CN113009429B - 一种减轻fmcw雷达互干扰的设备 - Google Patents

一种减轻fmcw雷达互干扰的设备 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种减轻FMCW雷达互干扰的设备，能够降低“假目标”的概率。所述设备包括FMCW波形发生器、移相器、Zadoff‑Chu序列发生器和接收解调模块；其中，所述FMCW波形发生器用于，产生一连串的chirp波形；所述移相器能够对每一个chirp的初始相位进行设置，产生chirp初始相位的调制；所述Zadoff‑Chu序列发生器用于，产生给定长度的Zadoff‑Chu序列，对每一个设备产生一个序列；所述接收解调模块用于，混频和二维FFT，并产生目标的距离和速度图。

Description

一种减轻FMCW雷达互干扰的设备
技术领域
本发明属于雷达探测技术领域，尤其涉及一种减轻FMCW雷达互干扰的设备。
背景技术
毫米波雷达已经宽泛应用于汽车、工业、医药领域。比如汽车领域，毫米波雷达应用于辅助驾驶和自动驾驶，实现障碍物探测，防撞等功能。当路上的车辆，大部分安装毫米波雷达后，不同车上的雷达就会对其他车辆的雷达形成干扰，从而出现大量的“假目标”，使得车辆“急刹车”频繁触发。在工业领域，毫米波雷达可以探测“运动物体和静止物体”，实现照明自动化，自动门的开启和关闭，机器人可以实现避免碰撞，无人机可以测地面高度，等等。医药领域，毫米波雷达可以测人的呼吸和心跳。
当毫米波雷达广泛应用后，同一空间出现多个雷达是个大概率事件。这些雷达就会形成互相干扰，对于目标检测、障碍物检测的应用，会出现“假目标”，对于测高度，测距离的应用，会导致巨大的误差，对于测人体的呼吸和心跳的应用，误差会急剧放大。
现有的抗干扰方法有如下：
1)不同中心频率，因为允许的带宽很有限，比如：77GHz的频段，允许的带宽只有4GHz。所以该方法不能提供足够的“中心频率”可供选择；
2)不同的带宽，同理1)；
3)不同的chirp的时间和斜率，同理1)。
发明内容
发明目的：当多个线性调频雷达在同一空间中，同一类型的产品之间会互相产生干扰，即一个雷达发射的信号，会被其他雷达收到，从而对其他雷达产生“假目标”的干扰。本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种减轻FMCW(线性调频连续波)雷达互干扰的设备，降低“假目标”的概率。所述设备包括FMCW波形发生器、移相器、发射模块、Zadoff-Chu序列发生器和接收解调模块；
其中，所述FMCW波形发生器用于，产生一连串的chirp波形，然后传输给移相器；
所述Zadoff-Chu序列发生器用于，对每一个雷达设备产生一个给定长度的Zadoff-Chu序列，并发送给移相器；
所述移相器基于Zadoff-Chu序列对每一个chirp的初始相位进行设置，产生chirp初始相位的调制，得到移相后的信号，然后传输给发射模块；
所述发射模块包括功放和天线，通过天线发送无线信号。无线信号在空中传播，遇到物体，被反射回来，接收解调模块收到被反射的无线信号；
所述接收解调模块用于，对接收到的无线信号进行处理，产生目标的距离和速度。
所述接收解调模块用于，对接收到的无线信号进行处理，产生目标的距离和速度，具体包括：所述接收解调模块接收到无线信号后，传给低噪放，低噪放对无线信号进行放大，传给混频器，混频器将接收解调模块接收到的无线信号和经过低噪放放大后的无线信号进行混频处理，得到解调信号，然后传输给模拟滤波器，模拟滤波器滤除带外噪声，再传给ADC模拟数字转换器，ADC模拟数字转换器把输入的模拟信号转换为数字信号，传给数字滤波和下采样模块，数字滤波和下采样模块对信号进一步滤波，并且下采样，去除冗余信息，再传给二维快速傅里叶变换模块，经二维快速傅里叶变换(2D FFT)模块处理后再传给CFAR恒虚警检测模块，输出目标的距离和速度。
