CN102288942A - 一种毫米波雷达信号波形的设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种毫米波雷达信号波形的设计方法，特别涉及复杂道路或军用环境的多目标识别情况下的雷达信号波形的设计方法，属于雷达通信技术领域。采用线性调频连续波雷达体制和伪随机编码连续波雷达体制结合的方式，同时在汽车防碰撞雷达发射信号波形设计过程中采用变周期的方式。本发明利用伪随机编码的良好相关特性实现对大距离目标的有效检测；采用线性调频与伪随机编码结合的方式能够有效抑制距离旁瓣；在汽车防碰撞雷达发射信号波形设计过程中采用灵活变周期方式，有助于复杂环境下多目标的检测；伪随机码调相可实现对不同车载雷达的不同编码，以消除迎面车辆雷达造成的干扰。

Description

一种毫米波雷达信号波形的设计方法

技术领域

本发明涉及一种毫米波雷达信号波形的设计方法，特别涉及复杂道路或军用环境的多目标识别情况下的雷达信号波形的设计方法，属于雷达通信技术领域。

背景技术

在汽车主动防碰撞***以及军用多目标存在的环境下，雷达的各个方向在多数情况下面临多目标状况，除了依靠天线波束分辨不同方位的目标情况，在同方位方向上的多目标只能依靠毫米波雷达的测距信号的分辨能力来实现，因此在毫米波雷达测距信号体制的选择上要能够适应多目标检测的基本要求。

目前在防撞雷达上研究和应用较多的测距信号体制主要包括脉冲体制、FSK体制、SFCW体制、LFMCW体制和伪随机编码体制。由于线性调频体制相对简单，近年来这一在国外防撞雷达研究和应用的较多，而脉冲体制由于受到诸多因素的影响应用较少。

LFMCW体制可以实现较好的测距分辨率，但对线性调频体制来说，其模糊函数呈现距离和速度的耦合，因而单纯的锯齿波扫频不能正确测量运动车辆目标的距离，为了解决这一问题，采用了三角波线性扫频，通过两个方向的扫频实现对目标距离和速度的分离，对于多目标情况，两次扫频获取的目标间需要找出相互关系，以便配对解算距离和速度，为了增强在多目标情况下的目标配对的准确性，又采用了不同线性扫频斜率的组合，有的防撞雷达采用了线性扫频与单纯连续波的组合，以单频来测速并用来消除扫频信号的距离和速度的耦合。但是目前这些方法尚不适用于复杂道路环境下的应用。

SFCW体制从本质上讲和LFMCW面临的问题是相同的。虽然采取了上述分辨多目标的方法，但道路情况或军用环境非常复杂，在雷达天线波束范围内的目标较多的情况下，SFMCW信号体制的适应性存在一定问题。

伪噪声编码连续波雷达近年来在其他领域得到了较多的研究，常用的基于m序列伪随机编码调相连续波体制具有抗干扰能力强，图钉状模糊图可以实现较高精度的测距测速能力，然而其非相关副瓣的存在限制了这一体制的更广泛的应用。

发明内容

本发明的目的是为了使雷达测距信号能够适用于多汽车雷达工作的复杂道路条件下汽车的防碰撞与目标识别，同时也适用于军用复杂战场多雷达存在条件下的抗干扰以及目标识别，提出一种毫米波雷达信号波形的设计方法，采用线性调频连续波雷达体制和伪随机编码连续波雷达体制结合的方式，同时在汽车防碰撞雷达发射信号波形设计过程中采用变周期的方式。

伪随机编码连续波雷达体制采用伪随机编码的良好相关特性实现对目标距离检测，但是伪随机编码的相关特性中同样也存在一定的距离旁瓣，理论上与码长的倒数相关，距离旁瓣的存在都使同时存在的大目标掩盖了小目标检测，为了提高雷达对距离旁瓣的抑制，以及对于多目标的精确识别，本专利提出了将伪随机编码调相体制和线性调频体制相结合，同时在发射波形设计方面采用变周期的方式。综合利用这三种体制的优势，结合后续信号处理环节有效的实现汽车防碰撞及抗干扰目标识别。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的。

本发明的一种毫米波雷达信号波形的设计方法，用于汽车防碰撞雷达***中，其实现过程具体包含以下步骤：

1)汽车防碰撞雷达***用伪随机码信号对变周期线性调频信号进行相位调制，产生雷达发射波形；

2)汽车防碰撞雷达***接收目标回波信号；

3)汽车防碰撞雷达***的信号处理模块将步骤2)接收的目标回波信号和带有扫频信号的本振混频，得到滤除高频分量后的信号；

4)汽车防碰撞雷达***用与步骤1)中相同的伪随机码序列进行时延搜索，并将该伪随机码序列与步骤3)输出的信号进行相关处理，以抑制掉其他雷达发射信号与本雷达本振信号混频产生的干扰信号；

