毫米波雷達(dá)的信號處理技術(shù)

毫米波雷達(dá)的信號處理技術(shù)

1汽車前視雷達(dá)直線波是指頻率為30.10ghz的高頻廣播，波長為1.10mm的微波。直線波雷達(dá)（頻率主要為94khz）主要用于短程反裝甲武器系統(tǒng)，其功能是精確確定目標(biāo)距離和相對速度。毫米波雷達(dá)的工作不受天氣情況的影響,可以在大雨、大霧、黑夜等條件下正常運(yùn)行,而惡劣的氣候環(huán)境正是交通事故的高發(fā)期。隨著GaAs高頻器件和單片微波集成電路MMIC(MicrowaveMonolithicIntegratedCircuits)的出現(xiàn)和應(yīng)用,毫米波雷達(dá)的性能有了很大的提高,成本則大幅下降,并且雷達(dá)的外型尺寸可以做得很小,便于在汽車上安裝。因此,毫米波雷達(dá)就成了汽車前視雷達(dá)的首選。汽車?yán)走_(dá)的測距范圍一般在100～200m之間,并且要求工作可靠,價格低,因此,汽車用測距雷達(dá)一般工作于線性調(diào)頻連續(xù)波FMCW(FrequencyModulatedContinuousWave)方式,它采用回波信號與發(fā)射信號進(jìn)行相關(guān)處理來提取距離信息。FMCW雷達(dá)的工作原理在各種文獻(xiàn)上都有介紹,但對信號處理的相關(guān)技術(shù)卻未見有較深入的研究和介紹,本文以一個實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)為例,介紹了有關(guān)這種雷達(dá)中頻信號處理的方法及參數(shù)選擇的一般原則,以加快對這種體制雷達(dá)的理解和應(yīng)用。2fmcw方程的信號距離確認(rèn)調(diào)頻連續(xù)波是雷達(dá)測距系統(tǒng)的基本工作方式之一,它采用回波信號與發(fā)射信號進(jìn)行相關(guān)處理來提取高度信息。其系統(tǒng)組成如圖1(其中圖1(a)為FMCW雷達(dá)的組成框圖,由振蕩源、混頻器、環(huán)路器等組成,圖1(b)為雷達(dá)發(fā)射信號和回波信號的瞬時頻率)所示。用三角波或鋸齒波等對發(fā)射信號(連續(xù)波)進(jìn)行頻率調(diào)制(調(diào)制頻寬為B),若不考慮目標(biāo)的附加調(diào)制和多普勒效應(yīng),則回波信號在時間上與發(fā)射信號相比將有τ=2R/C的時間延遲。將回波信號與發(fā)射信號的一部分進(jìn)行相干混頻,得到的信號差頻即為延遲時間內(nèi)信號頻率的變化,通過對這個差頻的檢測就可以得到目標(biāo)的距離信息。設(shè)頻率調(diào)制信號為鋸齒波,fi(t)=f0-B2+at?0≤t≤Τmfi(t)=f0?B2+at?0≤t≤Tm,其中f0為調(diào)制信號的中心頻率,B為頻率調(diào)制范圍,a為調(diào)制速率,a=B/Tm,Tm為調(diào)制時間。雷達(dá)發(fā)射器發(fā)出的信號為Si(t)=a0sin2π[(f0-B2)t+at22]0≤t≤Τm(1)接收器收到的信號為Sr(t)=b0sin2π[(f0-B2)(t-τ)+a(t-τ)22]0≤t≤Τm(2)其中:τ=2R/C,C為電磁波的傳播速度,R為雷達(dá)到目標(biāo)的距離?；祛l器對發(fā)送信號和接收到的信號進(jìn)行混頻,得到拍頻信號Sb(t)=C0con2π[(f0-B2)τ+atτ-aτ22]0≤t≤Τm(3)或?qū)憺镾b(t)=C0con2π(fbt+φb)0≤t≤Tm(4)其中fb=aτ=BΤmτ(5)φb=(f0-B2)τ-aτ22(6)當(dāng)目標(biāo)的距離為R時,上面兩式變?yōu)閒b=BΤm2RC(7)φb=(f0-B2)2RCBΤm2RC(8)式(7)即所謂的FMCW方程,即當(dāng)雷達(dá)的參數(shù)一定時,雷達(dá)的拍頻信號(中頻信號)的頻率與目標(biāo)距離成比例。如當(dāng)B=600MHz,Tm=1ms時,由式(7)可得。R=0.25fbm/kHz即頻率每增加1kHz距離就增加0.25m,測得了信號的頻率就可以確定目標(biāo)的距離。汽車?yán)走_(dá)工作時,車輛前方不同位置處的各種物體如車輛、道路、橋梁、防護(hù)欄等都要對雷達(dá)信號進(jìn)行反射,因此雷達(dá)的中頻信號應(yīng)是一個多頻率的信號,設(shè)車輛前方有L個目標(biāo),則雷達(dá)中頻信號的表達(dá)式為Sb(t)=LΣiCicos2π(fbit+φbi)0≤t≤Τm(9)雷達(dá)信號的處理就是對式(9)進(jìn)行分析,確定其各個頻率分量的過程。3雷達(dá)通信信號的處理3.1葉變換的分析方法確定信號的頻率即對信號進(jìn)行頻譜分析。信號的頻譜分析主要有FFT法和非FFT法,所謂FFT法,即是對被分析的信號進(jìn)行傅里葉變換,將其從時域變到頻域,在頻域進(jìn)行分析,必要時再通過傅里葉逆變換,變回時域的分析方法,而非FFT方法則是通過其他的途徑,獲得信號的頻率參數(shù),如最大熵法,MUSIC法等,各有特點(diǎn)。