CN103941252B - 基于随机开关阵列天线的调频连续波雷达*** - Google Patents

Abstract

本发明提出一种基于随机开关阵列天线的调频连续波雷达***，包括：发射模块；天线模块，包括发射天线和接收天线，发射天线发出发射信号以扫描目标，接收天线接收目标反射信号；开关模块，包括多个选通开关，控制多个接收阵元与单个接收通道相连，选通开关随机切换，以使与当前导通的选通开关相连的接收阵元中的目标反射信号占用接收通道；接收模块将接收通道中合成的信号和发射信号进行混频，并对混频后的信号进行中频放大和带通滤波，得到中频信号；处理模块对中频信号进行数字采样，并进行后续的处理。本发明实施例的***能够有效减少雷达***的成本和复杂度，并能够有效解决顺序切换开关带来的时空耦合的问题。

Description

基于随机开关阵列天线的调频连续波雷达***

技术领域

本发明涉及雷达检测技术领域，特别涉及一种基于随机开关阵列天线的调频连续波雷达***。

背景技术

调频连续波雷达具有环境适应性好、分辨力高、***稳定性好等特点，并能同时测量目标的距离和径向速度。对于调频连续波雷达，目标的方位信息可以通过使用阵列天线的方式来获得。阵列天线雷达在方位测量上具有高精度、高分辨力及高稳定性，因而常常作为实现方位信息获取的方案。

目前，主要有以下几种调频连续波雷达技术：

1.DetlefsenJ,TrollT,RozmannMandZeilingerW.SystemaspectsanddesignofanautomotivecollisionwarningPNcoderadarusingwavefrontreconstruction.IEEEMTT-SInternationalMicrowaveSymposiumDigest,1992:625-628。多接收通道阵列调频连续波雷达。该技术采用单个天线进行信号发射，多个阵元的接收信号通过多个接收通道同时采样，完成目标的成像和方位、距离、速度的估计。但是，这种方法的缺点在于多接收通道的使用，使***复杂度高，体积较大，成本较高。

2.LiYandFengZH.SwitchantennaarraywithsinglereceivingchannelforFMCWradar.Proc.InternationalSymp.AntennasPropagation,2000;1629-1632。单接收通道阵列调频连续波雷达。该技术提出了一种时分复用的方式，各阵元按照一定的时序共享一个接收通道，***的成本和复杂度均有降低。但这种方法的缺点在于：数据的获取时间较长，进行方位、距离、速度的估计需要多个信号发射周期才能获得足够数据。

3.S.Tokoro,K.Kuroda,andA.Kawakubo.Automotiveelectronicallyscannedmillimeter-waveradar.SICE2003AnnualConference,vol.1.IEEE,2003,pp.42–47。单发射周期时分复用方式。该技术提出了接收阵元开关快速顺序切换的工作方式，在一个发射周期内，即可完成所需各阵元接收数据的采集。但这种方法的缺点在于：由于临近阵元接收信号的相位差不仅会由于目标的角度引起，同时也会因为开关切换的时间引起，这种方式会引起时空耦合问题。

4.王鹏.阵列天线雷达的目标方位距离联合估计和高分辨成像.[硕士学位论文].北京：清华大学，2010。该技术完善了单发射周期的时分复用方式，给出相应的信号模型。通过分析两种特殊的工作方式——慢速切换和快速切换的信号模型，将其和多通道阵列信号模型进行统一，在此基础上，对实际***中时分复用方式的选取问题进行讨论。然而该技术仍然限于开关顺序切换的方式，不能有效解决时空耦合的问题。

发明内容

本发明旨在至少解决上述技术问题之一。

为此，本发明的目的在于提出一种基于随机开关阵列天线的调频连续波雷达***，该***能够准确的得到目标的距离、速度、方位等信息，有效减少雷达***的成本和复杂度，并能够有效解决顺序切换开关带来的时空耦合的问题。

为了实现上述目的，本发明的实施例提出了一种基于随机开关阵列天线的调频连续波雷达***，包括：发射模块，所述发射模块用于产生雷达所需的发射信号；天线模块，所述天线模块包括由单阵元构成的发射天线和由多个接收阵元构成的接收天线，所述发射天线用于发出发射信号以扫描目标，所述接收天线用于接收目标反射信号；开关模块，所述开关模块包括与多个接收阵元一一对应相连的多个选通开关，所述多个选通开关控制所述多个接收阵元与单个接收通道相连，所述多个选通开关随机切换，以使与当前导通的选通开关相连的接收阵元中的目标反射信号占用所述接收通道；接收模块，所述接收模块用于将所述单个接收通道中合成的信号和所述发射信号进行混频，并对混频后的信号进行中频放大和带通滤波，得到中频信号；处理模块，所述处理模块用于对所述中频信号进行数字采样，并进行后续的处理。

