CN113433540B - 一种用于fmcw调制的相位差检测设备 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种用于FMCW调制的相位差检测设备，该设备通过发射两路FMCW信号，一路经过放大器输出至被测物，一路直接输入到接收装置的混频器。混频器将接收的两路信号下变频混频，并通过低通滤波，得到差频信号，其中差频信号的频率与被测物距离成线性关系。通过时域‑频域转换，并进行一定的补偿，可以较为精准的测量被测物的距离。同时，通过相位分析模块测量差频信号在不同时刻的相位，可以换算得到不同时刻产生的微弱形变量。其中发射装置和接收装置的天线装置均为具备高方向性增益的微带天线，在实际测量中，能够较为有效地对抗电磁场在自由空间中的衰减。

Description

一种用于FMCW调制的相位差检测设备
技术领域
本发明涉及FMCW信号检测技术领域，更具体地，涉及一种用于FMCW调制的相位差检测设备。
背景技术
随着自动驾驶和人工智能的发展，FMCW雷达的使用受到行业内的广泛关注。FMCW雷达在低功耗，高分辨率的应用场合有着重要作用。FMCW雷达可以同时对目标进行测距和测速，并可应用于多检测目标的场合。FMCW具备较强的抗干扰能力，在提取目标微弱形变信息中，相较于传统测量手段，具备更高精度的优良特性。FMCW雷达发射一种连续波信号，功率要求低，工作频段范围广，制作易于集成化。但由于实际应用中的电磁场环境复杂，FMCW雷达信号在空间中衰减较大，使得回波信号的功率强度较小，在远距离目标的测量时受到影响较大。
根据目标物形变量与相位差之间的关系：相位检测的精度直接决定了微弱形变量的测量精度。而通过提高工作频段，能够在一定程度上提升形变量的检测分辨率。
自由空间电衰减：L＝92.45+20 lg f(GHz)+20 lg R(km)-GTX(dB)-GRX(dB)，GTX,GRX为信号发射端和接收端的天线增益，在高频段范围内，通过提升天线的有效方向性增益，可提高FMCW的测距范围。同时为了保证系统的便携性，天线通常采用微带阵列天线。
发明内容
本发明提供一种用于FMCW调制的相位差检测设备，该设备可以比较准确地检测FMCW差频信号产生的相位差。
为了达到上述技术效果，本发明的技术方案如下：
一种用于FMCW调制的相位差检测设备，包括信号发射装置和信号接收装置；
所述信号发射装置包括射频信号发生器、FMCW调制器、功率放大器和微带发射天线；所述射频信号发生器、FMCW调制器、功率放大器和微带发射天线顺次连接；
所述信号接收装置包括微带接收天线、低噪声放大器、下变频混频器、中频放大器、高速模数转换器、频谱分析模块、相位分析模块；所述微带接收天线、低噪声放大器、下变频混频器、中频放大器、高速模数转换器顺次连接；高速模数转换器还分别与频谱分析模块、相位分析模块连接；
所述FMCW调制器还与下变频混频器连接。
进一步地，所述射频信号发生器和FMCW调制器生成频率步长可调的连续波调频信号，该连续波调频信号包括一段线性增频信号和一段线性降频信号，所述线性增频信号和降频信号持续时间均为T1，所述增频信号与降频信号的间隔时间为T2；所述增频信号和降频信号调频步长相同；所述调频步长df根据实际测量距离可更改；所述连续波调频信号经过所述功率放大器放大后，通过所述微带发射天线辐射到自由空间。
进一步地，所述微带接收天线接收微带发射天线辐射的回波信号，所述低噪声放大器对所述回波信号进行功率放大，所述下变频混频器将发射FMCW信号和接收FMCW信号进行混频并进行低通滤波处理，获得差频信号；所述差频信号经过所述中频放大器放大，获得满幅差频信号。
进一步地，所述高速模数转换器将所述满幅差频信号过采样，并输入到频谱分析模块和相位分析模块；所述频谱分析模块对满幅差频信号进行时域-频域转换，得到满幅差频信号的差频频率Δf；所述相位分析模块对满幅差频信号进行正交混频，得到所述满幅差频信号的相位信息。
进一步地，所述频谱分析模块还包括分频降采样器、时域-频域转换器、分频因子选择器；分频降采样器连接到时域-频域转换器上；时域-频域转换器还经分频因子选择器与分频降采样器连接；
