟器，在军用领域中应用广泛的基于数字射频存储器(Digital Radio-Frequency Memory——DRFM)技术的雷达目标模拟器，由于模数转换、数模转换以及现场可编程门阵列的数字信号处理引起的固有延时比较大，约为几十米，导致这些基于DRFM的目标模拟器能模拟目标的最近距离受限，因此很多模拟器的厂家在近距离的模拟上都选择光纤或者其他电介质模拟延迟线，而这些模拟方法的缺点就是控制不灵活且一个通道只能模拟一个目标。另外，在模拟器系统内集成两种体制造成系统复杂并且成本增加。
例如，美国National Instrument公司的雷达目标模拟器分成两部分，采用FPGA(Field Programmable Gate Array)技术的最近只能模拟到90米，90米以内的目标采用光纤延迟线技术。罗德与施瓦茨公司的ARTS9510C汽车雷达模拟器采用DRFM技术，最近只能模拟到8米。美国是德科技公司的E8707A雷达目标模拟器采用光纤延迟技术，最近可以模拟器到10米。日本Keycom公司的ME7220E系列雷达目标模拟器采用DRFM技术最近也只能模拟到12米，12米内近距离的目标模拟采用ME7220G系列的电介质延迟线技术，可以模拟到0.5米。
综上所述，DRFM的技术优点就是单通道可以同时模拟多个目标，这是光纤、电介质等模拟延迟线所不能做到的，但是DRFM技术仍为能解决近距离时模拟的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种针对锯齿波雷达的近距离目标回波模拟方法及系统，能够实现对采用锯齿波波形的雷达进行近距离目标的模拟，最近距离可以到零米。
本发明提供的一种针对锯齿波雷达的近距离目标回波模拟方法，包括以下步骤：估算目标回波模拟系统的固有延时所对应的距离值，根据所述距离值计算差频补偿值，根据所述差频补偿值生成差频补偿信号；使用所述差频补偿信号补偿雷达信号形成补偿雷达信号；将所述补偿雷达信号分成多个调制支路，每个调制支路分别调制不同目标后相互叠加经过变频再发送至雷达，完成多目标模拟。
进一步地，所述估算目标回波模拟系统固有延时对应的距离值，包括以下步骤：
步骤2.1、设置固定距离的待模拟目标；
步骤2.2、粗调所述目标回波模拟系统的固有延时所对应的距离值，使得雷达获得的所述待模拟目标的测量距离与所述固定距离相同；所述粗调的调整精度为米级；
步骤2.3、精调所述目标回波模拟系统的固有延时所对应的距离值，使得所述测量距离与所述固定距离相同，且雷达获得的所述待模拟目标的速度为零；所述精调的调整精度为0.01米及以上。
进一步地，所述根据所述距离值计算差频补偿值采用如下公式计算：
Figure BDA0002860924120000021
其中，ΔR为所述目标回波模拟系统的固有延时所对应的距离值，c为光速，K为雷达锯齿波的调频斜率。
进一步地，所述使用所述差频补偿信号补偿雷达信号形成补偿雷达信号的方式为：将所述雷达信号与所述差频补偿信号进行复数乘法运算。
本发明提供的一种针对锯齿波雷达的近距离目标回波模拟系统，包括天线分系统、微波分系统及信号处理分系统；
所述信号处理分系统包含：高速ADC、FPGA、高速DAC；其中，所述FPGA还包括：距离值估算模块、差频信号生成模块、延时补偿模块及显控模块；
所述距离值估算模块，用于确定目标回波模拟系统的固有延时所对应的距离值；所述差频信号生成模块，用于根据所述距离值估算模块得到的所述距离值计算差频补偿值，再由所述差频补偿值产生差频补偿信号；
所述延时补偿模块，用于使用所述差频信号生成模块输出的所述差频补偿信号对雷达信号进行补偿得到补偿雷达信号；所述显控模块，用于实现与用户界面的通信。
进一步地，所述距离值估算模块的估算方式为：设置固定距离的待模拟目标；粗调所述距离值，使雷达获得的所述待模拟目标的测量距离与设定的所述固定距离相同；最后精调所述距离值，使所述测量距离与所述固定距离相同，且雷达获得的所述待模拟目标的速度为零；所述粗调的调整精度为米级，所述精调的调整精度为0.01米及以上。
