CN112436905A - 一种通信雷达联合*** - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种通信雷达联合***，具体为：目标回波输入距离门重排模块，重排后的二维数据矩阵通过脉冲压缩模块、时延补偿模块和相参积累模块，使信号波峰对准目标位置，然后通过平滑滤波模块、距离维恒虚警检测模块和距离估计模块，获得距离估计值，再根据距离估计结果，通过速度维恒虚警检测模块和速度估计模块获得该目标速度估计值。本发明通过平滑滤波操作，提高接收信号信噪比；通过在脉冲压缩处理时采用部分序列生成匹配滤波器系数，提升主副比性能；通过优化CFAR参考窗口选择，降低目标虚警告概率，使得接收不完整回波时，仍然具有良好脉压特性，从而拓宽了目标可探测范围。

Description

一种通信雷达联合***
技术领域
本发明属于通信雷达领域。尤其涉及通信雷达一体化信号处理装置，在IEEE802.11系列通信协议标准框架下，针对其典型前导码结构，以通信信号为基础设计雷达处理***。
背景技术
缩略语和关键术语定义
CAGO-CFAR Cell Averaging with Greatest Of CFAR 单元平均选最大CFAR
CEF Channel Estimation Field 信道估计字段
CFAR Constant False Alarm Rate 恒虚警率
CPI Coherent Processing Interval 相参处理间隔
DFRC Dual-Functional Radar-Communication 双功能雷达通信
FFT Fast Fourier Transform 快速傅立叶变换
LRR Long-Range Radar 远程雷达
PHY Physical Layer 物理层
PRF Pulse Repetition Frequency 脉冲重复频率
PRI Pulse Repetition Interval 脉冲重复间隔
SC PHY Single Carrier Physical Layer 单载波物理层
STF Short Training Field 短训练字段
TDD Time Division Duplex 时分双工
双功能通信雷达（Dual-Functional Radar-Communication，DFRC）***能够基于统一硬件，在同一波形体制下实现通信数据传输和雷达目标探测功能。该方法一方面能够在硬件维度降低成本，另一方面能够在频谱维度降低通信及雷达对频谱的使用冲突。
DFRC典型设计方法包括两种：1）以通信波形为基础，在通信波形上增加雷达功能；2）以雷达波形为基础，在雷达波形上增加通信功能。本发明主要针对第一种情况，以IEEE802.11系列通信协议物理层波形为基础框架，利用其典型的前导码结构，通过将其配置成脉冲编码单站雷达实现收发隔离，并设计雷达处理算法，实现对目标测速及测距。
如图1所示，IEEE 802.11系列协议物理层帧前导码通常由两部分构成，前导码序列P1由多个相同短字段A以及字段B组成，在通信数据传输中字段A用于实现帧检测、同步、频偏估计功能，字段B用于实现符号边界检测功能，前导码序列P2由两个重复长字段C及其循环前缀组成，在通信数据传输中主要用于实现信道估计。
由于前导码序列良好的自相关特性，利用前导码序列作为雷达编码波形，能够较好地实现目标距离及速度估计。然而，IEEE 802.11系列协议标准设计出发点是为了满足通信传输需求，设计之初并未考虑雷达探测需求。
首先，由于IEEE 802.11系列协议前导码典型结构中短字段A周期重复出现，如果将其简单地应用到现有雷达探测方法中，经过脉冲压缩处理后，相关峰主副比性能很差，严重影响雷达距离和速度探测性能；
其次，由于单站雷达采用收发分时结构，针对近端目标，只能接收部分目标回波，导致近端目标回波不完整。如果在脉冲压缩时，匹配滤波器按照全码字进行设计，近端目标的不完整回波只能实现部分脉冲压缩，降低了脉压后的主瓣增益，使得相关峰主副比进一步恶化；
再次，由于IEEE 802.11系列设备发射功率往往较小，用作雷达功能时，导致回波信噪比较低，影响目标检测。因此，需要针对性设计雷达信号处理方案，提高信噪比，在保证检测概率的基础上降低虚警概率。
因此，本专利重点针对以上三点问题，以IEEE 802.11系列通信协议物理层波形为基础框架，利用其典型的前导码结构，设计雷达探测方案，以在IEEE 802.11系列标准中实现通信传输及雷达探测功能。
