副载波调制的连续波多普勒雷达传感器及运动解调方法技术

本发明专利技术公开了一种副载波调制的连续波多普勒雷达传感器及运动解调方法。射频收发机芯片与控制模块连接，时钟分配模块与控制模块和射频收发机芯片连接，射频收发机芯片具有发射和接收；晶振经时钟分配后产生两路低频正弦信号，一路传到控制模块数字解调，射频收发机芯片产生两路正弦连续波射频载波信号，一路为本振，另一路与低频正弦信号混频生成副载波信号以探测，回波欠采样后传到控制模块，经滤波混频解调后求反三角函数获得相位信息，并根据相位差计算距离和相对位移，恢复其运动轨迹。本发明专利技术克服了传统零中频架构接收机固有的直流偏移和闪烁噪声，在保持零中频接收机结构简单、价格低廉的同时，又具有传统低中频架构接收机欠缺的镜频抑制功能。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及了一种雷达传感器及检测方法，尤其是涉及了一种副载波调制的连续波多普勒雷达传感器及运动解调方法。
技术介绍
副载波(subcarrier)是一种电子通信信号载波，它是一种受模拟基带信号预调制的射频电载波。从频谱上看，它携带在另一载波的上端或在载波的左右两侧，从而两个信号能够同时有效传播。在接收端，双频带的副载波信号分别解调，且两个频带能用在完全不同的用途。在通信上，副载波信道能用在无线电寻呼、存货发送、交通控制信号灯转换以及衬托音乐等各种用途上。在雷达传感和航天测控领域，多使用类似副载波信号的双频测速系统来测定径向速度。例如航天器同时发送两个频率成一定倍数关系的无线电信号，当航天器和地面相对运动时，两个频带的信号都会产生多普勒频移，该频移正比于测控站——航天器方向上的速度分量，分别提取两个多普勒频移量并作相关处理，就可获得目标对测控站的相对径向速度，并可消除电离层对电磁波传播速度的影响，提高测速精度。而目前连续波多普勒雷达传感器构架主要有两种：一是直接下变频结构，其本振信号和接收到的射频信号频率相同，因此混频后直接得到基带信号。信道的选择和放大调整在基带上进行。这种结构不存在镜频干扰，有利于单片集成。但直接下变频结构存在着直流偏差、本振泄漏和闪烁噪声等问题。二是超外差结构，需要进行两次下变频。第一次下变频，产生固定频率的中频信号。然后，中频信号经过中频带通滤波器将邻近的频道信号去除，再进行第二次下变频得到所需的基带信号。由于有多个变频级，直流偏差和本振泄漏问题不会影响接收机的性能。但为了抑制镜像干扰抑制和选择信道，需要高Q值的带通滤波器，它们只能在收发机外实现，从而增大了成本和尺寸。
技术实现思路
本专利技术为了精简多普勒雷达探测系统、降低系统成本、提高系统稳定性，提供了一种副载波调制的连续波多普勒雷达传感器及运动解调方法，可广泛应用于近距离的运动测量、测距测速、追踪定位等系统，实现不同场合下的物理量的非接触式测量。因此，本专利技术考虑将副载波调制应用到多普勒雷达传感中，结合传统多普勒雷达传感器结构的优点，并运用运动解调方法得到待测物体的距离和运动信息。本专利技术采用的技术方案是：一、一种副载波调制的连续波多普勒雷达传感器：包括射频收发机芯片、控制模块和时钟产生模块，时钟产生模块包括时钟分配模块和晶振，射频收发机芯片经模数转换器与控制模块连接，时钟分配模块一个输出端与控制模块连接，时钟分配模块另一个输出端经低频带通滤波器与射频收发机芯片连接；射频收发机芯片的发射端经功率放大器连接发射天线，射频收发机芯片的接收端依次经滤波器、低噪声放大器连接接收天线。所述的射频收发机芯片集成有锁相环和混频器。