綜合考慮方法的復(fù)雜性,實(shí)時性,穩(wěn)健性,對汽車?yán)走_(dá)而言,頻譜分析應(yīng)首選FFT法,這種方法比較成熟,實(shí)現(xiàn)容易,實(shí)時性強(qiáng),適合于汽車運(yùn)行狀況下信號的實(shí)時處理。3.2與其他器件的配合雷達(dá)信號的處理主要采用FFT分析等頻譜分析方法,涉及大量的乘法運(yùn)算和加法運(yùn)算,從提高運(yùn)算速度,減少運(yùn)算時間的角度出發(fā),選用現(xiàn)場可編程門陣列器件FPGA和專用的FFT器件,可以減少運(yùn)算時間,提高響應(yīng)速度,但是這類器件還需與其他器件配合,才能實(shí)現(xiàn)完整的雷達(dá)信號處理,并且其價格一般是通用DSP的幾倍或幾十倍。通用數(shù)字信號處理器DSP,配置資源豐富,輸入輸出可以靈活設(shè)置,能進(jìn)行各種運(yùn)算和操作,性價比高,盡管其FFT的運(yùn)算時間比專用器件的運(yùn)算時間長,仍然在各種信號處理領(lǐng)域得到了廣泛的使用。對汽車?yán)走_(dá)來說,價格是影響其安裝和使用的一個非常重要的因素,因此,從控制系統(tǒng)成本的角度來看,采用通用的數(shù)字信號處理器無疑是較佳的選擇。如在我們的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中,就采用了一片TMS320C54XX,實(shí)現(xiàn)對整個雷達(dá)信號的處理。3.3采樣速率和采樣點(diǎn)的數(shù)量3.3.1fbx鋼在fs2fbx根據(jù)shannon采樣定理,信號的采樣頻率fs必須是信號最高頻率fbmax的兩倍以上,即:fs≥2fbmax,按照前面的參數(shù),當(dāng)Rmax=100m時,fbmax=400kHz,則只要fs≥800kHz就可滿足要求。即采樣頻率fs至少必須為800kHz,至于具體為多少,還應(yīng)結(jié)合其他參數(shù)綜合考慮。2.3.2采樣頻率的確定采樣點(diǎn)數(shù)N、頻率分辨率fa與處理時間Tc和采樣頻率fs之間的關(guān)系為fa=fsΝ=1Τc(10)即頻率分辨率與采樣頻率和采樣點(diǎn)數(shù)有關(guān),當(dāng)采樣頻率確定后,增大采樣點(diǎn)數(shù)可以提高頻率分辨率,相應(yīng)地FFT運(yùn)算的數(shù)字序列增長,運(yùn)算時間增加,處理器的負(fù)擔(dān)加重;減少采樣點(diǎn)數(shù),可使FFT運(yùn)算速度加快,但頻率分辨率減低,測量誤差加大。同時,頻率分辨率又與處理時間Tc有關(guān),處理時間改變,則頻率分辨率變化,因此,在確定采樣點(diǎn)數(shù)N之前先要確定處理時間。為了兼顧頻率分辨率和計(jì)算負(fù)擔(dān)兩個指標(biāo),一般取處理時間與調(diào)制時間相一致,即按式(11)確定N。Τc=Τm=Νfs=2nfs(11)取N為2的整數(shù)冪,是為了滿足FFT運(yùn)算的要求。從式(11)可得fs=2nΤm(12)再由fs≥-=2fbmax?fbmax=BΤm2Rmaxc,得2nΤm≥2BΤm2RmaxC即2n≥4BRmaxC(13)式(13)右邊之值為800,故取N為1024,即在1ms的時間內(nèi),采樣1024點(diǎn)數(shù)據(jù),此時的采樣頻率為fs=1024kHz。能否采用這個采樣頻率還需進(jìn)行校驗(yàn),當(dāng)距離較小時不會產(chǎn)生較大的影響,而當(dāng)R=100m時,f=400kHz,采樣頻率約是信號頻率的2.5倍,即在兩個信號周期內(nèi),只采到了五個點(diǎn),目標(biāo)信號的損失近3dB,從而導(dǎo)致較大的測距誤差。必須提高信號的采樣頻率,以減少遠(yuǎn)距離時的測量誤差。在我們的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中,fbmax=400kHz,取fs=2048kHz,可以保證當(dāng)目標(biāo)最遠(yuǎn)時,每個周期能采樣5個點(diǎn),基本上可以反映信號的特征。3.4目標(biāo)的距離規(guī)則對式(8)進(jìn)行傅里葉變換,可得具有L個目標(biāo)的頻譜為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為距離分辨率(與頻率分辨率成比例),當(dāng)Ri為ΔR的整數(shù)倍時,對應(yīng)目標(biāo)有唯一主譜線,無頻譜泄露,此時目標(biāo)的距離為Ri=kΔR;當(dāng)Ri不是ΔR的整數(shù)倍時,有頻譜泄露,對應(yīng)同一目標(biāo)一般有兩根主譜線,此時目標(biāo)的距離近似為為Ri=(k