现有技术：
一种基于IEEE 802.11ad的车-车通信及远程雷达（Long-Range Radar，LRR）设计方法（文献出处：P. Kumari, J. Choi, N. Gonzlez-Prelcic, and R. W. Heath,
“IEEE 802.11ad-based radar: An approach to joint vehicularcommunicationradar system,” IEEE Trans. Veh. Technol., vol. 67, no. 4, pp.3012–3027, Apr 2018.），该方法在IEEE 802.11ad 单载波物理层（Single CarrierPhysical Layer，SC PHY）协议中，基于通信数据传输时的单帧和多帧，设计了雷达目标检测、距离和速度估计方法。但该方案采用全双工假设，假设***可以同时收发，该方案在毫米波频段实现复杂度很大。
现有技术的缺点：
上述现有技术一需要***具备全双工能力，以消除收发自干扰。此外，其雷达检测流程基于通信接收信号的信道估计和时频同步技术，在低信噪比下，其检测性能无法满足需求。
发明内容
本发明的目的是针对IEEE 802.11典型前导码结构中重复字段导致的主副比性能差、近端目标回波不完整导致的主副比恶化、毫米波信号衰减严重导致的接收信号信噪比不足问题，而提供一种通信雷达联合***，旨在有效提高雷达***探测的距离精度和速度精度。
本发明是通过以下技术方案实现的：一种通信雷达联合***，包括距离门重排模块、脉冲压缩模块、时延补偿模块、相参积累模块、平滑滤波模块、距离维恒虚警检测模块、距离估计模块、速度维恒虚警检测模块、速度估计模块；雷达发射IEEE 802.11系列协议典型通信前导码编码的雷达信号，接收信号首先通过距离门重排模块进行距离门重排，所得二维数据矩阵通过脉冲压缩模块、时延补偿模块和相参积累模块使得信号波峰对准目标所在位置，然后通过平滑滤波模块、距离维恒虚警检测模块和距离估计模块获得目标与雷达的距离估计值，最后利用距离估计的结果，将指定距离的数据通过速度维恒虚警检测模块和速度估计模块获得该目标与雷达的相对速度估计值；
所述***的雷达模型是工作在时分双工模式下的单基站雷达，雷达的发射和接收与通信在时间上是分开进行的。
所述距离门重排模块：
采用二维缓冲存储器，将采样得到的数据依次放进二维数据矩阵；每个单元代表一个独立基带样本；列数据为单个脉冲在脉冲重复间隔内的L个接收回波样本，行数据为来自同一距离的M个接收回波样本；其中，L为脉冲重复间隔内的采样次数，M为重复脉冲的数量，M的取值需保证目标在相参处理间隔内的移动小于距离分辨率；后续的处理围绕该二维数据矩阵展开；
所述脉冲压缩模块：
采用匹配滤波器逐个脉冲实现匹配滤波，从输出信号波峰的位置获得目标回波的接收时延；匹配滤波器系数由本地序列产生，其幅频特性与回波信号相同，相频特性与回波信号共轭；
针对IEEE 802.11系列协议典型前导码重复字段带来的丰富旁瓣，选取部分序列（而非整个前导码序列）作为参考序列生成匹配滤波器系数；所述的部分序列具备以下条件：
条件1：序列中正值与负值的数量相等，以在不匹配时，实现峰值正负抵消；
条件2：序列长，以使得完全匹配时主瓣峰值更高；
条件3：包含的重复字段少，以减少旁瓣数量；
条件4：序列在整个前导码字段中靠后，在接收不完整回波时即近距离目标仍然具有良好的匹配滤波器输出波形。
所述脉冲压缩模块：当将其应用到IEEE 802.11ad协议标准时，选取匹配滤波器系 数的参考序列为：短训练字段末尾4个长为128的格雷序列、信道估计字段中的
Figure 36663DEST_PATH_IMAGE001
和
Figure 484962DEST_PATH_IMAGE002
。
所述时延补偿模块：
该模块补偿脉冲压缩模块带来两部分时延，一是滤波器时延，二是所选部分序列并非从前导码第一个码字开始的定位时延；选取部分序列长度为K，因此滤波器系数长度为K，则滤波器时延为K-1；部分序列从第q个码字开始，则定位时延为q-1；两种时延均为固定时延，因此，将匹配滤波器输出往前移动该固定单元，并在末尾补零，从而消除时延。
所述相参积累模块：
