CN112965035B - Fmcw雷达相干相位追踪的高线性相位解调实现方法 - Google Patents

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Abstract

一种FMCW雷达相干相位追踪的高线性相位解调实现方法，通过将接收端的拍频信号sb(p)中每M点作为一行得到检测矩阵IN×M，对检测矩阵IN×M的每一行进行FFT得到频域矩阵RPN×M，取矩阵中目标所在列m0的数据RP(n，m0)，实现CW雷达信号重构，得到正交的CW雷达中频信号：eq_I(n)＝real(RP(n，m0))，eq_Q(n)＝imag(RP(n，m0))，其中：real、imag分别表示取实部和虚部，再以EDACM算法解调得到探测目标的运动轨迹。本发明通过对接收到的雷达信息的信号进行单频连续波(CW)雷达信号重构，EDACM算法解调，解决了FMCW雷达相干相位目标追踪过程中面临的相位模糊问题。

Description

FMCW雷达相干相位追踪的高线性相位解调实现方法
技术领域
本发明涉及的是一种调频雷达检测领域的技术，具体是一种针对毫米波雷达的相干相位追踪的高线性相位解调实现方法。
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，该技术通过对复数域拍频信号进行时域滤波、相位解析、相位补偿，从而得到探测目标的运动轨迹。但该技术在相位解析过程中，将会面临相位模糊问题，尤其是在测量大位移(运动幅度超过半波长)时，将会面临严重的相位模糊问题。
发明内容
本发明针对现有技术存在的上述不足，提出一种FMCW雷达相干相位追踪的高线性相位解调实现方法，通过对接收到的雷达信息的信号进行单频连续波(CW)雷达信号重构，EDACM 算法解调，解决了FMCW雷达相干相位目标追踪过程中面临的相位模糊问题。
本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明涉及一种FMCW雷达相干相位追踪的高线性相位解调实现方法，通过将接收端的拍频信号sb(p)中每M点作为一行得到检测矩阵IN×M，对检测矩阵IN×M的每一行进行快速傅里叶变换(FFT)得到频域矩阵RPN×M，取矩阵中目标所在列m0的数据RP(n,m0)，实现单频连续波(CW)雷达信号重构，得到正交的CW雷达中频信号：eq_I(n)＝real(RP(n,m0))，eq_Q(n)＝imag(RP(n,m0))，其中：real、imag分别表示取实部和虚部，再以改进型差分交叉 相乘(EDACM) 算法解调得到探测目标的运动轨迹。
所述的目标所在列m0，m0通常取频域矩阵中绝对值较大的列，即频域矩阵中每行的最大值所在列号组成向量ixN×1，取ixN×1的平均值，经四舍五入得到目标所在列m0。
所述的每M点作为一行中，采样率与脉冲重复周期(PRT)的积，向下取整即得到M。
技术效果
本发明整体解决了FMCW雷达利用相干相位追踪目标的过程中面临的相位模糊问题；与现有技术相比，本发明通过FMCW雷达信号重构出CW雷达信号，从而利用CW雷达信号的EDACM算法，在FMCW雷达中实现了高线性相位解调。
附图说明
图1为FMCW雷达系统示意图；
图2为CW雷达信号重构示意图；
图3为滑台测量实验设置图；
图4为滑台9mm正弦运动测量结果示意图；
图5为滑台1cm正弦运动测量结果示意图；
图6为滑台4cm正弦运动测量结果示意图；
图7为呼吸心跳监测实验示意图；
图8为呼吸心跳监测结果示意图。
具体实施方式
如图1所示，为本实施例应用的FMCW雷达系统，包括：锁相环、射频模块、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波形以实现对应调制模式，锁相环产生的调制波形输入至压控振荡器(VCO)并产生发射信号，发射信号通过发射天线TX发射到探测目标并发生散射现象，产生调制有探测目标运动信息的反射信号，被接收天线RX接收，接收天线得到的接收信号分别与发射信号通过正交差分乘法器得到拍频信号，放大和模数转换采样后，由MCU采用高线性相位解调方法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＝PRF-1)t0。
所述的拍频信号
Figure BDA0002925980200000021
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表示以一个周期为一个时间采样点，按顺序连起来的离散时间。
本实施例涉及上述系统的高线性相位解调方法，具体步骤包括：
1)CW信号重构：
①取经过ADC采样进入MCU的拍频信号sb(p)，p表示第p个采样点。
②每M点作为一行得到检测矩阵IN×M，对检测矩阵IN×M的每一行进行快速傅里叶变换 (FFT)得到频域矩阵RPN×M。M的取值为：采样率与脉冲重复周期(PRT)的积，向下取整。
③取矩阵中目标所在列m0的数据RP(n，m0)，具体过程为：取频域矩阵中每行的最大值所在列号组成向量ixN×1，取ixN×1的平均值后经四舍五入得到m0，从而得到正交的CW雷达中频信号：eq_I(n)＝real(RP(n，m0))，eq_Q(n)＝imag(RP(n，m0))，其中：real、imag分别表示取实部和虚部，其等效具体过程如图2所示。
2)EDACM算法解调：令I(n)＝eq_I(n)，Q(n)＝eq_Q(n)，则所解调的目标运动轨迹为：
Figure BDA0002925980200000022
其中：c为光速，fc为扫频的中心频率。
本实施例通过检测标准滑台(Zaber T-NA08A50-KT04U)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3所示，雷达板置于雷达30cm远处，分布做0.9mm，1cm，4cm的标准正弦运动，测量的实验结果如图4～图6所示。其中(a)(b)分别为重构的CW信号的圆图和时域信号图。(c)为所解调得到的运动轨迹与实际轨迹的对比。对比发现，本发明所提出的高线性相位解调技术可以完整恢复出目标运动轨迹，相比于之前的反正切(arctan)方法，无相位模糊，不受(-π/ 2，π/2)的范围限制。
如图7所示，人坐在雷达10cm左右的距离，胸口对着雷达，测呼吸心跳。如图8所示，其中(a)(b)分别为重构的CW信号的圆图和时域信号图。(c)为所解调得到的运动轨迹与实际轨迹的对比。对比发现，本方法可以完整恢复出目标运动轨迹，相比于之前的反正切(arctan)方法，无相位模糊，不受(-π/2，π/2)的范围限制。
实验参数及结果如表1所示：
表1
Figure BDA0002925980200000031
相比现有FMCW雷达的相干相位目标追踪算法是通过拍频信号的每一个周期得到一个相位点作为目标运动轨迹的采样点，本发明通过拍频信号的每一个周期重构出CW信号的两个采样点(I通道1个，Q通道1个)。本方法通过将每个周期的脉冲信号等效为2个CW信号采样点，通过CW雷达信号重构，可以将CW雷达信号处理方式引入到FMCW雷达信号处理中，从而重构出CW雷达信号，然后引入针对CW雷达信号的EDACM算法，解决了FMCW雷达相干相位解调过程中面临的相位模糊问题。
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 (1)

