CN117148284B - 基于频率步进的防撞雷达调制信号产生方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了基于频率步进的防撞雷达调制信号产生方法，涉及智能交通控制的防撞雷达领域。在该方法中，将重复周期时间划分为N个时间各不相同的时隙，N个时隙的各个时隙划分为上升期和下降期；在各上升期内，按从低至高的码片顺序，将伪随机序列的各个码片幅值分别与脉冲波形相乘，实现脉冲幅度调制，再与正向线性调频信号相乘形成防撞雷达调制信号；在各下降期内，按从低至高的码片顺序，将伪随机序列的各个码片幅值分别与脉冲波形相乘，实现脉冲幅度调制，再与负向线性调频信号相乘形成防撞雷达调制信号。本发明所公开的技术方案，降低了防撞雷达的虚警概率，提高了可靠性。
Description
技术领域
本发明涉及智能交通控制的防撞雷达领域，尤其涉及一种用于智能交通控制的防撞雷达调制信号产生方法。
背景技术
随着信息学科技术的发展，自动驾驶有望进一步提高出行舒适感。自动驾驶可以移除驾驶中的人为失误，从而保障人员的安全。汽车防撞雷达作为一种主动式安全驾驶辅助装置，直接影响驾驶的安全性。汽车防撞雷达能够准确测距测速，感知当前安全态势，从而提早发现危险情况，进而辅助驾驶者做出相应措施，避免事故的发生，减少驾驶者的负担，对降低交通事故的发生概率，以及减少人民生命财产的损失有着重大的意义。作为当下汽车研究领域热点的自动驾驶技术和无人驾驶技术也离不开汽车防撞雷达。
在现有技术中，防撞雷达技术体制主要有两种：脉冲体制和连续波体制。相对于脉冲体制来说，连续波体制具有易实现、发射功率低、精度高等优点，因此，在用于智能交通控制的防撞雷达领域，主要采用连续波体制。典型的连续波防撞雷达调制信号形式主要包括频移键控（FSK）和调频连续波（FMCW）等调制方式。FSK防撞雷达体制主要是通过目标的多普勒频率来分辨多目标，在多目标情况下主要靠分辨目标的速度来识别多个目标，但是该信号体制无法分辨多个速度相同的运动目标或者静止目标；FMCW防撞雷达体制主要是通过发射线性调频信号，并通过获得发射信号和回波信号的差拍频率来分辨目标，能够探测速度相同的运动目标或者静止目标，但虚警概率高。通过分析，造成虚警的主要原因有两个方面；一是技术体制方面的原因，防撞雷达无法排除R-V平面内的虚假点，从而造成虚警；二是抗干扰方面的原因，防撞雷达信号本身不具有抗干扰能力，易受干扰，尤其是受城市噪声和多径干扰的影响较大，从而造成虚警。
因此，如何降低防撞雷达的虚警概率，提高可靠性，是智能交通控制的防撞雷达领域需要解决的难点问题。
发明内容
发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，降低防撞雷达的虚警概率，提高可靠性，本发明提供一种基于频率步进的防撞雷达调制信号产生方法。
技术方案：为实现上述目的，本发明的基于频率步进的防撞雷达调制信号产生方法，包括以下步骤：
（S1）将防撞雷达信号周期T s 划分为N个时间长度各不相同的时隙，N个时隙的时间长度分别表示为：T m1,T m2,…,T mi ,…,T mN ，其中i的取值范围为1~N的正整数；
（S2）产生成形脉冲η(t)；
（S3）产生M序列[m 1,m 2,m 3,…,m j , …,m K ]，其中K为M序列的位数，m 1为第一个码片的幅值，m j 为第j个码片幅值，以此类推；
（S4）将N个时隙的各个时隙划分为上升期和下降期，第i个时隙的上升期时间区间表示为：，第i个时隙的下降期时间区间表示为：/>；
（S5）在N个时隙的各上升期内，按码片顺序将M序列与成形脉冲η(t)相乘，形成脉冲幅度调制信号；再将脉冲幅度调制信号与正向线性调频信号相乘，形成正向防撞雷达调制信号；在第i个时隙的上升期内，正向线性调频信号为：
，
其中，f 0为正弦载波的初始频率，f step为正弦载波的频率变化步长，v i 为第i个时隙的调频斜率；时隙不同，调频斜率v i 不同；
（S6）在N个时隙的各下降期内，按码片顺序将M序列与成形脉冲η(t)相乘，形成脉冲幅度调制信号；再将脉冲幅度调制信号与负向线性调频信号相乘，形成负向防撞雷达调制信号；在第i个时隙的下降期内，负向线性调频信号为：
，
其中，f 0为正弦载波的初始频率，f step为正弦载波的频率变化步长，v i 为第i个时隙的调频斜率；时隙不同，调频斜率v i 不同；
