CN111289966A - 基于mimo调频连续波雷达相干相位追踪的运动信息测量方法 - Google Patents

基于mimo调频连续波雷达相干相位追踪的运动信息测量方法 Download PDF

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Abstract

一种基于MIMO调频连续波雷达相干相位追踪的运动信息测量方法，通过将MIMO调频连续波雷达***的接收信号重构出复数域拍频信号，进一步通过相干相位目标追踪算法得到探测目标的运动轨迹。本发明能够实现亚毫米级的运动信息测量的同时，将M发N收的MIMO雷达等效为1发M×N收的SIMO雷达，极大提高了雷达的空间分辨率，实现了对不同方向目标的运动信息的精准测量。

Description

基于MIMO调频连续波雷达相干相位追踪的运动信息测量方法
技术领域
本发明涉及的是一种无线通信领域的技术，具体是一种基于毫米波雷达的相对运动精准测量方法，不仅可以适用于MIMO-FMCW雷达***，在不采用虚拟阵列方法的情况下，还可以适用于单发单收-FMCW雷达***以及SIMO-FMCW雷达***。
背景技术
20世纪以来，调频连续波(FMCW)雷达被广泛应用于道路车辆监测记录***、汽车防撞雷达、车流量检测器、自动驾驶、手势交互、医疗等民用领域。调频连续波雷达具有结构简单、容易调制、成本低等优点。FMCW雷达的信号调制主要包括三角波调制、锯齿波调制、正弦波调制这三种方式。其中正弦波调制多用于单目标探测，而多目标探测则需要锯齿波或三角波调制。其中，三角波调制可以同时测量物体的距离和速度信息，而传统上锯齿波调制只能测量物体的距离。传统FMCW雷达的测距精度与它的调制带宽B成反比，精度较差，通常为厘米分米级。
经过对现有技术的检索发现，Guochao Wang等在“Application of Linear-Frequency-Modulated Continuous-Wave(LFMCW)radars for tracking of vital signs(线性调频连续波雷达在生命体征跟踪中的应用)”中提出了利用线性调频连续波(LFMCW)雷达对生命体征(如呼吸)进行非接触范围跟踪，结合了硬件的简便性和跟踪精度，因此在所解决的生物医学场景中优于其他遥感方法。但该现有技术工作频段较低，对小运动不够敏感；没有针对测量相位时出现的附加变化提出相位补偿方法，测量时可能出现严重偏差；没有进行时域滤波，受到收发耦合影响大；无法测量物体相对雷达的角度。
发明内容
本发明针对现有技术存在的上述不足，提出一种基于MIMO调频连续波雷达相干相位追踪的运动信息测量方法，通过对接收到的雷达信息的相位信息进行时域滤波、相位解析、相位补偿，实现了亚毫米级的运动信息测量，同时它也突破了传统上锯齿波调制无法对物体运动速度进行测量的限制。除此之外，本发明还通过对MIMO雷达信号的处理，将M发N收的MIMO雷达等效为1发M×N收的SIMO雷达(又叫虚拟阵列天线法)，极大提高了雷达的空间分辨率，实现了对不同方向目标的运动信息的精准测量。
本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明涉及一种基于MIMO调频连续波雷达相干相位追踪的运动信息测量方法，通过将MIMO调频连续波雷达***的接收信号重构出复数域拍频信号，进一步通过相干相位目标追踪算法得到探测目标的运动轨迹。
所述的重构是指：将接收信号经乘法器、放大和模数转换采样后得到正交信号并重构出复数域拍频信号。
所述的相干相位目标追踪算法是指：对复数域拍频信号进行时域滤波、相位解析、相位补偿，从而得到探测目标的运动轨迹。
所述的MIMO调频连续波雷达***包括：锁相环、射频模块、中频放大模块、ADC以及MCU，其中：MCU通过配置锁相环生成不同的调制波形以实现对应调制模式，锁相环产生的调制波形输入至压控振荡器并产生发射信号，发射信号通过发射天线发射到探测目标并发生散射现象，产生调制有探测目标运动信息的反射信号，各接收天线得到的接收信号分别与发射信号通过正交差分乘法器得到若干正交信号，经放大和模数转换采样后由MCU还原得到探测目标的运动信息。
技术效果
本发明整体解决了MIMO调频连续波雷达对目标物体运动信息的精确测量以及目标物体相对雷达的角度的测量的技术问题。
