面向超宽带LFMCW毫米波雷达的目标测量系统及方法技术方案

本发明专利技术公开了一种面向超宽带LFMCW毫米波雷达的目标测量系统及方法，涉及数字信号处理领域。包括：信号生成模块、无线收发模块、回波预处理模块、高精度处理模块、参数估计模块。本发明专利技术利用频谱超分辨技术，有助于实现运动目标的高精度测量，可以在不改变现有雷达体制和工作方式下对接收数据进行处理，实现即插即用式效果。效果。效果。

【技术实现步骤摘要】
面向超宽带LFMCW毫米波雷达的目标测量系统及方法


[0001]本专利技术涉及数字信号处理领域，尤其涉及一种面向超宽带LFMCW毫米波雷达的运动目标高精度测量系统及方法。

技术介绍

[0002]超宽带线性调频连续波(LinearFrequencyModulation Continuous Wave，LFMCW)毫米波雷达指的是带宽范围在数GHz，发射信号为连续线性调频信号，载波信号电磁波波长在0.1～1cm的雷达，其特点为受沙尘、雨雪、烟雾等恶劣天气的影响较小，信号穿透力强，能够全天时全天候地工作，并且其测距、测速和测角精度较高，受地面杂波和多径效应影响较小，对远距离的探测能力强，在复杂电磁环境下具有一定的抗干扰能力。由于技术的进步，毫米波雷达已经实现了小型化、集成化和模块化，可以安装并适配大多数传感器搭载平台，因此毫米波雷达已经在许多领域得到了广泛应用。
[0003]在实际场景中，运动目标检测是一个重要的任务。在自动驾驶领域，汽车上的传感器面临复杂多样的交通状况，需要在运动平台上检测不同车辆、行人、道路标识与路面障碍物的位置、尺寸以及运动状态等特征，同时应当保证百米左右的探测范围以提供安全距离，并确保在不同自然环境下传感器工作的可靠性，且具有一定的抗干扰能力，因此满足上述条件的毫米波雷达成为无人汽车检测运动目标的主要传感器之一。在智能家居领域，传感器需要准确识别屋内用户的运动信息以及姿态信息，由于红外传感器的探测范围小、探测精度低，光学传感器又存在隐私泄漏的风险，而毫米波雷达不仅能检测细微的运动和姿态特征，而且没有上述传感器的缺陷，因此基于毫米波雷达的智能家居市场正在不断扩大。在城市安防领域，毫米波雷达能针对特定空域持续探测，捕获未知飞行物如小型无人机的存在，并通过高分辨率信息进行目标识别与持续跟踪。此外在智能交通、工业测量、健康养老等领域，毫米波雷达凭借其优良的性能正不断扩大其市场份额。
[0004]传统的雷达测量过程中，接收信号与发射信号混频并经过低通放大器后得到中频信号，经过A/D采样后对离散序列做快速傅里叶变换(Fast Fourier Transform，FFT)进行脉冲压缩，峰值处即对应目标距离信息；由于雷达信号发射间隔较短，目标近似看作静止，因此收集多个离散序列后可拼成一个二维矩阵，对第二维做FFT即可得到速度信息；进一步地，如果雷达采用多个通道收发信号，则多个二维回波矩阵将组成一个三维数据立方体，再对第三个维度做FFT即可获得目标相对雷达系统的角度信息。传统流程存在以下问题：一是测距精度不高，在传统窄带雷达中距离走动不明显，目标可近似看作静止，而随着带宽的增加距离分辨率得到提升，微小的距离变化也会导致较为明显的走动，因此产生测距误差；二是随着距离分辨率的增加，散射体回波主瓣宽度变窄，当采样点数较少时容易丢失峰值，造成信号信噪比下降，并且还会进一步导致测速误差；三是受限于实际体积，毫米波雷达发射天线孔径不能太大，这就使得雷达角分辨率较低，必须在信号处理端使用超分辨处理的方法来获得超越实际孔径的角度分辨率。
[0005]因此，如何在不改变现有雷达体制和工作方式下对接收数据进行处理，实现运动
目标的高精度测量，是本领域技术人员亟需解决的问题。