（S7）在下一个防撞雷达信号周期T s 内，重复执行所述步骤S1至步骤S6的过程。
优选地，在防撞雷达信号周期T s 的第i个时隙内，防撞雷达调制信号为：
当时，
；
当时，
；
其中，t i-1 、t i 分别表示第i个时隙的起始时刻和结束时刻，T mi 表示第i个时隙的时间长度，表示第i个时隙的调制信号，i的取值范围为1~N的正整数，N表示所述防撞雷达信号周期T s 划分的时隙总数，K为M序列的位数，η(t)表示成形脉冲，Ψ表示成形脉冲η(t)的时间长度，m j 表示M序列的第j个码片幅值，f 0为正弦载波的初始频率，f step为正弦载波的频率变化步长，v i 为第i个时隙的调频斜率。
优选地，第i个时隙的调频斜率v i 为：
，
其中，B为正向线性调频信号或负向线性调频信号的调频带宽，T mi 为第i个时隙的时间长度。
优选地，防撞雷达信号周期T s 划分为3个时隙，3个时隙的时间长度分别表示为T m1、T m2和T m3，第1个时隙的时间区间为0~t 1，第2个时隙的时间区间为t 1~t 2，第3个时隙的时间区间为t 2~t 3。
优选地，在防撞雷达信号周期T s 内，防撞雷达调制信号为：
，
其中，、/>、/>分别表示所述第1个时隙、第2个时隙和第3个时隙的调制信号，m j 表示M序列的第j个码片幅值，η(t)表示成形脉冲，Ψ表示成形脉冲η(t)的时间长度，f 0为正弦载波的初始频率，f step为正弦载波的频率变化步长，v 1 、v 2和v 3分别表示所述第1个时隙、第2个时隙和第3个时隙的调频斜率。
优选地，正弦载波的频率变化步长f step与调频带宽B、时隙数N三者满足关系式：
。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
（1）降低了虚警概率。
在本发明所公开的技术方案中，将防撞雷达信号周期时间T s 划分为N个不同时间长度的时隙，N个时隙的各个时隙划分为上升期和下降期，各时隙分别构建调频斜率各不相同的对称频域三角形线性调频信号；进一步，各时隙之间的正弦载波频率以f step为频率变化步长线性递增，从而进一步拓展了对称频域三角形的频率空间，使得真、假目标在上升期和下降期的回波信号展现出不同的特性，真目标的距离和速度值与时隙宽度无关，而假目标的距离和速度值与时隙宽度有关；基于真假目标的这个特性，可成功剔除假目标，从而降低了虚警概率。而在现有技术中，连续波体制的防撞雷达信号无法剔除R-V平面内的虚假点，从而造成了虚警。造成虚警的主要原因是，现有连续波防撞雷达信号所发射的调制信号是时间长度相同的频域三角形信号，从而无法区分真假目标。因此，相对于现有技术来说，本发明所公开的技术方案，大幅降低了虚警概率。
（2）提高了抗干扰能力。
在现有技术中，连续波防撞雷达信号体制主要采用频移键控（FSK）调制或调频连续波（FMCW），该类信号采用定频传输，且信号能量聚集在相对较窄的频谱范围内，易受干扰，尤其是受城市噪声和多径干扰等因素的影响较大，从而进一步造成虚警。而在本发明所公开的技术方案中，通过产生具有良好自相关特性的M序列，在所述N个时隙的各上升期或下降期内，按码片顺序将所述M序列的各个码片幅值分别与所述脉冲波形η(t)相乘，实现脉冲幅度调制，从而将高功率谱脉冲信号通过所述伪随机序列进行频谱展宽，以达到降低防撞雷达信号功率谱密度的目的，提高了防撞雷达信号的隐蔽能力和抗干扰的能力。因此，相对于现有技术来说，本发明所公开的技术方案，提高了防撞雷达的抗干扰能力。
本发明的其他优点和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。
附图说明
图1是本发明实施例所公开的时隙划分示意图。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。
在现有技术中，防撞雷达与无线电高度表的机理有所类似，都是通过测量发射信号与回波信号之间的参数，以达到防撞或测高的目的，但两者也具有较大的差异。无线电高度表是通过测量垂直方向的回波信号来实现高度测量；而防撞雷达不仅要测量垂直方向的目标回波，还要测量其它方向的目标回波，即测量整个波束范围内的目标回波信号，这是与无线电高度表不同的。尤其是当防撞雷达波束范围内具有多个目标时，防撞雷达还必须具备分辨多个目标的能力，而无线电高度表并不需要具备该能力。
