CN114089287A - 一种fmcw交通雷达抗同频异步干扰方法 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种FMCW交通雷达抗同频异步干扰方法，利用帧间跳频、帧间脉位伪随机码调制结合脉间相位伪随机码调制的复合调制方式来达到抗干扰的目的。在日益增多的交通雷达包括车载雷达和路侧雷达，虽然有多部雷达在同一区域同时工作，使用本同同频异步方法后，也能确保各雷达稳定可靠工作，准确获取目标的距离、速度、角度信息，为智能驾驶或交通管理与监控提供准确数据信息。

Description

一种FMCW交通雷达抗同频异步干扰方法

技术领域

本申请涉及雷达技术领域，具体涉及一种FMCW交通雷达抗同频异步干扰方法。

背景技术

雷达以其高精度、高稳定性全天侯感知环境信息的特点，在交通领域取得广泛应用。FMCW(Frequency Modulated Continuous Wave，调频连续波)交通雷达能实时探测目标的距离、速度、角度信息，在汽车智能辅助驾驶和交通管理等近程探测中应用广泛。比如超速抓拍，雷达通过多普勒频率感知车辆的速度，若速度大于阈值，则触发相机抓拍，保障道路行车安全。另外随着在汽车端的前碰撞预警(FCW)、自动刹车辅助系统(AEB)，自适应巡航(ACC)以及盲区探测(BSD)、变道辅助(LCA)等，以及路端的流量统计、道路占有率、平均车速、以及红绿灯智能配时控制等方面的应用，使用FMCW交通雷达场景较多，安装雷达的车辆和路端基础设施出现了较大增长，导致雷达间的同频异步干扰问题出现，干扰会影响雷达的正确探测，导致虚假目标的出现或者不能正确探测真实目标。

为了让多部雷达在同一区域同时正常可靠工作，相关高校、科研院所等单位提出了很多抗干扰设计方法，但不能解决FMCW交通雷达同频异步的干扰问题。

发明内容

为了解决或部分解决相关技术中存在的问题，本申请提供了一种FMCW交通雷达抗同频异步干扰方法，在日益增多的交通雷达包括车载雷达和路侧雷达，虽然有多部雷达在同一区域同时工作，使用本同同频异步方法后，也能确保各雷达稳定可靠工作，准确获取目标的距离、速度、角度信息，为智能驾驶或交通管理与监控提供准确数据信息。

本申请第一方面提供了一种FMCW交通雷达抗同频异步干扰方法，雷达探测周期T采用伪随机码调制，T在[T₁,T₂]之间均匀分布，按照T产生帧间脉位伪随机调制的发射信号，经由发射天线对外辐射；不同的雷达由于探测周期调制方式的不同，时间维度上不会出现发射信号长时间同步的情况，从而实现时间维度上抗同频异步干扰的目的。

可选地，所述探测周期T的产生方式如下式所示：

T＝T₁x+T₂(1-x)；

式中，T代表脉冲间隔，T1代表最小周期，T2代表最大周期，x代表在[0～1]均匀分布的随机数。

可选地，发射的线性调频连续波信号的扫频时间为T_m，则其表达式为：

式中，f_i为载频；i＝0,1,....M-1，代表M组不同的起始频率；A_T为发射信号幅度；B为调频信号带宽；k＝-B/T_m为调频斜率；T_m为调制时间；

为发射信号初相。

可选地，雷达与目标相对距离为R，相对速度为v，发射信号经目标反射后回到接收机的延时为τ(t)＝2(R-vt)/c，则回波信号表达式为：

可选地，回波信号与本振信号混频后低通滤波，得到的差拍频信号表达式为：

S_I(t)＝A_Mcos{2π(f_i-f_j)t+2πf_iτ(t)+2πkτ(t)t-πk[τ(t)]²},(0<t<T_m)

式中，若i≠j,则差频信号落在接收机带宽外，经过接收机频率滤波处理后，不会产生干扰，只有在i＝j时，也就是本雷达发射信号，才能被接收机正确接收，获取目标的回波。

可选地，脉间相位伪随机码调制的数学表达式为：

其中a(t)为二进制伪随机码，取值为+1，-1，取1时表示S_T(t)的相位不变，取-1时表示S_T(t)的相位加上180°。

可选地，a(t)随机码的自相关函数为：

自相关性能优良的伪随机码，只有与自己完全自相关时有峰值，其余值较小，接近0；只有当完全自相关时，多普勒信号才能完成有效积累,频谱有明显峰值，否则呈现噪声特点，等效为热噪声。