技术实现思路

[0006]有鉴于此，本专利技术提供了一种面向超宽带LFMCW毫米波雷达的目标测量系统及方法，可以达到在不改变现有雷达体制和工作方式下对接收数据进行处理，实现运动目标的高精度测量的效果。
[0007]为了实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：
[0008]一种面向超宽带LFMCW毫米波雷达的目标测量系统，包括：外部平台MCU、信号生成模块、无线收发模块、回波预处理模块、高精度处理模块、参数估计模块；
[0009]外部平台MCU，与信号生成模块的输入/输出端连接，用于通过标准通信协议将射频信号参数发送给信号生成模块控制其产生线性频率调制的射频段发射信号；
[0010]外部平台MCU，与无线收发模块的输入/输出端连接，用于控制无线收发模块对射频信号的发射与接收；
[0011]信号生成模块，与无线收发模块的输入端连接，用于生成线性频率调制的射频段发射信号并发送至无线收发模块；
[0012]信号生成模块，与回波预处理模块的第一输入端连接，用于生成回波预处理模块解调所需的参考信号；
[0013]无线收发模块，与回波预处理模块的第二输入端连接，用于将线性频率调制后的射频段数字信号转换为模拟信号，并经由模块内的发射天线发射至环境中；同时经由模块内接收天线捕获来自环境中物体的反射回波信号，并传输至后续回波预处理模块进行预处理；
[0014]回波预处理模块，与高精度处理模块的输入端连接，用于将模拟回波信号转换为基带数字信号；
[0015]高精度处理模块，与参数估计模块的输入端连接，用于接收回波预处理模块发送的基带数字信号并进行高精度处理，得到处理后的回波数据，并将处理后的回波数据传输至参数估计模块；
[0016]参数估计模块，用于从处理后的回波数据中提取出测量值，即为运动目标参数。
[0017]上述的系统，可选的，回波预处理模块包括依次连接的低噪声放大器、回波混频器、低通滤波器和A/D采样电路；
[0018]回波预处理模块将模拟回波信号转换为基带数字信号的具体内容如下：
[0019]首先将模拟回波信号通过低噪声放大器放大，再与来自信号生成模块生成的参考信号进行混频，并通过低通滤波器后得到基带信号；随后通过A/D采样电路将基带模拟信号转换为基带数字信号，并重组形成一个三维的离散回波数据矩阵。
[0020]上述的系统，可选的，高精度处理模块包括依次连接的脉冲压缩单元、频谱细化单元、距离校正单元；
[0021]脉冲压缩单元，用于对快时间离散回波数据进行脉冲压缩得到初步的慢时间
‑
距离像；
[0022]频谱细化单元，用于对快时间离散回波数据利用快速算法实现Chirp
‑
z变换来细化距离维FFT所得频谱，得到细化后的慢时间
‑
距离像；
[0023]距离校正单元，用于求解峰值相位因固有误差导致相位周期性变化的相位平均值，利用相位平均值来估算距离偏差，对回波相位进行补偿，使回波相位包含准确的距离信息。
[0024]上述的系统，可选的，参数估计模块，用于将高精度处理模块处理后的回波数据进行恒虚警率检测，从噪声环境中区分出目标，然后对每列快时间序列做最大似然估计，得到目标位置的估计值，提取慢时间序列，使用时频分析算法得到目标速度的估计值；对通道维序列采用频谱超分辨的算法得到目标角度的估计值。
[0025]一种面向超宽带LFMCW毫米波雷达的目标测量方法，应用于上述任一项的一种面向超宽带LFMCW毫米波雷达的目标测量系统，包括以下步骤：
[0026]S1、外部平台MCU通过标准通信协议将射频信号参数发送给信号生成模块并产生线性频率调制的射频段发射信号；
[0027本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种面向超宽带LFMCW毫米波雷达的目标测量系统，其特征在于，包括：外部平台MCU、信号生成模块、无线收发模块、回波预处理模块、高精度处理模块、参数估计模块；外部平台MCU，与信号生成模块的输入/输出端连接，用于通过标准通信协议将射频信号参数发送给信号生成模块控制其产生线性频率调制的射频段发射信号；外部平台MCU，与无线收发模块的输入/输出端连接，用于控制无线收发模块对射频信号的发射与接收；信号生成模块，与无线收发模块的输入端连接，用于生成线性频率调制的射频段发射信号并发送至无线收发模块；信号生成模块，与回波预处理模块的第一输入端连接，用于生成回波预处理模块解调所需的参考信号；无线收发模块，与回波预处理模块的第二输入端连接，用于将线性频率调制后的射频段数字信号转换为模拟信号，并经由模块内的发射天线发射至环境中；同时经由模块内接收天线捕获来自环境中物体的反射回波信号，并传输至后续回波预处理模块进行预处理；回波预处理模块，与高精度处理模块的输入端连接，用于将模拟回波信号转换为基带数字信号；高精度处理模块，与参数估计模块的输入端连接，用于接收回波预处理模块发送的基带数字信号并进行高精度处理，得到处理后的回波数据，并将处理后的回波数据传输至参数估计模块；参数估计模块，用于从处理后的回波数据中提取出测量值，即为运动目标参数。2.根据权利要求1所述的一种面向超宽带LFMCW毫米波雷达的目标测量系统，其特征在于，回波预处理模块包括依次连接的低噪声放大器、回波混频器、低通滤波器和A/D采样电路；回波预处理模块将模拟回波信号转换为基带数字信号的具体内容如下：首先将模拟回波信号通过低噪声放大器放大，再与来自信号生成模块生成的参考信号进行混频，并通过低通滤波器后得到基带信号；随后通过A/D采样电路将基带模拟信号转换为基带数字信号，并重组形成一个三维的离散回波数据矩阵。3.根据权利要求2所述的一种面向超宽带LFMCW毫米波雷达的目标测量系统，其特征在于，高精度处理模块包括依次连接的脉冲压缩单元、频谱细化单元、距离校正单元；脉冲压缩单元，用于对快时间离散回波数据进行脉冲压缩得到初步的慢时间
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距离像；频谱细化单元，用于对快时间离散回波数据利用快速算法实现Chirp
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z变换来细化距离维FFT所得频谱，得到细化后的慢时间
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距离像；距离校正单元，用于求解峰值相位因固有误差导致相位周期性变化的相位平均值，利用相位平均值来估算距离偏差，对回波相位进行补偿，使回波相位包含准确的距离信息。4.根据权利要求3所述的一种面向超宽带LFMCW毫米波雷达的目标测量系统，其特征在于，参数估计模块，用于将高精度处理模块处理后的回波数据进行恒虚警率检测，从噪声环境中区分出目标，然后对每列快时间序列做最大似然估计，得到目标位置的估计值，提取
慢时间序列，使用时频分析算法得到目标速度的估计值；对通道维序列采用频谱超分辨的算法得到目标角度的估计值。5.一...

【专利技术属性】
技术研发人员：雷鹏，周炜，王俊，徐迈，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：