而在现有技术中，防撞雷达的虚警概率较高，给用户带来较多困扰。造成防撞雷达虚警概率高的主要原因有两个方面；一是技术体制方面的原因，防撞雷达无法排除R-V平面内的虚假点，从而造成虚警；二是抗干扰方面的原因，防撞雷达信号本身不具有抗干扰能力，易受干扰，尤其是受城市噪声和多径干扰的影响较大，从而造成虚警。
为了解决现有技术中存在的问题，本发明实施例公开了一种基于频率步进的防撞雷达调制信号产生方法。在该方法中，产生防撞雷达调制信号包括以下步骤：
（S1）将防撞雷达信号周期T s 划分为N个时间长度各不相同的时隙，N个时隙的时间长度分别表示为：T m1,T m2,…,T mi ,…,T mN ，其中i的取值范围为1~N的正整数；
（S2）产生成形脉冲η(t)；
（S3）产生M序列[m 1,m 2,m 3,…,m j , …,m K ]，其中K为M序列的位数，m 1为第一个码片的幅值，m j 为第j个码片幅值，以此类推；
（S4）将N个时隙的各个时隙划分为上升期和下降期，第i个时隙的上升期时间区间表示为：，第i个时隙的下降期时间区间表示为：/>；
（S5）在N个时隙的各上升期内，按码片顺序将M序列与成形脉冲η(t)相乘，形成脉冲幅度调制信号；再将脉冲幅度调制信号与正向线性调频信号相乘，形成正向防撞雷达调制信号；在第i个时隙的上升期内，正向线性调频信号为：
，
其中，f 0为正弦载波的初始频率，f step为正弦载波的频率变化步长，v i 为第i个时隙的调频斜率；时隙不同，调频斜率v i 不同；
（S6）在N个时隙的各下降期内，按码片顺序将M序列与成形脉冲η(t)相乘，形成脉冲幅度调制信号；再将脉冲幅度调制信号与负向线性调频信号相乘，形成负向防撞雷达调制信号；在第i个时隙的下降期内，负向线性调频信号为：
，
其中，f 0为正弦载波的初始频率，f step为正弦载波的频率变化步长，v i 为第i个时隙的调频斜率；时隙不同，调频斜率v i 不同；
（S7）在下一个防撞雷达信号周期T s 内，重复执行所述步骤S1至步骤S6的过程。
进一步，在本发明实施例所公开的技术方案中，在防撞雷达信号周期T s 的第i个时隙内，防撞雷达调制信号为：
当时，
；
当时，
；
其中，t i-1 、t i 分别表示第i个时隙的起始时刻和结束时刻，T mi 表示第i个时隙的时间长度，表示第i个时隙的调制信号，i的取值范围为1~N的正整数，N表示所述防撞雷达信号周期T s 划分的时隙总数，η(t)表示成形脉冲，Ψ表示成形脉冲η(t)的时间长度，m j 表示M序列的第j个码片幅值，f 0为正弦载波的初始频率，f step为正弦载波的频率变化步长，v i 为第i个时隙的调频斜率。
进一步，在本发明实施例所公开的技术方案中，各个时隙的调频斜率各不相同，第i个时隙的调频斜率v i 为：
，
其中，B为正向线性调频信号或负向线性调频信号的调频带宽，正向线性调频信号的调频带宽与负向线性调频信号的调频带宽相等，T mi 为第i个时隙的时间长度。
由连续波防撞雷达的探测理论可知，每个探测目标均会在对称频域三角形的上升边和下降边产生回波信号，从而获得两个频率。当探测到两个目标时，两个探测目标回波信号会在R-V平面内产生两组平行的直线，横轴R表示探测目标的距离，纵轴V表示探测目标的速度；由于对称频域三角形的上升边和下降边确定直线的斜率不同，因此所述两组平行直线会在R-V平面内相交得到四个交点，即产生了两个虚假目标，从而造成虚警。尤其是当探测目标较多时，在所述R-V平面内会产生更多的虚假目标。由连续波防撞雷达的探测理论可知，真目标的探测距离和速度值与对称频域三角形的时间宽度无关，而假目标的探测距离和速度值与对称频域三角形的时间宽度有关。因此，虚假目标的出现，是由于现有连续波防撞雷达所发射的调制信号是时间长度相同的对称频域三角形信号所致。
为了解决现有技术中存在的问题，降低防撞雷达的虚警概率，在本发明实施例所公开的技术方案中，通过将防撞雷达信号周期时间T s 划分为时间长度各不相同的N个时隙，各个时隙的时间长度即为对称频域三角形的时间长度，分别表示为：T m1,T m2,…,T mi ,…,T mN ，各时隙分别构建调频斜率各不相同的对称频域三角形，这使得探测目标在对称频域三角形的上升边和下降边的回波信号展现出不同的时频特性。由连续波防撞雷达的探测理论可知，真目标的探测距离和速度值与时隙的时间宽度无关，而假目标的探测距离和速度值与时隙的时间宽度有关。基于上述理论，在本发明实施例所公开的技术方案中，通过将防撞雷达信号周期时间T s 划分为时间长度各不相同的N个时隙，各时隙长度即为对称频域三角形的时间长宽，各个时隙分别构建时间长度不同、调频斜率不同的对称频域三角形信号，以防止探测目标在R-V平面上产生虚假目标回波；进一步，各时隙之间的正弦载波频率以f step为频率变化步长线性递增，从而进一步拓展了对称频域三角形的频率空间，使各探测目标在R-V平面上的间距增大，有利于区分真假目标。优选的，在本发明实施例所公开的技术方案中，正弦载波的频率变化步长f step与调频带宽B、时隙数N三者满足关系式：
