CN115372910A - 一种基于波形一体化设计的多用户毫米波雷达抗干扰方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于波形一体化设计的多用户毫米波雷达抗干扰方法，包括：(1)各个毫米波雷达读取各自的工作参数并将其编译成先导信息；(2)将先导信息划分成第一先导信息与第二先导信息，通过分频设计将第一先导信息叠加至毫米波雷达信号后发射出去；通过分波束设计分别将第二先导信息、毫米波雷达信号发射出去；(3)接收其他毫米波雷达发射的信号并分离出先导信息；(4)通过短时傅叶变换得到时频图，根据时频图判断各雷达之间是否存在干扰，存在干扰则根据代价函数对波形的参数进行优化；(5)以时间T为周期，更新每个毫米波雷达的工作参数并生成新的先导信息，重复步骤(2)‑(4)。本发明提高了毫米波雷达系统的抗干扰能力。
Description
技术领域
本发明涉及雷达抗干扰的技术领域，具体是涉及一种基于波形一体化设计的多用户毫米波雷达抗干扰方法。
背景技术
毫米波雷达受自然环境的影响小，可全天时全天候的工作，其探测距离适中，因此在自动驾驶及时中常使用毫米波雷达技术实现前车防撞预警、变道辅助、自适应巡航控制以及盲点监测等功能。但是，随着77GHz车载毫米波雷达的广泛使用，雷达间相互干扰的问题接踵而至。
申请号为“202111372757.X”的专利公开了一种该毫米波雷达多用户抗干扰的方法包括：获取雷达发射的带有先导信息的波形；根据波形中的先导信息判断各雷达之间是否存在干扰；当存在干扰时，根据代价函数对波形的参数进行优化，得到优化后的波形；通过各毫米波雷达广播带有各自的工作参数的先导信息，在其他临近的毫米波雷达接收到先导信息后避开相同的工作参数，解决了在自动驾驶和智慧交通中多台毫米波雷达因为工作参数相同而引起相互间干扰的问题。但是该方法并没有考虑雷达发射的带有先导信息的波形中因为混频导致先导信息与毫米波雷达在传递过程中相互干扰的问题。
发明内容
发明目的：针对以上缺点，本发明公开了一种基于波形一体化设计的多用户毫米波雷达抗干扰方法，通过波形一体化设计来传递先导信息与毫米波雷达脉冲信号，避免将先导信息与毫米波雷达脉冲信号混频时导致的相互干扰问题，提高了毫米波雷达系统的抗干扰问题。
技术方案：为解决上述问题，本发明提供一种基于波形一体化设计的毫米波雷达抗干扰方法，具体包括以下步骤：
(1)各个毫米波雷达读取各自的工作参数，将参数信息编译成先导信息；对每个毫米波雷达的先导信息进行编码；
(2)将每个毫米波雷达编码后的先导信息划分成第一先导信息与第二先导信息，通过分频设计将第一先导信息叠加至毫米波雷达信号后发射出去；通过分波束设计分别将第二先导信息、毫米波雷达信号发射出去；
所述第一先导信息包括雷达身份ID、工作带宽、工作频率；第二先导信息包括雷达身份ID、发射频率、调制波形脉冲宽度、波束形状、增益、扫描方式；所述毫米波雷达信号为每个毫米波雷达自身产生的脉冲信号；
(3)每个毫米波雷达接收到来自其他毫米波雷达发射的先导信息和毫米波雷达信号后，通过滤波将接收到的每个毫米波雷达的先导信息与毫米波雷达信号进行分离；
(4)对步骤(3)分离出来的先导信息分别进行解码后再分别进行短时傅叶变换，获得分离出来的先导信息的时频图；根据时频图中包含的工作参数判断各毫米波雷达自身与其他毫米波雷达之间是否存在干扰，当存在干扰时，根据代价函数对各毫米波雷达自身波形的参数进行优化，得到优化后的波形；
(5)以时间T为周期，更新每个毫米波雷达的工作参数并生成新的先导信息，重复步骤(2)至步骤(4)。
进一步的，步骤(4)还包括针对分离出的每个毫米波雷达对应的毫米波雷达信号进行数据缓存、MTD处理、幅度计算、非相参积累、原始点迹提取。通过提取的数据最终实现了距离测量、角度测量、速度测量。
进一步的，步骤(5)中根据代价函数对各毫米波雷达自身波形的参数进行优化，得到优化后的波形具体包括：
所述代价函数公式为：
式中，E为各个毫米波雷达的自相关旁瓣能量与不同编码信号间的互相关能量之和；λ为加权系数；L为发射单元；sl为编码信号；τ为雷达脉冲宽度；A(sl,τ)为编码信号sl的自相关函数；C(sp,sq,τ)是编码信号sp与sq的互相关函数；
