CN113341390B

CN113341390B - 一种宽量程的线性调频连续波雷达测角方法

Info

Publication number: CN113341390B
Application number: CN202110571728.XA
Authority: CN
Inventors: 陈祝明; 段淇艺; 费秋华; 蔡三江
Original assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Current assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Priority date: 2021-05-25
Filing date: 2021-05-25
Publication date: 2022-06-03
Anticipated expiration: 2041-05-25
Also published as: CN113341390A

Abstract

本发明属于雷达测角领域，具体提供一种宽量程的线性调频连续波雷达测角方法，用以解决现有的基于调频连续波的相位法测角中存在的测角精度和测角范围对天线间隔的要求互相矛盾的问题。本发明通过差频扫频法解算相位模糊周期，在保证高精度测角、不布设更多天线、不牺牲实时性的前提下，有效解决相位法测角中的相位模糊问题，实现测角量程扩展(宽量程)的目的；并且，本发明对雷达系统的硬件要求简单：最少只需要两个接收天线、硬件成本低，并且在实现测角功能时只需要发射一次波形即可完成扩展量程角度测量、实时性高。

Description

一种宽量程的线性调频连续波雷达测角方法

技术领域

本发明属于雷达测角领域，具体涉及一种宽量程的线性调频连续波雷达测角方法。

背景技术

线性调频连续波(LFMCW)即频率随着时间线性变化的等幅连续波，将目标回波信号与发射本振信号混频、滤波处理，得到的差拍基带信号中包含目标的距离、速度和角度信息，可以通过差拍基带信号特征对目标进行测距、测速和测角处理。

雷达测角的主要任务是探测目标所处的空间位置，随着人们对雷达测角领域的不断深入认识，目标角度的跟踪在该领域得到了广泛的应用和发展。目前，已经存在大量的角度测量算法来实现目标角度的精准测量，其中，相位法测角是雷达测角的经典方法，即利用多个天线所接收回波信号之间的相位差进行测角；然而，相位法测角在测角精度和测角范围上相互制约：增加测角天线的间距可以提高测角精度，但会引入相位多值性模糊问题，导致测角范围缩小，需要布设更多的天线或分时发射不同频率的波形来解相位模糊；减小测角天线的间距可以增加测角的量程范围，但又会降低测角的精度。

目前尚未有一种雷达测角方法能够在不布设更多天线或不牺牲实时性的前提下解决测角精度和测角范围上的矛盾。

发明内容

本发明的目的在于针对现有的基于调频连续波的相位法测角中存在的测角精度和测角范围对天线间隔的要求互相矛盾的问题，提供一种宽量程的线性调频连续波雷达测角方法；本发明在保证高精度测角、不布设更多天线、不牺牲实时性的前提下，有效解决相位法测角中的相位模糊问题，实现测角量程扩展(宽量程)的目的。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种宽量程的线性调频连续波雷达测角方法，包括以下步骤：

步骤1.根据雷达系统中的差拍数字信号Bs₁与差拍数字信号Bs₂；从差拍数字信号Bs₁的第N₁和N₂个点处开始截取长度为N₀的两个信号：信号Bs₂₁和信号Bs₂₂；从差拍数字信号Bs₂的第N₁和N₂个点处开始截取长度为N₀的两个信号：信号Bs₂₁和信号Bs₂₂；

