CN113567947B - 一种多普勒相移信号的解调方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多普勒相移信号的解调方法，将收到的反射信号R(t)与本振信号T(t)进行正交混频，得到I通道的基带信号I(t)和Q通道的基带信号Q(t)，利用反正切解调方法解调出相位信息，利用DACM算法对相位信息进行求导，在利用I通道和Q通道依次采样得到的数字信号分别求取微分信号I'(t)和Q'(t)。本发明是在没有过分增加计算量的同时，可以大大降低噪声对求取微分的影响，进而有利于高精度提取调制信号。

Description

一种多普勒相移信号的解调方法

技术领域

本发明属于信号处理技术领域，具体涉及一种多普勒相移信号的解调方法。

背景技术

微波多普勒雷达作为无线传感器从1970年开始就应用于生命体征探测。早期的雷达使用笨重且昂贵的元器件实现，随着集成电路技术的进步，微波多普勒雷达的体积越来越小以至于可以集成到单片芯片上。利用体积更小、成本更低的电路，连续波多普勒雷达具有了更多的应用方向，包括心肺监护、穿墙生命探测、旋转运动探测、受害人搜救、速度测量等等。由于连续波多普勒雷达在检测机械振动时具有穿越障碍物的优势，因此被广泛研究。

连续波多普勒雷达会向运动目标发射电磁波信号，该电磁波信号遇到运动目标后会被调制且反射，通过接收该被调制的反射信号，并对其进行相位解调，便可以实现运动目标速度的测量，当连续波多普勒雷达使用正交接收机时，基于正交的基带信号，还可以获得目标的相对位移信号。

为了解调出目标的相对位移信号，最初采用的方法是反正切解调法，然而，该方法在数学上有一个固有的共域范围(-π/2,π/2)，一旦解调超过这个范围，就会出现不连续点。理论上，这种不连续性可以通过相位展开算法消除，该算法将不连续点移动π的整数倍。但是正如文献[Itoh K.Analysis of the phase unwrapping algorithm[J].AppliedOptics,1982,21(14):2470]所述，由于在实际测量中存在噪声，这种相位展开并不总是有效的。为此，有必要提出一种新的多普勒相移信号解调方法，以解决现有方法的缺点。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种多普勒相移信号的解调方法。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种多普勒相移信号的解调方法，包括以下步骤：

步骤一，设雷达端的发射信号和本振信号为：

T(t)＝cos(2πft+φ(t)) (1)

其中，f为发射信号的频率，t为时间，φ(t)为初始相位；

雷达端接收到的运动目标的反射信号R(t)为：

其中，d₀为雷达与被测目标之间的距离，x(t)为被测目标的往返运动，c为信号的传播速度，λ＝c/f为发射信号的波长，φ(t-2d₀/c)为残余相位；

步骤二，将收到的反射信号R(t)与本振信号T(t)进行正交混频，得到I通道的基带信号I(t)和Q通道的基带信号Q(t)：

其中，Δφ(t)为残余相位，该残余相位可以被忽略，利用反正切解调方法解调出相位信息，如式(5)所示：

步骤三，利用DACM算法对进行求导，如公式(6)所示：

其中，ω(t)为包含调制信号的角速度，I'(t)为I通道的基带信号I(t)的微分信号，Q'(t)为Q通道的基带信号Q(t)的微分信号；

步骤四，利用以下公式求取微分信号I'(t)和Q'(t)：

其中，Q(t-3)，Q(t-2)，Q(t-1)，Q(t)，Q(t+1)，Q(t+2)，Q(t+3)分别为在Q通道依次采样得到的数字信号，I(t-3)，I(t-2)，I(t-1)，I(t)，I(t+1)，I(t+2)，I(t+3)分别为在I通道依次采样得到的数字信号，Q'(t)和I'(t)分别为Q通道和I通道在Q(t)和I(t)处的微分信号，Δt为连续采样点之间的采样间隔。

本发明的优点和有益效果为：

本发明是在没有过分增加计算量的同时，可以大大降低噪声对求取微分的影响，进而有利于高精度提取调制信号。

附图说明

图1是连续波多普勒信号解调原理示意图。

对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，可以根据以上附图获得其他的相关附图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合具体实施例进一步说明本发明的技术方案。

连续波多普勒信号解调原理如图1所示，在雷达端利用压控振荡器(即本振)产生射频信号，该信号经过功分器，一路用作发射信号，另外一路用作本振信号。发射信号通过发射天线辐射到自由空间中。在接收端，天线接收到经过运动目标调制的反射信号后，先经过低噪声放大器放大，之后再经过功分器分为两路，并与正交的基带信号在混频器中进行混频，输出的正交基带信号经过数据采集卡采样，输出的数字信号最后输入到计算机中进行处理。具体的讲，本发明对接收到的运动目标的反射信号进行解调的方法包括包括以下步骤：