根据本发明实施例的基于随机开关阵列天线的调频连续波雷达***，采用调频连续波的体制，对场景的目标和地形环境进行探测，能够有效得到目标的距离、速度，方位等信息。另外，该***采用随机开关阵列天线的结构，使多个接收天线时分复用一个接收通道，即使用单一接收通道，在一个信号发射周期内，采用高速开关切换对各接收阵元天线所接收的回波信号（目标反射信号）进行选通，从而有效减小了雷达***成本和复杂度，并有效解决了顺序切换开关带来的时空耦合的问题。另外，在开关切换速率和***带宽受限的情况下，使用随机切换选通开关的方式，增大了雷达测量的不模糊距离，降低了对开关切换速率和***带宽的要求。

另外，根据本发明上述实施例的基于随机开关阵列天线的调频连续波雷达***还可以具有如下附加的技术特征：

在一些示例中，所述发射信号为调频连续波的雷达信号x₀(t)，且：

x₀(t)=exp{j2π(f₀t+φ(t))},φ(t)=αt²/2,0≤t<T，

其中，f₀为发射载频，α为调频连续波的调频率B/T，B为发射信号扫频带宽，T为发射周期。

在一些示例中，所述目标反射信号x_k(t)通过下式表示：

x_k(t)=α₀x₀(t-t_k),t_k=2(r+vt)/c+τ_k,τ_k=(dsinθ/c)(k-1),k=1,...,M，

其中，k表示第k个接收阵元，r，v，θ分别为目标相对于雷达的距离，径向速度及方位，a₀表示目标反射系数，c为光速，d为接收阵元间距，τ_k表示第k个接收阵元相对于第1个接收阵元反射信号到达的延时。

在一些示例中，所述混频后的信号y_nk(t)通过如下公式表示：

y_nk(t)=aexp{-j(2πη(((n-1)M+(k-1))T_sw+t-((n-1)M+(k-1))T_sw))}·

exp{-j(2π(dsinθ/λ)(M_nk-1))}+n(t),

((n-1)M+(k-1))T_sw≤t<((n-1)M+k)T_sw，

其中，T_sw表示每个选通开关的导通状态保持时间，M表示接收阵元的数量，M_nk表示第n个轮换周期中第k个时分复用间隔内占据接收通道的阵元编号，η称为距离频率，且r、v、θ和a₀分别表示每个目标相对于雷达的的距离、径向速度、角度和反射系数，n(t)为接收通道噪声。

在一些示例中，所述处理模块用于对所述中频信号进行数字采样，得到数字信号y_nk，设ω=sinθ，计算所述数字信号y_nk在距离频率-方位上的自相关函数χ(Δη,Δω)，所述自相关函数χ(Δη,Δω)通过如下公式计算：

$\mathrm{\&chi;}(\mathrm{\&Delta;\&eta;},\mathrm{\&Delta;\&omega;})=\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\&Sigma;}}}}_{+2\mathrm{\&pi;}(\mathrm{d\&Delta;\&omega;}/\mathrm{\&lambda;})(M_{\mathrm{nk}}-1)\left)\right\}}^{\exp \{-j\left(2\mathrm{\&pi;\&Delta;\&eta;}(((n-1)M+(k-1)T_{\mathrm{sw}}\right)},$

其中，T_sw表示每个选通开关的导通状态保持时间，M表示接收阵元的数量。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是根据本发明一个实施例的基于随机开关阵列天线的调频连续波雷达***的结构框图；

图2是根据本发明另一个实施例的基于随机开关阵列天线的调频连续波雷达***的天线及选通开关结构示意图；

图3是根据本发明另一个实施例的基于随机开关阵列天线的调频连续波雷达***的原理框图；

图4是根据本发明一个实施例的基于随机开关阵列天线的调频连续波雷达***的雷达接收阵元接收目标反射信号的示意图；

图5是根据本发明一个实施例的基于随机开关阵列天线的调频连续波雷达***的随机切换选通开关的原理示意图；以及

图6是根据本发明一个实施例的顺序切换选通开关和随机切换选通开关得到的模糊函数对比示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”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”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，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。

