CN112965067A - 一种适用于fmcw汽车雷达目标速度扩展方法 - Google Patents

一种适用于fmcw汽车雷达目标速度扩展方法 Download PDF

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刘俊秀
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    • G01S13/93—Radar or analogous systems specially adapted for specific applications for anti-collision purposes
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Abstract

本发明提供一种适用于FMCW汽车雷达目标速度扩展方法，该方法包括：确定发射信号波形；发射信号波第一部分为最小周期为Tc的N个连续锯齿波；第二部分为一个持续时间为Tcheck的锯齿波；将发射信号与接收信号进行混频、滤波再进行A/D转换；对第一部分时间信号进行至少两次FFT变换，求解出目标对应的距离以及模糊速度；对第二部分时间信号进行FFT变换求解出目距离和速度的第一耦合频率；使用模糊速度和最高检测速度计算出所有可能的实际速度，将实际速度以及距离代入耦合方程计算出对应的第二耦合频率；当判定第一耦合频率与第二耦合频率之间的差值小于预设门限值，将第二耦合频率对应的实际速度选定为运行速度。该方法能够有效处理目标速度模糊问题，同时兼具适用面广、运算简单、处理速度快的特点。

Description

一种适用于FMCW汽车雷达目标速度扩展方法
技术领域
本发明涉及FMCW雷达信号处理技术领域，尤其涉及使用24GHz或77GHz频段采用FMCW汽车雷达目标速度扩展方法。
背景技术
近年来，毫米波雷达在高级驾驶员辅助***(ADAS)中的使用呈现了爆发式的增长。毫米波雷达通过发射并处理接收到的电磁波，可以精确地测量出目标的距离，速度和角度，受天气，光线等环境因素的影响小，非常适合汽车雷达应用。雷达的探测距离，速度和角度的最大值，最小值和分辨率是其最重要的性能指标。这些指标受波形制式，算法，中射频电路性能，DSP处理能力和内存大小等因素综合影响。一般来说汽车雷达需要达到100到200Km/h的最高检测速度，现有的FMCW雷达受中射频电路性能的限制，很难在满足其它性能指标的前提下支持这么高的检测速度。如何在现有的硬件平台上，使用合适的波形设计或者信号处理方法解决速度模糊问题是当前汽车雷达信号处理的关键技术之一。
目前存在基于中国剩余定理，基于多普勒相偏补偿假设和基于目标跟踪假设等三种适合FMCW雷达的速度扩展方法，可通过相应的波形设计或数字信号处理方法将雷达的最高检测速度提高至车厂要求。上述三种方法各有特点，其中基于中国剩余定理的速度扩展算法适用面广，速度估计的准确度高，但是需要结合Fast-slow chirp的特殊波形，数据处理运算量较大。基于Doppler相偏补偿假设的速度扩展算法非常适合TDM-MIMO的波形配置，不需要改变雷达的波形，但是当前只能支持最大两倍的速度扩展，并且仅适用于MIMO雷达制式。基于目标跟踪假设的速度扩展算法充分利用了目标跟踪的历史信息，对目标检测层的要求低，但是加大了目标跟踪的计算量，对目标速度突变的响应会受跟踪周期的影响。如何提供一种速度扩展方法既能够有效处理目标速度模糊问题，同时兼具适用面广、运算简单、更新速度和处理速度快的特点是当前亟待解决的一个问题。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种适用于FMCW汽车雷达目标速度扩展方法用于解决现有技术的不足。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
本发明实施例提供了一种适用于FMCW汽车雷达目标速度扩展方法，其特征在于，包括：
根据FMCW雷达芯片最高中频频率、最大检测距离、距离分辨率以及速度分辨率确定实现目标速度扩展的发射信号波形；所述发射信号波形由两部分组成，第一部分为最小周期为Tc的N个连续锯齿波；第二部分为一个持续时间为Tcheck的锯齿波；其中，Tc小于Tcheck；
将发射信号与发射信号对应的接收信号进行混频、低通滤波再进行A/D转换；
对A/D转换后的数字信号按照第一部分时间信号和第二部分时间信号分类，对第一部分时间信号进行至少两次FFT变换，求解出目标对应的距离R以及模糊速度va；对第二部分时间信号进行FFT变换求解出目距离和速度的第一耦合频率f；
将模糊速度va代入公式vr＝va+N·vmax,N＝0,±2,±4…计算出所有可能的实际速度vr，其中，vmax为最高检测速度；
将实际速度vr以及距离R代入公式
Figure BDA0002316044180000031
计算出对应的第二耦合频率fb，其中，α为第二部分锯齿波的斜率；fc为雷达载波频率；c为光速；
当判定第一耦合频率f与第二耦合频率fb之间的差值小于预设门限值，将第二耦合频率fb对应的实际速度vr选定为汽车的运行速度。
进一步地，所述根据FMCW雷达芯片最高中频频率、最大检测距离、距离分辨率以及速度分辨率确定实现目标速度扩展的发射信号波形具体包括：
将距离分辨率ΔR代入公式
Figure BDA0002316044180000032
计算出锯齿波的带宽B；
将锯齿波的带宽B、最大检测距离R以及雷达芯片最高中频频率FIF带入公式