该模块通过快速傅里叶变换实现多普勒频率的分离，即将时延补偿后的数据矩阵按行独立进行傅里叶变换，共进行L次N点傅里叶变换；每个多普勒通道的输出对应一个较窄的多普勒频带，输出波形峰值所在多普勒通道即为目标的多普勒频偏值。
所述平滑滤波模块：
该模块通过多个重复脉冲的相同距离门数据求平均来实现，在削弱噪声的同时，减少距离维恒虚警检测模块的输入数据；在距离维度进行目标探测时，考虑到在一个相参处理间隔内目标与雷达的距离波动不超过一个距离门，则认为目标距离固定，但信道噪声是不同的并且能相互抵消；所以，将M个样本求平均能削弱噪声对波形的影响，却不会改变距离信息，这一步在相参积累后，距离恒虚警概率检测前进行。
所述距离维恒虚警检测模块：
该模块采用恒虚警率检测技术对滑动窗口内的数据进行处理；滑动窗口依次覆盖前参考窗口、前保护窗口、观察窗口、后保护窗口和后参考窗口；将前、后参考窗口分别对准回波匹配滤波后主瓣左、右的旁瓣；随着窗口的滑动，主瓣的参考窗口对准旁瓣，旁瓣的参考窗口对准旁瓣或噪声，噪声的参考窗口对准旁瓣或噪声；用前、后参考窗口内的信号估计背景杂波以及旁瓣的未知统计参数，并进行阈值设计，使得只有主瓣能够超过阈值，而旁瓣之间相互制约；若阈值低于观察窗口的功率，则在该观察窗口对应的距离格记1，反之，则记0，该模块的输出为与距离格一一对应的一维数组。
所述的距离维恒虚警检测模块：当将其应用到IEEE 802.11ad协议标准时，主瓣与 旁瓣的相对位置固定，且取决于前导码中重复字段
Figure 546590DEST_PATH_IMAGE003
的长度，选择与观察窗口相邻的第 一个旁瓣或第二个旁瓣作为参考窗口对象，根据主副比设置前、后参考窗口长度，根据
Figure 472958DEST_PATH_IMAGE004
的长度设置前、后保护窗口长度。
所述的距离估计模块：为了消除同一目标主瓣连续多格超过阈值造成的虚警，该模块对距离维恒虚警检测模块的输出数组进行处理，具体的处理规则如下： 规则1：若单独一格为1，则不进行处理； 规则2：若连续两格为1，则仅保留大值处的1，另外一格置0； 规则3：若连续三格为1，则仅保留中值处的1，另外两格置0； 规则4：若连续多格即≥4格为1，取前三个认为来自于同一目标，按照规则3处理，数组中剩下的数据再取前三个，认为来自于同一目标，按照规则3处理，以此类推，当剩下不到三格时，按规则1或者规则2处理；
按照上述4条规则处理后，仍为1的格子对应距离格处存在目标；根据距离格的位置得到目标回波的接收时延，从而得到目标距离估计值。
所述速度维恒虚警检测模块：
根据距离检测结果，在相参积累模块输出的二维矩阵中选取存在目标的行数据进行恒虚警检测；速度维恒虚警检测的方法与距离维恒虚警检测方法一致，但其参考窗口无需对准旁瓣，按照经验设置即可；速度维恒虚警检测用于应对同一距离有多个目标的场景，其结果为目标的多普勒频偏估计值；
所述速度估计模块将目标的多普勒频偏估计值转化为目标的速度估计值。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
（1）本发明提出的基于IEEE 802.11系列协议典型前导码结构的雷达***无需对原硬件进行改进，可通过加装处理算法的方式，在原有数据传输功能的基础上扩展雷达探测功能。并且，采用毫米波频段的协议标准时，雷达***能够达到很高的距离和速度精度；
（2）本发明IEEE 802.11设备发射功率低造成的信噪比不足问题，通过在恒虚警处理前进行平滑滤波操作，在不丢失距离信息的前提下，提高接收信号信噪比，同时大大降低了后续处理的复杂度，进一步提高了***的探测效率；
（3）本发明针对IEEE 802.11系列协议典型前导码中重复字段导致的主副比性能差问题，提出在脉冲压缩处理时采用部分序列生成匹配滤波器系数，而非直接使用全码字，有效避免旁瓣触发虚警，提高雷达探测性能；
（4）本发明针对IEEE 802.11系列协议典型前导码中重复字段导致的主副比性能差问题，提出在恒虚警处理时将参考窗口对准旁瓣，从而主瓣能在丰富的旁瓣中突出，而旁瓣之间相互制约，进一步降低旁瓣对雷达探测性能的影响；
（5）本发明针对近端目标回波不完整导致的主副比恶化问题，通过采用部分序列生成匹配滤波器系数，使得在接收近距离目标的不完整回波时，仍然具有良好的自相关特性，拓宽了***的可探测范围。
附图说明
图1是IEEE 802.11系列协议物理层典型前导码帧结构图。
图2是IEEE 802.11ad SC PHY前导码帧结构图。
