CN117233705B - 一种基于bpsk调相模式的三发四收方法、系统及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及雷达技术领域，公开了一种基于BPSK调相模式的三发四收方法、系统及装置，其技术方案要点是包括如下步骤：将雷达收发器的收发模式设置为三发四收，根据波形配置规则，控制三个天线发射线性调频信号，同时增加指定天线在一发四收模式下进行发射，并接收对应的回波信号；在接收到的回波信号中分离一发四收波形和三发四收波形，并进行一维FFT和二维FFT计算，对两个波形的二维FFT计算结果分别进行非相参积累，得到对应的Range‑Doppler热图；根据一发四收波形的Range‑Doppler热图，确定指定天线的通道位置，再在三发四收波形的Range‑Doppler热图上确定三个天线的发射通道位置。
Description
技术领域
本发明涉及雷达技术领域，更具体地说，它涉及一种基于BPSK调相模式的三发四收方法、系统及装置。
背景技术
TEF8102汽车雷达收发器是恩智浦公司的一款单芯片、低功耗汽车FMCW（调频连续波）雷达收发器，为毫米波雷达功能提供了完全集成的解决方案，配备三个发射机和四个接收机模块。对于更高角度分辨率的应用，可以使用多发多收（MIMO）技术，包括时分多址技术（TDMA）和多普勒维多址技术（DDMA）等。目前，TEF8102主要使用TDMA方式，取决于后端匹配处理器芯片的处理资源及能力，一个收发器IC可以实现最多12个虚拟接收通道。
时分多址技术TDMA这种发射模式的通道分离十分简单，且芯片层面上也很容易实现，但是其缺点也很明显：
1、同一时刻只有一个发射天线在工作，不能充分利用所有发射资源；
2、随着发射天线数量的增加，后端需要的内存值也会增加；
3、降低脉冲重复频率（PRF）随着发射天线数量增加而降低，进而导致最大无模糊测速范围下降；
4、测角之前需要进行相位补偿。
与TDMA不同，DDMA发射的硬件实现要求低，而且可以在同一时间利用全部发射通道资源。进而可以实现当所有发射天线同时发射，且每个发射天线的起始chirp相位都为0（或者某一固定设置值）的情况下，每个发射天线的前后chirp之间偏移一个特定的不同相位值。因此，通过人为设置的偏移相位使不同发射天线的信号在Doppler域上能准确实地被分离开来。由于TEF8102的二进制移相器（BPSK）只能使发射信号的相位在0度和180度之间切换，因此在一般DDMA模式下，都将其设计为两发四收的收发通道模式。而无法实现三天线同发，使得硬件资源无法充分利用，使得雷达收发器的工作性能无法进一步提高。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于BPSK调相模式的三发四收方法、系统及装置，可以基于TEF8102在二进制移相器（BPSK）模式下实现三发四收，能够更加充分利用三发四收的硬件资源，进一步提高角度估计性能。
本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：一种基于BPSK调相模式的三发四收方法，包括如下步骤：
将雷达收发器的收发模式设置为三发四收，根据二进制移相器的特性，建立以4个profile为一个循环的波形配置规则，波形配置规则包括：配置第一天线，在4个profile，均发射不叠加移相值的线性调频信号；配置第二天线，在profile0和profile2，发射不叠加移相值的线性调频信号，在profile1和profile3，发射叠加移相值后的线性调频信号；配置第三天线，在profile0，发射不叠加移相值的线性调频信号，在profile1和profile3不发射，在profile2，发射叠加移相值的线性调频信号；
根据波形配置规则，控制三个天线向目标发射线性调频信号，同时在三发四收波形之前或之后，增加指定天线在一发四收模式下进行线性调频信号的发射，并接收对应的回波信号；
在接收到的回波信号中分离一发四收波形和三发四收波形，并进行一维FFT和二维FFT计算，对两个波形的二维FFT计算结果分别进行非相参积累，得到对应的Range-Doppler热图；
