CN114137522A - 面向自动驾驶的毫米波正交波形优化方法及车载雷达系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种面向自动驾驶的毫米波正交波形优化方法及相应的车载雷达系统。该优化方法包括如下步骤：车载雷达系统的第一发射通道发射正调频信号，第二发射通道发射负调频信号，正调频信号和负调频信号同时发射并相互正交；多路接收通道同时接收第一发射通道和第二发射通道发射的信号，在信号经过功率前级放大后，功分为2路并分别采用2路参考信号进行匹配滤波；每路接收通道的数据依次进行PD积累、目标检测、目标测角，其中在PD积累时将多个调频周期内的数据进行多谱勒维度的FFT，形成距离像数据，据此估计目标的方位角度，实现车载雷达系统对目标的角度测量。本发明改善了发射信号之间的波形隔离度，提高了车载雷达系统的角度分辨能力。

Description

面向自动驾驶的毫米波正交波形优化方法及车载雷达系统

技术领域

本发明涉及一种毫米波正交波形优化方法，尤其涉及一种面向自动驾驶的需要，基于正、负调频和相位编码的毫米波正交波形优化方法，同时涉及采用该方法的车载雷达系统，属于自动驾驶技术领域。

背景技术

当前，全球汽车行业逐渐形成共识，认为自动驾驶代表了未来汽车行业的发展方向。在自动驾驶技术中，以车载雷达系统为代表的车载传感技术是车辆环境感知和交通运行环境等数据采集的主要手段，发挥着不可替代的重要作用。

在车载雷达系统中，汽车前向防撞雷达是专用于机动车驾驶辅助系统(ADAS)的微波雷达传感器，主要用于主动碰撞避免或预碰撞系统 (Precrash system)、自动紧急制动系统(AEB)、自适应巡航系统(ACC)、盲点检测(BSD)、前防追尾预警(FCW)、车道改变辅助(LCA)、偏移报警系统(LDWS)、安全车距预警(TTC)、后方横向交通告警(RCTA)，辅助机动车完成障碍物规避功能。由于汽车实际行驶的路况错综复杂，需要汽车前向防撞雷达具备高分辨率、高刷新率(低检测周期)，这样才能对汽车行驶环境进行更精确、更快速的环境感知。

现有技术中，汽车前向防撞雷达多采用MIMO(Multi-Input Multi-Output)天线设计，即利用多个发射通道分时发送LFMCW(线性调频连续波)信号。但是，现有的时分MIMO技术并不是专门针对自动驾驶技术的需求开发的，在具体性能上存在很多不足。为此，技术人员在降低检测周期、优化检测波形等方面开展了很多研究工作。例如，在申请号为201910711214.2的中国发明申请中，公开了一种MIMO技术下的线性调频连续波波形优化方法。它首先在发射线性调频连续波的基础上，给每一个发射端发出波形的每一个脉冲添加一个随机相位，使发射波形在多普勒维得以分离，其次以波形的主瓣增益、主副瓣比、主瓣宽度等作为评价指标对波形进行优化，通过模式搜索方法计算出使评价指标达到最优的相位序列，代入到发射波形中实现优化。但是，当目标速度足够大时，导致不同的发射波形到达目标之间产生相位差，最终导致在测角度过程中目标出现分裂，波形优化效果受到影响。

发明内容

本发明所要解决的首要技术问题在于提供一种面向自动驾驶的毫米波正交波形优化方法。

本发明所要解决的另一技术问题在于提供一种采用该方法的车载雷达系统。

为了实现上述目的，本发明采用下述的技术方案：

根据本发明实施例的第一方面，提供一种面向自动驾驶的毫米波正交波形优化方法，包括如下步骤：

车载雷达系统的第一发射通道发射正调频信号，第二发射通道发射负调频信号，所述正调频信号和所述负调频信号同时发射并相互正交；

车载雷达系统的多路接收通道同时接收所述正调频信号和所述负调频信号，经过功率前级放大后功分为2路并分别采用2路参考信号进行匹配滤波；

每路接收通道的数据依次进行脉冲多普勒积累、目标检测、目标测角，其中在脉冲多普勒积累时将多个调频周期内的数据进行多谱勒维度的快速傅里叶变换，形成距离像数据，据此估计目标的方位角度，实现车载雷达系统对目标的角度测量。