接收解调模块包括如下子模块：接收模块，混频器，模拟滤波器，ADC模拟数字转换器，数字滤波和下采样模块，二维快速傅里叶变换(2D FFT)模块和CFAR恒虚警检测模块。接收解调模块的子模块均采用现有技术实现。
所述设备执行如下步骤：
步骤1，Zadoff-Chu序列发生器对每一个雷达设备产生一个M长度的Zadoff-Chu序列，M为一帧的长度；M一般取值为64；
步骤2，FMCW信号发生器产生一连串的chirp信号；
步骤3，步骤1产生的Zadoff-Chu序列提供给移相器，移相器基于Zadoff-Chu序列控制移相器对步骤2产生的每一个chirp信号进行移相，得到移相后的信号；
步骤4，步骤3产生的经过移相的chirp信号，通过发射模块，发射无线信号；
步骤5，接收解调模块接收到发射模块发送的无线信号，传给低噪放，低噪放对无线信号进行放大，传给混频器；
步骤6，混频器将接收解调模块接收到的无线信号和经过低噪放放大后的无线信号进行混频处理，向模拟滤波器输出解调的信号；
步骤7，模拟滤波器接收步骤6的输出信号，滤除带外噪声，将输出信号传给ADC模拟数字转换器；
步骤8，ADC模拟数字转换器对模拟滤波器的输出信号进行模拟数字采样，输出数字信号，传给数字滤波和下采样模块；
步骤9，数字滤波和下采样模块对ADC模拟数字转换器的输出信号进行数字滤波和下采样，输出滤除冗余的信号，传给二维快速傅里叶变换模块；
步骤10，二维傅里叶变换模块对数字滤波和下采样模块输出的信号处理，得到目标的距离和速度图；
步骤11，CFAR恒虚警检测模块检测出目标的距离和速度。
步骤1中，所述M长度的Zadoff-Chu序列如下所示：
Φk＝(αk，0，αk，1，...，αk，M-1)
其中，k为雷达设备的总数，φk为第k个雷达设备的Zadoff-Chu序列，αk，M-1为第k个雷达设备的序列的第M-1项的数字，该数字在0到1区间。
步骤3中，所述移相后的信号如下所示：
其中：Re为实部，sk(t)表示t时刻第k个设备的移相后的信号；Ak为第k个设备的信号振幅，e为自然指数，j为自然指数的虚部，π为圆周率，，fk，c为第k个设备的中心频率，M为chirp的个数，m为第m个chirp，其值为0～M-1；Bk为第k个设备的带宽，θk，m为第k个设备的第m个chirp的初始相位，Tc为chirp持续时间，Tg为相邻chirp的间隔，Tp＝Tc+Tg，Tp表示chirp的周期，当t∈[0,Tc)，函数p(t)＝1，否则，p(t)＝0，β为初始频率，β＝-Bk/2。
步骤10中，所述二维傅里叶变换模块采用如下公式对步骤9输出的信号处理：
其中，xk，u(n，m)是第k个雷达设备收到第u个雷达设备发射的信号，当k＝u时，即收到自己发射的信号，Xk，u(n，m)是把步骤9输出的一维信号二维化的结果，即每M个点为一行，总共N行，Xk，u(n，m)是M列、N行的二维矩阵，是时域信息，n和m分别为横坐标和纵坐标；
Xk，u(p，q)是第k个雷达设备收到第u个雷达设备发射的信号经过二维傅里叶变换后的信号，是频域信息，p为距离，q为速度，Xk，u(p，q)的值是在距离为p，速度为q的物体的雷达发射强度；Xk，u(p，q)也是M列，N行的二维矩阵；
M为第一次傅里叶变换的长度，如：256，N为第二次傅里叶变换的长度，如：64，n和m分别为横坐标和纵坐标，n取值从0到N-1，m取值从0到M-1，x为输入信号，k和u为雷达设备的序号，即第k个，第u个Zadoff-Chu序列，e为自然指数，j为虚部，X为输出信号，p和q分别为横坐标和纵坐标，p取值从0到N-1,q取值从0到M-1。
本发明具有如下有益效果：
(1)实现简单，增加了一个“移相器”，其他部分都和传统的FMCW一样。
