CN112946589B - 异步fmcw雷达系统运动测量的相位自校准方法 - Google Patents

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Abstract

一种异步FMCW雷达系统运动测量的相位自校准方法，通过将接收端的正交拍频信号重构出复数域拍频信号，对复数域拍频信号进行同步切割，每一个片段作为一行，按顺序组成检测矩阵，经转换至频域后将对应的频域矩阵进行相位解析，得到目标运动轨迹。本发明不需要容易出错的繁琐的校准过程，且不需要针对特定FMCW雷达系统进行特别的偏移参数测量，极大提升了相位补偿和校准的鲁棒性。

Description

异步FMCW雷达系统运动测量的相位自校准方法
技术领域
本发明涉及的是一种调频雷达检测领域的技术，具体是一种异步FMCW雷达系统运动测量的相位自校准方法。
背景技术
基于调频连续波(FMCW)雷达的相干相位目标追踪算法极大提升了FMCW雷达测相对运动的精度，但由于电路系统本身存在异步的问题，即采样时钟和FMCW脉冲周期不同步，微小的异步误差会随时间累积，造成相位信息会附加一个线性的偏差，如不进行补偿，测量将失去准确性，如图1所示。
现有的相位补偿方法预先把每一个特定雷达系统的每个频率点的附加线性变化事先测量好，得到相应的偏移参数，然后进行人为的补偿。此类补偿方法十分繁琐且容易出错，且真实的偏移参数可能随着芯片工作温度、环境条件等改变而改变，使得这种方法鲁棒性较差。
发明内容
本发明针对现有异步FMCW雷达系统基于相干相位目标追踪算法对目标物体运动信息的精确测量过程中的相位偏移问题，提出一种异步FMCW雷达系统运动测量的相位自校准方法，不需要容易出错的繁琐的校准过程，且不需要针对特定FMCW雷达系统进行特别的偏移参数测量，极大提升了相位补偿和校准的鲁棒性。
本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明涉及一种异步FMCW雷达系统运动测量的相位自校准方法，通过将接收端的正交拍频信号重构出复数域拍频信号，对复数域拍频信号进行同步切割，每一个片段作为一行，按顺序组成检测矩阵，经转换至频域后将对应的频域矩阵进行相位解析，得到目标运动轨迹。
所述的同步切割是指：利用与正交拍频信号同时采样得到的调制信号作为参考，确定各脉冲重复周期的边界点集合，以相邻两个边界点的距离为片段范围对复数域拍频信号进行分割。
所述的相位解析是指：对检测矩阵R(p，l)P×L的每一行进行快速傅里叶变换(FFT)，对得到的频域矩阵F(p，l)P×L中的每行的最大值的横坐标组成向量ixP×1，去除向量ixP×1中的最大值和最小值后取剩余P-2个横坐标的平均值，经四舍五入得到轨迹列L0；最后在频域矩阵F(p，l)P×L中的第L0列的各点的复相位向量iyP×1，则得到目标运动轨迹R(t0p)＝iy(p)c/(4πfc)，其中：P 为矩阵行数，p表示第p行，L为矩阵列数，l表示第l列。
技术效果
本发明整体解决了异步FMCW雷达系统基于相干相位目标追踪算法对目标物体运动信息的精确测量过程中的相位偏移问题。
与现有技术相比，本发明不需要容易出错的繁琐的校准过程，且不需要针对特定FMCW 雷达系统进行特别的偏移参数测量，极大提升了相位补偿(也即相位校准)的鲁棒性。
附图说明
图1为异步采样带来的线性偏移示意图；
图2为异步FMCW雷达系统示意图；
图3为滑台测量实验设置图；
图4为滑台4cm正弦运动测量结果示意图；
图5为滑台90μm正弦运动测量结果示意图；
图6为呼吸心跳监测实验示意图；
图7为呼吸心跳监测结果示意图。
具体实施方式
如图2所示，为本实施例应用的异步FMCW雷达系统包括：雷达模块、锁相环、中频放大模块、模数转换器(ADC)以及微控制单元(MCU)，其中：MCU通过配置锁相环生成不同的调制信号以实现对应调制模式，锁相环产生的调制信号输入雷达模块，驱动雷达模块产生正交拍频信号，然后经过中频放大模块放大，放大后的正交拍频信号和调制信号经ADC异步采样后，由MCU采用同步切割得到离散正交拍频信号，还原得到探测目标的运动信息。
所述的调制，采用的载波为锯齿波或三角波调制，该载波的中心频率fc、调制带宽B以及脉冲重复周期(PRT)t0。
所述的正交拍频信号
Figure GDA0003747737500000021
其中：A0为信号幅度，c为光速，fc为中心频率，k＝B/t0，B为调制带宽，t0为PRT，为一个周期内的时间，t∈(-t0/2，t0/2)，τ为以一个周期为一个离散的时间点，即采样点。
所述的离散正交拍频信号