有益效果：
本发明通过信号处理实现对系统固有延时的补偿，使得模拟目标的最近距离不受系统固有延时的限制，使DRFM技术能够解决近距离的目标模拟问题，最近可模拟目标距离能够达到零米。
附图说明
图1为现有技术的原理框图。
图2为本发明提供的一种针对锯齿波雷达的近距离目标回波模拟方法的原理框图。
图3为采用本发明提供的一种针对锯齿波雷达的近距离目标回波模拟系统的组成框图。
具体实施方式
下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
现有DRFM模拟器的所有硬件和软件框架，如图1所示，其目标回波模拟流程如下：接收天线获取雷达发射信号，经过下变频模块得到中频信号(实信号或复信号)，经过ADC采集后进入FPGA；如果是实信号，则需要镜像频率抑制滤波后得到IQ复信号x(n)；如果是两路ADC实现IQ采样，则直接得到复信号x(n)；复信号接着分成多条调制支路，每条调制支路分别调制一个目标的距离和多普勒信息，最后所有目标的并行调制支路叠加在一起，通过DAC输出到上变频模块，再由发射天线辐射给雷达，完成多目标的模拟。
本发明提供的一种针对锯齿波雷达的近距离目标回波模拟方法，其基本思想是：基于现有DRFM模拟器框架，在信号处理过程中增加了对目标回波模拟系统固有延时补偿的处理。
本发明提供的一种针对锯齿波雷达的近距离目标回波模拟方法，原理框图如图2所示，具体包括以下步骤：
步骤1、估算目标回波模拟系统固有延时对应的距离值。
本发明采用粗调和精调相结合的方式确定目标回波模拟系统固有延时对应的距离值。具体过程为：首先，设置一个固定距离的模拟目标；然后，粗调目标回波模拟系统固有延时对应距离值，直至雷达测量的模拟目标的距离与设置的模拟目标距离相一致，本发明中的粗调是指精度为米级的调整；最后，精调目标回波模拟系统固有延时对应距离值，直至雷达测量的模拟目标的距离与设置的模拟目标距离一致，且雷达测量的模拟目标的速度为零，本发明中的精调是指精度为0.01米及以上。
步骤2、根据步骤1中测试得到的目标回波模拟系统固有延时对应距离值，计算差频补偿值fB；再由差频补偿值产生差频补偿信号y(n)。
其中，差频补偿信号y(n)的频率，也就是差频补偿值fB，采用如下公式计算：
Figure BDA0002860924120000051
其中，ΔR为目标回波模拟系统固有延时对应距离值，c为光速，K为雷达快扫锯齿波的调频斜率。
步骤3、采用步骤2得到的差频补偿信号y(n)，对雷达信号进行目标回波模拟系统固有延时补偿得到补偿雷达信号。
具体方式为，雷达信号经ADC处理后得到采集数据，对采集数据进行镜频抑制滤波得到x(n)；如果采集数据是复信号，则不需要进行镜频抑制滤波，直接得到x(n)。对x(n)进行固有延时补偿，即x(n)与差频补偿信号y(n)进行复数乘法运算。
由此可见，由于本发明提供的目标回波模拟方法，仅需要提前获知采用锯齿波波形雷达的调频斜率即可完成上述目标回波模拟系统固有延时对应距离的补偿，因此，本发明提供的方法针对采用快扫锯齿波波形进行距离和速度测量的雷达均起作用。其中，采用锯齿波波形雷达的调频斜率可由雷达方提供，也可通过测试设备测量得到。
步骤4、步骤3得到的补偿雷达信号被分成多个调制支路，每个调制支路分别调制一个目标的距离和多普勒信息，最后所有目标的并行调制支路叠加在一起，通过DAC输出到上变频模块，再由发射天线辐射给雷达，完成多目标的模拟。
下面对本发明方法的可行性进行分析。
本发明适用的雷达是采用快扫锯齿波波形进行距离和速度测量的雷达。该类型雷达从雷达回波中提取到差频fB_radar和多普勒频率，并分别用于距离和速度测量。在此应用中，记雷达的无模糊多普勒频率为fd_max，而fB_radar远大于fd_max。下面举例说明。
该雷达的调频斜率K一般不小于5MHz/us，而基于DRFM的雷达目标回波模拟系统的固有延时不小于0.3us，则fB_radar≥1.5MHz。而雷达的最大测速值按250km/h计，因此对于分别工作在24GHz频段和81GHz频段的雷达来说，其最大多普勒频率分别为11.2kHz和37.8kHz，也即雷达的无模糊多普勒fd_max。fB_radar分别是fd_max的134倍和40倍，即fB_radar远大于fd_max。