Figure BDA0002316044180000033
计算出第一部分锯齿波的最小周期TC；
将速度分辨率Δv代入公式
Figure BDA0002316044180000034
计算出第一部分时间N×TC，其中，λ为发射信号的中心频率。
进一步地，所述最高检测速度
Figure BDA0002316044180000035
其中，λ为发射信号的中心频率；TC为第一部分锯齿波的最小周期。
进一步地，所述实际速度vr可选取值为va-2vmax、va以及va+2vmax；当实际速度vr为正值；实际速度vr取值选用va-2vmax及va；当实际速度vr为正值；实际速度vr取值选用va及va+2vmax。
进一步地，所述将发射信号与发射信号对应的接收信号进行混频、低通滤波具体表示如下：
发射信号的锯齿波用公式表示如下：
Figure BDA0002316044180000041
若目标距离为R，速度为v，则时延τ用公式表示如下：
Figure BDA0002316044180000042
则发射信号对应的接收信号用公式表示如下：
Figure BDA0002316044180000043
将发射信号与接收信号进行混频和滤除高频分量得到中频信号用公式表示如下：
Figure BDA0002316044180000044
将时延表达式代入上式整理得到：
Figure BDA0002316044180000045
进一步地，对于所述第一部分锯齿波，中频信号可简化表示如下：
Figure BDA0002316044180000046
其中
Figure BDA0002316044180000047
为差频fb，
Figure BDA0002316044180000048
为每个扫描周期之间的相位差，对其连续进行两次FFT，第一次FFT确定出差频fb求解出目标对应的距离，第二次FFT确定出相位差求解出模糊速度；
对于所述第二部分锯齿波，中频信号可简化表示如下：
Figure BDA0002316044180000049
进行FFT变换时，距离R和速度v就会产生耦合，耦合频率表示如下：
Figure BDA00023160441800000410
基于本发明提供的上述方案，能够有效处理目标速度模糊问题，同时兼具适用面广、运算简单、更新速度和处理速度快的特点。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的一种适用于FMCW汽车雷达目标速度扩展方法的流程示意图；
图2为本发明实施例提供的发射信号波形图；
图3为本发明实施例提供的单目标仿真测量结果。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，本发明实施例提供了一种适用于FMCW汽车雷达目标速度扩展方法，包括：
S101、根据FMCW雷达芯片最高中频频率、最大检测距离、距离分辨率以及速度分辨率确定实现目标速度扩展的发射信号波形。
如图2所示，发射信号波形由两部分组成，第一部分为最小周期为Tc的N个连续锯齿波；第二部分为一个持续时间为Tcheck的锯齿波；其中，Tc小于Tcheck；优选地，Tc为的范围为10-100微秒，Tcheck的范围为1-10毫秒；第一部分锯齿波的周期较短，用以测量反射目标的位置、已模糊速度和方向；第二部分锯齿波用以校验反射目标的位置和速度，从而解速度模糊问题，实现速度扩展。
在发射信号波形的确定过程中，将距离分辨率ΔR代入公式(1)中计算出锯齿波的带宽B，
Figure BDA0002316044180000061
其中，c为光速。
将锯齿波的带宽B、最大检测距离R以及雷达芯片最高中频频率FIF带入公式(2)计算出第一部分锯齿波的最小周期TC，
Figure BDA0002316044180000062
其中，c为光速。
将速度分辨率Δv代入公式(3)计算出第一部分锯齿波的最小周期TC，
Figure BDA0002316044180000063
其中，λ为发射信号的中心频率。
S102、将发射信号与发射信号对应的接收信号进行混频、低通滤波再进行A/D转换。
将发射信号与接收信后进行混频、低通滤波再进行A/D转换，将对应的数字信号送入DSP中，为进一步处理做好准备。具体如下：
图2中的锯齿波发射信号用公式(4)表示如下：
Figure BDA0002316044180000064
其中B为锯齿波的带宽，Tc为锯齿波周期，fc为载波频率。
公式(4)仅仅描述了第一个锯齿波的表达式，想要表述第n个锯齿波，可以将t定义为t＝nTC+ts的形式，这样第n个锯齿波发送信号可以使用公式(5)表示
Figure BDA0002316044180000071
若目标距离为R，速度为v，则时延τ用公式(6)表示如下：
Figure BDA0002316044180000072
则发射信号对应的接收信号用公式表示如下：
Figure BDA0002316044180000073
将发射信号与接收信号进行混频和滤除高频分量得到中频信号用公式(8)表示如下：
Figure BDA0002316044180000074
将时延表达式代入上式整理得到表达式(9)：
Figure BDA0002316044180000075
中频信号xm(t)进行A/D转换，进入下一级的DSP处理。
S103、对A/D转换后的数字信号按照第一部分时间信号和第二部分时间信号分类，对第一部分时间信号进行至少两次FFT变换，求解出目标对应的距离R以及模糊速度va；对第二部分时间信号进行FFT变换求解出目距离和速度的第一耦合频率f。