图3是基于IEEE 802.11ad的雷达信号处理流程图。
图4是一个CPI内的脉冲雷达信号示意图。
图5是距离门重组模块的二维数据矩阵。
图6a、图6b分别是完整序列和部分序列的脉冲压缩输出信号功率谱。
图7是相参积累模块原理图。
图8是平滑滤波模块原理图。
图9a是FFT后的第100个脉冲效果。
图9b是平滑滤波器的输出效果。
图10是CAGO-CFAR原理图。
具体实施方式
本发明实施例一：
本发明实施例一在IEEE 802.11ad标准框架下，提出了在双功能通信雷达***中实现雷达目标探测功能的方案。由于IEEE 802.11ad通信协议工作在60GHz频段，其传输带宽很大，基于该标准实现雷达探测功能，能够显著提升雷达测速和测距精度。
本实施例的雷达***仅在通信的闲暇时刻进行，即雷达***的发射和接收与通信***在时间上是分开的。所用雷达信号为IEEE 802.11 ad单载波物理层（Single CarrierPhysical Layer，SC PHY）帧前导码相位编码脉冲雷达信号。该模式下码片速率为1.76GHz，最小同步单位为128点。
IEEE 802.11ad SC PHY前导码具备典型IEEE 802.11协议帧前导码重复结构，其中包含短训练字段（Short Training Field，STF）和信道估计字段（Channel EstimationField，CEF），均采用格雷互补序列。STF字段由16个重复的格雷序列Ga128和一个-Ga128组成，CEF字段由Gu512和Gv512，以及-Ga128组成，如图2所示。
格雷互补序列具有良好的自相关特性，其自相关函数具有非常尖锐的波峰，且副瓣相互对消。因此，利用格雷互补序列作为雷达编码波形，能够较好地实现目标距离及速度估计。
但由于IEEE 802.11ad SC PHY前导码中格雷序列重复出现，导致雷达信号主副比性能差，此外，近端目标回波不完整导致主副比恶化，毫米波信号衰减严重导致接收信号信噪比不足。
因此，本实施例针对上述三个问题，通过设计接收端处理机制，在IEEE 802.11ad标准框架下实现雷达目标检测。
图3给出了本实施例的完整信号处理流程。一种通信雷达联合***，包括距离门重排模块、脉冲压缩模块、时延补偿模块、相参积累模块、平滑滤波模块、距离维恒虚警检测模块、距离估计模块、速度维恒虚警检测模块、速度估计模块。雷达发射基于IEEE 802.11ad的前导码雷达信号，接收信号首先送入距离门重排模块，再将重排后的二维数据矩阵通过脉冲压缩模块、时延补偿模块和相参积累模块，使得信号波峰对准目标所在位置，然后通过距离维恒虚警检测模块和距离估计模块获得目标与雷达的距离估计值，最后利用距离估计的结果，将指定距离的数据通过速度维恒虚警检测模块和速度估计模块获得该目标的相对速度估计值。
本发明所用的脉冲雷达信号表示为
Figure 818489DEST_PATH_IMAGE005
(1)
其中，雷达包络函数
Figure 172109DEST_PATH_IMAGE006
为矩形函数，
Figure 721034DEST_PATH_IMAGE007
为相位调制函数，j为虚数单位。采用的编码 序列IEEE 802.11ad前导码只包含0、1两种元素，所以采用二相编码，即当编码符号为1时，
Figure 451092DEST_PATH_IMAGE008
，编码符号为0时，
Figure 916709DEST_PATH_IMAGE009
。
如图4所示，本实施例的雷达模型是工作在时分双工（Time Division Duplex，TDD）模式下的单基站雷达。雷达信号子脉冲宽τ= 1/1.76GHz = 0.57ns，前导码码长N=3328，因此雷达脉宽为T=N*τ=1.89us。该雷达提供距离分辨率为ΔR = c*τ/2 = 8.5cm，其中c为光速。雷达发送雷达信号时不进行接收，在发送结束后，接收机开始工作，一发一收总时长为脉冲重复间隔（Pulse Repetition Interval，PRI），当占空比为50%时，PRI=3.78us。重复进行M次发、收后再进行信号处理。M的取值需保证保证目标在相参处理间隔（CoherentProcessing Interval，CPI）内的移动小于距离分辨率，即Vmax*M*PRI<ΔR，其中V是雷达能探测到的目标最大速度。在本例中，M取120。
距离门重排模块