与现有技术相比，本发明工作频段更高，对微小运动十分敏感，可实现亚毫米级的运动信息测量；采用时域滤波进一步增加了测量的精度；时域滤波不仅可以滤除掉收发耦合信号，理论上还可以通过减掉同一环境下的空载(无探测目标时简称为空载)信号，滤除掉环境中的反射信号，大大提升了FMCW雷达***对环境的适应能力；相位补偿法的采用大大提升了测量的准确度；MIMO雷达信号的处理既降低了成本又提高了***的性能。
附图说明
图1为MIMO调频连续波雷达***示意图；
图2为2×2雷达天线阵列示意图；
图3为虚拟的接收天线示意图；
图4为实施例手掌检测示意图；
图5为实施例手掌检测数据示意图；
图6为实施例人体出现检测示意图；
图7为实施例人体出现检测数据示意图。
具体实施方式
如图1所示，为本实施例涉及的MIMO调频连续波雷达***包括：锁相环、射频模块、中频放大模块、ADC以及MCU，其中：MCU通过配置锁相环生成不同的调制波形以实现对应调制模式，锁相环产生的调制波形输入至压控振荡器(VCO)并产生发射信号，发射信号通过发射天线TX1，TX2…TXM发射到探测目标并发生散射现象，产生调制有探测目标运动信息的反射信号，被接收天线RX1，RX2...RXN接收，各接收天线得到的接收信号分别与发射信号通过正交差分乘法器得到N路正交信号，放大和模数转换采样后，由MCU还原得到探测目标的运动信息。
所述的配置是指：锯齿波或三角波调制，中心频率fc、调制带宽B以及脉冲重复周期(PRT)t0。
所述的发射信号近似为
Figure BDA0002387840180000031
其中：A0是信号幅度，fc是中心频率，B是调制带宽，t0是PRT,φ0初始相位，t是“fast time”(即一个周期内的时间)，
Figure BDA0002387840180000032
所述的接收信号近似为sr(t)＝ρA0st(t-Δt)，其中：ρ为发射与接收信号的幅度关系，它主要与传输损耗以及探测目标的雷达散射面积有关。发射信号与接收信号进行混频，得到拍频信号
Figure BDA0002387840180000036
所述的拍频信号的频域形式近似为：
Figure BDA00023878401800000311
其中：c是光速，R(t′)是t′时刻目标距离雷达的距离，t′是“slow time”(即以一个周期为一个离散的时间点，连起来的时间)，该频域形式中，
Figure BDA0002387840180000034
表示|Sb(f)|的横坐标，可转化得到探测目标的距离，
Figure BDA0002387840180000035
可转化得到亚毫米级的探测目标的位置变化信息。
如图2所示，为虚拟阵列天线法原理：以2×2雷达天线阵列为例，TX1，TX2发射的信号均被RX1和RX2接收。图中θ是探测目标所在的方位角；I1和I2分别是TX1和TX2的激励；k是波矢量，方向由天线指向探测目标；
Figure BDA0002387840180000037
分别是不同发射天线被不同接收天线接收到的电磁波信号的相位。如图3所示，根据电磁波传输距离的不同，
Figure BDA0002387840180000038
近似为
Figure BDA0002387840180000039
其中：i＝1，2，j＝1，2，说明每个
Figure BDA00023878401800000310
都可以等效为一个虚拟的接收天线RXij且RXij的位置矢量为Ti+Rj，从而二元接收天线阵被扩展为了四元虚拟天线阵。用同样的原理即可将M发N收的MIMO雷达等效为1发M×N收的SIMO雷达。
本实施例涉及上述***的相干相位目标追踪算法，具体步骤包括：
1)复数域拍频信号获取：取经过ADC采样进入MCU的某一路RX接收电路所得的正交信号sbI(p)和sbQ(p)，p为整数。重构出复数域拍频信号sb(p)＝sbI(p)+jsbQ(p)。
2)时域滤波：①取临时采样的或已存储好的***无探测目标时(简称为空载)的一段(如20秒)拍频信号sbn(p)；②取sbn(p)和sb(p)的1～M(＝t0fs)点，得到sbn(pm)和sb(pm)。将二者相减，得到sbx(pm)。③对sbx(pm)进行快速傅里叶变换(FFT)，得到Sbx(f)，取其在0～2PRT-1范围内的最大值Sbx(f)max。④将sbn(p)所有值向前移动一位，得到sbn1(p)＝sbn(p+1)。将sbn1(p)作为新的***空载时的信号，重复②③步骤，得到新的最大值。以此类推，重复M次，得到M个最大值，将它们按顺序组成数组P(序号1～M)。⑤取P中的最小值对应的序号px，得到时域滤波后的拍频信号：sbx(p)＝sb(p)-sbn(p+px-1)。
