CN117452345B

CN117452345B - 一种毫米波雷达探测距离动态调节的方法及毫米波雷达

Info

Publication number: CN117452345B
Application number: CN202311797113.4A
Authority: CN
Inventors: 柯文河; 唐建山; 张巩固; 杨爱兰; 龙文辛
Original assignee: Jiangxi Lianchuang Electronic Co Ltd
Current assignee: Jiangxi Lianchuang Electronic Co Ltd
Priority date: 2023-12-26
Filing date: 2023-12-26
Publication date: 2024-06-04
Anticipated expiration: 2043-12-26
Also published as: CN117452345A

Abstract

本发明涉及雷达技术领域，具体涉及到一种毫米波雷达探测距离动态调节的方法及毫米波雷达。调节的方法包括步骤：毫米波雷达依据初始射频调频带宽B1和初始工作频率fα发射信号；根据毫米波雷达与最远目标的距离将射频调频带宽调整为B2；毫米波雷达依据调整后的射频调频带宽B2和初始工作频率fα发射信号；捕捉毫米波雷达发射路径中目标的第二回波信号，计算毫米波雷达与探测范围内目标的距离。本发明通过可变射频调频带宽的设计，可针对同一目标计算出多种运算下对应的目标距离，通过多种运算验证目标距离是否有效，以剔除无效的目标距离。

Description

一种毫米波雷达探测距离动态调节的方法及毫米波雷达

技术领域

本发明涉及雷达技术领域，具体涉及到一种毫米波雷达探测距离动态调节的方法及毫米波雷达。

背景技术

随着汽车工业的发展，无论是厂家还是消费者开始对汽车行驶安全问题越来越重视。毫米波雷达作为智能安全驾驶领域最重要的传感器，近年受到越来越多的关注，同时对于毫米波雷达的性能也提出了更高的要求，如前向的自适应巡航和紧急自动对毫米波雷达的探测距离和距离分辨率提出更高的要求。

毫米波雷达的探测距离与毫米波雷达的射频调频带宽呈负相关，即毫米波雷达的射频调频带宽越宽，毫米波雷达的探测距离越短；毫米波雷达的距离分辨率与毫米波雷达的射频调频带宽呈正相关，即毫米波雷达的射频调频带宽越宽，毫米波雷达的距离分辨率精度越高。因此对于毫米波雷达而言，探测距离与距离分辨不可避免的存在矛盾关系，探测距离越远距离分辨率精度越低，探测距离越近距离分辨率精度越高。

毫米波雷达需要通过中频滤波器带宽计算出目标距离参数，中频滤波器带宽通过目标回波信号的上扫频的中频频率和下扫频的中频频率计算得出。但是，如果有多个目标，则会有多个上扫频的中频频率和多个下扫频的中频频率，上扫频的中频频率和下扫频的中频频率无法进行一一对应，多个上扫频的中频频率和多个下扫频的中频频率任意组合，会计算出很多个目标距离，导致目标距离的数量远超过目标数量，大部分目标距离对应的目标是虚假目标，这样会带来非常高的虚假率。因此对于毫米波雷达而言，正确识别多个目标消除虚假目标是设计时需要考虑的问题。

发明内容

本发明的目的在于至少解决现有技术中存在的技术问题之一，提供一种毫米波雷达探测距离动态调节的方法及毫米波雷达。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：一种毫米波雷达探测距离动态调节的方法，包括步骤：

S10：毫米波雷达依据初始射频调频带宽B1和初始工作频率fα发射信号；

S20：捕捉毫米波雷达发射路径中目标的第一回波信号，计算毫米波雷达与最远目标的距离，并根据毫米波雷达与最远目标的距离将射频调频带宽调整为B2；

S30：毫米波雷达依据调整后的射频调频带宽B2和初始工作频率fα发射信号；

S40：捕捉毫米波雷达发射路径中目标的第二回波信号，计算毫米波雷达与探测范围内目标的距离；得出在初始射频调频带宽和初始工作频率条件下计算的第一距离以及在初始工作频率和可变射频调频带宽条件下计算的第二距离，通过比对第一距离和第二距离来剔除虚假目标；