具体地，所述的距离门重排模块采用二维缓冲存储器，将采样得到的数据依次放进二 维数据矩阵，如图5。每一个小格表示一个独立的基带样本。列数据为在一个PRI内的L个接 收回波样本，发射机将雷达脉冲信号重复发射了M次，因此，一共有M列数据。同一列的数据 来自同一批采样，采样频率
Figure 441231DEST_PATH_IMAGE010
为奈奎斯特采样率。L为PRI内的采样次数，可由PRI和Fs 算得。同一行的数据具有相同的接收时延，因此来自同一距离的目标回波。产生一个L*M二 维数据矩阵所需时间即CPI为M*PRI。其中，列数据的采样频率很快，称为快时间。而同行数 据相隔一个PRI，采样间隔大，称为慢时间。后续的处理围绕该二维数据矩阵展开。
脉冲压缩和时延补偿模块
具体地，所述的脉冲压缩模块逐个脉冲实现匹配滤波，从输出信号波峰的位置信息获得目标回波的接收时延。匹配滤波器系数由已知的本地序列产生，因为本地序列与发送信号相匹配，信号能够获得脉冲压缩增益。而杂波或者噪声与本地序列不匹配，所以在脉冲压缩之后，信号回波能在背景噪声中更加突出，便于检测。匹配滤波器系数的幅频特性与回波信号相同，相频特性与回波信号共轭。
在进行匹配滤波时，IEEE 802.11ad物理帧的STF字段包含的16段重复序列，导致输出信号具有数量多且峰值高的旁瓣。此外，基于IEEE 802.11ad物理帧的雷达信号时宽较长，近端目标回波无法完整接收，加剧输出信号的主副比恶化。针对IEEE 802.11ad前导码导致的主副比性能差问题，本发明提出了采用部分序列生成匹配滤波器系数，而非直接使用全码字。所述的部分序列具备以下条件：
条件1：正序列（Ga128、Gb128）的数量与负序列（-Ga128、-Gb128）的数量相等，才能在不匹配时，实现峰值正负抵消。
条件2：序列长，才能使得完全匹配时主瓣峰值更高。
条件3：包含的STF字段中的部分少，才能减少旁瓣数量。
条件4：序列在整个前导码字段中靠后，才能在接收不完整回波时（近距离目标）也能有良好的匹配滤波器输出波形。
具体地，本实施例中，选取STF字段末尾4个长为128的格雷序列和CEF字段中的Gu512和Gv512作为匹配滤波器系数的参考序列。其中Gu512和Gv512为格雷互补序列，而另外4个格雷序列用于中和序列中的正负序列数量。结果表明，当采用完整序列时，主瓣和第一个旁瓣比为6.03dB，与最高旁瓣比为4.85dB，如图6a。而当采用部分序列时，主瓣和第一个旁瓣比为15.89dB，与最高旁瓣比为9.8dB，见图6b。采用部分序列的策略使得主副比得到了约10dB的提升，有效避免旁瓣触发虚警，提高雷达探测性能。
脉冲压缩模块带来两部分时延，一是滤波器时延，二是选取的部分序列并非从前导码的第一个码字开始的定位时延。本实施例选取部分序列长度为1536，因此滤波器系数长度为K=1536，则滤波器时延为K-1=1535。部分序列从第q=1536个码字开始，则定位时延为q-1=1535。两种时延均为固定时延，所以将匹配滤波器的输出往前移动该固定单元，并在末尾补零，便可消除时延。
相参积累模块
所述的相参积累模块，即在进行包络检波或其他处理之前，利用信号的相位关系，以获得信号幅度的叠加。相干积累是对跨脉冲的数据进行多普勒处理，即处理的数据均来自于同一距离。
具体地，所述的多个脉冲的多普勒处理通过快速傅立叶变换（Fast FourierTransform，FFT）实现，即将时延补偿后的数据矩阵按行独立进行FFT，一共有L个距离单元，所以需进行L次N点FFT。每行数据包含M个样本，FFT点数N必须是2的幂，并且需大于等于M，在本实施例中N取128。在进行FFT后，数据矩阵的维度从L*M变为了L*N，如图7。其中，同列数据中的每个样本来自不同距离，称为距离门。FFT实现了多普勒频率的分离，同行数据中每个多普勒通道的输出对应一个较窄的多普勒频带，称为多普勒门。
多普勒频带覆盖的频率范围为-PRF到PRF，PRI为脉冲重复频率（PulseRepetition Frequency）。目标的多普勒频偏可能出现在N个多普勒通道中的任意一个的输出处。若探测范围内存在目标，则相参积累的输出波形峰值所在多普勒通道即为目标的多普勒频偏值。
平滑滤波模块