Figure GDA0003747737500000024
其中：i为第i个脉冲重复周期； []M为以M点为一个周期的周期函数；n为整数，n＝1～N；Δts＝1/fs，fs为ADC采样率；dt两个脉冲重复周期之间的采样时间偏移量，N为同步切割后片段长度，M＝round(dt·fs)。
实际实施过程中不需要特别计算N、M，只需要执行同步切割即可。
所述的还原是指：对同步切割后的离散正交拍频信号进行快速傅里叶变换，以目标所在的频率点fr对应频谱值的相位
Figure GDA0003747737500000022
其中：
Figure GDA0003747737500000023
Figure GDA0003747737500000031
λc＝c/fc，m＝round(i/M)，其中：i2πfr·dt即为不同步采用带来的相位偏移，
Figure GDA0003747737500000032
为同步切割带来的相位偏移，二者恰好可以相互抵消，即为相位自校准，进而得到目标运动信息：
Figure GDA0003747737500000033
如图3所示，对于其插图中所示小波动一般可以忽略，但也可以通过中值滤波、取波动跳变点等方式缓解此波动。
本实施例涉及上述系统的相位自校准方法，通过将接收端的正交拍频信号重构出复数域拍频信号sb(n)＝sbI(n)+jsbQ(n)，采用同步切割，即从采样得到的调制信号T(n)确定各脉冲重复周期的边界点X(p)，以相邻两个边界点的距离为片段范围，切割复数域拍频信号。然后每一个片段作为一行填入检测矩阵R(p，l)P×L，经转换至频域后将对应的频域矩阵F(p，l)P×L进行相位解析，得到目标运动轨迹。
所述的边界点X(p)，针对锯齿调制信号通过其跳变点，三角调制信号通过其转折点确定脉冲重复周期的边界点。
所述的以相邻两个边界点的距离为片段范围是指：针对边界点X(p)集合，以 [X(1)，X(2)]，[X(2)，X(3)]，...，[X(P)，X(P+1)]为片段范围。
所述的检测矩阵R(p，l)P×L中，L大于P个片段中最长的片段的段长且每行填不满的位置由0填上。
所述的相位解析是指：对检测矩阵R(p，l)P×L的每一行进行快速傅里叶变换(FFT)，对得到的频域矩阵F(p，l)P×L中的每行的最大值的横坐标组成向量ixP×1，去除向量ixP×1中的最大值和最小值后取剩余P-2个横坐标的平均值，经四舍五入得到轨迹列L0；最后在频域矩阵F(p，l)P×L中的第L0列的各点的复相位向量iyP×1，则得到目标运动轨迹R(t0p)＝iy(p)c/(4πfc)，其中：P 为矩阵行数，p表示第p行，L为矩阵列数，l表示第l列。
本实施例通过检测标准滑台(Zaber T-NA08A50-KT04M)运动以测试本方法的准确度：设置参数为：锯齿波调制，中心频率fc＝79GHz，调制带宽B＝4GHz，以及脉冲重复周期(PRT)t0＝6ms。
如图4所示，雷达板置于雷达30cm远处，分布做4cm和90μm标准正弦运动，测量的实验结果如图5，图6所示。可以看到，用了相位自校准技术以后，相位偏移明显被补偿掉了。图5中，使用和未使用相位自校准技术，所得的均方根误差(RMSE)分别为：0.16mm和21.53mm。图6中，使用和未使用相位自校准技术，所得的RMSE分别为：4.5μm和5170μm。
如图7所示，人坐在雷达10cm左右的距离，胸口对着雷达，先屏住呼吸，测人的心跳，再自由呼吸，同时测呼吸心跳。图8展示了测量结果。可以看到，通过相位自校准技术，实现了相位的自校准。前面测到的心跳约76.4次每分钟，后面测到的呼吸为18.55次每分，心跳在73.2次每分。
相关实验参数及结果总结如表1所示：
表1
Figure GDA0003747737500000041
相比现有相干相位目标追踪方法以固定点数切割拍频信号，本发明以调制信号作为参考，切割拍频信号，每个片段点数不固定，从而避免异步误差的累积带来的线性相位偏移，即对此线性偏移形成了自校准，极大提升了相位补偿(也即相位校准)的鲁棒性。本方法不需要容易出错的繁琐的校准过程，且不需要针对特定FMCW雷达系统进行特别的偏移参数测量，极大提升了相位补偿(也即相位校准)的鲁棒性以及准确度。
上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本发明原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整，本发明的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限，在其范围内的各个实现方案均受本发明之约束。

