毫米波雷达的信号处理技术

毫米波雷达的信号处理技术

1汽车前视雷达直线波是指频率为30.10ghz的高频广播，波长为1.10mm的微波。直线波雷达（频率主要为94khz）主要用于短程反装甲武器系统，其功能是精确确定目标距离和相对速度。毫米波雷达的工作不受天气情况的影响,可以在大雨、大雾、黑夜等条件下正常运行,而恶劣的气候环境正是交通事故的高发期。随着GaAs高频器件和单片微波集成电路MMIC(MicrowaveMonolithicIntegratedCircuits)的出现和应用,毫米波雷达的性能有了很大的提高,成本则大幅下降,并且雷达的外型尺寸可以做得很小,便于在汽车上安装。因此,毫米波雷达就成了汽车前视雷达的首选。汽车雷达的测距范围一般在100～200m之间,并且要求工作可靠,价格低,因此,汽车用测距雷达一般工作于线性调频连续波FMCW(FrequencyModulatedContinuousWave)方式,它采用回波信号与发射信号进行相关处理来提取距离信息。FMCW雷达的工作原理在各种文献上都有介绍,但对信号处理的相关技术却未见有较深入的研究和介绍,本文以一个实验系统为例,介绍了有关这种雷达中频信号处理的方法及参数选择的一般原则,以加快对这种体制雷达的理解和应用。2fmcw方程的信号距离确认调频连续波是雷达测距系统的基本工作方式之一,它采用回波信号与发射信号进行相关处理来提取高度信息。其系统组成如图1(其中图1(a)为FMCW雷达的组成框图,由振荡源、混频器、环路器等组成,图1(b)为雷达发射信号和回波信号的瞬时频率)所示。用三角波或锯齿波等对发射信号(连续波)进行频率调制(调制频宽为B),若不考虑目标的附加调制和多普勒效应,则回波信号在时间上与发射信号相比将有τ=2R/C的时间延迟。将回波信号与发射信号的一部分进行相干混频,得到的信号差频即为延迟时间内信号频率的变化,通过对这个差频的检测就可以得到目标的距离信息。设频率调制信号为锯齿波,fi(t)=f0-B2+at‚0≤t≤Τmfi(t)=f0−B2+at‚0≤t≤Tm,其中f0为调制信号的中心频率,B为频率调制范围,a为调制速率,a=B/Tm,Tm为调制时间。雷达发射器发出的信号为Si(t)=a0sin2π[(f0-B2)t+at22]0≤t≤Τm(1)接收器收到的信号为Sr(t)=b0sin2π[(f0-B2)(t-τ)+a(t-τ)22]0≤t≤Τm(2)其中:τ=2R/C,C为电磁波的传播速度,R为雷达到目标的距离。混频器对发送信号和接收到的信号进行混频,得到拍频信号Sb(t)=C0con2π[(f0-B2)τ+atτ-aτ22]0≤t≤Τm(3)或写为Sb(t)=C0con2π(fbt+φb)0≤t≤Tm(4)其中fb=aτ=BΤmτ(5)φb=(f0-B2)τ-aτ22(6)当目标的距离为R时,上面两式变为fb=BΤm2RC(7)φb=(f0-B2)2RCBΤm2RC(8)式(7)即所谓的FMCW方程,即当雷达的参数一定时,雷达的拍频信号(中频信号)的频率与目标距离成比例。如当B=600MHz,Tm=1ms时,由式(7)可得。R=0.25fbm/kHz即频率每增加1kHz距离就增加0.25m,测得了信号的频率就可以确定目标的距离。汽车雷达工作时,车辆前方不同位置处的各种物体如车辆、道路、桥梁、防护栏等都要对雷达信号进行反射,因此雷达的中频信号应是一个多频率的信号,设车辆前方有L个目标,则雷达中频信号的表达式为Sb(t)=LΣiCicos2π(fbit+φbi)0≤t≤Τm(9)雷达信号的处理就是对式(9)进行分析,确定其各个频率分量的过程。3雷达通信信号的处理3.1叶变换的分析方法确定信号的频率即对信号进行频谱分析。