针对毫米波信号衰减严重导致的接收信号信噪比不足问题，在恒虚警处理前进行平滑滤波操作。在削弱噪声的同时，使得距离维恒虚警检测模块的输入数据变少，大大降低了后续处理的复杂度，进一步提高了***的探测效率。本实施例中，平滑滤波模块通过多个重复脉冲的相同距离门数据求平均来实现。在距离维度进行目标探测时，考虑到目标与雷达的距离在一个CPI内的变动不超过一个距离门，即重复接收的M个脉冲中，目标均位于同一个距离门。则认为接收到的M个重复脉冲是M个样本，每个样本中目标的距离信息不变，而信道的噪声是不同的并且能够相互抵消。
假设雷达回波包含信号和加性噪声，则第i个脉冲可表示为
Figure 474521DEST_PATH_IMAGE011
(2)
其中，
Figure 742692DEST_PATH_IMAGE012
是信号回波，在M个重复脉冲中保持不变，
Figure 797235DEST_PATH_IMAGE013
是白色非相关加性噪声，其方 差为
Figure 758238DEST_PATH_IMAGE014
。将每个脉冲相同距离门的参数对应相加，如图8，最终得到一个一维向量
Figure 734284DEST_PATH_IMAGE015
(3)
Figure 291299DEST_PATH_IMAGE016
中的噪声功率等于其方差，经换算，平滑滤波前后，信号功率的期望并未改变，而 噪声功率的期望值缩小到了原来的1/N倍，信噪比变为了原来的N倍。若不求平均，而是只进 行叠加，那么就将信号功率的期望值增大了N倍，而噪声功率期望值不变。所以，将M个样本 求平均能够削弱噪声对波形的影响，却不会改变距离信息，平滑滤波极大地削弱了噪声对 目标回波的影响，见图9a和图9b。这一步在相参积累后，恒虚警概率检测前进行。
恒虚警检测模块和估计模块
所述的距离维恒虚警检测模块采用恒虚警率（Constant False Alarm Rate，CFAR）检测技术，实时调整阈值，从背景噪声中找出目标所在的距离门。恒虚警检测技术即通过固定窗口内的信号，估计背景杂波的未知统计参数，计算出目标检测的阈值。具体地，在本实施例中固定窗口是指在观察单元的前后分别有覆盖了若干单元的保护窗口和参考窗口，窗口的数量固定，但窗口的位置是滑动的。
传统的检测程序要求能够区分有用的目标回波和所有可能的杂波情况。而在面对基于IEEE 802.11ad物理帧前导码的雷达信号时，除了需要将噪声、杂波滤除，还需将目标回波的数量多、峰值高的旁瓣滤除。本发明针对IEEE 802.11ad前导码导致的主副比性能差问题，提出利用自相关峰出现规律调整恒虚警检测的窗口对象的策略，使主瓣能在丰富的旁瓣中突出，而旁瓣之间相互制约，进一步降低旁瓣对目标探测的影响。
IEEE 802.11ad物理帧前导码自相关波形中每个相关峰峰值之间的间隔是固定不变的，假设发射端在相位编码时对前导码序列进行了二倍采样，接收端对接收信号进行了四倍内插再进行后续处理，那么这个间隔为128*2*4。
根据相关峰的出现规律，将前、后参考窗口的对象分别指定为回波匹配滤波后主瓣左、右的旁瓣。通过配置参考窗口长度和保护窗口长度，本实施例将参考窗口的对象与主瓣相邻的第一个旁瓣对齐。随着观察窗口的滑动，保护窗口和参考窗口也相应滑动。当观察窗口对准主瓣，则参考窗口对准主瓣相邻的旁瓣；当观察窗口对准旁瓣，则参考窗口对准与旁瓣相邻的旁瓣（或主瓣）；当观察窗口对准背景噪声，则参考窗口也对准背景噪声。主瓣与旁瓣的峰值比很大，而旁瓣之间峰值比很小。此时能够轻松地识别出主瓣，同时旁瓣之间相互牵制，减少虚警。观察图9b中平滑滤波器输出发现旁瓣峰值相差无几，而主瓣与旁瓣相差11.68dB，所以大大降低了旁瓣造成虚警的可能，进一步提升雷达探测性能。
然后利用参考窗口中的参考样本均值功率，估计旁瓣功率，再根据估计值进行阈值设计，使得只有观察窗口对准主瓣时能够超过阈值。
***用到的CFAR为一维单元平均选最大CFAR（Cell Averaging with GreatestOf CFAR，CAGO-CFAR），其原理框图见图10。输入数据为一维的距离维度数据的模平方，滑动窗口覆盖了前参考单元、前保护单元、观察单元、后保护单元、后参考单元。保护单元的设置是为了防止主瓣宽度过宽，功率估计值变高，从而阈值变高，使得主瓣也无法被探测到。假设参考单元个数为W，分别估计前后参考单元的均值功率，然后对两个均值功率进行比较，并选取大值作为最终功率估计值Z。
于是观察单元的阈值S便可得到
Figure 465928DEST_PATH_IMAGE017
(4)
其中
Figure 332253DEST_PATH_IMAGE018