其中较优地，所述正调频信号分为多个子脉冲信号，在每个子脉冲信号的初始相位叠加对应的相位编码。

其中较优地，所述正调频信号的表达式如下所示：

其中，A代表信号调制幅度，i∈{1～52}代表第i个子脉冲，rect(g)代表矩形函数，T表示调频周期的时间长度，B表示带宽，Bc_i为巴克码序列的第i个值，K代表线性调频连续波信号的调频斜率，计算方法为

其中较优地，所述负调频信号不进行相位编码。

其中较优地，所述负调频信号的表达式如下所示：

其中，A代表信号调制幅度，i∈{1～52}代表第i个子脉冲，rect(g)代表矩形函数，T表示调频周期的时间长度，B表示带宽，Bc_i为巴克码序列的第i个值，K代表线性调频连续波信号的调频斜率，计算方法为

其中较优地，2路参考信号REF₀和REF₁的表达式如下所示：

其中较优地，所述距离像数据的表达式如下所示：

其中较优地，所述参考信号是发射信号的功分耦合信号。

其中较优地，所述多路接收通道分别具有相应的接收天线，各接收天线之间的间距长度d＝0.λ5，发射天线之间以及发射天线与接收天线的间距为发射信号波长λ的2N倍，其中N为正整数。

根据本发明实施例的第二方面，提供一种车载雷达系统，采用上述的毫米波正交波形优化方法。

与现有技术相比较，经过本发明所述方法优化后的毫米波正交波形，可以获得波形隔离度的指标为60dB，高于一般雷达的动态测量范围，可以充分满足车载雷达系统，尤其是汽车前向防撞雷达的使用需求。相对于时分MIMO技术，本发明只需要一半的检测时间达到相同的角度分辨率；相对于普通的同时MIMO技术，本发明具有更高的通道间距离度，并降低目标跨距离单元所产生的积累损失，具有很好的商业应用价值。

附图说明

图1为采用本发明提供的毫米波正交波形优化方法的车载雷达系统示意图；

图2为正调频信号S_0(t)和负调频信号S_1(t)的相位编码示意图；

图3为正调频信号S_0(t)和负调频信号S_1(t)的时间频率示意图；

图4为每个发射通道发射的锯齿形带频率调制和相位编码的连续波信号示意图；

图5为波形编码周期数对隔离度指标的影响示意图；

图6为根据本发明优化设计的正交波形，计算得到CH₀和CH_N-1通道的距离像信号仿真结果示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明的技术内容做进一步的详细说明。

前已述及，现有的时分MIMO技术并不是专门针对自动驾驶技术的需求开发的，在具体性能上存在很多不足。例如，传统的汽车前向防撞雷达多采用时分MIMO技术，即M(M为正整数，下同)个发射通道依次发射信号，接收通道分时接收不同发射信号产生的目标回波，其缺点是检测周期较长，需要M个发射周期才能输出一次完整的检测结果。

为此，本发明首先提供一种面向自动驾驶需求的毫米波正交波形优化方法。该优化方法通过设计2路正交的波形(分别是正调频信号和负调频信号，统称为发射信号)，用于实现2发N(即M＝2，N为正整数)收的车载雷达系统。这里只设计2路发射信号的考虑是当发射通道数量大于2时，将无法利用正、负调频信号所带来的信号隔离优势，所产生的正交信号的隔离度有所下降。并且，由于采用MIMO技术的雷达的角度分辨率由M*N决定，扩展成本更低、热耗更低的接收通道数量是更加经济的选择。

在车载雷达系统中，定义失配信号与匹配信号的电压比值为波形隔离度，该指标评价了车载雷达系统的隔离水平。本发明通过优化发射信号的正交特性，改善了2路发射信号之间的波形隔离度，从而在保持目标检测周期的前提下，提高了车载雷达系统的角度分辨能力。下面，对该优化方法的具体实现过程进行详细说明：