所述的晶振产生的低频正弦信号经时钟分配模块分为两路：一路传送到射频收发机芯片用以产生副载波信号，另一路传送到控制模块进行数字解调；射频收发机芯片产生两路同频同相位的正弦连续波射频载波信号：一路与晶振产生的低频正弦信号混频后生成副载波信号，然后经功率放大器放大后输出，用以目标探测；另一路作为本振用于芯片内部进行下变频解调；射频收发机芯片接收回波信号，经低噪声放大、滤波解调后再通过模数转换进行欠采样并传输到控制模块。控制模块调节发射和接收模块信号的功率，控制模/数转换器采集信号，针对副载波信号的双频带各自携带了待测物体不同多普勒信息的特点，在控制模块中运用解调方法根据两频带的相位差计算出物体距离和相对位移，最后实时显示或传输到个人电脑等其它终端。所述的解调方法包括滤除基带信号的直流偏置和闪烁噪声，对双频带信号分别进行相位提取，获得物体运动的多普勒信息从而得到物体位置并恢复其运动轨迹。所述的正弦连续波射频载波信号和低频正弦信号以频率和相位相加方式混频。所述的与射频信号混频的晶振采用频率远低于载波频率的正弦波有源晶振，优选地采用小于频率百分之一载波频率的正弦波有源晶振。所述的模/数转换器采用远低于奈奎斯特频率的采样频率进行欠采样。二、一种副载波调制的连续波的运动解调方法，包括以下具体步骤：由晶振产生低频正弦信号，经时钟分配后分为两路，一路传送到射频收发机芯片用以产生副载波信号，另一路传送到控制模块进行数字解调；射频收发机芯片产生两路同频同相位的正弦连续波射频载波信号，一路作为本振用于芯片内部进行下变频解调，另一路与晶振产生的低频正弦信号混频后生成副载波信号，然后经功率放大器放大后输出进行目标探测，射频收发机芯片接收目标反射回波信号后依次经低噪声放大、滤波解调后，进行欠采样再传输到控制模块。控制模块接收低频正弦信号和欠采样后的回波信号，首先在数字域对经数模转换后的回波信号进行简洁的低通滤波，滤除直流偏置和闪烁噪声，接着两个信号进行数字混频解调，使得混频后的信号频率为零频率，便于随后的处理，然后求反三角函数方法，获得待测物体的相位信息，最后根据低频正弦信号和欠采样后的回波信号之间的相位差，通过公式计算出待测物体的距离和相对位移，恢复其运动轨迹，完成检测和运动解调。所述求反三角函数方法获得待测物体的相位信息具体由以下公式表示：φ1(t)＝(4πd0+x(t))/λhigh+2k1πφ2(t)＝(4πd0+x(t))/λlow+2k2π由于三角函数均以2π为周期，而求反三角函数所得均为单值解，因此以上两式中，k1，k2表示第一、第二相位信息的补偿周期数，即k1，k2为已知整数且不相等，d0为目标物体的初始位置，x(t)为待测物体运动的位移或其他待测物理量的变化，λhigh和λlow分别为频率fLO+f1和fLO-f1的双频电磁波所对应的波长，fLO为正弦连续波射频载波信号的频率，f1为低频正弦波晶振信号的频率，φ1(t)和φ2(t)分别表示接收到的回波信号中频率为fLO+f1和fLO-f1的双频电磁波各自的相位信息。所述待测物体的运动轨迹由下式计算描述获得： d 0 + x ( t ) = 1 4 π ( 1 / λ h i 本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种副载波调制的连续波多普勒雷达传感器，其特征在于：包括射频收发机芯片、控制模块和时钟产生模块，时钟产生模块包括时钟分配模块和晶振，射频收发机芯片经模数转换器与控制模块连接，时钟分配模块一个输出端与控制模块连接，时钟分配模块另一个输出端经低频带通滤波器与射频收发机芯片连接；射频收发机芯片的发射端经功率放大器连接发射天线，射频收发机芯片的接收端依次经滤波器、低噪声放大器连接接收天线。

【技术特征摘要】
1.一种副载波调制的连续波多普勒雷达传感器，其特征在于：包括射频收发
机芯片、控制模块和时钟产生模块，时钟产生模块包括时钟分配模块和晶振，