参照下面的描述和附图，将清楚本发明的实施例的这些和其他方面。在这些描述和附图中，具体公开了本发明的实施例中的一些特定实施方式，来表示实施本发明的实施例的原理的一些方式，但是应当理解，本发明的实施例的范围不受此限制。相反，本发明的实施例包括落入所附加权利要求书的精神和内涵范围内的所有变化、修改和等同物。

以下结合附图描述根据本发明实施例的基于随机开关阵列天线的调频连续波雷达***。

图1是根据本发明一个实施例的基于随机开关阵列天线的调频连续波雷达检***的结构框图。如图1所示，根据本发明一个实施例的基于随机开关阵列天线的调频连续波***100，包括：发射模块110、天线模块120、开关模块130、接收模块140和处理模块150。

具体而言，发射模块110用于产生雷达所需的发射信号。

结合图2所示，天线模块120包括由单阵元构成的发射天线和由多个接收阵元构成的接收天线。其中，发射天线用于发出发射信号以扫描目标，接收天线用于接收目标反射信号。在本发明的一个实施例中，发射信号例如采用调频连续波的雷达信号x₀(t)，且更为具体地，

x₀(t)=exp{j2π(f₀t+φ(t))},φ(t)=αt²/2,0≤t<T，

其中，f₀为发射载频，α为调频连续波的调频率B/T，B为发射信号扫频带宽，T为发射周期。进一步地，在另一实施例中，发射信号经过目标反射后，反射信号被接收天线接收。在一个具体示例中，如图4所示，其中左图显示了发射信号与目标反射信号的频率随时间的变化，其中实线表示发射信号，虚线表示目标反射信号。从图4中可看到在调频连续波的体制下，时间相差Δt的收发信号将会存在一个稳定的频率差η，即与目标的距离与速度有关的距离频率。图4中右图表示不同接收阵元接收信号的差异，接收阵元间距为d，对于方位角为θ的目标，相邻接收天线接收到的波程差为dsinθ。进一步地，具体实施过程中，按接收阵元的空间顺序对M个接收阵元进行编号，则第k个接收阵元接收到的目标反射信号x_k(t)通过下式表示：

x_k(t)=a₀x₀(t-t_k),t_k=2(r+vt)/c+τ_k,τ_k=(dsinθ/c)(k-1),k=1,...,M，

其中，k表示第k个接收阵元，r，v，θ分别为目标相对于雷达的距离，径向速度及方位，a₀表示目标反射系数，c为光速，d为接收阵元间距，τ_k表示第k个阵元相对于第1个阵元反射信号到达的延时。

作为一个具体的示例，在具体实施过程中，上述发射天线用于观测其前方一定方位内的目标。结合图2和图3所示，具体而言，采用位于上部的单阵元构成发射天线、位于下部的M个接收阵元构成接收天线，各接收阵元对单一接收通道采用时分复用的结构。在具体实施时，发射天线产生调频连续波的发射信号，当照射到目标时，反馈反射信号，M路接收阵元接收目标反射信号。

开关模块130包括与多个接收阵元一一对应相连的多个选通开关，多个选通开关控制多个接收阵元与单个接收通道相连，在具体实施时，多个选通开关随机切换，以使与当前导通的选通开关相连的接收阵元中的目标反射信号占用接收通道。换言之，即各接收阵元接收到的目标反射信号需要在接收通道内合并为一路信号。

作为一个具体的示例，M个接收阵元采用时分复用的方式使用一个接收通道，对各接收阵元采用随机切换的方式，切换方式如图5所示（此处为M=7的情况）。反射信号合并的方式为使用一组选通开关，每个接收阵元都可以使用与其对应相连的一个开关选通。当第k个选通开关导通时，第k个接收阵元接收的目标反射信号就会占用接收通道。进一步地，只需要按随机切换的方式切换这组选通开关的状态，并保证每个时刻只有一个选通开关为导通状态，就可以使各路接收阵元接收的目标反射信号分时的占用接收通道，在接收通道内合并为一路信号。更为具体地，其中，每个选通开关在导通状态的保持时间为T_sw，称为一个时分复用间隔。对于有M个接收阵元的情况，将各接收阵元对应的选通开关均选通一次，使每个接收阵元接收的目标反射信号均在接收通道中占用T_sw的时间，从而MT_sw的时间称为一个轮换周期。进一步地，每一个发射周期T由多个完整的轮换周期构成。另一方面，上述的随机切换方式即是指在每个轮换周期内均使用一个随机序列产生器，将M个选通开关的编号进行随机排序，各选通开关按照这个随机的排序依次选通T_sw时间，相应的接收阵元接收的目标反射信号按照该随机的排序分时的占用接收通道一个时分复用间隔T_sw。其中，在一个接收周期内，包括多个完整的轮换周期，一个轮换周期结束后，立即进入下一个轮换周期。