S50：重复步骤S10至S40。

进一步的，调整后的射频调频带宽B2对应的毫米波雷达最大探测距离与步骤S20中毫米波雷达与最远目标的距离相等。

进一步的，毫米波雷达最大探测距离计算公式为：

，

其中，为最大探测距离，Pt为发射功率，Gt为发射天线增益，Gr为接受天线增益，σ为散射截面面积，λ为发射信号中心频率波长，Pr为接受灵敏度，K为玻尔曼兹常数，f为发射信号与回波信号的差频，即中频滤波器带宽，/>为开尔文温度，NF为噪声系数，SNR为噪声比。

进一步的，目标与毫米波雷达的距离计算公式为：

，

其中，R为目标与毫米波雷达的距离，t是目标回波的延时,c为真空光速，T为扫频周期，f为中频滤波器带宽，B为射频调频带宽。

进一步的，在初始射频调频带宽和初始工作频率条件下计算的第一距离为：

，

其中，R1为目标与毫米波雷达的第一距离，t是目标回波的延时,c为真空光速，T为扫频周期，fa是第一中频滤波器带宽，f1为运动目标的第一回波信号在上扫频的中频频率，fo为运动目标引起的多普勒频率，B1为初始射频调频带宽。

进一步的，在初始工作频率和可变射频调频带宽条件下计算的第二距离为：

，

其中，R2为目标与毫米波雷达的第二距离，t是目标回波的延时,c为真空光速，T为扫频周期，fb是第二中频滤波器带宽，f3为运动目标的第二回波信号在上扫频的中频频率，fo为运动目标引起的多普勒频率，B2为调整后的射频调频带宽。

进一步的，判断第一距离和第二距离之间的误差是否超过5%；

当第一距离和第二距离之间的误差不超过5%，则认为两个距离所对应的目标为真实目标；

当第一距离和第二距离之间的误差超过5%，则认为两个距离所对应的目标为虚假目标，剔除虚假目标。

本发明还提供了一种毫米波雷达，包括天线模块、处理模块、电源模块、控制电路模块，所述处理模块采用上述的毫米波雷达探测距离动态调节的方法对毫米波雷达的探测距离进行动态调节。

由上述对本发明的描述可知，与现有技术相比，本发明至少包括以下有益效果之一：

1. 本发明通过可变射频调频带宽的设计，可针对同一目标计算出多种运算下对应的目标距离，通过多种运算验证目标距离是否有效，以剔除无效的目标距离，有效提高了毫米波雷达的工作效率，以正确识别多个目标并消除虚假目标。

2.本发明通过单个毫米波雷达实现测距、测速、多目标识别和跟踪等功能，有效的减少了单车需要搭载的毫米雷达数量，降低的毫米波雷达的装车门槛。

3. 本发明通过可变射频调频带宽的设计，使得毫米波雷达能够将两个不同射频调频带宽的工作周期内的两组测量结果进行比对，提高了毫米波雷达的工作效率，有效地剔除无效目标；同时还能够取得最优距离分辨率，提高了毫米波雷达全探测距离的探测精度，使得毫米波雷达无论是针对近距离还是远距离的目标时，降低将两个间隔接近的单独目标误判为一个目标的可能性；并且不同波形的可变射频调频带宽适应不同的车载雷达试用场景，有效提高了毫米波雷达的普适性。

附图说明

图1为本发明实施例中一种毫米波雷达探测距离动态调节的方法的步骤流程图；

图2为现有技术中毫米波雷达探测到目标情况下的关系图；

图3为本发明实施例中毫米波雷达探测到目标情况下的关系图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”、“顶/底端”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置有”、“套设/接”、“连接”等，应做广义理解，例如“连接”，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

参照图1所示，本发明的优选实施例，一种毫米波雷达探测距离动态调节的方法，包括步骤：

S50：重复步骤S10至S40。

本发明通过可变射频调频带宽的设计，可针对同一目标计算出多种运算下对应的目标距离，通过多种运算验证目标距离是否有效，以剔除无效的目标距离，有效提高了毫米波雷达的工作效率，以正确识别多个目标并消除虚假目标。

本发明通过单个毫米波雷达实现测距、测速、多目标识别和跟踪等功能，有效的减少了单车需要搭载的毫米雷达数量，降低的毫米波雷达的装车门槛。本发明通过可变射频调频带宽的设计，使得毫米波雷达能够将两个不同射频调频带宽的工作周期内的两组测量结果进行比对，提高了毫米波雷达的工作效率，有效地剔除无效目标；同时还能够取得最优距离分辨率，提高了毫米波雷达全探测距离的探测精度，使得毫米波雷达无论是针对近距离还是远距离的目标时，降低将两个间隔接近的单独目标误判为一个目标的可能性；并且不同波形的可变射频调频带宽适应不同的车载雷达试用场景，有效提高了毫米波雷达的普适性。

