CN111697983B - 线性调频连续波雷达收发干扰对消装置 - Google Patents

线性调频连续波雷达收发干扰对消装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种线性调频连续波雷达收发干扰对消装置及其控制算法。该***包括耦合器、射频开关、多抽头模拟滤波器、合成器、接收通道、ADC、数字信号处理单元与多通道DAC，其中耦合器用于提取发射信号样本；射频开关用于开关耦合器直通端与发射天线间的连接；多抽头模拟滤波器用于产生自干扰对消信号；合成器用于将对消信号与接收信号进行合成；接收通道用于对合成器输出信号进行放大，并与发射信号进行混频和滤波得到差拍信号；ADC用于将差拍信号数字化；数字信号处理单元用于产生模拟滤波器数字权值；多通道DAC用于将数字权值信号转换为模拟电压。本发明可大幅降低ADC采样速率的要求，简化自干扰对消电路设计，降低成本。

Description

线性调频连续波雷达收发干扰对消装置
技术领域
本发明涉及调频连续波雷达技术领域，具体涉及一种线性调频连续波雷达收发干扰对消装置及其控制算法。
背景技术
线性调频连续波雷达广泛应用于航空、航天、汽车等平台中用于测距、测高、测速。由于线性调频连续波雷达的发送和接收是同时进行的，发射信号可能泄露到接收机，造成收发干扰问题。
对消技术是当前提高连续波雷达收发隔离度的有效手段，其基本原理为，采用耦合器提取一部分发射信号作为参考信号，并将其通过一个模拟滤波器，产生与泄露干扰信号幅度相同、相位相反的对消信号，将对消信号输入与接收信号进行矢量合成实现干扰对消。对消过程一般在射频或中频进行，也可采用射频对消与中频对消相结合的办法。但考虑到低噪放、ADC的动态范围有限，在射频进行对消可大幅降低进入接收通道低噪放的信号功率从而避免其饱和，因此更加符合实际应用需求。
产生对消信号的模拟滤波器权值控制电路可以采用数字电路或模拟电路实现。若滤波器结构简单，如单抽头FIR滤波器，模拟权值控制电路的结构较简单，工程上可实现，成本、体积一般可以接受。但当滤波器抽头数较多时，权值数量相应增大，模拟电路较难实现小型化，而必须采用数字电路。采用数字电路的问题是，如果对射频信号或中频信号直接进行采样，所需要的 ADC采样率可能过高，而无法实现低成本和小型化。实际中线性调频连续波雷达信号带宽较大，可达到数百兆赫兹甚至数吉赫兹，直接采样所需采样率要求过高，硬件成本过高，使得数字权值控制电路变得复杂甚至无法实现。此外，模拟滤波器权值的计算一般采用LMS等自适应滤波算法实现，该类算法需要从各滤波器支路引出一路信号作为参考信号。因此，假设滤波器的抽头数量为N，则需要N路参考信号，也就需要N路下变频及数字化电路，这也会增加电路的复杂度和成本。
中国专利一种连续波雷达泄露对消***及方法(申请号： 201010532671.4)公开了一种中频干扰对消方法，但不能用于射频收发干扰对消。中国专利一种用于连续波雷达的射频对消***及射频对消方法(申请号：201611193306.9)公开了一种利用发射射频信号和接收射频信号计算矢量调制器权值的方法，且主要针对单抽头模拟滤波器，但该方法需要独立的误差检测电路得到中频检测信号，因此当扩展到多抽头模拟滤波器时电路杂度较高
发明内容
本发明的目的就是针对现有技术的缺陷，提供一种性调频连续波雷达收发干扰对消装置及其使用方法，可大幅降低ADC采样速率的要求，简化电路设计，降低成本。
本发明提供了一种线性调频连续波雷达收发干扰对消装置，其特征在于包括耦合器、射频开关、多抽头模拟滤波器、合成器、 ADC模块、数字信号处理单元与多通道DAC模块；
所述耦合器的输入端与线性调频连续波雷达收发单元的发射端电连接，用于获取发射信号样本；其直通输出端电连接射频开关的输入端，其耦合输出端与多抽头模拟滤波器的输入端电连接；
所述射频开关的输出端与发射天线的输入端电连接；用于连接或断开耦合器直通端口与发射天线输入端间的连接；
所述多抽头模拟滤波器的输出端与合成器一输入端电连接，用于产生自干扰对消信号；
所述合成器另一输入端与接收天线的输出端电连接，其输出端与线性调频连续波雷达收发单元的接收通道的输入端电连接，用于将对消信号与接收信号进行合成，实现自干扰对消；
所述接收通道的另一输入端接收来自线性调频连续波雷达收发单元的发射端的发射信号，其输出端与ADC模块的输入端电连接，用于将合成器输出信号与发射信号进行低噪声放大、并与发射信号进行混频和低通滤波得到差拍信号；