其中，

INT[·]表示取整运算，N为采样点数，f₀为发射信号的初始频率，B为发射信号的带宽；f₁、f₂分别为截取信号的初始频率，B₀为截取信号带宽，f₂＞f₁≥f₀、

且f₂+B₀≤f₀+B，d为接收天线的间距，c为光速；

步骤2.对信号Bs₁₁进行FFT得到差拍信号频谱，并对差拍信号频谱进行谱峰搜索处理，计算得到差拍信号频谱的谱峰N_fmax处的相位值φ₁₁；

对信号Bs₁₂、信号Bs₂₁和信号Bs₂₂进行相同处理，分别计算得到相位值φ₁₂、φ₂₁和φ₂₂；

步骤3.计算相位模糊周期数n：

步骤4.计算目标角度θ：

与技术相比，本发明的有益效果在于：

本发明提供一种宽量程的线性调频连续波雷达测角方法，对雷达系统的硬件要求简单：最少只需要两个接收天线、硬件成本低，并且在实现测角功能时只需要发射一次波形即可完成扩展量程角度测量、实时性高；更为重要的是，本发明通过差频扫频法解算相位模糊周期，有效解决了相位法测角中测角精度和测角范围对天线间隔的要求相互矛盾的问题，在保证高精度测角的前提下，解决相位法测角中的相位模糊问题，实现测角量程的扩展。

附图说明

图1为本发明中宽量程的线性调频连续波雷达测角方法的流程示意图。

图2为本发明实施例中的雷达系统的结构框图。

图3为本发明实施例中的雷达系统工作流程图。

图4为本发明中宽量程的线性调频连续波雷达测角方法的解相位模糊示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。

本实施例提供宽量程的线性调频连续波雷达测角方法，其应用的雷达系统如图2所示，所述雷达系统包括：基准时钟源、信号发射通路、信号处理模块、以及两路信号接收通路，其中，所述信号发射通路由信号源、功分器、功率放大器与发射天线构成，每一路信号接收通路由接收天线、低噪声放大器、混频器、低通滤波器、电压放大器、AD构成；

所述雷达系统由基准时钟源提供时钟，由信号源产生并发射锯齿线性调频连续波；信号源产生的锯齿线性调频连续波经过功分器，一路成为本振信号输入混频器、等待与回波信号的混频，另一路经过功率放大器进行放大后通过发射天线发射；同时，雷达系统的两根接收天线进行回波信号的采集，两根天线接收到的回波信号经过低噪声放大器进行放大后输入混频器、分别与本振信号进行混频，混频器输出混频信号依次经过低通滤波器、电压放大器、AD进行滤波、放大和AD采样，将采样得到的数字信号输入信号处理模块进行信号处理。

更为准确的讲，所述雷达系统的工作流程如图3所示，具体包括以下步骤：

步骤1.雷达系统初始化；

初始化雷达系统的系统参数，包括：

接收天线：两根接收天线的间距d，

信号源：发射信号Tx的初始频率f₀、带宽B、扫频时间T_r；，

AD：采样频率f_s和采样点数N＝T_r·f_s，

信号处理模块：两个截取信号的初始频率f₁、f₂，截取信号带宽B₀，其中，f₂＞f₁≥f₀、

且f₂+B₀≤f₀+B；

步骤2.信号源产生并输出锯齿线性调频连续波Tx；锯齿线性调频连续波Tx经过功分器，一路成为本振信号x₀等待与回波信号的混频，另一路经过功率放大器放大后成为发射信号，并通过发射天线发射；

步骤3.雷达系统的两根接收天线进行回波信号的接收，得到接收天线Rx1和接收天线Rx2接收锯齿线性调频连续波Tx的回波信号s₁和回波信号s₂；

步骤4.回波信号s₁和回波信号s₂分别通过低噪声放大器1和低噪声放大器2后与本振信号x₀经混频器1和混频器2混频，混频信号分别经低通滤波器1和低通滤波器2滤波，再将滤波后的信号分别经电压放大器1和电压放大器2进行放大，然后经AD1和AD2采样，最终得到差拍数字信号Bs₁和差拍数字信号Bs₂，输入信号处理模块进行信号处理。

本实施例中，雷达频段与带宽选取了汽车雷达常用频段，雷达信号的优选参数如表1所示：

表1调频连续波雷达信号参数

双天线的间距d	0.02m
		发射信号的初始频率f<sub>0</sub>	77GHz
发射信号的带宽B	1GHz
		发射信号的扫频时间T<sub>r</sub>	100us
采样频率f<sub>s</sub>	20MHz
		采样点数N	2000
截取信号1初始频率f<sub>1</sub>	77.2GHz
		截取信号2初始频率f<sub>2</sub>	77.4GHz
截取信号带宽B<sub>0</sub>	512MHz
		信噪比	25dB