根据一发四收波形的Range-Doppler热图，确定指定天线的通道位置，根据指定天线通道位置，在三发四收波形的Range-Doppler热图上确定三个天线的发射通道位置。
作为本发明的一种优选技术方案，根据离散傅立叶频移性质，信号在频域的频率偏移，在时域上表现为增加一个线性移相值/>，其中，exp是自然常数e为底的指数函数，K表示信号的采样点数，/>表示虚数单位；
假设雷达收发器共发射N个线性调频信号，将phase(a)表示为第a天线上叠加的移相值，则：
第一天线在4个profile，均不叠加移相值，其移相值；
第二天线在profile0和profile2不叠加移相值，在profile1和profile3施加180度的移相值，即；
第三天线在profile1和profile3不发射，即线性调频信号的数量为N/2，同时在profile0不叠加移相值发射，在profile2叠加移相值发射，则将第三天线发射的每个线性调频信号，拆解为两个二分之一线性调频信号分别增加不同相位后的叠加，将两种发射表示为Tx3_1和Tx3_2，对于Tx3_1，；对于Tx3_2，
。
作为本发明的一种优选技术方案，根据波形配置规则，控制三个天线向目标发射线性调频信号，接收到的回波信号为：
第一天线的回波信号表示为；
第二天线的回波信号表示为
；
第三天线的回波信号为:和
。
作为本发明的一种优选技术方案，Range-Doppler热图中的峰值和三个天线的对应关系为：
基于第一天线的回波信号，经过二维FFT变换后，目标峰值点在速度维不偏移；
基于第二天线的回波信号，经过二维FFT变换后，目标峰值点在速度维偏移N/2个单元；
基于第三天线的回波信号，经过二维FFT变换后，目标在速度维出现两个峰值，且峰值点在速度维分别偏移N/4和3N/4个单元，且峰值能量低于第一天线和第二天线。
作为本发明的一种优选技术方案，在接收回波信号后，将一发四收模式的波形和三发四收模式的波形进行分离，再分别对于两种波形，在距离维和多普勒维分别一维FFT计算和二维FFT计算，分别对两种波形的二维FFT计算结果进行非相参积累，得到Range-Doppler热图。
作为本发明的一种优选技术方案，在得到一发四收的波形的Range-Doppler热图后，进行恒虚警检测，得到目标的距离和速度信息，即为指定天线的发射通道位置。
作为本发明的一种优选技术方案，在确定指定天线的发射通道位置后，根据波形配置规则，在三发四收波形的Range-Doppler热图上得到三个天线的发射通道位置。
作为本发明的一种优选技术方案，在chirp数为N的情况下，设目标的第一天线的通道位置为x，则在二进制移相器（BPSK）模式下，第二天线的通道位置为，其中，mod（A,B）表示A和B相除的余数，第三天线的通道位置为/>和。
一种基于BPSK调相模式的三发四收系统，包括：
天线配置模块，用于将雷达收发器的收发模式设置为三发四收，根据二进制移相器的特性，建立以4个profile为一个循环的波形配置规则，波形配置规则包括：配置第一天线，在4个profile，均发射不叠加移相值的线性调频信号；配置第二天线，在profile0和profile2，发射不叠加移相值的线性调频信号，在profile1和profile3，发射叠加移相值后的线性调频信号；配置第三天线，在profile0，发射不叠加移相值的线性调频信号，在profile1和profile3不发射，在profile2，发射叠加移相值的线性调频信号；
信号发射控制模块，用于根据波形配置规则，控制三个天线向目标发射线性调频信号，同时在三发四收波形之前或之后，增加指定天线在一发四收模式下进行线性调频信号的发射，并接收对应的回波信号；
回波信号处理模块，用于在接收到的回波信号中分离一发四收波形和三发四收波形，并进行一维FFT和二维FFT计算，对两个波形的二维FFT计算结果分别进行非相参积累，得到对应的Range-Doppler热图；
通道分离模块，用于根据一发四收波形的Range-Doppler热图，确定指定天线的通道位置，根据指定天线通道位置，在三发四收波形的Range-Doppler热图上确定三个天线的发射通道位置。