作为本发明的优选实施例，其还可具有以下附加技术特征：

在本实施例中，调整后的射频调频带宽B2对应的毫米波雷达最大探测距离与步骤S20中毫米波雷达与最远目标的距离相等。

依据毫米波雷达距离分辨率计算公式，c为真空光速，B为射频调频带宽，fs为采样频率，NC为采样点数；可知当射频调频带宽B越小时，毫米波雷达的距离分辨率ΔR值越大，即毫米波雷达的距离分辨率精度越低；当射频调频带宽B越大时，毫米波雷达的距离分辨率ΔR值越小，即毫米波雷达的距离分辨率精度越高。由此可知，毫米波雷达的最大探测距离/>越大则距离分辨率精度越低，最大探测距离/>越小距离分辨率精度越高；所以，如果能够根据目标与毫米波雷达之间的距离R调整毫米波雷达的射频调频带宽B，可以实现毫米波雷达的最大探测距离/>与距离分辨率ΔR的最优解。

因此，当调整后的射频调频带宽B2对应的毫米波雷达最大探测距离与步骤S20中毫米波雷达与最远目标的距离相等时，能够取得最优距离分辨率，提高了毫米波雷达全探测距离的探测精度。

在本实施例中，毫米波雷达最大探测距离计算公式为：

，

初始射频调频带宽B1对应了一个最大探测距离，调整后的射频调频带宽B2也对应了一个最大探测距离/>，/>与步骤S20中毫米波雷达与最远目标的距离相等。因此/>是大于/>的，调整后的射频调频带宽B2取得了最优距离分辨率。

B2是根据毫米波雷达最大探测距离计算公式计算得出的。首先，在步骤S20中，可以求得毫米波雷达与最远目标的距离，此距离等于；将/>代入中可以求出Pr，将Pr代入中可以求出/>，将/>代入/>中，并使/>取值/>，可求出对应的B，该B值即为调整后的射频调频带宽B2的取值。

在本实施例中，对于目标与毫米波雷达的距离计算公式为：

，

在本实施例中，在初始射频调频带宽和初始工作频率条件下计算的第一距离为：

，

在本实施例中，在初始工作频率和可变射频调频带宽条件下计算的第二距离为：

，

在本实施例中，判断第一距离和第二距离之间的误差是否超过5%；

以下结合现有技术对本发明做进一步的陈述：

如图2所示，为现有技术中毫米波雷达探测到目标情况下的关系图：(a)为毫米波雷达的发射信号、回波信号的时间-瞬时频率关系图；(b)为毫米波雷达遇到目标产生回波的中频信号的时间-瞬时频率关系图；(c)为毫米波雷达的射频调频带宽的时间-瞬时频率关系图。图中包括毫米波雷达发射信号的瞬时频率、静止目标的回波信号、运动目标的回波信号。这里所说的静止目标指的是目标相对毫米波雷达在第N个工作周期和第N+1个工作周期中的两次探测位置基本不变，目标不一定严格相对毫米波雷达静止，比如两者可以先靠近后远离使得两次探测位置基本不变。这里所说的运动目标是指目标相对毫米波雷达在第N个工作周期和第N+1个工作周期中的两次探测位置发生改变。其中，t是目标回波的延时，fa是中频滤波器带宽，f1、f2分别是运动目标的回波在上扫频和下扫频的中频频率，T是扫频周期，fo是运动目标引起的多普勒频率，B1是初始射频调频带宽，fα是初始工作频率。由图可得，fa=f1+fo=f2-fo。所以有：/>。假设回波信号是由一个目标引起的，则/>。由于c、B1、T是预先确定的参数，这样只需要计算出回波信号的上扫频和下扫频的中频频率f1、f2，就可以得出目标的距离。

在现有技术中，毫米波雷达在采用固定工作频率和固定射频调频带宽模式下的工作步骤如下：

S11：第N个工作周期，毫米波雷达依据初始射频调频带宽B1和固定工作频率fα发射信号；

S12：捕捉毫米波雷达发射路径中目标的回波信号，计算毫米波雷达与探测范围内的目标之间的距离；

S13：第N+1个工作周期，毫米波雷达依据初始射频调频带宽B1和固定工作频率fα发射信号。

毫米波雷达在采用固定工作频率和固定射频调频带宽模式下，针对有效范围内的目标所采集到的回波信号经过运算处理后可以得到上扫频和下扫频的中频频率f1、f2，此时毫米波雷达对于同一目标的中频滤波器带宽只存在一个值fa，因此如果后续扫描过程中发现与前值fa相等的中频滤波器带宽，那么默认该目标为虚假目标，只能初步剔除其他雷达的干扰所造成的虚假目标。