。
在本发明实施例所公开的技术方案中，在辨别探测目标真假时，可先分别求出真假探测目标在对称频域三角形的上升边和下降边的差拍信号，再推导出真假探测目标的距离和速度值与所述各时隙时间宽度T mi 的对应关系。通过上述分析可知，对于真目标来说，在各对称频域三角形所得到的探测距离和速度值都相同，而对于虚假目标来说，由于各对称频域三角形的时间宽度不同，在各对称频域三角形中会得到不同的探测距离和速度值；因此，可根据真假目标的距离和速度值与各时隙时间宽度T mi 的差异性，实现虚假目标剔除。关于如何得到探测目标的距离和速度值与各时隙时间宽度T mi 的对应关系，对于本领域的技术人员来说，是已有知识和惯用技术手段，这里不再赘述。
进一步，在本发明实施例所公开的技术方案中，防撞雷达信号周期时间T s 划分的时隙越多，构建的对称频域三角形越多，用于智能交通控制时能够区分的探测车辆数越多，但此时也会使防撞雷达***的复杂度上升。结合智能交通控制的实际应用场景及***复杂度，在本发明实施例所公开的技术方案中，重复周期时间T s 划分为3个时隙，3个时隙的时间长度分别表示为T m1、T m2和T m3，所述第1个时隙的时间区间为0~t 1，第2个时隙的时间区间为t 1~t 2，第3个时隙的时间区间为t 2~t 3。
进一步，在本发明实施例所公开的技术方案中，防撞雷达调制信号为：
，
其中，、/>、/>分别表示第1个时隙、第2个时隙和第3个时隙的调制信号，m j 表示M序列的第j个码片幅值，η(t)表示成形脉冲，Ψ表示成形脉冲η(t)的时间长度，f 0为正弦载波的初始频率，f step为正弦载波的频率变化步长，v 1 、v 2和v 3分别表示第1个时隙、第2个时隙和第3个时隙的调频斜率。
在现有技术中，连续波防撞雷达信号体制主要采用频移键控（FSK）调制或调频连续波（FMCW），该类信号采用定频传输，且信号能量聚集在相对较窄的频谱范围内，易受干扰，尤其是受城市噪声和多径干扰的影响较大，从而进一步造成虚警。
而在本发明所公开的技术方案中，通过产生具有良好自相关特性的M序列，在N个时隙的各上升期或下降期内，按码片顺序将M序列的各个码片幅值分别与脉冲波形η(t)相乘，实现脉冲幅度调制，脉冲幅度调制信号为：
；
从而将高功率谱脉冲信号通过所述伪随机序列进行频谱展宽，以达到降低防撞雷达信号功率谱密度的目的，提高防撞雷达信号的隐蔽能力和抗干扰的能力。因此，相对于现有技术来说，本发明所公开的技术方案，提高了防撞雷达的抗干扰能力。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.基于频率步进的防撞雷达调制信号产生方法，其特征在于，包括以下步骤：
（S1）将防撞雷达信号周期T s 划分为N个时间长度各不相同的时隙，N个时隙的时间长度分别表示为：T m1,T m2,…,T mi ,…,T mN ，其中i的取值范围为1~N的正整数；
（S2）产生成形脉冲η(t)；
（S3）产生M序列[m 1, m 2, m 3,…, m j , …,m K ]，其中K为M序列的位数，m 1为第一个码片的幅值，m j 为第j个码片幅值，以此类推；
（S4）将N个时隙的各个时隙划分为上升期和下降期，第i个时隙的上升期时间区间表示为：，第i个时隙的下降期时间区间表示为：/>；
（S5）在N个时隙的各上升期内，按码片顺序将M序列与成形脉冲η(t)相乘，形成脉冲幅度调制信号；再将脉冲幅度调制信号与正向线性调频信号相乘，形成正向防撞雷达调制信号；在第i个时隙的上升期内，正向线性调频信号为：，
其中，f 0为正弦载波的初始频率，f step为正弦载波的频率变化步长，v i 为第i个时隙的调频斜率；时隙不同，调频斜率v i 不同；