为阈值乘积因子。CAGO-CFAR的阈值因子由以下隐式给出
Figure 592333DEST_PATH_IMAGE019
(5)
Figure 953038DEST_PATH_IMAGE020
为给定虚警概率。在获得阈值S后，将观察单元的功率与阈值比较，若大于阈值，则 记1，若小于阈值，则记0。该模块的输出为与距离格一一对应的一维数组。
所述的距离估计模块即估计目标的相对距离。为了消除同一目标主瓣连续多格超过阈值造成的虚警，该模块对距离维恒虚警检测模块的输出数组进行处理，具体的处理规则如下： 规则1：若单独一格为1，则不进行处理； 规则2：若连续两格为1，则仅保留大值处的1，另外一格置0； 规则3：若连续三格为1，则仅保留中值处的1，另外两格置0； 规则4：若连续多格即≥4格为1，取前三个认为来自于同一目标，按照规则3处理，数组中剩下的数据再取前三个，认为来自于同一目标，按照规则3处理，以此类推，当剩下不到三格时，按规则1或者规则2处理；
按照上述4条规则处理后，仍为1的格子对应距离格处存在目标；根据距离格的位置得到目标回波的接收时延，从而得到目标距离估计值。
根据距离检测结果，所述的速度维恒虚警检测模块选取存在目标的行数据进行恒虚警检测。速度维恒虚警检测方法与距离维恒虚警检测方法一致，但其参考窗口无需对准旁瓣，按照经验设置即可。速度维CFAR用于应对同一距离有多个目标的场景，其结果为目标的多普勒频偏估计值。
所述的速度估计模块将目标的多普勒频偏估计值转化为目标的速度。
本发明提出在接收端进行雷达信号处理时，选取部分IEEE 802.11ad前导码序列作为脉冲压缩的匹配滤波器系数生成序列。选取的原则充分考虑IEEE 802.11ad前导码的结构，选取的序列需要满足4个条件，分别是正序列、负序列数量相等；序列包含STF字段的部分少；序列长；选取的序列靠后。选取的序列使得匹配滤波器输出波形具有更大的主副比，从而在恒虚警检测中展现更好的探测性能。
本发明提出的平滑滤波处理，通过对跨脉冲的相同距离门数据求平均来实现。在降低计算复杂度的同时，增大了输出的信噪比。
本发明提出在距离维度恒虚警处理，根据IEEE 802.11ad前导码的自相关峰的峰值出现规律，将参考窗口对准相邻的旁瓣，或者第二个旁瓣。主瓣相对于旁瓣有可观的主副比，而旁瓣就无法在旁瓣中凸显出来，从而实现降低旁瓣对雷达探测的影响。
本发明的基本方案，可应用到使用IEEE 802.11ad前导码编码信号实现雷达功能的其它场景下（例如，射频前端支持全双工场景）。但凡根据发明的技术方案及其发明构思，加以等同替换与改变，均被认为属于发明的权利要求的保护范围。
本发明实施例二：
本发明实施例一中所用到的协议为IEEE 802.11ad，但本发明同样适用于在其他IEEE802.11系列通信协议中实现雷达功能。如在IEEE 802.11ax协议中，如果要实现雷达功能，可以类比本专利设计方案，在接收端进行雷达信号处理时，应对接收信号进行多倍内插提高距离精度，利用平滑滤波模块增大信噪比，并且在恒虚警检测模块，将参考窗口对准其过高的旁瓣，减少虚警概率，从而实现更好的雷达探测性能。

Claims (10)

1.一种通信雷达联合***，其特征在于，包括距离门重排模块、脉冲压缩模块、时延补偿模块、相参积累模块、平滑滤波模块、距离维恒虚警检测模块、距离估计模块、速度维恒虚警检测模块、速度估计模块；雷达发射IEEE 802.11系列协议典型通信前导码编码的雷达信号，接收信号首先通过距离门重排模块进行距离门重排，所得二维数据矩阵通过脉冲压缩模块、时延补偿模块和相参积累模块使得信号波峰对准目标所在位置，然后通过平滑滤波模块、距离维恒虚警检测模块和距离估计模块获得目标与雷达的距离估计值，最后利用距离估计的结果，将指定距离的数据通过速度维恒虚警检测模块和速度估计模块获得该目标与雷达的相对速度估计值；
所述***的雷达模型是工作在时分双工模式下的单基站雷达，雷达的发射和接收与通信在时间上是分开进行的。
2.根据权利要求1所述的一种通信雷达联合***，其特征在于，所述距离门重排模块：
采用二维缓冲存储器，将采样得到的数据依次放进二维数据矩阵；每个单元代表一个独立基带样本；列数据为单个脉冲在脉冲重复间隔内的L个接收回波样本，行数据为来自同一距离的M个接收回波样本；其中，L为脉冲重复间隔内的采样次数，M为重复脉冲的数量，M的取值需保证目标在相参处理间隔内的移动小于距离分辨率；后续的处理围绕该二维数据矩阵展开；