所述分频降采样器，对满幅差频信号进行偶数分频降采样，所述时域-频域转换器将所述降采样后的满幅差频信号进行频谱分析，得到差频频率Δf，所述分频因子选择器通过差频频率Δf，选择不同的偶数分频因子，并更新分频降采样器的采样间隔。
进一步地，所述频谱分析模块还包括频率误差补偿器，所述频率误差补偿器与时域-频域转换器连接；所述频率误差补偿器通过相位差测频法补偿差频频率Δf，得到精准的差频频率f0。
进一步地，所述相位分析模块还包括正弦信号发生器、余弦信号发生器、第一乘法器、第二乘法器、第一低通滤波器、第二低通滤波器、正切相位计算器；所述正弦信号发生器经第一乘法器与第一低通滤波器连接，余弦信号发生器经第二乘法器与第二低通滤波器连接，第一低通滤波器和第二低通滤波器均连接至正切相位计算器；
所述正弦信号发生器和余弦信号发生器根据所述精准差频频率f0生成相位正交的两路同频信号第一乘法器和第二乘法器将所述两路同频正交信号分别与所述满幅差频信号进行乘积，并通过所述第一低通滤波器和第二低通滤波器分别得到不同的直流值V1,V2；所述正切相位计算器计算直流值得到满幅差频信号相位信息tan(Δθ)＝(V2/V1)。
进一步地，所述相位分析模块还包括中频滤波器，所述中频滤波器分别与第一乘法器、第二乘法器连接；所述满幅差频信号经过所述中频滤波器提高信噪比。
进一步地，所述与所述满幅差频信号的乘积、滤波仅发生在差频频率恒定的时间段ΔT内，其中ΔT<T2。
与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是：
本发明中发射装置通过发射两路FMCW信号，一路经过放大器输出至被测物，一路直接输入到接收装置的混频器。混频器将接收的两路信号下变频混频，并通过低通滤波，得到差频信号，其中差频信号的频率与被测物距离成线性关系。通过时域-频域转换，并进行一定的补偿，可以较为精准的测量被测物的距离。同时，通过相位分析模块测量差频信号在不同时刻的相位，可以换算得到不同时刻产生的微弱形变量。其中发射装置和接收装置的天线装置均为具备高方向性增益的微带天线，在实际测量中，能够较为有效地对抗电磁场在自由空间中的衰减。
附图说明
图1为一个本发明所涉及的用于FMCW调制的相位检测设备的结构示意图；
图2为一个本发明涉及到的频谱分析模块的结构示意图；
图3为一个本发明涉及到的相位分析模块的结构示意图。
具体实施方式
附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；
为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；
对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。
本发明提出一种用于FMCW调制的相位检测设备，如图1所示，该设备包所述信号发射装置100包括射频信号发生器101、FMCW调制器102、功率放大器103和微带发射天线104；所述射频信号发生器101、FMCW调制器102、功率放大器103和微带发射天线104顺次连接；
所述信号接收装置200包括微带接收天线201、低噪声放大器202、下变频混频器203、中频放大器204、高速模数转换器205、频谱分析模块206、相位分析模块207；所述微带接收天线201、低噪声放大器202、下变频混频器203、中频放大器204、高速模数转换器205顺次连接；高速模数转换器205还分别与频谱分析模块206、相位分析模块连接207；
所述FMCW调制器102还与下变频混频器203连接。
所述射频信号发生器101和FMCW调制器102生成频率步长可调的连续波调频信号，该连续波调频信号包括一段线性增频信号和一段线性降频信号，所述线性增频信号和降频信号持续时间均为T1，所述增频信号与降频信号的间隔时间为T2；所述增频信号和降频信号调频步长相同；所述调频步长df根据实际测量距离可更改；所述连续波调频信号经过所述功率放大器103放大后，通过所述微带发射天线104辐射到自由空间。
所述FMCW射频信号包括一段线性增频信号和一段线性降频信号，所述线性增频信号和降频信号持续时间为T1，所述增频信号与降频信号的间隔时间为T2。
