分布放置连续波多普勒雷达传感器及多运动目标探测方法技术

本发明专利技术公开了一种分布放置连续波多普勒雷达传感器及多运动目标探测方法。包括多个射频收发机、控制模块和时钟同步分配模块，射频收发机与时钟同步分配模块连接，控制模块与时钟同步分配模块、射频收发机连接；射频收发机包括射频收发机芯片、模数转换器、功率放大器、低噪声放大器和滤波器；时钟同步分配模块控制射频收发机产生单频连续波射频信号，射频收发机接收基带回波信号传输控制模块；对基带回波信号低通滤波，用探测算法获得独立运动信号，再获取相对位移以恢复运动轨迹。本发明专利技术克服了分辨率低且信号混叠的问题，精确重构多个待测物体的运动轨迹，可广泛应用于多待测物体的运动测速、追踪定位等系统，实现不同场合下多个物理量的非接触式测量。

【技术实现步骤摘要】
分布放置连续波多普勒雷达传感器及多运动目标探测方法
本专利技术涉及了一种雷达及其探测方法，尤其是涉及了一种分布放置连续波多普勒雷达传感器及多运动目标探测方法。
技术介绍
脉冲多普勒雷达由于其探测精度高、抗干扰能力强、跟踪目标多等优点，在航空航天、民用导航和多目标测距等领域得到了广泛的应用。而连续波多普勒雷达容易区分活动目标，适合于检测单一活动目标，设计成本较低且没有脉冲多普勒雷达所必需的复杂信号处理设备。因此，本专利技术考虑设计一种分布放置连续波多普勒雷达传感器，结合传统连续波多普勒雷达传感器结构的优点，并运用运动探测方法得到多个待测物体的运动信息。
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，提供了一种分布放置连续波多普勒雷达传感器及多运动目标探测方法，可广泛应用于多物体的运动测速、追踪定位等系统，实现不同场合下多个物理量的非接触式测量。本专利技术采用的技术方案是：一、一种分布放置多普勒雷达传感器：雷达传感器包括了分布式的多个射频收发机、控制模块和时钟同步分配模块，各个射频收发机与时钟同步分配模块连接，控制模块分别与时钟同步分配模块、各个射频收发机连接，每个射频收发机具有独立发射和接收功能。所述的射频收发机包括射频收发机芯片、模数转换器、功率放大器、低噪声放大器和滤波器，射频收发机芯片经功率放大器与发射天线连接，射频收发机芯片依次经滤波器、低噪声放大器和接收天线连接，射频收发机芯片经模数转换器连接到控制模块，射频收发机芯片连接时钟同步分配模块。本专利技术中的多个射频收发机分布放置，每个收发机可布置于待测物体附近，发射的电磁波能达到待测物体即可。所述的发射天线和接收天线的种类和工作性能根据待测物体的大小和运动范围进行调节更换。所述的各个射频收发机独立工作，并由控制模块控制根据待测物体的运动范围和测量环境选择工作频率。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，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。所述的射频收发机的数量大于等于待测物体的数量，具体数量根据待测物体的数量增减。所述的时钟同步分配模块控制各个射频收发机产生同频同初始相位的单频连续波射频信号。所述的控制模块分别与各个射频收发机连接，独立调节各个射频收发机的功率和灵敏度，并控制模数转换器采集信号，实时显示或传输到个人电脑等其它终端。二、一种多目标运动探测方法，其特征在于包括以下具体步骤：由时钟同步分配模块中的晶振产生低频正弦时钟信号，经时钟同步后分配为两路，一路传送到各个射频收发机芯片产生同频同初始相位的单频连续波射频信号，另一路传送到控制模块进行数字下变频；射频收发机芯片发出的射频探测信号经功率放大器放大，再通过发射天线向待测物体发射出单频连续波射频信号用以目标探测，接收天线接收到待测物体反射的基带回波信号，再依次经低噪声放大器、滤波器后进入射频收发机芯片，经下变频后再经模数转换器欠采样并将欠采样后的基带回波信号传输到控制模块；控制模块接收欠采样后的基带回波信号，首先在数字域对模数转换后的基带回波信号进行低通滤波，接着使用探测算法计算获得独立运动信号，利用独立运动信号获取到各个待测物体的相对位移，进而恢复各个待测物体的运动轨迹。所述的使用探测算法获得独立运动信号，利用独立运动信号获取到各个待测物体的相对位移，具体步骤如下：第一步，将各个射频接收机经模数转换后的基带回波信号按射频接收机的顺序组成回波矩阵，采用以下公式计算回波矩阵的滑动平均值作为滑动平均矩阵式中，p为滑动平均步长，x(n-j)为回波信号的第n-j个离散时间值，为滑动平均值，j表示整数计数值，n表示离散时间值的序数；第二步，滑动平均矩阵减去回波矩阵后作为差值矩阵，再将差值矩阵与自身的复共轭矩阵进行点乘运算；第三步，滑动平均矩阵与其复共轭矩阵进行点乘运算，除以第二步的运算结果，求得特征向量；第四步，将特征向量的复共轭与回波矩阵进行点乘，得到多目标独立运动信号组成的矩阵，矩阵的每个元素作为各个射频接收机所探测的待测物体的独立运动信号；第五步，独立运动信号中包含用于表征各个待测物体的相对位移的相位量，对于每个独立运动信号，采用以下公式计算获得所述待测物体的相对位移：其中，mk(t)为各个待测物体相对于初始位置的相对位移，初始位置为探测初始时刻待测物体的位置，t表示时间，λ为射频接收机所发射电磁波频率所对应的波长，φk(t)表示第k个独立运动信号的相位量，k表示待测物体的序数，N表示待测物体的总数。所述的欠采样采用远低于奈奎斯特频率的采样频率进行，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。通过本专利技术的具体探测算法使得各个射频接收机能够分布布置，布置于不同处，分布探测不同处的待测物体，而无需各个射频接收机集中布置。本专利技术具有的有益效果是：本专利技术创新性地设计了连续波多普勒雷达传感器及其探测方法，能进行多物体的运动探测，使用低速模数转换器(ADC)和低速运算中心控制调节过程，并且用模块化的方式简化了设计结构，从理论上克服了单频连续波雷达探测多待测物体运动时的分辨率低且信号混叠的问题，精确重构了多个目标的运动轨迹。本专利技术的连续波多普勒雷达和探测方法能根据探测距离独立更改各个射频收发机的工作频率和收发天线，克服传统连续波多普勒雷达只能探测单一物体的缺点，不需要像传统脉冲多普勒雷达那样进行复杂的信号处理，节约设计成本的同时提高了系统的稳定性。本专利技术可广泛应用于多物体的运动测速、追踪定位等系统，实现不同场合下多个物理量的非接触式测量。附图说明图1是本专利技术收发机系统结构框图。图2为本专利技术实施例测得的实验结果的对比图。具体实施方式下面结合附图对本专利技术进一步说明。如图1所示，雷达传感器包括了分布式的多个射频收发机、控制模块和时钟同步分配模块，各个射频收发机与时钟同步分配模块连接，控制模块分别与时钟同步分配模块、各个射频收发机连接，每个射频收发机具有独立发射和接收功能。射频收发机包括射频收发机芯片、模数转换器、功率放大器、低噪声放大器和滤波器，射频收发机芯片经功率放大器与发射天线连接，射频收发机芯片依次经滤波器、低噪声放大器和接收天线连接，射频收发机芯片经模数转换器连接到控制模块，射频收发机芯片连接时钟同步分配模块。本专利技术雷达传感器的工作原理过程是：由时钟同步分配模块中的晶振产生低频正弦时钟信号，经时钟同步后分配为两路，一路传送到各个射频收发机芯片产生同频同初始相位的单频连续波射频信号，另一路传送到控制模块进行数字下变频；射频收发机芯片发出的射频探测信号经功率放大器放大，再通过发射天线向待测物体发射出单频连续波射频信号用以目标探测，接收天线接收到待测物体反射的基带回波信号，再依次经低噪声放大器、滤波器后进入射频收发机芯片，经下变频后再经模数转换器欠采样并将欠采样后的基带回波信号传输到控制模块；控制模块接收欠采样后的基带回波信号，首先在数字域对模数转换后的基带回波信号进行低通滤波，接着使用探测算法计算获得独立运动信号，利用独立运动信号获取到各个待测物体的相对位移，进而恢复各个待测物体的运动轨迹。本专利技术的实施例如下：如图1所示，实施例中以一种应用于802.11a/g频段(覆盖2.4GHz至2.5GHz以及4.9GHz至5.875GHz全波段范围)的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种分布放置多普勒雷达传感器，其特征在于：包括了多个射频收发机、控制模块和时钟同步分配模块，各个射频收发机与时钟同步分配模块连接，控制模块分别与时钟同步分配模块、各个射频收发机连接，每个射频收发机具有独立发射和接收功能。