所述脉冲压缩模块：
采用匹配滤波器逐个脉冲实现匹配滤波，从输出信号波峰的位置获得目标回波的接收时延；匹配滤波器系数由本地序列产生，其幅频特性与回波信号相同，相频特性与回波信号共轭；
针对IEEE 802.11系列协议典型前导码重复字段带来的丰富旁瓣，选取部分序列作为参考序列生成匹配滤波器系数；所述的部分序列具备以下条件：
条件1：序列中正值与负值的数量相等；
条件2：序列长；
条件3：包含的重复字段少；
条件4：序列在整个前导码字段中靠后。
3.根据权利要求2所述的一种通信雷达联合***，其特征在于，所述脉冲压缩模块：当 将其应用到IEEE 802.11ad协议标准时，选取匹配滤波器系数的参考序列为：短训练字段末 尾4个长为128的格雷序列、信道估计字段中的
Figure 607220DEST_PATH_IMAGE001
和
Figure 727623DEST_PATH_IMAGE002
。
4.根据权利要求1所述的一种通信雷达联合***，其特征在于，所述时延补偿模块：
选取部分序列长度为K，因此滤波器系数长度为K，则滤波器时延为K-1；部分序列从第q个码字开始，则定位时延为q-1；两种时延均为固定时延，因此，将匹配滤波器输出往前移动该固定单元，并在末尾补零，从而消除时延。
5.根据权利要求1所述的一种通信雷达联合***，其特征在于，所述相参积累模块：
该模块通过傅里叶变换实现多普勒频率的分离，即将时延补偿后的数据矩阵按行独立进行傅里叶变换，共进行L次N点傅里叶变换；每个多普勒通道的输出对应一个较窄的多普勒频带，输出波形峰值所在多普勒通道即为目标的多普勒频偏值。
6.根据权利要求1所述的一种通信雷达联合***，其特征在于，所述平滑滤波模块：
该模块通过多个重复脉冲的相同距离门数据求平均来实现，这一步在相参积累后，距离恒虚警概率检测前进行。
7.根据权利要求1所述的一种通信雷达联合***，其特征在于，所述距离维恒虚警检测模块：
该模块采用恒虚警率检测技术对滑动窗口内的数据进行处理；滑动窗口依次覆盖前参考窗口、前保护窗口、观察窗口、后保护窗口和后参考窗口；将前、后参考窗口分别对准回波匹配滤波后主瓣左、右的旁瓣；随着窗口的滑动，主瓣的参考窗口对准旁瓣，旁瓣的参考窗口对准旁瓣或噪声，噪声的参考窗口对准旁瓣或噪声；用前、后参考窗口内的信号估计背景杂波及旁瓣的未知统计参数，并进行阈值设计，若阈值低于观察窗口的功率，则在该观察窗口对应的距离格记1，反之，则记0，该模块的输出为与距离格一一对应的一维数组。
8.根据权利要求7所述的一种通信雷达联合***，其特征在于，所述的距离维恒虚警检 测模块：当将其应用到IEEE 802.11ad协议标准时，主瓣与旁瓣的相对位置固定，且取决于 前导码中重复字段
Figure 772939DEST_PATH_IMAGE003
的长度，选择与观察窗口相邻的第一个旁瓣或第二个旁瓣作为参 考窗口对象，根据主副比设置前、后参考窗口长度，根据
Figure 571743DEST_PATH_IMAGE004
的长度设置前、后保护窗口长 度。
9.根据权利要求1所述的一种通信雷达联合***，其特征在于，所述的距离估计模块：
该模块对距离维恒虚警检测模块的输出数组进行处理，具体的处理规则如下： 规则1：若单独一格为1，则不进行处理； 规则2：若连续两格为1，则仅保留大值处的1，另外一格置0； 规则3：若连续三格为1，则仅保留中值处的1，另外两格置0； 规则4：若连续多格即≥4格为1，取前三个认为来自于同一目标，按照规则3处理，数组中剩下的数据再取前三个，认为来自于同一目标，按照规则3处理，以此类推，当剩下不到三格时，按规则1或者规则2处理；
按照上述4条规则处理后，仍为1的格子对应距离格处存在目标；根据距离格的位置得到目标回波的接收时延，从而得到目标距离估计值。
10.根据权利要求1所述的一种通信雷达联合***，其特征在于，所述速度维恒虚警检测模块：
根据距离检测结果，在相参积累模块输出的二维矩阵中选取存在目标的行数据进行恒虚警检测；速度维恒虚警检测的方法与距离维恒虚警检测方法一致，但其参考窗口无需对准旁瓣，按照经验设置即可；速度维恒虚警检测模块结果为目标的多普勒频偏估计值；
所述速度估计模块将目标的多普勒频偏估计值转化为目标的速度估计值。
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