本申请提供的技术方案可以包括以下有益效果：

在日益增多的交通雷达包括车载雷达和路侧雷达，虽然有多部雷达在同一区域同时工作，使用本同同频异步方法后，也能确保各雷达稳定可靠工作，准确获取目标的距离、速度、角度信息，为智能驾驶或交通管理与监控提供准确数据信息。

应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本申请。

附图说明

为了更清楚地说明本申请专利实施例的技术方案，下面将对实施例描述所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请专利的一些实施例，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，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本申请实施例中FMCW交通雷达抗同频异步干扰原理框图；

图2是本申请实施例中交通雷达抗同频异步干扰波形；

图3是本申请实施例中伪随机码调制产生帧间随机脉位示意图；

图4是本申请实施例中伪随机码选择不同起始频率示意图；

图5是本申请实施例中伪随机码码调相示意图；

图6是本申请实施例中128点随机码自相关仿真图；

图7是本申请实施例中2个128点伪随机码互相关仿真图；

图8是本申请实施例中FMCW交通雷达抗干扰和数据处理流程图。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本申请的实施方式。虽然附图中显示了本申请的实施方式，但是应该理解的是，可以以各种形式实现本申请而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了使本申请更加透彻和完整，并且能够将本申请的范围完整地传达给本领域的技术人员。

在本申请使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本申请。在本申请和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。还应当理解，本文中使用的术语“和/或”是指并包含一个或多个相关联的列出项目的任何或所有可能组合。

应当理解，尽管在本申请可能采用术语“第一”、“第二”、“第三”等来描述各种信息，但这些信息不应限于这些术语。这些术语仅用来将同一类型的信息彼此区分开。例如，在不脱离本申请范围的情况下，第一信息也可以被称为第二信息，类似地，第二信息也可以被称为第一信息。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

下文将结合附图对本申请实施例的技术方案进行详细描述。

本实施例提供了一个发射信号发生器，产生一组探测周期T、<Fstart、Fend>伪随机复合调制的波形，并根据伪随机码生成器产生的二进制伪随机码对发射波形相位进行调制，一路经由发射天线对外辐射，另一路作为本振信号输入至接收机。接收天线接收目标反射的回波信号，在接收机内与本振信号完成混频。然后在处理机内经过AD采样完成模数转换，数字信号进行信号预处理、伪随机码调相相关接收解调，频谱分析，实现目标距离、速度的信息获取。交通雷达有多个接收通道，使用多通道数据采用波达方向(DOA)估计算法得到目标的角度信息，角度信息可以解算为目标的车道信息。这些信息都是含噪数据，探测值与真实值之间存在误差，采用跟踪滤波的方法减小误差，让滤波值更接近真实值。

本发明提供了一种FMCW交通雷达抗同频异步干扰方法。本发明涉及一种雷达架构，从雷达波形到发射机、接收机以及信号处理联合抗同频异步干扰。框图如图1所示。波形由伪随机脉冲同步触发，接收机同步接收，频率滤波，然后在信号处理中完成伪随机码调相相关接收。首先设计一组波形，如图2所示，具体来说一个探测周期T，有效发射时间为Tr，由N个脉冲重复周期(PRT)构成，每个PRT分为空闲时间、上升时间、下降时间。该波形变化共有三部分组成，第一有效时间Tr不变，探测周期T按照高斯分布或者均匀分布变化，从时间上实现帧间脉位伪随机码调制，本雷达回波信号和同频异步干扰以较低概率落在同一时间区间，抑制了时间维度上的同频异步干扰。每一个RPT为一个chirp，有一个<起始频率(Fstart)、终止频率(Fend)>，雷达波形设计成多组<Fstart、Fend>，一个相干积累周期(CPI)内选定一组<Fstart、Fend>，通过伪随机码选择切换，从频率上实现帧间跳频，抑制了频率维度上的同频异步干扰。N个PRT用一个码长为N的二进制伪随机码调相，码为0时调相0，码为1时调相Pi，接收时通过伪随机码相关接收解调，只有相关的伪随机码才能正确相关接收解调，不相关的伪随机码解调后呈现噪声特点。发射机由一个伪随机码生成器，生成伪随机同步信号，触发发射信号，接收机完成脉位同步接收和频率滤波接收，信号处理机完成发射信号的伪随机码相位调制相关接收解调。