5)汽车防碰撞雷达***对步骤4)进行相关处理后的信号再进行本地多目标识别。

有益效果

本发明利用伪随机编码的良好相关特性实现对大距离目标的有效检测；采用线性调频与伪随机编码结合的方式能够有效抑制距离旁瓣；在汽车防碰撞雷达发射信号波形设计过程中采用灵活变周期方式，有助于复杂环境下多目标的检测；伪随机码调相可实现对不同车载雷达的不同编码，以消除迎面车辆雷达造成的干扰。

附图说明

图1为本发明的实施例1中变周期线性调频雷达发射信号频率波形图；

图2为本发明的实施例1中伪随机码调制的变周期FMCW雷达时域信号发射波形；

图3为本发明的实施例1中伪随机码调制的变周期FMCW雷达时域信号发射波形的频谱，其中纵坐标为对时域波形做FFT后频谱的幅值，横坐标为信号频率；

图4为本发明的实施例1中虚假目标识别后的互相关输出，其中纵坐标为互相关输出的幅度，横坐标为时间；

图5为本发明的实施例1中有效目标识别时的自相关输出，其中纵坐标为自相关输出的幅度，横坐标为时间；

图6为本发明的实施例2中四组目标的所有可能结果示意图；

图7为本发明的实施例2中对四组目标计算结果中对重合数据进行整理后输出的结果示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。

实施例1

一种毫米波雷达信号波形的设计方法，其具体过程为：

1)汽车防碰撞雷达***的信号处理模块产生伪随机码序列PN(t)，用此伪随机码调制如图1所示的变周期调频信号，从而得出伪随机编码序列的一个比特内的雷达发射波形，可以表达为：

$s\left(t\right)=\mathrm{PN}\left(t\right)\underset{n=1}{\overset{4}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{rect}\left(\frac{t-n{T}_n}{T_n}\right)\exp \left[\mathrm{jy\π}{\mathrm{\α}}_n{(t-n{T}_n)}^2\right]\exp \left(j2\mathrm{\π}{f}_{0}t\right)---\left(1\right)$

其中，t为某比特的持续时间，比特宽度周期为T，且T＝T₁+T₂+T₃+T₄，如图1所示，其中T₁、T₂、T₃和T₄是变周期调频信号内各个小周期，n表示下标从1到4，也即T_n代表T₁、T₂、T₃和T₄；

其中B是调频带宽；f₀为发射信号在t＝nT时的瞬时频率；

对此雷达发射波形及其频谱进行仿真得图2和图3；

设线性调频信号为

则式(1)公式可简单表达为：

S(t)＝PN(t)FM(t)                                               (2)

2)汽车防碰撞雷达接收目标回波信号，设两个具有同样回波强度的目标分别具有时延τ₁和τ₂，其中：τ₁-τ₂＞T；

具有两个目标的回波信号可以表示为：

S_r(t)＝S₁(t)+S₂(t)＝A·PN(t-τ₁)FM(t-τ₁)+A·PN(t-τ₂)FM(t-τ₂)(3)

其中，A是接收信号的幅度；

3)回波信号经过带有扫频信号的本振混频，滤除高频分量后的信号为：

S_r(t)＝S₁(t)+S₂(t)＝A·PN(t-τ₁)SM(t-τ₁)+A·PN(t-τ₂)SM(t-τ₂)(4)

其中SM(t)是线性调频本振与回波混频输出信号；

4)汽车防碰撞雷达***用公式(1)中相同的伪随机码序列进行时延搜索，与公式(4)中的S_r(t)信号进行相关处理，设定本地码的延时与其中一个目标相同，而与另一个不相关，讨论伪随机编码的相关特性对线性扫频信号的作用机理。假设本地伪随机码为PN(t-τ₁)，则与回波信号相关信号为：

S_c(t)＝A·PN(t-τ₁)PN(t-τ₁)SM(t-τ₁)+A·PN(t-τ₁)PN(t-τ₂)SM(t-τ₂)(5)

为简化分析，并不失一般性，假设本地码延时和时延为τ₁的目标回波延时完全相同，讨论对时延为τ₂的目标的抑制能力，这样上式可以写为：

S_c(t)＝A·SM(t-τ₁)+A·PN(t-τ₃)SM(t-τ₂)(6)

其中，PN(t-τ₃)＝PN(t-τ₁)PN(t-τ₂)，上式中第二项的功率谱是两信号的功率谱的卷积，可见第二个目标产生的第二项功率谱的旁瓣被有效抑制，抑制的程度与PN码的长度成正比。

对此进行仿真，图4为虚假目标识别后的互相关输出；图5为有效目标识别时的自相关输出。当取PN码的长度为63位时，可以达到近36dB的抑制。因此，综合线性调频和伪随机码信号的距离旁瓣的共同作用，当采用更长的伪随机码时可以得到更大的抑制。