采用遗传算法寻求最优的毫米波雷达，将代价函数作为遗传算法的适应度，当代价函数小于预设值时终止寻优，获取最优的毫米波雷达，以最优的毫米波雷达的工作参数为基准对自身的波形参数进行调整，获取优化后的波形。
进一步的，步骤(5)中所述短时傅叶变换公式为：
式中，x(t)为先导信息；w(t-τ)为窗函数。
进一步的，步骤(4)中的滤波方式为卡尔曼滤波。
此外，本发明还提供一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述任一一种方法的步骤。一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述任一一种方法的步骤。
有益效果：本发明提供的一种基于波形一体化设计的多用户毫米波雷达抗干扰方法相对于现有技术而言，其优点在于：1、通过将分频传递毫米波雷达先导信息与分波束传递先导信息结合起来，大大提高了传递信息的速度与信道容量的同时，避免将先导信息与毫米波雷达脉冲信号混频时导致的相互干扰问题；2、先导信息与毫米波雷达脉冲可以共用同一套硬件设施，大大节约了硬件资源与空间。
附图说明
图1所示为本发明所述方法的流程图；
图2所示为本发明所述雷达、先导信息波形一体化后发射与接受模块结构图；
图3所示为本发明所述方法中分频设计传递先导信息的原理结构图；
图4所示为本发明所述方法中分波束传递先导信息的原理结构图；
图5所示为本发明所述先导信息编码和译码流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案进一步说明。
如图1所述，本发明提供一种基于波形一体化设计的多用户毫米波雷达抗干扰方法，具体包括以下步骤：
步骤一、各个毫米波雷达读取各自的工作参数，分别将工作参数编译形成与各个毫米波雷达对应的先导信息。
步骤二、如图2和图5所示，针对每个毫米波雷达的先导信息进行信息编码与信道编码，再将编码后的先导信息与毫米波雷达信号进行波形一体化设计并经过毫米波雷达发射天线发射出去；
具体的，将编码后的各个毫米波雷达的先导信息分成第一先导信息与第二先导信息，第一先导信息包括雷达身份ID、工作带宽、工作频率；第二先导信息包括雷达身份ID、发射频率、调制波形脉冲宽度、波束形状、增益、扫描方式。
如图3所示，将第一先导信息通过分频设计，即将第一先导信息和毫米波雷达信号直接叠加起来；将叠加后的毫米波雷达信号传送至毫米波雷达发射机后再通过毫米波雷达天线发射出去；经分频设计后的毫米波雷达信号的工作频率较高，先导信息的频率是较低。由于毫米雷达信号经过了脉冲压缩，所以用于传递先导信息的时间有限，若仅通过分频设计来传递先导信息会存在先导信息发送不全的情况，故采用分频设计用于传递第一先导信息，采用分波束设计的方式传递第二先导信息。
如图4所述，分波束传递即通过毫米波雷达天线阵列的不同天线来发射毫米波雷达脉冲信号与第二先导信息。
步骤三、如图2和图3所示，每个毫米波雷达通过自身的发射天线阵列发射自身的先导信息和雷达脉冲信号的同时，每个毫米波雷达通过自身的接收天线阵列接收其他毫米波雷达发射的信号；接收到其他毫米波雷达发射的信号后通过卡曼尔滤波将各毫米波雷达对应的先导信息与毫米波雷达信号分离。
步骤四、如图1和图5所示，根据调频对分离出来的先导信息进行解码；针对解码后的先导信息进行短时傅叶变换(STFT)，得到其他毫米波雷达的先导信息对应的时频图。所述短时傅叶变换公式为：
式中，x(t)为先导信息；w(t-τ)为窗函数，窗函数的中心为t＝τ；通过不断的移动窗函数做傅里叶变换，最终得到短时傅里叶变化的结果。
根据时频图中包含的工作参数判断各毫米波雷达自身与其他毫米波雷达之间是否存在干扰；当存在干扰时，根据代价函数对各毫米波雷达自身波形的参数进行优化，得到优化后的波形。
具体的，多用户毫米波雷达进行优化的原理是，为了防止毫米波雷达间的相互干扰，要求各个毫米波雷达的信号是相互正交的；所以每个毫米波雷达间的互相关值应该越小越好，故使用各个毫米波雷达的自相关旁瓣能量与不同编码信号间的互相关能量之和作为优化的代价函数，代价函数公式为：
式中，E为各个毫米波雷达的自相关旁瓣能量与不同编码信号间的互相关能量之和；λ为加权系数；L为发射单元；sl为编码信号；τ为雷达脉冲宽度；A(sl,τ)为编码信号sl的自相关函数；C(sp,sq,τ)是编码信号sp与sq的互相关函数；