所述微带接收天线201接收微带发射天线104辐射的回波信号，所述低噪声放大器202对所述回波信号进行功率放大，所述下变频混频器203将发射FMCW信号和接收FMCW信号进行混频并进行低通滤波处理，获得差频信号；所述差频信号经过所述中频放大器204放大，获得满幅差频信号。
如图3所示，输出至中频放大器204的信号频率为Δf，其中存在一小段频率发生变化的时间T3。
所述差频频率恒定时间ΔT>T3。
如图3所示，差频信号ΔU在频率恒定时间段ΔT内为标准的正弦波，而在频率变化段T3内，信号快速畸变。
所述差频信号经过高速模数转换器205过采样输出到频谱分析模块206计算差频频率，并输出到相位分析模块207计算信号相位。
所述高速模数转换器205采样频率为差频信号的最大频率的十倍频。
如图2所示，所述频谱分析模块206还包括分频降采样器301、时域-频域转换器302、分频因子选择器304)；分频降采样器301连接到时域-频域转换器302上；时域-频域转换器302还经分频因子选择器304与分频降采样器301连接；
所述分频降采样器301，对满幅差频信号进行偶数分频降采样，所述时域-频域转换器302将所述降采样后的满幅差频信号进行频谱分析，得到差频频率Δf，所述分频因子选择器304通过差频频率Δf，选择不同的偶数分频因子，并更新分频降采样器301的采样间隔。
所述时域-频谱分转换器302采用快速傅里叶变换，其采集点数N在4096以上。根据不同的降采样因子Div和高速模数转换器采样频率Fs，可知道频率分辨精度为利用频率信息计算被测物距离，可得到较为精准的距离信息。
所述频谱分析模块206还包括频率误差补偿器303，所述频率误差补偿器303通过相位差测频法补偿粗略频率Δf，得到精准的差频频率f0。
所述频率误差补偿模块303通过计算在ΔT内两段时间间隔为τ的信号U1和U2,并利用时域-频域转换器302得到的频谱峰值所对应的相位信息并对实际的频率进行频率补偿而获得更精准的差频频率：/>
如图3所示，所述相位分析模块207还包括正弦信号发生器402、余弦信号发生器403、第一乘法器404、第二乘法器405、第一低通滤波器406、第二低通滤波器407、正切相位计算器408；所述正弦信号发生器402经第一乘法器404与第一低通滤波器406连接，余弦信号发生器403经第二乘法器405与第二低通滤波器407连接，第一低通滤波器406和第二低通滤波器407均连接至正切相位计算器408；
所述正弦信号发生器402和余弦信号发生器403根据所述精准差频频率f0生成相位正交的两路同频信号 第一乘法器404和第二乘法器405将所述两路同频正交信号分别与所述满幅差频信号进行乘积，并通过所述第一低通滤波器406和第二低通滤波器407分别得到不同的直流值V1,V2；所述正切相位计算器408计算直流值得到满幅差频信号相位信息tan(Δθ)＝(V2/V1)。
根据Δθ的正切值和正弦直流分量V1和余弦直流分量V2可精确计算出Δθ：
V1≥0,V2≥0，则
V1≤0,V2≥0，则
V1≤0,V2≤0，则
V1≥0,V2≤0，则Δθ＝arctan(V2/V1)+2π
所述相位分析模块207还包括中频滤波器401，所述中频滤波器401分别与第一乘法器404、第二乘法器405连接；所述满幅差频信号经过所述中频滤波器提高信噪比。
相同或相似的标号对应相同或相似的部件；
附图中描述位置关系的用于仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种用于FMCW调制的相位差检测设备，其特征在于，包括信号发射装置(100)和信号接收装置(200)；
所述信号发射装置(100)包括射频信号发生器(101)、FMCW调制器(102)、功率放大器(103)和微带发射天线(104)；所述射频信号发生器(101)、FMCW调制器(102)、功率放大器(103)和微带发射天线(104)顺次连接；