接收模块140用于将单个接收通道中合成的目标反射信号和发射信号进行混频，并对混频后的信号进行中频放大和带通滤波处理，得到中频信号。

作为一个具体的示例，在本发明的一个实施例中，按照设计好的随机切换方式，令M_nk表示第n个轮换周期中第k个时分复用间隔内占据接收通道的接收阵元编号。对于场景中有一个目标的情况，每个目标相对于雷达***100的距离、径向速度、角度和反射系数分别为r、v、θ和a₀，令η表示距离频率。其中，每个目标的距离频率与目标的速度和距离有关，当目标静止时，距离频率仅由距离决定，因此距离频率是对目标距离的一种反映（通过目标距离、速度解耦的方法可以分别得到目标的距离与速度）。进一步地，令接收通道噪声为n(t)，则此时目标反射信号与发射信号经过混频，混频后的信号y_nk(t)可通过如下公式表示：

y_nk(t)=aexp{-j(2πη(((n-1)M+(k-1))T_sw+t-((n-1)M+(k-1))T_sw))}·

exp{-j(2π(dsinθ/λ)(M_nk-1))}+n(t),

((n-1)M+(k-1))T_sw≤t<((n-1)M+k)T_sw，

其中，M_nk表示第n个轮换周期中第k个时分复用间隔内占据接收通道的阵元编号，η称为距离频率，且r、v、θ和a₀分别表示每个目标相对于雷达***100的的距离、径向速度、角度和反射系数，n(t)为接收通道噪声。

进一步地，对上述混频后的信号y_nk(t)进行中频放大和带通滤波后得到中频信号。

处理模块150用于对中频信号进行数字采样，并进行后续处理得到目标的信息。具体而言，在本发明的一个实施例中，处理模块150用于对中频信号进行数字采样，得到数字信号y_nk。作为一个具体的示例，例如采用采样频率f_s对中频信号进行数字采样，以得到采样后的数字信号y_nk。进一步地，令ω=sinθ，并计算该数字信号y_nk在距离频率-方位上的自相关函数（即模糊函数）χ(Δη,Δω)，其中，该自相关函数（模糊函数）χ(Δη,Δω)可通过如下公式计算：

$\mathrm{\&chi;}(\mathrm{\&Delta;\&eta;},\mathrm{\&Delta;\&omega;})=\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\&Sigma;}}}}_{+2\mathrm{\&pi;}(\mathrm{d\&Delta;\&omega;}/\mathrm{\&lambda;})(M_{\mathrm{nk}}-1)\left)\right\}}^{\exp \{-j\left(2\mathrm{\&pi;\&Delta;\&eta;}(((n-1)M+(k-1)T_{\mathrm{sw}}\right)},$

其中，T_sw表示每个选通开关的导通状态保持时间，M表示接收阵元的数量。进一步地，可根据该自相关函数（模糊函数）χ(Δη,Δω)分析雷达***100的性能。

另外，需要说明的是，在随机切换的情况下，模糊函数呈针状，不存在时空耦合的问题，进一步地，在距离频率上的不模糊间隔达到(-f_s/2,f_s/2)。

更进一步地，为了说明随机切换的优点，将随机切换与顺序切换的模糊函数进行对比。具体而言，顺序切换，指的是在一个轮换周期内，按照开关对应阵元编号的顺序来切换开关，每个轮换周期内都从1依次切换到M。作为一个具体示例，顺序切换与随机切换模糊函数对比如图6所示。图6中的横坐标表示由采样频率归一化的距离频率增量Δη/f_s，纵坐标表示方位的增量Δω。其中，左图为顺序切换的情况下，顺序切换的模糊函数在对角线上间隔f_s/M出现多个峰值，这将在距离频率与方位的联合估计中造成模糊的问题，在距离频率上的不模糊间隔为(-f_s/2M,f_s/2M)。右图为随机切换的情况下，模糊函数呈现图钉状，不存在时空耦合的问题，在距离频率上的不模糊间隔达到(-f_s/2,f_s/2)。因此，随机切换的方式有效解决了时空耦合的问题，并在相同采样率的情况下，将距离频率上的不模糊间隔扩展到顺序切换的M倍。