对第一部分时间信号进行第一次FFT变换可以求解出距离；对第一部分时间信号进行第二次FFT变换可以求解出速度；对第一部分时间信号进行第三次FFT变换可以求解出方位信息。
按照图2所示的雷达波形，其锯齿波分为第一部分的短周期锯齿波和第二部分的长周期锯齿波，由于第一部分锯齿波周期为微秒级，而第二部分锯齿波周期为毫秒级，因此，第一部分锯齿波斜率远大于第二部分锯齿波斜率。这样在第一部分锯齿波处理中可以忽略距离和速度的耦合关系，公式(9)可以化简为公式(10)：
Figure BDA0002316044180000081
其中
Figure BDA0002316044180000082
为差频fb，
Figure BDA0002316044180000083
为每个扫描周期之间的相位差，对其连续进行两次FFT，第一次FFT确定出差频fb求解出目标对应的距离，第二次FFT确定出相位差求解出模糊速度；
令
Figure BDA0002316044180000084
求解目标对应的距离、模糊速度可以通过公式(11-12)分别求解。
Figure BDA0002316044180000085
Figure BDA0002316044180000086
在公式(10)中，相位差应该小于π，否则就会产生相位模糊，从而导致速度模糊，使用该方法可以求解的最高检测速度vmax由公式(13)决定，
Figure BDA0002316044180000087
其中，λ为发射信号的中心频率；TC为第一部分锯齿波的最小周期。因此在实际使用中需要进行速度扩展以解决速度模糊问题。
对于所述第二部分锯齿波，对应于斜率α比较小，中频信号可简化为式(14)：
Figure BDA0002316044180000088
对其进行FFT变换时，距离R和速度v就会产生耦合，耦合频率表示如下：
Figure BDA0002316044180000091
其中，α为第二部分锯齿波的斜率；fc为雷达载波频率；c为光速。
S104、将模糊速度va代入公式vr＝va+N·vmax,N＝0,±2,±4…计算出所有可能的实际速度vr，其中，vmax为最高检测速度。
使用模糊速度和最高检测速度即可计算出所有可能的实际速度。
在第一部分信号中当一个目标的实际速度vr大于雷达的最高检测速度vmax时，通过第二次FFT得到的速度将会产生速度模糊现象，定义这个模糊速度为va,该值可以表达式(12)得到，此时模糊速度va和实际速度vr之间满足表达式(16)
va＝vr mod vmax (16)
即模糊速度va是实际速度vr对最高检测速度vmax的余数，因此我们可以认为实际速度的可能值如公式(17)所示：
vr＝va+N·vmax N＝0,±2,±4… (17)
实际中因为汽车速度的限制，一般N＝2就已经足够，即支持va-2vmax、va以及va+2vmax扩展。当实际速度vr为正值；实际速度vr取值选用va-2vmax及va；当实际速度vr为正值；实际速度vr取值选用va及va+2vmax。
S105、将实际速度vr以及距离R代入公式
Figure BDA0002316044180000092
计算出对应的第二耦合频率fb，其中，α为第二部分锯齿波的斜率；fc为雷达载波频率；c为光速。
将实际速度vr以及距离R代入耦合公式
Figure BDA0002316044180000101
计算出对应的第二耦合频率fb。
S106、当判定第一耦合频率f与第二耦合频率fb之间的差值小于预设门限值，将第二耦合频率fb对应的实际速度vr选定为汽车的运行速度。
通过上述方法有效解决速度模糊问题，实现速度扩展，达到车厂要求。
以上总体实现过程可参见如下仿真实例：
某芯片，其中频信号频率FIF应该小于5MHz，当中频信号中5MHz以上的目标反射信号会被低通滤波器抑制。目前一个典型的汽车盲点检测雷达的***参数要求：最大检测距离为80m、距离分辨率为0.375m、最高检测速度为±30m/s、速度分辨率为0.52m/s。选用77GHz雷达波。
根据公式(1)可知扫描带宽B不能小于3*108/(2*0.375)＝400MHz，根据公式(2)可知锯齿波最小周期Tc为2*80*400*109/(5*109*3*108)＝42.66us；结合扫描带宽B和最小周期Tc可以得出该芯片的波形斜率不能超过9.375MHz/us，根据公式13可知此时能够实现的最高检测速度为3*108/(4*77*109*42.66*10-6)＝22.86m/s，无达到±30m/s的设计指标，因此需要进行速度扩展。
仿真时目标参数设置为目标距离R＝60m，目标速度为35m/s，载波中心频率为77GHz。仿真结果如图3所示。
如图3所示，左边两幅图为使用第一部分信号求解的目标距离和模糊速度，分别为60m和-9.389m/s；最右图为使用第二部分信号求解的目标距离与速度耦合频率，其值为98.5kHz。按照前面所述当探测速度为负值时，真实速度的可能值为模糊速度va或者va+2vmax，分别将(R,va)和(R,va+2vmax)带入公式(15)进行计算。此时α为第二部分信号锯齿波频率斜率，具体值为2*1011，fc为载波频率，具体值为77*109。计算出来的频率分别为74.83kHz和99.15kHz，预设门限值可以设置为5kHz。差值(99.15-98.5)kHz小于5kHz，因此应该选择(R,va+2vmax)作为最终目标距离和速度，从而完成了速度扩展。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (6)