1.一种FMCW雷达相干相位追踪的高线性相位解调实现方法，其特征在于，通过将接收端的拍频信号sb(p)中每M点作为一行得到检测矩阵IN×M，对检测矩阵IN×M的每一行进行FFT得到频域矩阵RPN×M，取矩阵中目标所在列m0的数据RP(n，m0)，实现CW雷达信号重构，得到正交的CW雷达中频信号：eq_I(n)＝real(RP(n，m0))，eq_Q(n)＝imag(RP(n，m0))，其中：real、imag分别表示取实部和虚部，再以EDACM算法解调得到探测目标的运动轨迹；
所述的目标所在列m0，取频域矩阵中每行的最大值所在列号组成向量ixN×1，取ixN×1的平均值，经四舍五入得到；
所述的每M点作为一行中，采样率与脉冲重复周期(PRT)的积，向下取整即得到M；
所述的FMCW雷达系统，包括：锁相环、射频模块、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波形以实现对应调制模式，锁相环产生的调制波形输入至VCO并产生发射信号，发射信号通过发射天线TX发射到探测目标并发生散射现象，产生调制有探测目标运动信息的反射信号，被接收天线RX接收，接收天线得到的接收信号分别与发射信号通过正交差分乘法器得到拍频信号，放大和模数转换采样后，由MCU采用高线性相位解调方法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＝PRF-1)t0；
所述的拍频信号
Figure FDA0003520585170000011
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表示以一个周期为一个时间采样点，按顺序连起来的离散时间；
所述的EDACM算法解调是指：令I(n)＝eq_I(n)，Q(n)＝eq_Q(n)，则所解调的目标运动轨迹为：
Figure FDA0003520585170000012
其中：c为光速，fc为扫频的中心频率。
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