信号的频谱分析主要有FFT法和非FFT法,所谓FFT法,即是对被分析的信号进行傅里叶变换,将其从时域变到频域,在频域进行分析,必要时再通过傅里叶逆变换,变回时域的分析方法,而非FFT方法则是通过其他的途径,获得信号的频率参数,如最大熵法,MUSIC法等,各有特点。综合考虑方法的复杂性,实时性,稳健性,对汽车雷达而言,频谱分析应首选FFT法,这种方法比较成熟,实现容易,实时性强,适合于汽车运行状况下信号的实时处理。3.2与其他器件的配合雷达信号的处理主要采用FFT分析等频谱分析方法,涉及大量的乘法运算和加法运算,从提高运算速度,减少运算时间的角度出发,选用现场可编程门阵列器件FPGA和专用的FFT器件,可以减少运算时间,提高响应速度,但是这类器件还需与其他器件配合,才能实现完整的雷达信号处理,并且其价格一般是通用DSP的几倍或几十倍。通用数字信号处理器DSP,配置资源丰富,输入输出可以灵活设置,能进行各种运算和操作,性价比高,尽管其FFT的运算时间比专用器件的运算时间长,仍然在各种信号处理领域得到了广泛的使用。对汽车雷达来说,价格是影响其安装和使用的一个非常重要的因素,因此,从控制系统成本的角度来看,采用通用的数字信号处理器无疑是较佳的选择。如在我们的实验系统中,就采用了一片TMS320C54XX,实现对整个雷达信号的处理。3.3采样速率和采样点的数量3.3.1fbx钢在fs2fbx根据shannon采样定理,信号的采样频率fs必须是信号最高频率fbmax的两倍以上,即:fs≥2fbmax,按照前面的参数,当Rmax=100m时,fbmax=400kHz,则只要fs≥800kHz就可满足要求。即采样频率fs至少必须为800kHz,至于具体为多少,还应结合其他参数综合考虑。2.3.2采样频率的确定采样点数N、频率分辨率fa与处理时间Tc和采样频率fs之间的关系为fa=fsΝ=1Τc(10)即频率分辨率与采样频率和采样点数有关,当采样频率确定后,增大采样点数可以提高频率分辨率,相应地FFT运算的数字序列增长,运算时间增加,处理器的负担加重;减少采样点数,可使FFT运算速度加快,但频率分辨率减低,测量误差加大。同时,频率分辨率又与处理时间Tc有关,处理时间改变,则频率分辨率变化,因此,在确定采样点数N之前先要确定处理时间。为了兼顾频率分辨率和计算负担两个指标,一般取处理时间与调制时间相一致,即按式(11)确定N。Τc=Τm=Νfs=2nfs(11)取N为2的整数幂,是为了满足FFT运算的要求。从式(11)可得fs=2nΤm(12)再由fs≥-=2fbmax‚fbmax=BΤm2Rmaxc,得2nΤm≥2BΤm2RmaxC即2n≥4BRmaxC(13)式(13)右边之值为800,故取N为1024,即在1ms的时间内,采样1024点数据,此时的采样频率为fs=1024kHz。能否采用这个采样频率还需进行校验,当距离较小时不会产生较大的影响,而当R=100m时,f=400kHz,采样频率约是信号频率的2.5倍,即在两个信号周期内,只采到了五个点,目标信号的损失近3dB,从而导致较大的测距误差。必须提高信号的采样频率,以减少远距离时的测量误差。在我们的实验系统中,fbmax=400kHz,取fs=2048kHz,可以保证当目标最远时,每个周期能采样5个点,基本上可以反映信号的特征。3.4目标的距离规则对式(8)进行傅里叶变换,可得具有L个目标的频谱为S(k)=LΣi=1{Ci2sin[π(k-RiΔR)]sin[πΝ(k-RiΔR)]ejφi1+Ci2sin[π(k+RiΔR)]sin[πΝ(k+RiΔR)]e-jφi2}φi1=Φi-(Ν-1)πΝ(k-RiΔR)‚φi2=Φi+(Ν-1)πΝ(k+RiΔR)其中ΔR为距离分辨率(与频率分辨率成比例),当Ri为ΔR的整数倍时,对应目标有唯一主谱线,无频谱泄露,此时目标的距离为Ri=kΔR;当Ri不是ΔR的整数倍时,有频谱泄露,对应同一目标一般有两根主谱线,此时目标的距离近似为为Ri=(k