3)相位解析：①将拍频信号sbx(p)中每M点作为一行得到检测矩阵R(n,m)N×M，对检测矩阵R(n,m)N×M的每一行进行快速傅里叶变换(FFT)得到频域矩阵F(n,m′)N×M′，M′取决于快速傅里叶变换的长度，p为整数，采样率为fs，M＝t0fs。在t0n时刻，可探测得到的目标的距离为
Figure BDA0002387840180000041
其中：fd(t0n)＝mn″fs，mn″为F(n,m′)N×M′中第n行最大值的横坐标。②找到频域矩阵F(n,m′)N×M′中的每行的最大值，并将这些最大值的横坐标另存入向量ixN×1，去掉向量ixN×1中的最大值和最小值后取剩余ix(N-2)×1的平均值并四舍五入为整数m0。③取频域矩阵F(n,m′)N×M′中的第m0列的各点的复相位向量iyN×1，则初步得到的目标运动轨迹信息r(t0n)＝iy(n)c/(4πfc)。
4)相位补偿：由于电路***本身存在异步的问题，即采样时钟和FMCW脉冲周期不同步，微小的异步误差会随时间累积，造成相位信息会附加一个线性的偏差，如不进行补偿，测量将失去准确性。对某一特定***，可先测好每个频率点附加的线性变化也可临时测得。具体测量方法如下：①取一段时间(例如5s)的空载时的拍频信号，通过步骤1)～3)测得某一m0处的轨迹r(t0n)＝iy(n)c/(4πfc)，注意此时在步骤2)中的m0是指定的。②取r(t0n)＝iy(n)c/(4πfc)轨迹上的两个点p1，p2，可求得斜率k。③改变m0，可测得不同m0处的k值，记为k(m0)。对于某一个轨迹r(t0n)＝iy(n)c/(4πfc)，其对应列为m0，则相位补偿结果为：r′(t0n)＝iy(n)c/(4πfc)-k(m0)n。也即最终探测到的目标运动轨迹信息。
本实施例通过检测手掌微运动以证明上述方法的准确度：
参数配置：锯齿波调制，中心频率fc＝80GHz，调制带宽B＝4GHz，以及脉冲重复周期(PRT)t0＝6ms。
如图4所示，在桌面上放置雷达板，手掌置于雷达板正上方约10cm处并上下微动，幅度约15mm，7s后停止，13s后又开始微动，总共持续15s，采用相位法测量目标运动信息算法将采集的数据进行处理，得到如图5所示实验结果。
如图5所示，为采用相干相位目标追踪算法所得到的手掌运动轨迹，可以看到，测得的运动轨迹的运动幅度，运动时间，以及静止时间基本一致。
本实施例通过检测人体出现以证明上述方法的准确度：
参数配置：锯齿波调制，中心频率fc＝80GHz，调制带宽B＝4GHz，以及脉冲重复周期(PRT)t0＝6ms。
如图6所示，在桌面上放置雷达板且雷达板上方无物体，人体靠在桌边并弯腰至身体进入到雷达板上方约20cm处，持续2～3s；再次站直身体至雷达板上方无物体，通过对采集到的数据进行处理，得到人体离雷达板距离图。
如图7所示，当人体出现时，可以探测到人体距离雷达约20cm，且可以探测到人体离开的过程。当人体未出现时，因为***探测到的能量非常小，干扰多，当探测到的能量过小时，可以判断为人体未出现，将探测距离设为0，表示人体未出现状态。
采用本发明提出的相干相位目标追踪算法对同样的拍频信号进行处理，实现了亚毫米级运动信息追踪。同时，结合MIMO雷达信号处理，实现了目标相对雷达角度的测量且实现了空间分辨率的提高。
经过具体实际实验，以锯齿波调制，4GHz扫描带宽，中心频点80GHz的参数运行上述装置，能够得到的实验数据是：手掌的微运动过程如图4。
与现有技术相比，本方法工作频段更高，对微运动更加敏感；采用时域滤波进一步增加了测量的精度；时域滤波不仅可以滤除掉收发耦合信号，理论上还可以通过减掉同一环境下的***空载信号，滤除掉环境中的反射信号，大大提升了FMCW雷达***对环境的适应能力；相位补偿法的采用大大提升了测量的准确度；总体上实现了亚毫米级以上的运动测量精度；MIMO雷达信号的处理既降低了成本又提高了***的性能。
上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本发明原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整，本发明的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限，在其范围内的各个实现方案均受本发明之约束。