对于多用户雷达而言，频率编码信号的自相关系数A(sl,τ)需要尽可能低的旁瓣，同时互相关函数C(sp,sq,τ)也要尽可能的小；多用户雷达的抗干扰就是组合问题寻求最优。通过遗传算法寻求最优的毫米波雷达，将代价函数作为遗传算法的适应度，当代价函数小于预设值时终止寻优，获取最优的毫米波雷达，以最优的毫米波雷达的工作参数为基准调整对自身的波形的参数进行优化，使得优化后的波形信号与最优毫米波雷达的信号正交。
如图1所示，针对分离的先导信息进行处理的同时，针对分离的毫米波雷达信号(雷达反射信号)进行数据缓存、MTD处理、幅度计算、非相参积累、原始点迹提取，进而实现了距离测量、角度测量、速度测量等。先导信息的读取与雷达反射信号处理之间相互并不会干扰。
步骤五、经过T ms后，各个毫米波雷达更新自身的工作参数重新生成先导信息，重复步骤二至步骤四。各个毫米波雷达通过周期性的发送自己的先导信息，接收其他毫米波雷达的先导信息并进行自身波形参数优化，使多用户毫米波雷达保持最优状态，提高工作效率。
Claims (7)
1.一种基于波形一体化设计的多用户毫米波雷达抗干扰方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
(1)各个毫米波雷达读取各自的工作参数，将参数信息编译成先导信息；对每个毫米波雷达的先导信息进行编码；
(2)将每个毫米波雷达编码后的先导信息划分成第一先导信息与第二先导信息，通过分频设计将第一先导信息叠加至毫米波雷达信号后发射出去；通过分波束设计分别将第二先导信息、毫米波雷达信号发射出去；
所述第一先导信息包括雷达身份ID、工作带宽、工作频率；第二先导信息包括雷达身份ID、发射频率、调制波形脉冲宽度、波束形状、增益、扫描方式；所述毫米波雷达信号为每个毫米波雷达自身产生的脉冲信号；
(3)每个毫米波雷达接收到来自其他毫米波雷达发射的先导信息和毫米波雷达信号后，通过滤波将接收到的每个毫米波雷达的先导信息与毫米波雷达信号进行分离；
(4)对步骤(3)分离出来的先导信息分别进行解码后再分别进行短时傅叶变换，获得分离出来的先导信息的时频图；根据时频图中包含的工作参数判断各毫米波雷达自身与其他毫米波雷达之间是否存在干扰，当存在干扰时，根据代价函数对各毫米波雷达自身波形的参数进行优化，得到优化后的波形；
(5)以时间T为周期，更新每个毫米波雷达的工作参数并生成新的先导信息，重复步骤(2)至步骤(4)。
2.根据权利要求1所述的基于波形一体化设计的多用户毫米波雷达抗干扰方法，其特征在于，步骤(4)还包括对分离出的毫米波雷达信号进行数据缓存、MTD处理、幅度计算、非相参积累、原始点迹提取。
3.根据权利要求1所述的基于波形一体化设计的多用户毫米波雷达抗干扰方法，其特征在于，步骤(5)中根据代价函数对各毫米波雷达自身波形的参数进行优化，得到优化后的波形具体包括：
所述代价函数公式为：
l＝1,2,…，L
p≠q p,q＝1,2,…,L
式中，E为各个毫米波雷达的自相关旁瓣能量与不同编码信号间的互相关能量之和；λ为加权系数；L为发射单元；sl为编码信号；τ为雷达脉冲宽度；A(sl,τ)为编码信号sl的自相关函数；C(sp,sq,τ)是编码信号sp与sq的互相关函数；
采用遗传算法寻求最优的毫米波雷达，将代价函数作为遗传算法的适应度，当代价函数小于预设值时终止寻优，获取最优的毫米波雷达，以最优的毫米波雷达的工作参数为基准对自身的波形参数进行调整，获取优化后的波形。
4.根据权利要求1所述的基于波形一体化设计的多用户毫米波雷达抗干扰方法，其特征在于，步骤(5)中所述短时傅叶变换公式为：
式中，x(t)为先导信息；w(t-τ)为窗函数。
5.根据权利要求1所述的基于波形一体化设计的多用户毫米波雷达抗干扰方法，其特征在于，步骤(4)中的滤波方式为卡尔曼滤波。
6.一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现权利要求1至权利要求5任一所述方法的步骤。
7.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现权利要求1至权利要求5任一所述方法的步骤。
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