实施例2

一种毫米波雷达信号波形的设计方法，采用变周期FMCW波形在多目标识别方面具有很好的优势，可解决传统线性调频连续波雷达中存在的虚假目标的问题。

设汽车前方出现4个目标时，回波信号是这4个点目标回波信号的叠加，其差拍信号也可近似认为是各个点目标回波信号和发射信号的差拍信号之和。

对频率上升段的差拍信号进行频谱分析可得到4个谱峰，把它们分别表示为f_a1，f_a2，f_a3，f_a4，同理对频率下降段的差拍信号进行频谱分析可得到另外4个谱峰，它们分别表示为f_b1，f_b2，f_b3，f_b4。由于无法得到两族谱中各谱线的对应关系，实际上，根本无法得到距离和速度信息。考虑所有的可能性，即考虑两族谱线的所有可能的两两组合，即：

$\left[\begin{array}{cccc}(f_{a1},f_{b1})& (f_{a1},f_{b2})& (f_{a1},f_{b3})& (f_{a1},f_{b4})\\ (f_{a2},f_{b1})& (f_{a2},f_{b2})& (f_{a2},f_{b3})& (f_{a2},f_{b4})\\ (f_{a3},f_{b1})& (f_{a3},f_{b2})& (f_{a3},f_{b3})& (f_{a3},f_{b4})\\ (f_{a4},f_{b1})& (f_{a4},f_{b2})& (f_{a4},f_{b3})& (f_{a4},f_{b4})\end{array}\right]$

速度v、距离R与谱线f间的关系下两式所示：

$f_{\mathrm{ai}}=\frac{2v_i}{c}{f}_0+\frac{4B}{c{T}_k}{R}_i---\left(7\right)$

$f_{\mathrm{bj}}=\frac{2v_j}{c}{f}_0-\frac{4B}{c{T}_k}{R}_j---\left(8\right)$

其中下标i、j、k变化范围均为1到4；c为光速；f₀为毫米波雷达的工作频率；B是调频带宽；对上述式(7)和式(8)进行运算，得到n²组距离和速度，通用表达式分别为：

$R_{\mathrm{ij}}=\frac{R_i+R_j}{2}+\frac{f_0{T}_k}{4B}(v_i-v_j),v_{\mathrm{ij}}=\frac{v_i+v_j}{2}+\frac{B}{f_0{T}_k}(R_i-R_j)---\left(9\right)$

按照上述方法分别对4个目标——速度为-40m/s位于距雷达20m处、速度为-20m/s位于距雷达10m处、速度为60m/s位于雷达18m处、速度为40m/s位于雷达28m处进行软件仿真。设初始频率为77GHz，带宽选择40MHz，采样时间T₁＝0.001s，T₂＝0.002s，T₃＝0.004s，T₄＝0.008s。***的采样时间为T＝1ms，从而得出***的频率分辨率为：Δf＝1/(T/2)＝2/T＝2KHz。***的最小分辨距离为：

$\mathrm{\ΔR}=(\mathrm{cT}/8B)\mathrm{\Δf}=(c/8B)=\frac{30}{32}\≈0.9m.$

且只和调频带宽有关。***可分辨的最小速度为：

$\mathrm{\Δv}=(c/2f_0)\mathrm{\Δf}=(c/f_{0}T)=\frac{300}{77}\≈4m.$

对每段信号进行1024点FFT变换，计算出所有可能的距离和速度值，并显示出来，如图6所示。并对四组目标进行重合，结果如图7所示。由图7可以看出在所有数据中有且仅有4点重合，通过计算得到的距离和速度也和设定的目标点相等。因此计算机***明采用变周期的FMCW进行多目标识别是完全可行的。

实施例2表明，本发明采用变周期FMCW波形在多目标识别方面，可以解决传统线性调频连续波雷达中存在的虚假目标的问题，同时还可以进一步提高雷达的速度分辨率。在决定容差函数时，为了避免目标分离，考虑了最坏的情况，在实际工作中时由于两个目标同时具有非常详尽的距离和速度的可能性非常小，因此由于容差函数过大而造成把两个目标识别成一个目标的概率很小。

以上所述为本发明的较佳实施例而已，本发明不应该局限于该实施例和附图所公开的内容。凡是不脱离本发明所公开的精神下完成的等效或修改，都落入本发明保护的范围。

Claims (1)

1.一种毫米波雷达信号波形的设计方法，用于汽车防碰撞雷达***中，其特征在于其实现过程包含以下步骤：

1)汽车防碰撞雷达***用伪随机码信号对变周期线性调频信号进行相位调制，产生雷达发射波形；

2)汽车防碰撞雷达***接收目标回波信号；

3)汽车防碰撞雷达***的信号处理模块将步骤2)接收的目标回波信号和带有扫频信号的本振混频，得到滤除高频分量后的信号；

4)汽车防碰撞雷达***用与步骤1)中相同的伪随机码序列进行时延搜索，并将该伪随机码序列与步骤3)输出的信号进行相关处理，以抑制掉其他雷达发射信号与本雷达本振信号混频产生的干扰信号；

5)汽车防碰撞雷达***对步骤4)进行相关处理后的信号再进行本地多目标识别。

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