本发明中，差频补偿就是补偿目标回波模拟系统固有延时在雷达端所引起的差频fB_radar，因此，差频补偿值fB与差频fB_radar是数值相同，符号相反。因此，fB的数值也远大于fd_max。
经过粗调目标回波模拟系统固有延时对应距离值后，目标回波模拟系统固有延时对应距离值基本被补偿掉，设置的模拟目标距离值与雷达距离检测值基本一致，但差频补偿会额外引入普勒频率，导致雷达检测的目标速度不为零。由于fB的数值远大于fd_max，通过精调目标回波模拟系统固有延时对应距离值，使得当前的差频补偿值fB′在
Figure BDA0002860924120000061
与
Figure BDA0002860924120000062
之间变化，就总能找到fB′＝n×fd_max，且n为正整数，而此时的fB′对应的差频补偿则不会引入多普勒频率，雷达检测的目标速度就为0。另外，精调引起的差频补偿值fB′较fB最大变化
Figure BDA0002860924120000071
该变化量同样远小于fB，其对目标回波模拟系统固有延时补偿的影响小于一个雷达距离分辨单元，因此，精调对目标的距离模拟影响可以忽略不计。
经过粗调和精调目标回波模拟系统固有延时对应距离值，并对目标回波模拟系统固有延时进行补偿，可消除目标回波模拟系统固有延时对模拟近距离目标的最近距离限制，从而可以模拟零米的目标。
本发明提供的一种针对锯齿波雷达的近距离目标回波模拟系统，如图3所示，包括天线分系统、微波分系统及信号处理分系统。天线分系统包括接收天线和发射天线。微波分系统包括信号接收模块、信号发射模块及频综模块。
信号处理分系统可以采用一块或者多块信号处理板卡，主要包含以下器件：高速ADC、FPGA、高速DAC，本发明中的FPGA还需要包括以下模块：镜频抑制滤波模块、距离值估算模块、差频信号生成模块、延时补偿模块、距离调制模块、多普勒调制模块、调制信息计算模块及显控模块。
距离值估算模块，用于确定目标回波模拟系统固有延时对应距离值，设置一个固定距离的模拟目标；然后，粗调目标回波模拟系统固有延时对应距离值，直至雷达测量的模拟目标的距离与设置的模拟目标距离相一致，本发明中的粗调是指精度为米级的调整；最后，精调目标回波模拟系统固有延时对应距离值，直至雷达测量的模拟目标的距离与设置的模拟目标距离一致，且雷达测量的模拟目标的速度为零，本发明中的精调是指精度为0.01米及以上。
差频信号生成模块，用于根据距离值估算模块得到的目标回波模拟系统固有延时对应距离值计算出差频补偿值，再由差频补偿值产生差频补偿信号。
延时补偿模块，用于将差频信号生成模块输出的差频补偿信号对雷达信号进行补偿得到补偿雷达信号。
显控模块主要完成与用户界面的通信。
实施例1：
本实施例为将本发明提供的一种针对锯齿波雷达的近距离目标回波模拟系统用于实现对24GHz频段雷达的目标模拟。24GHz频段雷达目标模拟器设备的工作流程如下。
24GHz频段雷达目标模拟器设备的接收天线接收24GHz频段的射频信号，经过下变频后将信号变频至中频100～450MHz范围，瞬时带宽350MHz。ADC模块经过1GSPS采样，将中频模拟信号转换为数字信号。数字信号经过镜频抑制滤波后，转换为4路并行正交信号，每路数据率250MSPS，4路合起来就是x[n]。在x[n]分多条支路进行目标信息调制之前，对系统固有延时的补偿，也就是x[n]与差频补偿信号y[n]进行复数乘法运算，y[n]的频率计算公式如下：
Figure BDA0002860924120000081
其中，ΔR为目标回波模拟系统固有延时对应距离值，c为光速，K为雷达快扫锯齿波的调频斜率。