所述ADC模块的输入端电连接线性调频连续波雷达收发单元的差拍信号输出端，用于将差拍信号数字化；其输出端电连接数字信号处理单元的输入端；
所述数字信号处理单元，用于生成多抽头滤波器的数字权值，其输出端电连接多通道DAC模块的输入端；
所述多通道DAC模块用于将数字权值转换为模拟电压信号，其输出端电连接多抽头模拟滤波器权值端口。
上述技术方案中，多抽头模拟滤波器包括N路功分器、N 路合成器、延时线和矢量调制器，N路功分器的输入端电连接耦合器的耦合输出端，N路功分器的输出端分别与N路延时线电连接，N路延时线的另一端分别与N路对应的矢量调制器的输入端电连接，N路矢量调制器的输出端与N路合成器的N个输入端电连接，N路合成器的输出端与合成器的输入端电连接。
上述技术方案中，所述矢量调制器包括隔离器、正交混频器、 I路权值电阻和Q路权值电阻，隔离器的输入端与延时线输出端电连接，隔离器的输出端与正交混频器本振端连接，正交混频器 I路中频端与I路权值电阻一端连接，正交混频器Q路中频端与 Q路权值电阻一端连接，正交混频器射频端与合成器输入端电连接，I路权值电阻和Q路权值电阻另一端分别与DAC输出端电连接。
上述技术方案中，所述的线性调频连续波雷达收发干扰对消装置的控制算法，其特征在于包括以下步骤：
S1，断开发射天线输入信号；
S2，将多抽头模拟滤波器第n支路的衰减调至最小值、相位调节为0度，其他支路衰减调节到最大值、相位调节为0度，其中n＝1，...，N，N为多抽头模拟的抽头数，数字化并存储线性调频连续波雷达收发单元此时输出的差拍信号以作为参考信号；
S3，重复步骤S2得到多抽头模拟滤波器各支路射频参考信号对应的一个或多个周期的数字化差拍信号；截取该数字差拍信号的一个或多个周期，并存储作为本地参考信号；
S4，恢复发射天线输入信号；
S5，将所接收到的差拍信号作为期望信号，同时将S3得到的本地参考信号，利用自适应滤波算法得到多抽头模拟滤波器的权值；
S6，将S5得到的多抽头模拟滤波器权值输入给多抽头模拟滤波器，得到射频对消信号，并将该射频对消与接收射频信号合成，实现干扰对消。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
1.所需ADC采样率低，且不需要额外的混频电路。由于使用发射信号与接收信号的差拍信号计算权值，信号带宽一般在数 MHz以下，因此所需ADC采样率远低与传统的数百兆赫兹甚至吉赫兹要求。并且，由于生成差拍信号的电路一般存在于雷达接收机中，因此不需要额外的混频电路专门用来产生差拍信号。
2.所需ADC数量少，不需要下变频电路。由于差拍参考信号可以采用接收机中的混频电路获得，只需要1路ADC。而传统方法需要将滤波器每个抽头的输入射频信号进行混频、滤波、 ADC变换等下变频链路，因此需要N+1路下变频链路，其中N 为滤波器抽头数量。因此，本发明的电路结构更加简单。
3.数字信号处理硬件要求低，且可以与线性调频连续波雷达其他信号处理硬件共用。由于采用低速ADC，对数字型号处理硬件，如FPGA等芯片的时钟速率要求降低。此外，线性调频连续波雷达的其他信号处理任务，如快速傅里叶变换等可以采用同一FPGA芯片。基于以上两点，本发明可大幅降低硬件成本和电路体积。
附图说明
图1是本发明提供的线性调频连续波雷达自干扰对消***框图。
图2是本发明具体应用实例中模拟多抽头滤波器电路结构框图。
图3是本发明具体应用实例中矢量调制器电路结构框图。
图4是本发明具体应用实例中接收通道电路结构框图。
图5是本发明具体应用实例中数字信号处理模块组成框图。
图6是本发明具体应用实例中周期差拍参考信号示意图。
图7是本发明具体应用实例中接收机对消输出差拍信号示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明，便于清楚地了解本发明，但它们不对本发明构成限定。
如图1所示，本发明提供了一种线性调频连续波雷达收发干扰对消装置，包括：
射频开关102，其输入接耦合器101直通端，用于连接或断开耦合器101直通端口与发射天线输入端间的连接；
耦合器101，其输入端接发射信号，输出端接射频开关102 输入端，用于获取发射信号样本；
多抽头模拟滤波器103，其输入端接耦合器101耦合端，输出接合成器104一输入端口，用于产生自干扰对消信号；
合成器104，其另一输入端口接接收天线输出端，输出接端与接收通道105输入端连接，用于将对消信号与接收信号进行合成，实现自干扰对消；