图1是交通雷达的原理框图。雷达探测周期T采用伪随机码调制，T在[T1,T2]之间均匀分布，按照T产生帧间脉位伪随机调制的发射信号，经由发射天线对外辐射。不同的雷达由于探测周期调制方式的不同，时间维度上不会出现发射信号长时间同步的情况，从而实现时间维度上抗同频异步干扰的目的。

T的产生方式如下式所示：

T＝T1x+T2(1-x)

式中，T代表脉冲间隔，T1代表最小周期，T2代表最大周期，x代表[0～1]均匀分布的随机数。

图中a脉冲和b脉冲之间的间隔T便在T1～T2之间随机分布，其不确定性最大，在时间维度上具有良好的抗同频异步能力。

设发射的线性调频连续波信号的扫频时间为T_m，则其表达式为：

式(1)中：f_i为载频；i＝0,1,....M-1,代表M组不同的起始频率,A_T为发射信号幅度；B为调频信号带宽；k＝-B/T_m为调频斜率；T_m为调制时间；

为发射信号初相。不同的起始频率如图4

设雷达与目标相对距离为R，相对速度为v，发射信号经目标反射后回到接收机的延时为τ(t)＝2(R-vt)/c，则回波信号表达式为：

回波信号与本振信号混频后低通滤波，得到的差拍频信号表达式为：

S_I(t)＝A_Mcos{2π(f_i-f_j)t+2πf_iτ(t)+2πkτ(t)t-πk[τ(t)]²},(0<t<T_m) (3)

在式(3)中，若i≠j,则差频信号落在接收机带宽外，经过接收机频率滤波处理后，不会产生干扰，只有在i＝j时，也就是本雷达发射信号，才能被接收机正确接收，获取目标的回波。

脉间相位伪随机码调制的数学表达式为

其中a(t)为二进制伪随机码，取值为+1，-1，取1时表示S_T(t)的相位不变，取-1时表示S_T(t)的相位加上180°，a(t)随机码的自相关函数为

自相关性能优良的伪随机码，只有与自己完全自相关时有峰值，其余值较小，接近0。只有当完全自相关时，多普勒信号才能完成有效积累,频谱有明显峰值，否则呈现噪声特点，等效为热噪声。

雷达按照上述参数产生发射波形，通过附图1的功放后通过发射天线发送出去，接收天线收到目标反射回波后，经过低噪声放大后与本振混频，通过同步接收，完成时域抗同频异步干扰功能。对于进入接收时序的同频异步干扰，由于每一个RPT发射信号起始频率不同，差频回波不能被接收机频率滤波电路正常放大接收，从而在频域完成抗同频异步干扰功能。对于同时满足同步接收与频率滤波接收的波形，由于脉间伪随机码调相的原因，只有与本地伪随机码完全相关的波形才会形成自相关峰值，见图6否则只有噪声图谱间图7，不能形成明显的峰值。

只有目标反射的回波能正确的被雷达处理，其余同频异步干扰由于上述三种措施的作用，完全被抑制，不能形成明显干扰，因此雷达探测到的目标信息为真实目标的信息。目标回波信号经滤波放大后，传输至AD采样，AD采样后，传至处理设备，经过信号预处理，伪随机码调相相关接收解调，然后送至频谱分析模块开始频谱分析。每一个PRT一组频谱分析结果，N个PRT后形成一个频谱分析矩阵，对一维频谱矩阵做二维频谱分析，就得到一个接收通道的Range-Doppler二维矩阵，多个接收通道间通过非相干积累，提高信号的信噪比，增强雷达的探测范围。积累后的Range-Doppler二维矩阵一面送入估计噪底模块，一面送入二维CFAR恒虚警检测模块，噪底估计的结果作为CFRA检测模块的输入，恒虚警模块能实时估计雷达所处的杂波环境，在保持虚警率不变的情况下，尽可能的提高检测概率，检测后得到目标的R，V信息，和每一个通道的复数回波信息，包含通道的幅度信息和相位信息，多个通道的复数回波信息进入DOA估计模块，DOA估计模块利用空间谱估计算法，精确计算目标的波达方向，特别对于密集目标，高分辨率空间谱估计技术快速精确得到目标的角度信息，至此得到目标的RCS，距离R、速度V、角度θ。