射频收发机芯片经模数转换器与控制模块连接，时钟分配模块一个输出端与控
制模块连接，时钟分配模块另一个输出端经低频带通滤波器与射频收发机芯片
连接；射频收发机芯片的发射端经功率放大器连接发射天线，射频收发机芯片
的接收端依次经滤波器、低噪声放大器连接接收天线。
2.根据权利要求1所述的一种副载波调制的连续波多普勒雷达传感器，其特
征在于：所述的射频收发机芯片集成有锁相环和混频器。
3.根据权利要求1所述的一种副载波调制的连续波多普勒雷达传感器，其特
征在于：所述的晶振产生的低频正弦信号经时钟分配模块分为两路：一路传送
到射频收发机芯片用以产生副载波信号，另一路传送到控制模块进行数字解调；
射频收发机芯片产生两路同频同相位的正弦连续波射频载波信号：一路与晶振
产生的低频正弦信号混频后生成副载波信号，然后经功率放大器放大后输出，
用以目标探测；另一路作为本振用于芯片内部进行下变频解调；射频收发机芯
片接收回波信号，经低噪声放大、滤波解调后再通过模数转换进行欠采样并传
输到控制模块。
4.根据权利要求1所述的一种副载波调制的连续波多普勒雷达传感器，其特
征在于：所述的与射频信号混频的晶振采用频率远低于载波频率的正弦波有源
晶振，优选地采用小于频率百分之一载波频率的正弦波有源晶振。
5.根据权利要求1所述的一种副载波调制的连续波多普勒雷达传感器，其特
征在于：所述的模/数转换器采用远低于奈奎斯特频率的采样频率进行欠采样。
6.一种副载波调制的连续波的运动解调方法，其特征在于包括以下具体步骤：
由晶振产生低频正弦信号，经时钟分配后分为两路，一路传送到射频收发机芯
片用以产生副载波信号，另一路传送到控制模块进行数字解调；
射频收发机芯片产生两路同频同相位的正弦连续波射频载波信号，一路作
为本振用于芯片内部进行下变频解调，另一路与晶振产生的低频正弦信号混频
后生成副载波信号，然后经功率放大器放大后输出进行目标探测，射频收发机
芯片接收目标反射回波信号后依次经低噪声放大、滤波解调后，进行欠采样再
传输到控制模块；
控制模块接收低频正弦信号和欠采样后的回波信号，首先在数字域对模数

\t转换后的回波信号进行简洁的低通滤波，滤除直流偏置和闪烁噪声，接着两个
信号进行数字混频解调，使得混频后的信号频率降为零频，然后对该信号求反
三角函数获得待测物体的相位信息，最后根据低频正弦信号和欠采样后的回波
信号之间的相位差计算出待测物体的距离和相对位移，恢复其运动轨迹，完成
检测和运动解调。
7.根据权利要求6所述的一种副载波调制的连续波的运动解调方法，其特征
在于：所述使用求反三角函数方法获得待测物体的相位信息具体由以下公式表
示：
φ1(t)＝(4πd0+x(t))/λhigh+2k1π
φ2(t)＝(4πd0+x(t))/λlow+2k2π
其中，k1，k2分别表示第一、第二相位信息的补偿周期数，k1，k2为已知整
数且不相等，d0为目标物体的初始位置，x(t)为待测物体运动的位移或其他待测
物理量的变化，λhigh和λlow分别为频率fLO+f1和fLO-f1的双频电磁波所对应的波长，
fLO为正弦连续波射频载波信号的频率，f1为低频正弦波晶振信号的频率，φ1(t)和
φ2(t)分别接收到的回波信号中频率为fLO+f1和fLO-f1的双频电磁波各自的相位
信息。
8.根据权利要求6所述的一种副载波调制的连续波的运动解调方法，其特征
在于：所述待测物体的运动轨迹由下式计算描述获得：
d 0 + x ( t ) = 1 4 π ( 1 / λ h i g h - 1 / ...

【专利技术属性】
技术研发人员：谷之韬，范腾龙，冉立新，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：浙江;33