基于上述雷达系统参数，本实施例中，所述宽量程的线性调频连续波雷达测角方法的流程如图1所示，具体包括以下步骤：

步骤1.从差拍数字信号Bs₁的第

和

个点处开始截取长度为

的两个信号Bs₁₁和Bs₁₂；

从差拍数字信号Bs₂的第N₁和N₂个点处开始截取长度为N₀的两个信号Bs₂₁和Bs₂₂；

步骤2.对信号Bs₁₁进行FFT和谱峰搜索处理，计算得到差拍信号频谱的谱峰N_fmax处的相位值φ₁₁；

对信号Bs₁₂、Bs₂₁和Bs₂₂进行相同处理，分别计算各自频谱N_fmax处的相位值φ₁₂，φ₂₁和φ₂₂；

步骤3.计算相位模糊周期数

其中，c为光速；

步骤4.计算得到目标角度

从工作原理上讲，因为φ₁₁、φ₂₁、φ₁₂和φ₂₂的取值范围都在(-π,π)之间，可以得知计算测量相位差Δφ的取值范围在(-4π,4π)之间，根据

真实角度

得到真实相位差Δφ_r范围为(-0.1676,0.1676)，如图4所示，相位的模糊周期数n只能为0，1或者2。

本实施例还设置有对比例：传统雷达测角方法，包括以下步骤：

步骤1.对差拍数字信号Bs₁进行FFT和谱峰搜索处理，计算得到其频谱的谱峰N_fmax处的相位值φ₁，对差拍数字信号Bs₂进行FFT，计算得到其频谱上N_fmax处的相位值φ₂；

步骤2.根据相位法测角的原理得到

解算出目标的角度大小θ值；

步骤3.分别在相位法相位模糊的周期内和周期外进行角度测量；

由于相位法的相位模糊影响，传统的相位法测角最大量程为

在超出最大量程后，角度测量值会出现较大误差。

对上述本实施例的宽量程的线性调频连续波雷达测角方法与对比例的传统雷达测角方法的测量结果进行对比，如表2所示；

表2传统相位法与本发明相位法角度测量结果

目标角度/度	传统相位法/度	本发明相位法/度
			5	4.9627	5.0235
10	10.0283	10.0150
			15	3.6394	15.1673

由上表可见，5度和10度在相位法的最大不模糊角度测量范围内，传统相位法与本发明提出的相位法都能够实现精准测角，而15度已经超过相位法的最大不模糊角度测量范围，传统相位法的角度测量结果出现了较大的误差，本发明仍然能够实现精准测角；由此可见，本发明解决了相位法测角中测角精度和测角范围对天线间隔的要求相互矛盾的问题，在保证高精度测角的前提下，解决相位法测角中的相位模糊问题，实现测角量程的扩展。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，本说明书中所公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换；所公开的所有特征、或所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以任何方式组合。

Claims

1.一种宽量程的线性调频连续波雷达测角方法，包括以下步骤：

步骤1.根据雷达系统中的差拍数字信号Bs₁与差拍数字信号Bs₂；从差拍数字信号Bs₁的第N₁和N₂个点处开始截取长度为N₀的两个信号：信号Bs₁₁和信号Bs₁₂；从差拍数字信号Bs₂的第N₁和N₂个点处开始截取长度为N₀的两个信号：信号Bs₂₁和信号Bs₂₂；

其中，

INT[·]表示取整运算，N为采样点数，f₀为发射信号的初始频率，B为发射信号的带宽；f₁、f₂分别为预设截取信号的初始频率，B₀为预设截取信号带宽；

步骤3.计算相位模糊周期数n：

其中，d为接收天线的间距，c为光速；

步骤4.计算目标角度θ：

2.按权利要求1所述宽量程的线性调频连续波雷达测角方法，其特征在于，所述步骤1中，f₂＞f₁≥f₀、

且f₂+B₀≤f₀+B。