接收通道105，其一输入端接合成器104输出，另一输入端接发射信号，输出端接ADC106输入，用于将合成器输出信号与发射信号进行低噪声放大、并与发射信号进行混频和低通滤波得到差拍信号；
ADC106，其输入端接接收通道105输出，输出端接数字信号处理单元107，用于将差拍信号数字化；
数字信号处理单元107，其输入接ADC106输出，输出接 DAC108输入，用于生成多抽头滤波器的数字权值；
DAC108，其输入接数字信号处理单元107输出，输出接多抽头模拟滤波器103权值控制端口，用于将数字权值转换为模拟电压信号。
本具体实施例中，射频开关选用单刀双掷射频开关，其第一输出端口连接发射天线，第二输出端口连接50欧姆匹配负载。当射频开关切换至第二输出端口时，可断开耦合器101直通端口与发射天线间的连接。耦合器101采用宽带双向耦合器，耦合度为10dB。耦合度不能太大，以降低耦合器对发射信号的插损。
图2所示为本发明多抽头模拟滤波器103一实施例结构框图。为方便描述，用N代表多抽头模拟滤波器抽头数量。多抽头模拟滤波器103包括：N路功分器201，其输入接耦合器101 耦合端，输出端接延时线202输入端；延时线202，其输出端接矢量调制器203输入端；矢量调制器203，其输出接多路合成器 204一输入端；N路合成器204，其输出接合成器104一输入端。以N＝2为例，本实施例多抽头模拟滤波器103包含2个延时线、 2个矢量调制器、1个2输出功分器、1个2输入合成器。其中，延时线1和延时线2的延时大小不同，本例中延时线2延时 D2＝D1+1/B，其中D1为延时线1的时延，B为发射信号带宽。
图3所示为本发明矢量调制器203一实施例结构框图。矢量调制器203包括：隔离器301，其输入端与延时线202输出端电连接，输出端与正交混频器302本振端连接；正交混频器302 的I路中频端与I路权值电阻303一端连接，Q路中频端与Q路权值电阻304一端连接，射频端与合成器104一输入端电连接； I路权值电阻303和Q路权值电阻304另一端分别与多通道 DAC108输出端电连接。其中，正交混频器302采用基于肖特基二极管双平衡混频器的正交混频器；I路权值电阻303和Q路权值电阻304为360欧姆，使DAC输出电压(-5V～+5V)分压至适合正交混频器的工作电压，保护正交混频器302以避免因中频端输入电压过大而烧毁。
图4所示为本发明接收通道105一实施例结构框图。接收通道105包括：低噪放模块401，其输入端接合成器104输出，输出端接混频器402射频输入端，用于将接收信号放大；混频器 402，其本振输入端接发射信号，输出端接低通滤波器403输入端，用于将发射信号与接收信号混频得到差拍信号；低通滤波器 404，其输出端接低噪放404输入端，用于滤除混频器402输出中的杂散和谐波；低噪放404，其输出端接ADC106，用于对低通滤波器403输出信号放大驱动后级电路。
本具体实施例中，ADC106参数：采样率5Msps、位宽16 比特。DAC参数为：采样率500ksps、位宽20bit、输出电压-5V～+5V，以获得较高的动态范围和较低的杂散电平，且匹配矢量调制器，并与矢量调制器控制电压匹配，以保证足够的幅度、相位调节范围。数字信号处理单元采用FPGA实现，以降低自适应滤波算法的环路延迟。
本发明中，数字信号处理单元可同时用来执行其他雷达信号处理任务。图5为本发明数字信号处理单元107内信号处理模块组成框图。其基本原理为：接收信号同时分为两路，其中一路提供给自适应滤波算法模块501，另一路提供给雷达信号处理模块 503；参考信号模块502用于产生本地参考信号；自适应滤波模块501以接收信号和本地参考信号作为输入，产生数字权值信号输出；雷达信号处理模块503产生目标距离等信息通过通信端口输出给外部设备。
本发明进一步提供了一种线性调频连续波雷达数字控制射频自干扰装置控制算法，具体步骤为：
1、将射频开关102关闭；将多抽头模拟滤波器103第一支路的衰减调至最小值、相位调节为0度，其他支路衰减调节到最大值、相位调节为0度，将此时得到数字化差拍信号作为参考信号；重复上一步骤得到多抽头模拟滤波器各支路射频参考信号对应的一个或多个周期的数字化差拍信号；截取该数字差拍信号的一个或多个周期，并存储作为本地参考信号；
2、将射频开关102打开；将接收差拍信号作为期望信号，将步骤1存储的数字差拍信号作为参考信号，利用自适应滤波算法得到多抽头模拟滤波器的权值；