（S6）在N个时隙的各下降期内，按码片顺序将M序列与成形脉冲η(t)相乘，形成脉冲幅度调制信号；再将脉冲幅度调制信号与负向线性调频信号相乘，形成负向防撞雷达调制信号；在第i个时隙的下降期内，负向线性调频信号为：
，
其中，f 0为正弦载波的初始频率，f step为正弦载波的频率变化步长，v i 为第i个时隙的调频斜率；时隙不同，调频斜率v i 不同；
（S7）在下一个防撞雷达信号周期T s 内，重复执行所述步骤S1至步骤S6的过程。
2.根据权利要求1所述的基于频率步进的防撞雷达调制信号产生方法，其特征在于，在防撞雷达信号周期T s 的第i个时隙内，防撞雷达调制信号为：
当时，
；
当时，
；
其中，t i-1 、t i 分别表示第i个时隙的起始时刻和结束时刻，T mi 表示第i个时隙的时间长度，表示第i个时隙的调制信号，i的取值范围为1~N的正整数，N表示所述防撞雷达信号周期T s 划分的时隙总数，K指M序列的位数，η(t)表示成形脉冲，Ψ表示成形脉冲η(t)的时间长度，m j 表示M序列的第j个码片幅值，f 0为正弦载波的初始频率，f step为正弦载波的频率变化步长，v i 为第i个时隙的调频斜率。
3.根据权利要求2所述的基于频率步进的防撞雷达调制信号产生方法，其特征在于，第i个时隙的调频斜率v i 为：
，
其中，B为正向线性调频信号或负向线性调频信号的调频带宽，T mi 为第i个时隙的时间长度。
4.根据权利要求3所述的基于频率步进的防撞雷达调制信号产生方法，其特征在于，防撞雷达信号周期T s 划分为3个时隙，3个时隙的时间长度分别表示为T m1、T m2和T m3，第1个时隙的时间区间为0~t 1，第2个时隙的时间区间为t 1~t 2，第3个时隙的时间区间为t 2~t 3。
5.根据权利要求4所述的基于频率步进的防撞雷达调制信号产生方法，在防撞雷达信号周期T s 内，防撞雷达调制信号为：
，
其中，、/>、/>分别表示所述第1个时隙、第2个时隙和第3个时隙的调制信号，m j 表示M序列的第j个码片幅值，η(t)表示成形脉冲，Ψ表示成形脉冲η(t)的时间长度，f 0为正弦载波的初始频率，f step为正弦载波的频率变化步长，v 1 、v 2和v 3分别表示所述第1个时隙、第2个时隙和第3个时隙的调频斜率。
6.根据权利要求4所述的基于频率步进的防撞雷达调制信号产生方法，其特征在于，正弦载波的频率变化步长f step与调频带宽B、时隙数N三者满足关系式：
。
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|---|---|---|---|---|
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Citations (5)
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|---|---|---|---|---|
| EP0921413A2 (en) * | 1997-12-05 | 1999-06-09 | G.D.S. Co., Ltd. | Spread spectrum radar apparatus |
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2023
- 2023-10-30 CN CN202311412780.6A patent/CN117148284B/zh active Active
Patent Citations (5)
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|---|---|---|---|---|
| EP0921413A2 (en) * | 1997-12-05 | 1999-06-09 | G.D.S. Co., Ltd. | Spread spectrum radar apparatus |
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| 具有抗交叉干扰的汽车防碰撞雷达波形设计;杨晓康;张昆帆;赵拥军;张梦凯;齐艳丽;;信息工程大学学报(04);全文 * |
| 汽车防撞雷达中频信号处理***的优化方案;张鉴等;汽车工程;全文 * |
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