一种基于BPSK调相模式的三发四收装置，包括：处理器和存储器，所述存储器存储有所述处理器可执行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述方法。
综上所述，本发明具有以下有益效果：通过设计发射相位调制规则等配置，可以基于TEF8102在二进制移相器（BPSK）模式下实现三发四收，能够更加充分利用三发四收的硬件资源，进一步提高角度估计性能。与目前主要使用的传统TDMA模式相比，本发明方法具有更大的速度模糊范围，而且在相同内存空间下可以实现更高的速度/距离分辨率。
附图说明
图1是本发明方法的流程图；
图2是本发明的非相参幅值图；
图3是本发明的Range-Doppler热图；
图4是本发明的三根发射天线上的DDMA区间示意图；
图5是发明的发射原理示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步详细说明。
如图1-5所示，本发明提供一种基于BPSK调相模式的三发四收方法和系统，其中，本发明的方法通过系统中的天线配置模块、信号发射控制模块、回波信号处理模块以及通道分离模块来执行，其步骤如下：
S1、通过天线配置模块，将雷达收发器的收发模式设置为三发四收，根据二进制移相器的特性，建立以4个profile为一个循环的波形配置规则。
波形配置规则包括：配置第一天线，在4个profile，均发射不叠加移相值的线性调频信号；配置第二天线，在profile0和profile2，发射不叠加移相值的线性调频信号，在profile1和profile3，发射叠加移相值后的线性调频信号；配置第三天线，在profile0，发射不叠加移相值的线性调频信号，在profile1和profile3不发射，在profile2，发射叠加移相值的线性调频信号；
由于TEF8102的二进制移相器只能使发射信号的相位在0度和180度之间切换，不能直接使用DDMA方式实现三根发射天线的分离，因此，在TEF8102单轮发射只能设置4个profile（profile为chirp模板，可配置不同参数）的前提下，本发明设计了一种特殊的波形配置规则，如表1。表中数字表示调相设置，X表示该通道不发射，4个profile分别用profile0、profile1、profile2、profile3表示，三个天线分别用Tx1、Tx2、Tx3表示。
表1
具体的，根据离散傅立叶频移性质，信号在频域的频率偏移，在时域上表现为增加一个线性移相值/>，其中，exp是自然常数e为底的指数函数，K表示信号的采样点数，/>表示虚数单位；
假设雷达收发器共发射N个线性调频信号，将phase(a)表示为第a天线上叠加的移相值，则：
第一天线在4个profile，均不叠加移相值，其移相值；
第二天线在profile0和profile2不叠加移相值，在profile1和profile3施加180度的移相值，即
；
第三天线在profile1和profile3不发射，即线性调频信号的数量为N/2，同时在profile0不叠加移相值发射，在profile2叠加移相值发射，则将第三天线发射的每个线性调频信号，拆解为两个二分之一线性调频信号分别增加不同相位后的叠加，将两种发射表示为Tx3_1和Tx3_2，其调相方式如表2所示，其中，为Tx3的发射信号，括号内数字表示调相设置；
表2
profile0：相位不偏移等效于两个1/2的发射信号叠加；
profile1：不发射信号等效于两个1/2发射信号分别移相90°和-90°后叠加；
profile2：相位偏转180°等效于两个1/2发射信号分别移相180°和-180°后叠加；
profile3：不发射信号等效于两个1/2发射信号分别移相270°和-270°后叠加。
因此，对于Tx3_1，；
对于Tx3_2，。
S2、通过信号发射控制模块，根据波形配置规则，控制三个天线向目标发射线性调频信号，同时在三发四收波形之前或之后，增加指定天线在一发四收模式下进行线性调频信号的发射，并接收对应的回波信号；
根据S1中三个天线的移相值表达式，则：
第一天线的回波信号表示为；
第二天线的回波信号表示为；
第三天线的回波信号为：和/>。