每一个雷达探测周期得到目标RCS，距离R、速度V、角度θ，不同周期间同一个目标的RCS，距离R、速度V、角度θ存在关联，利用航迹关联算法例如最近邻，JPDA联合概率密度关联等关联算法关联，每一个目标根据运动方程进行航迹预测，预测后的航迹与匹配上的航迹关联目标用滤波算法如改进的EKF进行滤波，当航迹稳定建立后，目标输出，没有关联上的目标使用预测值，连续多个雷达周期没有关联，目标丢失。新的探测周期发现的目标重复上述的航迹建立、航迹预测、航迹关联、航迹滤波、航迹输出过程。流程图见图8,经过滤波处理后的目标其误差方差减小，提高的测量的精度和准确性，为交通管理雷达应用层的数据处理和车载雷达的应用功能提供稳定数据源，支撑正确决策和执行合适的动作，让交通更智能、高效、安全，让车辆更安全、方便、高效、节能。

以上所述，仅为本申请的实施例而已，并非用于限定本申请的保护范围。凡在本申请的精神和范围之内做出的任何修改、等同替换和改进等，均包含在本申请的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种FMCW交通雷达抗同频异步干扰方法，其特征在于，雷达探测周期T采用伪随机码调制，T在[T₁,T₂]之间均匀分布，按照T产生帧间脉位伪随机调制的发射信号，经由发射天线对外辐射；不同的雷达由于探测周期调制方式的不同，时间维度上不会出现发射信号长时间同步的情况，从而实现时间维度上抗同频异步干扰的目的。

2.如权利要求1所述的FMCW交通雷达抗同频异步干扰方法，其特征在于，所述探测周期T的产生方式如下式所示：

T＝T₁x+T₂(1-x)；

式中，T代表脉冲间隔，T₁代表最小周期，T₂代表最大周期，x代表在[0～1]均匀分布的随机数。

3.如权利要求1所述的FMCW交通雷达抗同频异步干扰方法，其特征在于，发射的线性调频连续波信号的扫频时间为T_m，则其表达式为：

式中，f_i为载频；i＝0,1,....M-1，代表M组不同的起始频率；A_T为发射信号幅度；B为调频信号带宽；k＝-B/T_m为调频斜率；T_m为调制时间；

为发射信号初相。

4.如权利要求1所述的FMCW交通雷达抗同频异步干扰方法，其特征在于，雷达与目标相对距离为R，相对速度为v，发射信号经目标反射后回到接收机的延时为τ(t)＝2(R-vt)/c，则回波信号表达式为：

5.如权利要求1所述的FMCW交通雷达抗同频异步干扰方法，其特征在于，回波信号与本振信号混频后低通滤波，得到的差拍频信号表达式为：

式中，若i≠j,则差频信号落在接收机带宽外，经过接收机频率滤波处理后，不会产生干扰，只有在i＝j时，也就是本雷达发射信号，才能被接收机正确接收，获取目标的回波。

6.如权利要求1所述的FMCW交通雷达抗同频异步干扰方法，其特征在于，脉间相位伪随机码调制的数学表达式为：

其中a(t)为二进制伪随机码，取值为+1，-1，取1时表示S_T(t)的相位不变，取-1时表示S_T(t)的相位加上180°。

7.如权利要求7所述的FMCW交通雷达抗同频异步干扰方法，其特征在于，a(t)随机码的自相关函数为：

自相关性能优良的伪随机码，只有与自己完全自相关时有峰值，其余值较小，接近0；只有当完全自相关时，多普勒信号才能完成有效积累,频谱有明显峰值，否则呈现噪声特点，等效为热噪声。

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