(2)把“同频，同带宽，同变化斜率，同chirp持续时间，同chirp间隔”的干扰，减低到原理的1/M，其中M为一帧中chirp的个数。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明做更进一步的具体说明，本发明的上述和/或其他方面的优点将会变得更加清楚。
图1是一个chirp信号的时域波形图和“时间-频率”图。
图2是FMCW信号示意图。
图3是雷达互干扰的示意图。
图4是雷达信号处理框图。
图5是chirp初始相位调制方法对干扰的衰减示意图。
具体实施方式
本发明中，FMCW表示线性调频连续波，一般是一连串的chirp。
chirp：译名为啁啾，如图1所示，是一个chirp信号的时域波形图和“时间-频率”图。t为时间，A为幅度，f为频率，Tc为chirp持续时间，B为带宽，S为斜率。
多个chirp信号组成一帧，便于处理，一帧有多个chirp，如图2所示：Tc是chirp的持续时间，Tg表示两个chirp之间的间隔，限于具体的实现方式和材料、工艺等原因，间隔Tg不可能为0，当材料、工艺确定后，Tg有个最小值，us为微秒，t为时间，B为带宽，f为频率。
FMCW信号表示为如下公式：
其中：Re为实部，t为时间，s(t)表示t时刻的信号，A为信号振幅，e为自然指数，j为自然指数的虚部，π为圆周率，fk，c为第k个设备的中心频率，M为chirp的个数，m为第m个chirp，其值为0～M-1,Bk为第k个设备的带宽，αk,m为第k个设备的第m个chirp的初始相位，Tc为chirp持续时间，Tg为相邻chiirp的间隔，Tp为Tc+Tg，表示chirp的周期，当t∈[0,Tc),p(t)＝1,，其他情况，p(t)＝0。。
同一空间中，多个雷达会产生互相干扰。雷达的工作原理是“自发自收”，即：自己发射无线信号，无线信号在空间传播，遇到物体后，会产生反射，雷达接收被物体反射的无线信号，探测物体的距离和速度。
当多个雷达在一个空间中时，一个雷达会收到其他雷达直接发射的信号或者经物体反射的信号，如果不能滤除这些信号，就会产生“假目标”，即：本雷达认为某个位置有个物体，但实际上空间中该位置没有物体。这叫“互相干扰”。图3中1为希望收到的信号，2和3干扰信号，需要滤除。否则会形成“假目标”。针对上述问题，本发明提供了一种减轻FMCW雷达互干扰的设备，包括FMCW波形发生器、移相器、发射模块、Zadoff-Chu序列发生器和接收解调模块；如图4所示。
其中，所述FMCW波形发生器用于，产生一连串的chirp波形；然后传输给移相器；
所述移相器能够对每一个chirp的初始相位进行设置，产生chirp初始相位的调制；然后传输给发射模块；
所述Zadoff-Chu序列发生器用于，对每一个雷达设备产生一个给定长度的Zadoff-Chu序列；如下面公式所示，其中k为第k个雷达设备，M为序列的长度。
Φk＝(αk，0，αk，1，...，αk，M-1)
其中，k为雷达设备的序号，φk为第k个雷达设备的Zadoff-Chu序列，αk，M-1为第k个雷达设备的序列的第M-1项的数字，该数字为0到1区间。
移相器的输出信号为如下公式所示：
其中：Re为实部，sk(t)表示t时刻第k个设备的移相后的信号；Ak为第k个设备的信号振幅，t为时间，e为自然指数，j为自然指数的虚部，π为圆周率，fk，c为第k个设备的中心频率，M为chirp的个数，m为第m个chirp，其值为0～M-1,Bk为第k个设备的带宽，θk，m为第k个设备的第m个chirp的初始相位，Tc为chirp持续时间，Tg为相邻chirp的间隔，Tp为Tc+Tg，表示chirp的周期，当t∈[0,Tc),p(t)＝1,，其他情况，p(t)＝0。
传统的FMCW信号是这个序列的一个特例：(1,1,…,1)
发射模块由功放和天线组成，发射无线信号出去；