本设备的系统固有延时为412ns，对应的距离为系统固有延时乘以光速除以2，经计算得到ΔR＝62米。最后差频补偿信号y[n]乘以x[n]，完成对系统固有延时的补偿。补偿后的信号分成多路进行多目标调制，每路分别做目标距离和多普勒调制，产生数字调制信号，多路调制信号叠加在一起送给DAC转换为中频模拟信号，最后经上变频、发射天线辐射出去。该模拟设备可对雷达模拟距离接近0米的目标。
实施例2：
本实施例为将本发明提供的一种针对锯齿波雷达的近距离目标回波模拟系统用于实现对77GHz频段1GHz瞬时带宽雷达的目标模拟。
设备的接收天线接收77GHz频段的射频信号，经过下变频后将信号变频至中频100～1100MHz范围，瞬时带宽1GHz。上下变频本振可在76GHz～81GHz范围内任意设置，实现76GHz～81GHz全频段覆盖。经过ADC模块进行2.5GSPS采样，将中频模拟信号转换为数字信号。数字信号经过镜频抑制滤波后，转换为10路并行正交信号x[n]，每路数据率250MSPS。本设备的系统固有延时为947纳ns，对应的距离ΔR＝142米。后续处理与24GHz雷达目标模拟器类似。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种针对锯齿波雷达的近距离目标回波模拟方法，其特征在于，包括以下步骤：估算目标回波模拟系统的固有延时所对应的距离值，根据所述距离值计算差频补偿值，根据所述差频补偿值生成差频补偿信号；使用所述差频补偿信号补偿雷达信号形成补偿雷达信号；将所述补偿雷达信号分成多个调制支路，每个调制支路分别调制不同目标后相互叠加经过变频再发送至雷达，完成多目标模拟。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述估算目标回波模拟系统固有延时对应的距离值，包括以下步骤：
步骤2.1、设置固定距离的待模拟目标；
步骤2.2、粗调所述目标回波模拟系统的固有延时所对应的距离值，使得雷达获得的所述待模拟目标的测量距离与所述固定距离相同；所述粗调的调整精度为米级；
步骤2.3、精调所述目标回波模拟系统的固有延时所对应的距离值，使得所述测量距离与所述固定距离相同，且雷达获得的所述待模拟目标的速度为零；所述精调的调整精度为0.01米及以上。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据所述距离值计算差频补偿值采用如下公式计算：
Figure FDA0002860924110000011
其中，ΔR为所述目标回波模拟系统的固有延时所对应的距离值，c为光速，K为雷达锯齿波的调频斜率。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述使用所述差频补偿信号补偿雷达信号形成补偿雷达信号的方式为：将所述雷达信号与所述差频补偿信号进行复数乘法运算。
5.一种针对锯齿波雷达的近距离目标回波模拟系统，其特征在于，包括天线分系统、微波分系统及信号处理分系统；
所述信号处理分系统包含：高速ADC、FPGA、高速DAC；其中，所述FPGA还包括：距离值估算模块、差频信号生成模块、延时补偿模块及显控模块；
所述距离值估算模块，用于确定目标回波模拟系统的固有延时所对应的距离值；所述差频信号生成模块，用于根据所述距离值估算模块得到的所述距离值计算差频补偿值，再由所述差频补偿值产生差频补偿信号；
所述延时补偿模块，用于使用所述差频信号生成模块输出的所述差频补偿信号对雷达信号进行补偿得到补偿雷达信号；所述显控模块，用于实现与用户界面的通信。
6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述距离值估算模块的估算方式为：设置固定距离的待模拟目标；粗调所述距离值，使雷达获得的所述待模拟目标的测量距离与设定的所述固定距离相同；最后精调所述距离值，使所述测量距离与所述固定距离相同，且雷达获得的所述待模拟目标的速度为零；所述粗调的调整精度为米级，所述精调的调整精度为0.01米及以上。
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