如果存在N个目标，那么则会由N个上扫频的中频频率f1和N个下扫频的中频频率f2，最多可以有N²种组合方式，根据目标与毫米波雷达的距离计算公式可知，相应的会得到N²个目标，那么其中N²-N个是虚假目标，这样会带来非常高的虚假率，因此如何降低毫米波雷达产生的目标错误判断的可能性成为本发明需要解决的首要问题。

图3为本申请的毫米雷达在采用固定工作频率和可变射频调频带宽模式下的关系图：(a)为毫米波雷达的发射信号、回波信号的时间-瞬时频率关系图；(b)为毫米波雷达遇到目标产生回波的中频信号的时间-瞬时频率关系图；(c)为毫米波雷达的射频调频带宽的时间-瞬时频率关系图。图中包括毫米波雷达发射信号的瞬时频率、静止目标的回波信号、运动目标的回波信号。其中，t是目标回波的延时，fa、fb分别是第一、二中频滤波器带宽，f1、f3是运动目标的第一回波信号、第二回波信号在上扫频的中频频率，f2、f4是运动目标的第一回波信号、第二回波信号在下扫频的中频频率，T是扫频周期，fo是运动目标引起的多普勒频率，B1是初始射频调频带宽，B2是调整后的射频调频带宽，fα是初始工作频率。由图可得，fa=f1+fo=f2-fo，fb=f3+fo=f4-fo。所以有：。假设回波信号是由一个目标引起的，则在初始射频调频带宽和初始工作频率条件下可测得目标的距离，那么在可变射频调频带宽条件下测得目标的距离/>。由于c、B1、B2、T是预先确定的参数，这样只需要计算出回波信号的上扫频的中频频率f1、f3和下扫频的中频频率f2、f4就可以得出目标的距离。

毫米波雷达在采用固定工作频率和可变射频调频带宽模式下，针对有效范围内的目标所采集到的回波信号经过运算处理后可以得到上扫频的中频频率f1、f3和下扫频的中频频率f2、f4，此时毫米波雷达对于同一目标的中频滤波器带宽存在两个不相等的值fa、fb，因此对于同一目标在扫描过程中发现与前值fa、fb分别相等的中频滤波器带宽，那么就默认该目标为虚假目标，故可以初步剔除其他雷达的干扰所造成的虚假目标。

进一步的，那么如果存在N个目标，那么则会由N个上扫频的中频频率f1和N个下扫频的中频频率f2组合而成的N²种组合方式，再由N个上扫频的中频频率f3和N个下扫频的中频频率f4组合而成的N²种组合方式。根据目标与毫米波雷达的两种运算公式可计算得到两个距离，同一目标的计算距离应该为相近的值，且计算距离误差不超过5%则认为是相近的值。因此将本发明的两种运算计算出的两组数据叠加后可以得出N个真实目标的距离，具体的，当采用所述两种运算计算出的两个距离之间的误差不超过5%，则认为两个距离所对应的目标为真实目标；当采用所述两种运算计算出的两个距离之间的误差超过5%，则认为两个距离所对应的目标为虚假目标，剔除虚假目标。

在上述的实施例中，毫米波雷达在初始射频调频带宽B1的模式下取得最远探测距离，图3中其中第N个和第N+2个工作周期采用初始射频调频带宽B1的目的是为了保证毫米波雷达间歇性的保持最远探测距离，提高毫米波雷达系统的安全性。

在上述的实施例中，毫米波雷达的一帧由一个上扫频周期与一个下扫频周期组成，每间隔时间2T进行一帧的发射，采用快时间采样相对于慢时间采样具有更高的采样效率。在本实施例中预设的一帧由一个上扫频周期与一个下扫频周期组成，是为了具体说明本发明的设计思路，并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。

在上述的实施例中，调整毫米波雷达的工作频率的目的是为了降低其他毫米波雷达直接发射的电磁波或目标反射其他毫米波雷达发射的电磁的同频干扰。

在上述的实施例中，调整毫米波雷达的射频调频带宽的目的同样是为了降低其他毫米波雷达直接发射的电磁波或目标反射其他毫米波雷达发射的电磁的同频干扰，并且还能带来提高毫米波雷达探测精度的附加效果。