所述接收解调模块用于对接收到的无线信号，进行处理，产生目标的距离和速度图。具体为包括：接收天线接收到无线信号，传给低噪放，低噪放对信号进行放大，传给混频器，混频器同时接收上述移相器的输出信号，对两个输入信号进行混频处理，得到解调信号，然后传输给模拟滤波器，模拟滤波器滤除带外噪声，再传给ADC(模拟数字转换器)，ADC把输入的模拟信号转换为数字信号，传给数字滤波和下采样模块，数字滤波和下采样模块对信号进一步滤波，并且下采样，去除冗余信息，再传给2D FFT(二维快速傅里叶变换)模块，再传给CFAR(恒虚警检测)模块，输出目标的距离和速度。
所述设备执行如下步骤：
步骤1，Zadoff-Chu序列发生器对每一个雷达设备产生一个M长度的Zadoff-Chu序列，M为一帧的长度；
步骤2，FMCW信号发生器产生一连串的chirp信号；步骤3，步骤1产生的Zadoff-Chu序列提供给移相器，控制移相器对步骤2产生的每一个chirp信号进行移相；
步骤4，步骤3产生的经过移相的chirp信号，通过发射模块，发射无线信号；
步骤5，接收模块接收到无线信号；
步骤6，混频器接收步骤5的信号和步骤3的信号，对两个信号进行混频，输出解调的信号；
步骤7，模拟滤波器接收步骤6的输出信号，滤除带外噪声；
步骤8，ADC(模拟数字转换器)对步骤7的输出信号进行模拟数字采样，输出数字信号；
步骤9，数字滤波和下采样模块读步骤8的输出信号进行数字滤波和下采样；输出滤除冗余的信号；
步骤10，2D FFT(二维傅里叶变换)模块，对步骤9的输出信号处理，得到目标的距离和速度图；
2D FFT为如下公式：
其中，xk，u(n，m)是第k个雷达设备收到第u个雷达设备发射的信号，当k＝u时，即收到自己发射的信号，xk，u(n，m)是把步骤9输出的一维信号二维化的结果，即每M个点为一行，总共N行，Xk，u(n，m)是M列、N行的二维矩阵，是时域信息，n和m分别为横坐标和纵坐标；
Xk，u(p，q)是第k个雷达设备收到第u个雷达设备发射的信号经过二维傅里叶变换后的信号，是频域信息，p为距离，q为速度，Xk，u(p，q)的值是在距离为p，速度为q的物体的雷达发射强度；Xk，u(p，q)也是M列，N行的二维矩阵；
M为第一次傅里叶变换的长度，如：256，N为第二次傅里叶变换的长度，如：64，n和m为横坐标和纵坐标，n从0到N-1,m从0到M-1,x为输入信号，k和u为设备的序号，即第k个，第u个Zadoff-Chu序列，e为自然指数，j为虚部，，X为输出信号，p和q为横坐标和纵坐标，从0到N-1,q从0到M-1，π为圆周率。
步骤11，CFAR(恒虚警检测)模块检测出目标的距离和速度。
如图5所示(图中，Range表示距离，Speed表示速度，另一坐标轴为幅度)，中心频率fc＝77GHz,带宽B＝190MHz，干扰信号产生的“假目标”距离50.8m，速度20.4m/s，Zadoff-Chu序列长度M＝64，黑色的尖峰为未采用本发明，传统雷达的干扰的幅度，白色的部分，是采用本发明后，干扰信号的幅度。采用本发明后，“假目标”信号衰减为原来的1/64。
本发明提供了一种减轻FMCW雷达互干扰的设备，具体实现该技术方案的方法和途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。本实施例中未明确的各组成部分均可用现有技术加以实现。

Claims (1)

1.一种减轻FMCW雷达互干扰的设备，其特征在于，包括FMCW波形发生器、移相器、发射模块、Zadoff-Chu序列发生器和接收解调模块；
其中，所述FMCW波形发生器用于，产生一连串的chirp波形，然后传输给移相器；
所述Zadoff-Chu序列发生器用于，对每一个雷达设备产生一个给定长度的Zadoff-Chu序列，并发送给移相器；
所述移相器基于Zadoff-Chu序列对每一个chirp的初始相位进行设置，产生chirp初始相位的调制，得到移相后的信号，然后传输给发射模块；
所述发射模块包括功放和天线，通过天线发送无线信号；无线信号在空中传播，遇到物体，被反射回来，接收解调模块收到被反射的无线信号；