图1为采用本发明所提供的毫米波正交波形优化方法的车载雷达系统示意图。在该毫米波正交波形优化方法的一个实施例中，所采用的车载雷达系统为包括2路发射通道(包含发射天线TX₀、TX₁)和N路接收通道(简称为2发N收)的同时MIMO雷达。其中，2路发射通道分别具备频率调制和相位调制能力；N路接收通道分别具有接收天线 RX₀～RX_N，这些接收天线RX₀～RX_N之间的间距长度d＝0.λ5，发射天线之间以及发射天线与接收天线的间距为发射信号波长λ的2N倍。

在图1所示的车载雷达系统的实施例中，2路发射通道同时开始工作，对2路发射通道分别发射的正调频信号和负调频信号进行波形调制。其中，正调频信号和负调频信号相互正交。此时，这2路发射信号需要通过相位编码的方法进行波形调制。具体的波形调制方法可以为：第一个发射通道TX₀设计为正调频信号S_0(t)，调频斜率K为带宽B与调频周期(简称为Prt)的比值，并且将一个Prt周期内的信号分为若干个子脉冲信号。为了保证巴克码编码的完整性，子脉冲个数需要是13的整数倍，每13个子脉冲为1个编码周期，具体选用几个周期的编码方式取决于具体的雷达波形设计，但编码方式对隔离度指标的影响较小。在本发明实施例中，在经过波形设计并进行隔离度仿真后，得出4个周期的编码方式所实现的隔离度最优。相应的比较结果如图5所示，因此本发明实施例以4×13＝52个子脉冲来举例说明，即在每个子脉冲信号的初始相位叠加上对应的52位巴克码(即相位编码，下同)。

相应地，正调频信号S_0(t)的表达式如式(1)所示：

在上述公式中，A代表信号调制幅度，i∈{1～52}代表第i个子脉冲， rect(g)代表矩形函数，T表示调频周期(Prt)的时间长度，B表示带宽，Bc_i为巴克码序列的第i个值，K代表LFMCW(线性调频连续波)信号的调频斜率，计算方法为

正调频信号S_0(t)的相位编码示意图如图上半部分所示，负调频信号S_1(t)的相位编码示意图如图下半部分所示。其中一个编码周期为一个Prt的时间长度，最小编码时间单元为Δt，Δt为Prt的时间长度T的

正调频S_0(t)信号的时间频率示意图如图3左半部分所示，该信号为 LFMCW信号，调频频率从f₁调频到f₂，带宽B＝|f₂-f₁|，时间为1个调频周期，即1个Prt的时间长度T。这里，f₁和f₂的位置只示意了哪个是起始频率，哪个是终止频率，实际值是一样的。

第二个发射通道TX₁设计为负调频信号S_1(t)，调频斜率为带宽B与周期时间Prt的比值。负调频信号S_1(t)不进行相位编码，表达式如式(2)所示：

负调频信号S_1(t)也为LFMCW信号，其时间频率示意图如图3右半部分所示。其中，调频频率从f₂调频到f₁，带宽B＝|f₁-f₂|，时间为1个调频周期，即1个Prt的时间长度T。

在本发明的一个实施例中，如图4所示，每个发射通道发射锯齿形带频率调制和相位编码的LFMCW信号，将LFMCW信号在单个Prt周期内进行二进制的相位编码。在一个Prt周期内，将其按时间分为4×13＝52 等份，设计二进制的相位编码，长度为τ。长度为13的巴克码为(1,1,1,1,1,-1,-1,1,1,-1,1,-1,1)，扩展为4倍长度，生成52位的巴克码，可以表示为：

在上述实施例中，时间长度为Prt的LFMCW信号被分为52个较短的、连续的子脉冲，每个子脉冲的时间宽度是Δτ＝T/(13×4)，相对于某个子脉冲的相位根据巴克码选择-π或π，把相位为π的子脉冲记为“1”，把相位为-π的子脉冲记为“-1”。需要说明的是，将调频周期(Prt)切分为多少等份，可以结合具体的雷达波形设计来仿真确定，只需要保证是13 的整数倍即可。