当目标距离毫米波雷达相对较远时，需要的是远距离的探测距离，能够识别出远距离存在目标。当远距离探测与近距离探测共用一套毫米波雷达系统时，这主要取决于毫米波雷达的射频调频带宽，射频调频带宽越小，探测距离越远，现有的77GHz毫米波雷达系统在250MHz的射频调频带宽，其探测距离最远可达1200m，更好的探测距离有助于探测非常远的目标。

当目标距离毫米波雷达相对较近时，需要的是高精度的距离分辨率，能够将两个间隔很近的目标解析为两个单独的目标。这主要取决于毫米波雷达的射频调频带宽，射频调频带宽越大，距离分辨率越清晰，现有的77GHz毫米波雷达系统支持最大5GHz的射频调频带宽，其距离分辨率可低至3cm，更好的距离分辨率有助于探测非常近的物体，从而改善毫米波雷达的最小检测范围。

本发明的毫米波雷达基于调频连续波扫描方式，该种类的毫米波雷达扫描方式具有辐射功率小、距离分辨率高、设备相对简单、易于实现固态化设计、具有良好的电子对抗和低截获概率等优势，通过发射信号与回波信号相干混频，得到包含目标距离和速度信息的差频信号，然后对差频信号进行处理和检测即可得到目标的距离和速度。

对于调频连续波扫描方式测量目标的距离和速度，一般有两种方法：三角波和锯齿波。本发明实施例中默认将波形设置为三角波，是为了具体说明本发明的设计思路，并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。

上述列举的工作方式中可变射频调频带宽的不仅能够提高毫米波雷达探测精度，而且能够进一步地提升毫米波雷达的抗干扰能力。

毫米波雷达的可变射频调频带宽可通过以下方式进行控制：调整毫米波雷达的发射信号频率、接收信号频率范围，调整毫米波雷波雷达的解调器和混频器的工作参数，采用毫米波雷达采用不同类型的天线，调整毫米波雷达天线的波束宽度，调整调频脉冲信号的调频斜率和扫频范围等。上述中的一些可以单独使用或结合使用，以满足不同应用和性能要求。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其改进构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims

1.一种毫米波雷达探测距离动态调节的方法，其特征在于，包括步骤：

S20：捕捉毫米波雷达发射路径中目标的第一回波信号，计算毫米波雷达与最远目标的距离，并根据毫米波雷达与最远目标的距离将射频调频带宽调整为B2；调整后的射频调频带宽B2对应的毫米波雷达最大探测距离与步骤S20中毫米波雷达与最远目标的距离相等；

S50：重复步骤S10至S40。

2.根据权利要求1所述的毫米波雷达探测距离动态调节的方法，其特征在于，毫米波雷达最大探测距离计算公式为：

Pr＝10*lg(K*f*Tk)+NF+SNR，

其中，R_max为最大探测距离，Pt为发射功率，Gt为发射天线增益，Gr为接受天线增益，σ为散射截面面积，λ为发射信号中心频率波长，Pr为接受灵敏度，K为玻尔曼兹常数，f为发射信号与回波信号的差频，即中频滤波器带宽，Tk为开尔文温度，NF为噪声系数，SNR为噪声比。

3.根据权利要求1所述的毫米波雷达探测距离动态调节的方法，其特征在于，目标与毫米波雷达的距离计算公式为：

4.根据权利要求1所述的毫米波雷达探测距离动态调节的方法，其特征在于，在初始射频调频带宽和初始工作频率条件下计算的第一距离为：

5.根据权利要求1所述的毫米波雷达探测距离动态调节的方法，其特征在于，在初始工作频率和可变射频调频带宽条件下计算的第二距离为：

6.根据权利要求1所述的毫米波雷达探测距离动态调节的方法，其特征在于，判断第一距离和第二距离之间的误差是否超过5％；

当第一距离和第二距离之间的误差不超过5％，则认为两个距离所对应的目标为真实目标；

当第一距离和第二距离之间的误差超过5％，则认为两个距离所对应的目标为虚假目标，剔除虚假目标。

7.一种毫米波雷达，包括天线模块、处理模块、电源模块、控制电路模块，其特征在于，所述处理模块采用如权利要求1～6中任一项所述的毫米波雷达探测距离动态调节的方法对毫米波雷达的探测距离进行动态调节。