【技术特征摘要】
1.一种分布放置多普勒雷达传感器，其特征在于：包括了多个射频收发机、控制模块和时钟同步分配模块，各个射频收发机与时钟同步分配模块连接，控制模块分别与时钟同步分配模块、各个射频收发机连接，每个射频收发机具有独立发射和接收功能。2.根据权利要求1所述的一种分布放置多普勒雷达传感器，其特征在于：所述的射频收发机包括射频收发机芯片、模数转换器、功率放大器、低噪声放大器和滤波器，射频收发机芯片经功率放大器与发射天线连接，射频收发机芯片依次经滤波器、低噪声放大器和接收天线连接，射频收发机芯片经模数转换器连接到控制模块，射频收发机芯片连接时钟同步分配模块。3.根据权利要求1所述的一种分布放置多普勒雷达传感器，其特征在于：述的各个射频收发机独立工作，并由控制模块控制根据待测物体的运动范围和测量环境选择工作频率。4.根据权利要求2所述的一种分布放置多普勒雷达传感器，其特征在于：所述的模数转换器采用低于奈奎斯特频率的采样频率进行欠采样。5.根据权利要求1所述的一种分布放置多普勒雷达传感器，其特征在于：所述的射频收发机的数量大于等于待测物体的数量。6.根据权利要求1所述的一种分布放置多普勒雷达传感器，其特征在于：所述的时钟同步分配模块控制各个射频收发机产生同频同初始相位的单频连续波射频信号。7.根据权利要求1所述的一种分布放置多普勒雷达传感器，其特征在于：所述的控制模块分别与各个射频收发机连接，独立调节各个射频收发机的功率和灵敏度，并控制模数转换器采集信号，实时显示或传输到个人电脑等其它终端。8.应用于权利要求1～7任一所述分布放置多普勒雷达传感器的一种多目标运动探测方法，其特征在于包括以下具体步骤：由时钟同步分配模块中的晶振产生低频正弦时钟信号，经时钟同步后分配为两路，一路传送到各个射频收发机芯片产生同频同初始相位的单频连续波射频信号，另一路传送到控制模块进行数字下变频；射频收发机芯片发出的射频探测信号经功率放大器放大，...

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