步骤一，设雷达端的发射信号和本振信号为：

T(t)＝cos(2πft+φ(t)) (1)

其中，f为发射信号的频率，t为时间，φ(t)为初始相位；被测目标的运动会对发射信号产生调制作用，并使发射信号产生反射，雷达端接收天线接收到的运动目标的反射信号R(t)如式(2)所示：

其中，d₀为雷达与被测目标之间的距离，x(t)为被测目标的往返运动，c为信号的传播速度，λ＝c/f为发射信号的波长，φ(t-2d₀/c)为残余相位。

步骤二，将收到的反射信号R(t)与本振信号T(t)进行正交混频，得到I通道的基带信号I(t)和Q通道的基带信号Q(t)，如式(3)和(4)所示：

其中，Δφ(t)为残余相位，其可以被忽略。利用反正切解调方法可以解调出基带信号的相位信息，如式(5)所示：

步骤三，由公式(5)可以看出，当不在(-π/2,π/2)范围内时，会出现不连续点，针对反正切解调法的缺陷，可以对公式(5)进行求导，如公式(6)所示：

其中，ω(t)为包含调制信号的角速度，Q'(t)和I'(t)分别为Q(t)和I(t)的微分信号。由公式(6)可以看出，解调出的角速度不会存在周期性的问题，因此不会出现不连续点。

步骤四，虽然通过对公式(5)进行求导解调出的角速度不会存在周期性的问题，但是由公式(6)也可以看出，该方法需要对正交基带信号求取微分，而求取微分会对噪声非常敏感，为此本专利提出利用以下方法求取正交基带信号的微分信号。由于求取微分是对数字信号进行操作的，因此正交基带信号可以表示为Q[n]和I[n]，其对应的微分信号可以表示为Q'[n]和I'[n]，如式(7)所示：

其中，Q[n-3]，Q[n-2]，Q[n-1]，Q[n]，Q[n+1]，Q[n+2]，Q[n+3]分别为在Q通道依次采样得到的数字信号，I[n-3]，I[n-2]，I[n-1]，I[n]，I[n+1]，I[n+2]，I[n+3]分别为在I通道依次采样得到的数字信号。Q'[n]和I'[n]分别为Q和I通道在采样点n处的微分。Δt为连续采样点之间的采样间隔。该微分器本质上是长度为7的反对称数字滤波器，其可以抑制高频信号且能保证低频信号的精度，利用该方法求取的微分对噪声的鲁棒性更好。

以上对本发明做了示例性的描述，应该说明的是，在不脱离本发明的核心的情况下，任何简单的变形、修改或者其他本领域技术人员能够不花费创造性劳动的等同替换均落入本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种多普勒相移信号的解调方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤一，设雷达端的发射信号和本振信号为：

T(t)＝cos(2πft+φ(t)) (1)

其中，f为发射信号的频率，t为时间，φ(t)为初始相位；

雷达端接收到的运动目标的反射信号R(t)为：

其中，d₀为雷达与被测目标之间的距离，x(t)为被测目标的往返运动，c为信号的传播速度，λ＝c/f为发射信号的波长，φ(t-2d₀/c)为残余相位；

步骤二，将收到的反射信号R(t)与本振信号T(t)进行正交混频，得到I通道的基带信号I(t)和Q通道的基带信号Q(t)：

其中，Δφ(t)为残余相位，该残余相位可以被忽略，利用反正切解调方法解调出相位信息，如式(5)所示：

步骤三，利用DACM算法对进行求导，如公式(6)所示：

其中，ω(t)为包含调制信号的角速度，I'(t)为I通道的基带信号I(t)的微分信号，Q'(t)为Q通道的基带信号Q(t)的微分信号；

步骤四，利用以下公式求取微分信号I'(t)和Q'(t)：

其中，Q(t-3)，Q(t-2)，Q(t-1)，Q(t)，Q(t+1)，Q(t+2)，Q(t+3)分别为在Q通道依次采样得到的数字信号，I(t-3)，I(t-2)，I(t-1)，I(t)，I(t+1)，I(t+2)，I(t+3)分别为在I通道依次采样得到的数字信号，Q'(t)和I'(t)分别为Q通道和I通道在Q(t)和I(t)处的微分信号，Δt为连续采样点之间的采样间隔。