所述信号接收装置(200)包括微带接收天线(201)、低噪声放大器(202)、下变频混频器(203)、中频放大器(204)、高速模数转换器(205)、频谱分析模块(206)、相位分析模块(207)；所述微带接收天线(201)、低噪声放大器(202)、下变频混频器(203)、中频放大器(204)、高速模数转换器(205)顺次连接；高速模数转换器(205)还分别与频谱分析模块(206)、相位分析模块(207)连接；
所述FMCW调制器(102)还与下变频混频器(203)连接；
所述微带接收天线(201)接收微带发射天线(104)辐射的回波信号，所述低噪声放大器(202)对所述回波信号进行功率放大，所述下变频混频器(203)将发射FMCW信号和接收FMCW信号进行混频并进行低通滤波处理，获得差频信号；所述差频信号经过所述中频放大器(204)放大，获得满幅差频信号；
所述高速模数转换器(205)将所述满幅差频信号过采样，并输入到频谱分析模块(206)和相位分析模块(207)；所述频谱分析模块(206)对满幅差频信号进行时域-频域转换，得到满幅差频信号的差频频率Δf；所述相位分析模块(207)对满幅差频信号进行正交混频，得到所述满幅差频信号的相位信息；
所述频谱分析模块(206)还包括分频降采样器(301)、时域-频域转换器(302)、分频因子选择器(304)；分频降采样器(301)连接到时域-频域转换器(302)上；时域-频域转换器(302)还经分频因子选择器(304)与分频降采样器(301)连接；
所述分频降采样器(301)，对满幅差频信号进行偶数分频降采样，所述时域-频域转换器(302)将降采样后的满幅差频信号进行频谱分析，得到差频频率Δf，所述分频因子选择器(304)通过差频频率Δf，选择不同的偶数分频因子，并更新分频降采样器(301)的采样间隔；
所述频谱分析模块(206)还包括频率误差补偿器(303)，所述频率误差补偿器(303)与时域-频域转换器(302)连接；所述频率误差补偿器(303)通过相位差测频法补偿差频频率Δf，得到精准的差频频率f0；
所述相位分析模块(207)还包括正弦信号发生器(402)、余弦信号发生器(403)、第一乘法器(404)、第二乘法器(405)、第一低通滤波器(406)、第二低通滤波器(407)、正切相位计算器(408)；所述正弦信号发生器(402)经第一乘法器(404)与第一低通滤波器(406)连接，余弦信号发生器(403)经第二乘法器(405)与第二低通滤波器(407)连接，第一低通滤波器(406)和第二低通滤波器(407)均连接至正切相位计算器(408)；
所述正弦信号发生器(402)和余弦信号发生器(403)根据所述精准差频频率f0生成相位正交的两路同频信号第一乘法器(404)和第二乘法器(405)将所述两路同频正交信号分别与所述满幅差频信号进行乘积，并通过所述第一低通滤波器(406)和第二低通滤波器(407)分别得到不同的直流值V1,V2；所述正切相位计算器(408)计算直流值得到满幅差频信号相位信息tan(Δθ)＝(V2/V1)。
2.根据权利要求1所述的用于FMCW调制的相位差检测设备，其特征在于，所述射频信号发生器(101)和FMCW调制器(102)生成频率步长可调的连续波调频信号，该连续波调频信号包括一段线性增频信号和一段线性降频信号，所述线性增频信号和降频信号持续时间均为T1，所述增频信号与降频信号的间隔时间为T2；所述增频信号和降频信号调频步长相同；所述调频步长df根据实际测量距离可更改；所述连续波调频信号经过所述功率放大器(103)放大后，通过所述微带发射天线(104)辐射到自由空间。
3.根据权利要求2所述的用于FMCW调制的相位差检测设备，其特征在于，所述相位分析模块(207)还包括中频滤波器(401)，所述中频滤波器(401)分别与第一乘法器(404)、第二乘法器(405)连接；所述满幅差频信号经过所述中频滤波器提高信噪比。
4.根据权利要求3所述的用于FMCW调制的相位差检测设备，其特征在于，所述与所述满幅差频信号的乘积、滤波仅发生在差频频率恒定的时间段ΔT内。
5.根据权利要求4所述的用于FMCW调制的相位差检测设备，其特征在于，所述ΔT<T2。
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