车载雷达系统在工作时，2路发射通道TX₀和TX₁同时发射信号，2路发射信号经过目标的反射后达到N路接收通道，N路接收通道RX₀～RX_N同时接收信号。

对于N路接收通道RX₀～RX_N接收的信号，在信号经过功率前级放大后，复制(功分)2路后分别采用2路参考信号REF₀和REF₁进行匹配滤波。工程实现为利用混频器混频，其中参考信号的来源可以是发射信号的功分耦合信号，作为本振信号。利用2路发射信号的正交特性，可以得到8 路具有空间分辨能力的接收信号，从而实现车载雷达系统的雷达信号检测。

具体地说，根据上述公式(1)和(2)，2路发射信号在经过距离为R的目标反射后，回波延迟时间

c为光速，则接收通道0所接收的回波信号R₀(t)同时包含TX₀和TX₁两种发射信号，具体可以表示为：

为了从R₀(t)中区分出TX₀和TX₁接收信号，需要分别采用不同的参考信号与回波信号进行匹配滤波，在硬件实现上为混频处理。其中，2路参考信号REF₀和REF₁的表达式见公式(5)：

在车载雷达系统正常工作时，N路通道同时接收信号。由MIMO雷达的基本知识可知，由于多个通道间距为固定长度d，对于雷达视角内的任一目标，RX₀～RX_N通道接收信号相位以此相差一个固定值，通过该固定偏差相位来估计目标相比于雷达天线法线方向的偏差角，通道数越多，角度分辨率越高。当N路接收通道同时接收信号时，类似RX₀通道的信号处理方法，可以依次求得距离像信号CH₀(f)～CH_2N-1(f)，具体计算方法为：

每个通道的数据依次进行PD(脉冲多普勒)积累、目标检测、目标测角，其中在PD积累时将多个Prt的数据进行多谱勒维度的FFT(快速傅里叶变换)，可以对具有运动特性的目标与静止目标分离，形成距离像数据。将CH₁(f)～CH_2N-1(f)的相同位置的信号取出，获得2N路目标的复数信号。该复数信号中包含由目标偏离天线法线方向角度所形成的固定相位差，通过对2N路目标的复数信号进行FFT，即可以计算出目标偏离雷达天线法线的偏角，据此估计目标的方位角度，实现车载雷达系统对目标的角度测量。

下面，对此展开具体说明：目标检测的方法可采用传统的Ca-Cfar 动目标检测算法，在距离多谱勒平面上提取局部峰值点，局部峰值点对应的距离和多谱勒位置可推算出检测目标的距离和速度。最后根据2N个通道的峰值点数据做FFT，可以计算出目标相对于雷达天线法线偏差角。上述方法为常用的MIMO雷达信号处理方法，这里不再详细说明了。

在本发明的一个实施例中，2路接收信号分别进行混频处理后，可以得CH₀和CH_N两个通道的时域信号，对其做FFT转换到频域即可得到一维距离像信息，计算方法表示为：

式中“*”为点乘处理，在硬件实现上代表混频，得到CH₀(t)和CH_N(t) 通道的距离像表达式为：

在本发明中，定义波形隔离度为正确匹配信号与相邻发射通道波形泄漏功率的比值，具体为：

波形隔离度指标的含义为针对某个回波点目标信号，匹配信号的功率与适配信号功率比值的对数。该指标可以用来评估正交波形设计的好坏，即波形隔离度指标越高，代表MIMO雷达通道之间的干扰越小。

本发明以如下雷达波形参数设计为例，仿真本发明提出的采用正负调频加52位脉内相位编码的方法，所能达到的波形隔离度指标。

在本发明的实施例中，经过优化的毫米波正交波形的参数实例如表1 所示：

表1

编号	参数名称	参数值	参数释义
				1	M	2	发射通道硬件路数
2	N	4	接收通道硬件路数
				3	Prt	520us	调频周期
4	R	300m	目标距离
				5	A	1V	信号幅度