3、将权值电压输入给多抽头模拟滤波器，得到射频对消信号；射频对消信号与接收射频信号合成实现干扰对消。
其基本原理为：
1、在步骤1中，将射频开关关闭，是为了避免发射信号经天线耦合进接收通道，影响本地参考信号提取。将其他抽头中的矢量调制器衰减调节至最大值，可以单独获得剩余某一路抽头对应的参考差拍信号。由于线性调频连续波具有周期性，且参考信号的时延、幅度是固定的，因此参考信号与发射信号的差拍信号也是周期的且幅度固定。所以，对于计算权值，只需要截取1 个以上周期的差拍信号即可。图6所示为该周期性差拍信号示意图。截取其中1个周期的差拍信号并循环播放可以得到相同的周期信号。
2、在步骤2中，采用LMS(LeastMeanSquare，最小均方差)算法等常用自适应滤波算法计算权值。图7所示为采用该方法所得到的接收机差拍信号。自干扰对消过程从0时刻开始。在对消算法收敛后，自干扰信号对应的差拍信号分量被抑制，可还原出目标回波信号波形。
本说明书未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (3)

1.一种线性调频连续波雷达收发干扰对消装置，其特征在于包括耦合器、射频开关、多抽头模拟滤波器、合成器、ADC模块、数字信号处理单元与多通道DAC模块；
所述耦合器的输入端与线性调频连续波雷达收发单元的发射端电连接，用于获取发射信号样本；其直通输出端电连接射频开关的输入端，其耦合输出端与多抽头模拟滤波器的输入端电连接；
所述射频开关的输出端与发射天线的输入端电连接；用于连接或断开耦合器直通端口与发射天线输入端间的连接；
所述多抽头模拟滤波器的输出端与合成器一输入端电连接，用于产生自干扰对消信号；
所述合成器另一输入端与接收天线的输出端电连接，其输出端与线性调频连续波雷达收发单元的接收通道的输入端电连接，用于将对消信号与接收信号进行合成，实现自干扰对消；
所述接收通道的另一输入端接收来自线性调频连续波雷达收发单元的发射端的发射信号，其输出端与ADC模块的输入端电连接，用于将合成器输出信号与发射信号进行低噪声放大、并与发射信号进行混频和低通滤波得到差拍信号；
所述ADC模块的输入端电连接线性调频连续波雷达收发单元的差拍信号输出端，用于将差拍信号数字化；其输出端电连接数字信号处理单元的输入端；
所述数字信号处理单元，用于生成多抽头滤波器的数字权值，其输出端电连接多通道DAC模块的输入端；
所述多通道DAC模块用于将数字权值转换为模拟电压信号，其输出端电连接多抽头模拟滤波器权值端口；
所述的线性调频连续波雷达收发干扰对消装置的控制算法，其特征在于包括以下步骤：
S1，断开发射天线输入信号；
S2，将多抽头模拟滤波器第n支路的衰减调至最小值、相位调节为0度，其他支路衰减调节到最大值、相位调节为0度，其中n＝1，...，N，N为多抽头模拟的抽头数，数字化并存储线性调频连续波雷达收发单元此时输出的差拍信号以作为参考信号；
S3，重复步骤S2得到多抽头模拟滤波器各支路射频参考信号对应的一个或多个周期的数字化差拍信号；截取该数字差拍信号的一个或多个周期，并存储作为本地参考信号；
S4，恢复发射天线输入信号；
S5，将所接收到的差拍信号作为期望信号，同时将S3得到的本地参考信号，利用自适应滤波算法得到多抽头模拟滤波器的权值；
S6，将S5得到的多抽头模拟滤波器权值输入给多抽头模拟滤波器，得到射频对消信号，并将该射频对消与接收射频信号合成，实现干扰对消。
2.根据权利要求1所述的线性调频连续波雷达收发干扰对消装置，其特征在于多抽头模拟滤波器包括N路功分器、N路合成器、延时线和矢量调制器，N路功分器的输入端电连接耦合器的耦合输出端，N路功分器的输出端分别与N路延时线电连接，N路延时线的另一端分别与N路对应的矢量调制器的输入端电连接，N路矢量调制器的输出端与N路合成器的N个输入端电连接，N路合成器的输出端与合成器的输入端电连接。
3.根据权利要求2所述的线性调频连续波雷达收发干扰对消装置，其特征在于所述矢量调制器包括隔离器、正交混频器、I路权值电阻和Q路权值电阻，隔离器的输入端与延时线输出端电连接，隔离器的输出端与正交混频器本振端连接，正交混频器I路中频端与I路权值电阻一端连接，正交混频器Q路中频端与Q路权值电阻一端连接，正交混频器射频端与合成器输入端电连接，I路权值电阻和Q路权值电阻另一端分别与DAC输出端电连接。
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