1.一种适用于FMCW汽车雷达目标速度扩展方法，其特征在于，包括：
根据FMCW雷达芯片最高中频频率、最大检测距离、距离分辨率以及速度分辨率确定实现目标速度扩展的发射信号波形；所述发射信号波形由两部分组成，第一部分为最小周期为Tc的N个连续锯齿波；第二部分为一个持续时间为Tcheck的锯齿波；其中，Tc小于Tcheck；
将发射信号与发射信号对应的接收信号进行混频、低通滤波再进行A/D转换；
对A/D转换后的数字信号按照第一部分时间信号和第二部分时间信号分类，对第一部分时间信号进行至少两次FFT变换，求解出目标对应的距离R以及模糊速度va；对第二部分时间信号进行FFT变换求解出目距离和速度的第一耦合频率f；
将模糊速度va代入公式vr＝va+N·vmax,N＝0,±2,±4…计算出所有可能的实际速度vr，其中，vmax为最高检测速度；
将实际速度vr以及距离R代入公式
Figure FDA0002316044170000011
计算出对应的第二耦合频率fb，其中，α为第二部分锯齿波的斜率；fc为雷达载波频率；c为光速；
当判定第一耦合频率f与第二耦合频率fb之间的差值小于预设门限值，将第二耦合频率fb对应的实际速度vr选定为汽车的运行速度。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据FMCW雷达芯片最高中频频率、最大检测距离、距离分辨率以及速度分辨率确定实现目标速度扩展的发射信号波形具体包括：
将距离分辨率ΔR代入公式
Figure FDA0002316044170000012
计算出锯齿波的带宽B；
将锯齿波的带宽B、最大检测距离R以及雷达芯片最高中频频率FIF带入公式
Figure FDA0002316044170000021
计算出第一部分锯齿波的最小周期TC；
将速度分辨率Δv代入公式
Figure FDA0002316044170000022
计算出第一部分时间N×TC，其中，λ为发射信号的中心频率。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述最高检测速度
Figure FDA0002316044170000023
其中，λ为发射信号的中心频率；TC为第一部分锯齿波的最小周期。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述实际速度vr可选取值为va-2vmax、va以及va+2vmax；当实际速度vr为正值；实际速度vr取值选用va-2vmax及va；当实际速度vr为正值；实际速度vr取值选用va及va+2vmax。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述将发射信号与发射信号对应的接收信号进行混频、低通滤波具体表示如下：
发射信号的锯齿波用公式表示如下：
Figure FDA0002316044170000024
若目标距离为R，速度为v，则时延τ用公式表示如下：
Figure FDA0002316044170000025
则发射信号对应的接收信号用公式表示如下：
Figure FDA0002316044170000026
将发射信号与接收信号进行混频和滤除高频分量得到中频信号用公式表示如下：
Figure FDA0002316044170000031
将时延表达式代入上式整理得到：
Figure FDA0002316044170000032
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，对于所述第一部分锯齿波，中频信号可简化表示如下：
Figure FDA0002316044170000033
其中
Figure FDA0002316044170000034
为差频fb，
Figure FDA0002316044170000035
为每个扫描周期之间的相位差，对其连续进行两次FFT，第一次FFT确定出差频fb求解出目标对应的距离，第二次FFT确定出相位差求解出模糊速度；
对于所述第二部分锯齿波，中频信号可简化表示如下：
Figure FDA0002316044170000036
进行FFT变换时，距离R和速度v就会产生耦合，耦合频率表示如下：
Figure FDA0002316044170000037
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
TWI802994B (zh) * 2021-09-17 2023-05-21 為昇科科技股份有限公司 雷達測速系統、方法及雷達裝置

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