S3、通过回波信号处理模块，在接收回波信号后，将一发四收模式的波形和三发四收模式的波形进行分离，再分别对于两种波形，在距离维和多普勒维分别一维FFT计算和二维FFT计算，分别对两种波形的二维FFT计算结果进行非相参积累，得到Range-Doppler热图。
如图2所示，Range-Doppler热图中的峰值和三个天线的对应关系为：
基于第一天线的回波信号，经过二维FFT变换后，目标峰值点在速度维不偏移；
基于第二天线的回波信号，经过二维FFT变换后，目标峰值点在速度维偏移N/2个单元；
基于第三天线的回波信号，经过二维FFT变换后，目标在速度维出现两个峰值，且峰值点在速度维分别偏移N/4和3N/4个单元，且峰值能量低于第一天线和第二天线。
综上所述，在本发明设计的调相方式下，可以将三根发射天线在Doppler维实现正交分离，如图3。一般的，在单发多收（SIMO）模式下，雷达的不模糊速度区间是，而在本发明设计的波形模式下，如果目标的速度单元/>，则三根发射天线Tx1/2/3的回波信号所在区间如图4所示，可以按照顺序依次分离出Tx1/2/3的数据。但实际使用中，v的需求远大于该范围，Tx1/2/3的对应区间也会发生改变，无法获取各通道的真实位置，因此为了解决这个问题，需要执行S4的步骤。
S4、通过通道分离模块，根据一发四收波形的Range-Doppler热图，得到指定天线的速度索引，从而确定指定天线的发射通道位置，从而进一步的能在三发四收波形的Range-Doppler热图确定每个天线的通道位置。
具体的，在得到一发四收的波形的Range-Doppler热图后，进行恒虚警检测，得到目标的距离和速度信息，即为指定天线的发射通道位置。假设指定天线为第一天线，则可以通过一发四收模式发射波形，判断第一天线在Range-Doppler热图上的速度索引。
在确定指定天线的发射通道位置后，根据波形配置规则，在三发四收波形的Range-Doppler热图上得到三个天线的发射通道位置。
在chirp数为N的情况下，设目标的第一天线的通道位置为x，则在二进制移相器（BPSK）模式下，第二天线的通道位置为，其中，mod（A,B）表示A和B相除的余数，第三天线的通道位置为/>和/>。
更进一步的，根据三根天线的通道位置，获取DDMA模式下12个虚拟接收通道的二维FFT数据；结合天线布局进行目标的角度估计运算，最终实现目标点迹的输出。
对应于上述的方法和系统，本发明还提供一种基于BPSK调相模式的三发四收装置，包括：处理器和存储器，存储器存储有处理器可执行的计算机程序，处理器执行计算机程序时实现上述的方法。
本发明的优势在于：通过设计发射相位调制规则等配置，可以基于TEF8102在二进制移相器（BPSK）模式下实现三发四收，能够更加充分利用三发四收的硬件资源，进一步提高角度估计性能。与目前主要使用的传统TDMA模式相比，本发明方法具有更大的速度模糊范围，而且在相同内存空间下可以实现更高的速度/距离分辨率。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种基于BPSK调相模式的三发四收方法，其特征是：包括如下步骤：
将雷达收发器的收发模式设置为三发四收，根据二进制移相器的特性，建立以4个profile为一个循环的波形配置规则，波形配置规则包括：配置第一天线，在4个profile，均发射不叠加移相值的线性调频信号；配置第二天线，在profile0和profile2，发射不叠加移相值的线性调频信号，在profile1和profile3，发射叠加移相值后的线性调频信号；配置第三天线，在profile0，发射不叠加移相值的线性调频信号，在profile1和profile3不发射，在profile2，发射叠加移相值的线性调频信号；
根据波形配置规则，控制三个天线向目标发射线性调频信号，同时在三发四收波形之前或之后，增加指定天线在一发四收模式下进行线性调频信号的发射，并接收对应的回波信号；
在接收到的回波信号中分离一发四收波形和三发四收波形，并进行一维FFT和二维FFT计算，对两个波形的二维FFT计算结果分别进行非相参积累，得到对应的Range-Doppler热图；