Claims (5)

1.一种异步FMCW雷达系统运动测量的相位自校准方法，其特征在于，通过将接收端的正交拍频信号重构出复数域拍频信号，对复数域拍频信号进行同步切割，每一个片段作为一行，按顺序组成检测矩阵，经转换至频域后将对应的频域矩阵进行相位解析，得到目标运动轨迹；
所述的同步切割是指：利用与正交拍频信号同时采样得到的调制信号作为参考，确定各脉冲重复周期的边界点集合，以相邻两个边界点的距离为片段范围对复数域拍频信号进行分割；
所述的异步FMCW雷达系统包括：雷达模块、锁相环、中频放大模块、ADC以及MCU，其中：MCU通过配置锁相环生成不同的调制信号以实现对应调制模式，锁相环产生的调制信号输入雷达模块，驱动雷达模块产生正交拍频信号，然后经过中频放大模块放大，放大后的正交拍频信号和调制信号经ADC异步采样后，由MCU采用同步切割得到离散正交拍频信号，还原得到探测目标的运动信息；
所述的调制，采用的载波为锯齿波或三角波调制，该载波的中心频率fc、调制带宽B以及脉冲重复周期(PRT)t0；
所述的正交拍频信号
Figure FDA0003747737490000011
其中：A0为信号幅度，c为光速，fc为中心频率，k＝B/t0，B为调制带宽，t0为PRT，为一个周期内的时间，t∈(-t0/2,t0/2)，τ为以一个周期为一个离散的时间点，即采样点；
所述的离散正交拍频信号
Figure FDA0003747737490000012
其中：i为第i个脉冲重复周期；[]M为以M点为一个周期的周期函数；n为整数，n＝1～N；Δts＝1/fs，fs为ADC采样率；dt两个脉冲重复周期之间的采样时间偏移量，N为同步切割后片段长度，M＝round(dt·fs)；
所述的还原是指：对同步切割后的离散正交拍频信号进行快速傅里叶变换，以目标所在的频率点fr对应频谱值的相位
Figure FDA0003747737490000013
其中：
Figure FDA0003747737490000014
λc＝c/fc，m＝round(i/M)，其中：i2πfr·dt即为不同步采用带来的相位偏移，
Figure FDA0003747737490000015
为同步切割带来的相位偏移，二者恰好可以相互抵消，即为相位自校准，进而得到目标运动信息：
Figure FDA0003747737490000016
2.根据权利要求1所述的异步FMCW雷达系统运动测量的相位自校准方法，其特征是，所述的相位解析是指：对检测矩阵R(p,l)P×L的每一行进行FFT，对得到的频域矩阵F(p,l)P×L中的每行的最大值的横坐标组成向量ixP×1，去除向量ixP×1中的最大值和最小值后取剩余P-2个横坐标的平均值，经四舍五入得到轨迹列L0；最后在频域矩阵F(p,l)P×L中的第L0列的各点的复相位向量iyP×1，则得到目标运动轨迹R(t0p)＝iy(p)c/(4πfc)，其中：P为矩阵行数，p表示第p行，L为矩阵列数，l表示第l列。
3.根据权利要求1所述的异步FMCW雷达系统运动测量的相位自校准方法，其特征是，所述的边界点X(p)，针对锯齿调制信号通过其跳变点，三角调制信号通过其转折点确定脉冲重复周期的边界点。
4.根据权利要求3所述的异步FMCW雷达系统运动测量的相位自校准方法，其特征是，所述的以相邻两个边界点的距离为片段范围是指：针对边界点X(p)集合，以[X(1),X(2)],[X(2),X(3)],…,[X(P),X(P+1)]为片段范围。
5.根据权利要求2所述的异步FMCW雷达系统运动测量的相位自校准方法，其特征是，所述的检测矩阵R(p,l)P×L中，L大于P个片段中最长的片段的段长且每行填不满的位置由0填上。
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