所述接收解调模块用于，对接收到的无线信号进行处理，产生目标的距离和速度；
所述接收解调模块用于，对接收到的无线信号进行处理，产生目标的距离和速度，具体包括：所述接收解调模块接收到无线信号后，传给低噪放，低噪放对无线信号进行放大，传给混频器，混频器将接收解调模块接收到的无线信号和经过低噪放放大后的无线信号进行混频处理，得到解调信号，然后传输给模拟滤波器，模拟滤波器滤除带外噪声，再传给ADC模拟数字转换器，ADC模拟数字转换器把输入的模拟信号转换为数字信号，传给数字滤波和下采样模块，数字滤波和下采样模块对信号进一步滤波，并且下采样，去除冗余信息，再传给二维快速傅里叶变换模块，经二维快速傅里叶变换模块处理后再传给CFAR恒虚警检测模块，输出目标的距离和速度；
所述设备执行如下步骤：
步骤1，Zadoff-Chu序列发生器对每一个雷达设备产生一个M长度的Zadoff-Chu序列，M为一帧的长度；
步骤2，FMCW信号发生器产生一连串的chirp信号；
步骤3，步骤1产生的Zadoff-Chu序列提供给移相器，移相器基于Zadoff-Chu序列控制移相器对步骤2产生的每一个chirp信号进行移相，得到移相后的信号；
步骤4，步骤3产生的经过移相的chirp信号，通过发射模块，发射无线信号；
步骤5，接收解调模块接收到发射模块发送的无线信号，传给低噪放，低噪放对无线信号进行放大，传给混频器；
步骤6，混频器将接收解调模块接收到的无线信号和经过低噪放放大后的无线信号进行混频处理，向模拟滤波器输出解调的信号；
步骤7，模拟滤波器接收步骤6的输出信号，滤除带外噪声，将输出信号传给ADC模拟数字转换器；
步骤8，ADC模拟数字转换器对模拟滤波器的输出信号进行模拟数字采样，输出数字信号，传给数字滤波和下采样模块；
步骤9，数字滤波和下采样模块对ADC模拟数字转换器的输出信号进行数字滤波和下采样，输出滤除冗余的信号，传给二维快速傅里叶变换模块；
步骤10，二维傅里叶变换模块对数字滤波和下采样模块输出的信号处理，得到目标的距离和速度图；
步骤11，CFAR恒虚警检测模块检测出目标的距离和速度；
步骤1中，所述M长度的Zadoff-Chu序列如下所示：
Φk＝(αk，0，αk，1，...，αk，M-1)
其中，k为雷达设备的序号，φk为第k个雷达设备的Zadoff-Chu序列，αk，M-1为第k个雷达设备的序列的第M-1项的数字，该数字在0到1区间；
步骤3中，所述移相后的信号如下所示：
其中，Re为实部，sk(t)表示t时刻第k个设备的移相后的信号；Ak为第k个设备的信号振幅，e为自然指数，j为自然指数的虚部，π为圆周率，fk，c为第k个设备的中心频率，M为chirp的个数，m取值为0～M-1；Bk为第k个设备的带宽，θk,m为第k个设备的第m个chirp的初始相位，Tc为chirp持续时间，Tg为相邻chirp的间隔，Tp＝Tc+Tg，Tp表示chirp的周期，当t∈[0,Tc)，函数p(t)＝1，否则，p(t)＝0，β为初始频率，β＝-Bk/2；
步骤10中，所述二维傅里叶变换模块采用如下公式对步骤9输出的信号处理：
其中，xk，u(n，m)是第k个雷达设备收到第u个雷达设备发射的信号，当k＝u时，即收到自己发射的信号，xk，u(n，m)是把步骤9输出的一维信号二维化的结果，即每M个点为一行，总共N行，xk，u(n，m)是M列、N行的二维矩阵，是时域信息，n和m分别为横坐标和纵坐标；
Xk，u(p，q)是第k个雷达设备收到第u个雷达设备发射的信号经过二维傅里叶变换后的信号，是频域信息，p为距离，q为速度，Xk，u(p，q)也是M列，N行的二维矩阵；
M为第一次傅里叶变换的长度，N为第二次傅里叶变换的长度，k和u为设备的序号，e为自然指数，j为虚部。
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