利用本发明所提供的毫米波正交波形优化方法，进行隔离度结果仿真，仿真结果如图6所示。由该仿真结果可知，本发明设计了基于2发N 收的毫米波正交波形，可以获得波形隔离度的指标为60dB，高于一般雷达的动态测量范围，可以充分满足车载雷达系统，尤其是汽车前向防撞雷达的使用需求。由此可以看出，本发明所提供的频率正交结合相位正交的波形优化方法，可以明显改善毫米波信号的波形隔离度。

另一方面，经过本发明所述方法优化后的高隔离度发射波形，可以替代常用的时分MIMO技术。常用的时分MIMO技术采用分时方式依次打开发射通道的信号，用来避免两个发射通道间的信号串扰。在采用本发明所提供的波形优化方法后，可以将2路发射信号同时打开，在将汽车前向防撞雷达的角度分辨率不变的同时，将检测周期缩短为时分MIMO技术所需时间的二分之一，并降低目标跨距离单元所产生的积累损失，具有很好的商业应用价值。

以上对本发明所提供的面向自动驾驶的毫米波正交波形优化方法及车载雷达系统进行了详细的说明。对本领域的一般技术人员而言，在不背离本发明实质内容的前提下对它所做的任何显而易见的改动，都将属于本发明专利权的保护范围。

Claims (10)

1.一种面向自动驾驶的毫米波正交波形优化方法，其特征在于包括如下步骤：

车载雷达系统的第一发射通道发射正调频信号，第二发射通道发射负调频信号，所述正调频信号和所述负调频信号同时发射并相互正交；

车载雷达系统的多路接收通道同时接收所述正调频信号和所述负调频信号，经过功率前级放大后功分为2路并分别采用2路参考信号进行匹配滤波；

每路接收通道的数据依次进行脉冲多普勒积累、目标检测、目标测角，其中在脉冲多普勒积累时将多个调频周期内的数据进行多谱勒维度的快速傅里叶变换，形成距离像数据，据此估计目标的方位角度，实现车载雷达系统对目标的角度测量。

2.如权利要求1所述的毫米波正交波形优化方法，其特征在于：

所述正调频信号分为多个子脉冲信号，在每个子脉冲信号的初始相位叠加对应的相位编码。

3.如权利要求2所述的毫米波正交波形优化方法，其特征在于所述正调频信号的表达式如下所示：

其中，A代表信号调制幅度，i∈{1～52}代表第i个子脉冲，rect(g)代表矩形函数，T表示调频周期的时间长度，B表示带宽，Bc_i为巴克码序列的第i个值，K代表线性调频连续波信号的调频斜率，计算方法为

4.如权利要求1所述的毫米波正交波形优化方法，其特征在于：

所述负调频信号不进行相位编码。

5.如权利要求4所述的毫米波正交波形优化方法，其特征在于所述负调频信号的表达式如下所示：

其中，A代表信号调制幅度，i∈{1～52}代表第i个子脉冲，rect(g)代表矩形函数，T表示调频周期的时间长度，B表示带宽，Bc_i为巴克码序列的第i个值，K代表线性调频连续波信号的调频斜率，计算方法为

6.如权利要求3或5所述的毫米波正交波形优化方法，其特征在于2路参考信号REF₀和REF₁的表达式如下所示：

7.如权利要求6所述的毫米波正交波形优化方法，其特征在于所述距离像数据的表达式如下所示：

8.如权利要求1所述的毫米波正交波形优化方法，其特征在于：

所述参考信号是发射信号的功分耦合信号。

9.如权利要求1所述的毫米波正交波形优化方法，其特征在于：

所述多路接收通道分别具有相应的接收天线，各接收天线之间的间距长度d＝0.λ5，发射天线之间以及发射天线与接收天线的间距为发射信号波长λ的2N倍，其中N为正整数。

10.一种车载雷达系统，其特征在于采用权利要求1～9中任意一项所述的毫米波正交波形优化方法。

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