Claims (6)

1.一种基于MIMO调频连续波雷达相干相位追踪的运动信息测量方法，其特征在于，通过将MIMO调频连续波雷达***的接收信号重构出复数域拍频信号，进一步通过相干相位目标追踪算法得到探测目标的运动轨迹；
所述的重构是指：将接收信号经乘法器、放大和模数转换采样后得到正交信号并重构出复数域拍频信号；
所述的相干相位目标追踪算法是指：对复数域拍频信号进行时域滤波、相位解析、相位补偿，从而得到探测目标的运动轨迹；
所述的MIMO调频连续波雷达***包括：锁相环、射频模块、中频放大模块、ADC以及MCU，其中：MCU通过配置锁相环生成不同的调制波形以实现对应调制模式，锁相环产生的调制波形输入至压控振荡器并产生发射信号，发射信号通过发射天线发射到探测目标并发生散射现象，产生调制有探测目标运动信息的反射信号，各接收天线得到的接收信号分别与发射信号通过正交差分乘法器得到若干正交信号，经放大和模数转换采样后由MCU还原得到探测目标的运动信息。
2.根据权利要求1所述的运动信息测量方法，其特征是，所述的复数域拍频信号，具体为sb(p)＝sbI(p)+jsbQ(p)，其中：p为整数，sbI(p)和sbQ(p)为取经过ADC采样进入MCU的某一路RX接收电路所得的正交信号。
3.根据权利要求1所述的运动信息测量方法，其特征是，所述的时域滤波，具体包括：
①取临时采样的或已存储好的***无探测目标，即***空载时的一段拍频信号sbn(p)；
②取sbn(p)和sb(p)的1～M(＝t0fs)点，得到sbn(pm)和sb(pm)，二者相减得到sbx(pm)；
③对sbx(pm)进行快速傅里叶变换得到Sbx(f)，取其在0～2PRT-1范围内的最大值Sbx(f)max；
④将sbn(p)所有值向前移动一位，得到sbn1(p)＝sbn(p+1)，将sbn1(p)作为新的***空载时的信号，重复步骤②③，得到新的最大值；以此类推，重复M次，将得到M个最大值按顺序组成数组P，其序号为1～M；
⑤取数组P中的最小值对应的序号px，得到时域滤波后的拍频信号：sbx(p)＝sb(p)-sbn(p+px-1)。
4.根据权利要求1所述的运动信息测量方法，其特征是，所述的相位解析，具体包括：
①将拍频信号sbx(p)中每M点作为一行得到检测矩阵R(n,m)N×M，对检测矩阵R(n,m)N×M的每一行进行快速傅里叶变换得到频域矩阵F(n,m′)N×M′，其中：M′取决于快速傅里叶变换的长度，p为整数，采样率为fs，M＝t0fs，在t0n时刻探测得到的目标的距离为
Figure FDA0002387840170000021
其中：fd(t0n)＝mn″fs，mn″为F(n,m′)N×M′中第n行最大值的横坐标；
②找到频域矩阵F(n,m′)N×M′中的每行的最大值，并将这些最大值的横坐标另存入向量ixN×1，去掉向量ixN×1中的最大值和最小值后取剩余ix(N-2)×1的平均值并四舍五入为整数m0；
③取频域矩阵F(n,m′)N×M′中的第m0列的各点的复相位向量iyN×1，则初步得到的目标运动轨迹信息r(t0n)＝iy(n)c/(4πfc)。
5.根据权利要求1所述的运动信息测量方法，其特征是，所述的相位补偿，具体包括：
①取一段时间的***空载时的拍频信号，通过时域滤波、相位解析计算其m0处的轨迹r(t0n)＝iy(n)c/(4πfc)；
②取r(t0n)＝iy(n)c/(4πfc)轨迹上的两个点p1，p2，求得斜率k；
③改变m0并测得不同位置处的k值，记为k(m0)；
④对于某一个轨迹r(t0n)＝iy(n)c/(4πfc)，其对应列为m0，则相位补偿结果为：r′(t0n)＝iy(n)c/(4πfc)-k(m0)n，即最终探测到的目标运动轨迹信息。
6.根据权利要求1所述的运动信息测量方法，其特征是，在每一个接收天线处区分出不同发射天线的信号，将每一个信号当作新的一路虚拟接收信号，然后通过对虚拟接收信号的数字波束成形，提升目标相对雷达角度测量的分辨率。
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