根据本发明实施例的基于随机开关阵列天线的调频连续波雷达***，采用调频连续波的体制，对场景的目标和地形环境进行探测，能够有效得到目标的距离、速度，方位等信息。另外，该***采用随机开关阵列天线的结构，使多个接收天线时分复用一个接收通道，即使用单一接收通道，在一个信号发射周期内，采用高速开关切换对各接收阵元天线所接收的回波信号（目标反射信号）进行选通，从而有效减小了雷达***成本和复杂度，并有效解决了顺序切换开关带来的时空耦合的问题。另外，在开关切换速率和***带宽受限的情况下，使用随机切换选通开关的方式，增大了雷达测量的不模糊距离，降低了对开关切换速率和***带宽的要求。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同限定。

Claims (1)

1.一种基于随机开关阵列天线的调频连续波雷达***，其特征在于，包括：

发射模块，所述发射模块用于产生雷达所需的发射信号，其中，所述发射信号为调频连续波的雷达信号x₀(t)，且：

x₀(t)＝exp{j2π(f₀t+φ(t))},φ(t)＝αt²/2,0≤t<T，

其中，f₀为发射载频，α为调频连续波的调频率B/T，B为发射信号扫频带宽，T为发射周期；

天线模块，所述天线模块包括由单阵元构成的发射天线和由多个接收阵元构成的接收天线，所述发射天线用于发出发射信号以扫描目标，所述接收天线用于接收目标反射信号，其中，所述目标反射信号x_k(t)通过下式表示：

x_k(t)＝α₀x₀(t-t_k),t_k＝2(r+vt)/c+τ_k,τ_k＝(dsinθ/c)(k-1),k＝1,...,M，

其中，M表示接收阵元的总数，k表示第k个接收阵元，r，v，θ分别为目标相对于雷达的距离，径向速度及方位，a₀表示目标反射系数，c为光速，d为接收阵元间距，τ_k表示第k个接收阵元相对于第1个接收阵元反射信号到达的延时；

开关模块，所述开关模块包括与多个接收阵元一一对应相连的多个选通开关，所述多个选通开关控制所述多个接收阵元与单个接收通道相连，所述多个选通开关随机切换，以使与当前导通的选通开关相连的接收阵元中的目标反射信号占用所述接收通道；

接收模块，所述接收模块用于将所述单个接收通道中合成的信号和所述发射信号进行混频，并对混频后的信号进行中频放大和带通滤波，得到中频信号，其中，所述混频后的信号y_nk(t)通过下式表示：

y_nk(t)＝aexp{-j(2πη(((n-1)M+(k-1))T_sw+t-((n-1)M+(k-1))T_sw))}·

exp{-j(2π(dsinθ/λ)(M_nk-1))}+n(t),，

((n-1)M+(k-1))T_sw≤t<((n-1)M+k)T_sw

其中，T_sw表示每个选通开关的导通状态保持时间，M表示接收阵元的数量，M_nk表示第n个轮换周期中第k个时分复用间隔内占据接收通道的阵元编号，η称为距离频率，且η＝2αr/c+2v/λ, r、v、θ和a₀分别表示每个目标相对于雷达的的距离、径向速度、角度和反射系数，c为光速，f₀为发射载频，d为接收阵元间距，n(t)为接收通道噪声，α为调频连续波的调频率B/T，B为发射信号扫频带宽，T为发射周期；

处理模块，所述处理模块用于对所述中频信号进行数字采样，得到数字信号y_nk，设ω＝sinθ，计算所述数字信号y_nk在距离频率-方位上的自相关函数χ(Δη,Δω)，其中，所述自相关函数χ(Δη,Δω)通过如下公式计算：

$\mathrm{\&chi;}(\mathrm{\&Delta;}\mathrm{\&eta;},\mathrm{\&Delta;}\mathrm{\&omega;})=\underset{n=1}{\overset{N}{\&Sigma;}}\underset{k=1}{\overset{K}{\&Sigma;}}\begin{array}{c}\exp \{-j\left(2\mathrm{\&pi;}\mathrm{\&Delta;}\mathrm{\&eta;}\right(\left(\right(n-1)M+(k-1)T_{sw})\\ +2\mathrm{\&pi;}(d\mathrm{\&Delta;}\mathrm{\&omega;}/\mathrm{\&lambda;})(M_{nk}-1)\left)\right\}\end{array},$

其中，T_sw表示每个选通开关的导通状态保持时间，M表示接收阵元的数量，d为接收阵元间距，M_nk表示第n个轮换周期中第k个时分复用间隔内占据接收通道的阵元编号。