在得到一发四收的波形的Range-Doppler热图后，进行恒虚警检测，得到目标的距离和速度信息，即为指定天线的发射通道位置，根据指定天线通道位置，在三发四收波形的Range-Doppler热图上确定三个天线的发射通道位置，在chirp数为N的情况下，设目标的第一天线的通道位置为x，则在二进制移相器（BPSK）模式下，第二天线的通道位置为，其中，mod（A,B）表示A和B相除的余数，第三天线的通道位置为和/>。
2.根据权利要求1所述的一种基于BPSK调相模式的三发四收方法，其特征是：根据离散傅立叶频移性质，信号在频域的频率偏移，在时域上表现为增加一个线性移相值，其中，exp是自然常数e为底的指数函数，K表示信号的采样点数，/>表示虚数单位；
假设雷达收发器共发射N个线性调频信号，将phase(a)表示为第a天线上叠加的移相值，则：
第一天线在4个profile，均不叠加移相值，其移相值；
第二天线在profile0和profile2不叠加移相值，在profile1和profile3施加180度的移相值，即；
第三天线在profile1和profile3不发射，即线性调频信号的数量为N/2，同时在profile0不叠加移相值发射，在profile2叠加移相值发射，则将第三天线发射的每个线性调频信号，拆解为两个二分之一线性调频信号分别增加不同相位后的叠加，将两种发射表示为Tx3_1和Tx3_2，对于Tx3_1，；对于Tx3_2，
。
3.根据权利要求2所述的一种基于BPSK调相模式的三发四收方法，其特征是：根据波形配置规则，控制三个天线向目标发射线性调频信号，接收到的回波信号为：
第一天线的回波信号表示为；
第二天线的回波信号表示为
；
第三天线的回波信号为:和
。
4.根据权利要求3所述的一种基于BPSK调相模式的三发四收方法，其特征是：Range-Doppler热图中的峰值和三个天线的对应关系为：
基于第一天线的回波信号，经过二维FFT变换后，目标峰值点在速度维不偏移；
基于第二天线的回波信号，经过二维FFT变换后，目标峰值点在速度维偏移N/2个单元；
基于第三天线的回波信号，经过二维FFT变换后，目标在速度维出现两个峰值，且峰值点在速度维分别偏移N/4和3N/4个单元，且峰值能量低于第一天线和第二天线。
5.一种基于BPSK调相模式的三发四收系统，其特征是：包括：
天线配置模块，用于将雷达收发器的收发模式设置为三发四收，根据二进制移相器的特性，建立以4个profile为一个循环的波形配置规则，波形配置规则包括：配置第一天线，在4个profile，均发射不叠加移相值的线性调频信号；配置第二天线，在profile0和profile2，发射不叠加移相值的线性调频信号，在profile1和profile3，发射叠加移相值后的线性调频信号；配置第三天线，在profile0，发射不叠加移相值的线性调频信号，在profile1和profile3不发射，在profile2，发射叠加移相值的线性调频信号；
信号发射控制模块，用于根据波形配置规则，控制三个天线向目标发射线性调频信号，同时在三发四收波形之前或之后，增加指定天线在一发四收模式下进行线性调频信号的发射，并接收对应的回波信号；
回波信号处理模块，用于在接收到的回波信号中分离一发四收波形和三发四收波形，并进行一维FFT和二维FFT计算，对两个波形的二维FFT计算结果分别进行非相参积累，得到对应的Range-Doppler热图；
通道分离模块，用于在得到一发四收的波形的Range-Doppler热图后，进行恒虚警检测，得到目标的距离和速度信息，即为指定天线的发射通道位置，根据指定天线通道位置，在三发四收波形的Range-Doppler热图上确定三个天线的发射通道位置，在chirp数为N的情况下，设目标的第一天线的通道位置为x，则在二进制移相器（BPSK）模式下，第二天线的通道位置为，其中，mod（A,B）表示A和B相除的余数，第三天线的通道位置为和/>。
6.一种基于BPSK调相模式的三发四收装置，其特征是：包括：处理器和存储器，所述存储器存储有所述处理器可执行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现权利要求1-4中任一项所述的方法。
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