基于多频移键控体制的车载雷达目标测量系统及运行方法与流程

本发明涉及车载雷达信号处理领域，特别是基于多频移键控体制的车载雷达目标测量系统及运行方法。

背景技术：

随着人们生活水平的提高和科技的发展进步，汽车已经成为大家出行的代步工具，其给人们带来方便的同时也带来了一定的安全隐患。近年来，交通事故频发，很大程度都是由于司机的视线模糊或是反映速度缓慢造成的，如果可以研发一种汽车驾驶辅助系统，及时发现危险提醒司机，就可以避免很多生命财产损失。

如今市面上出现了多种车载系统，它们各有优缺点，其中雷达系统相比于可视化车载系统，不受天气、温度、湿度等外在条件的影响，同时高精度、远距离的测量性能使车载雷达系统在很多方面都得到了应用和发展。比如自适应巡航控制(acc)、防撞系统(cas)、预碰撞系统(pre-crash)、停车辅助系统(parkingaid)等。这些车载雷达系统的基本原理是信号处理单元控制射频单元产生相应的信号，通过阵列天线发射出去，遇到目标后信号返回再被天线接收，接收信号与发射信号在射频单元做差频处理，得到的差频信号由信号处理单元进行相应的计算处理得到目标的状态信息。这些系统的使用可以有效地避免交通事故的发生，具有很大的研究前景和市场价值。

车载雷达系统研究和发展中的技术挑战是同时测量多个目标的距离、径向速度、方位角等信息，其中波形体制的设计影响了这些要求的实现。目前常见的两种波形体制有线性调频波(lfm)和频移键控(fsk)波形，传统的lfm波形体制雷达提供了很高的距离和速度分辨率，但是不能解决多目标情况下的虚假目标问题；而fsk波形体制的雷达系统具有很高的速度分辨率并且可以规避虚假目标问题，但是在距离求解方面存在弊端，无法测量静止目标和多个具有相同径向速度的目标。

为了解决lfm和fsk体制存在的问题，一些改进的波形体制目标测量方法被提出，其中有变周期lfmcw多目标识别方法、变周期梯形波雷达距离速度测量方法、双周期变斜率锯齿波信号等。然而这些方法都无法同时兼顾测量精度和运算量，为系统的硬件实现带来了很大的难度，导致研发成本过高，不利于进一步的商业开发。

技术实现要素：

针对现有车载雷达系统多目标测量方面存在虚假目标、无法同时测量多种状态目标、计算量大等问题，本发明提供了一种多频移键控(mfsk)体制的车载雷达目标测量系统，该系统具有调制信号精度高、数据处理速度快、结构简单、体积小等优点。

基于多频移键控体制的车载雷达目标测量系统，包括电源模块、分别与电源模块连接的fpga信号处理模块、雷达传感器模块及结果显示上位机，其中：

雷达传感器模块包括阵列天线、射频电路和锁相环电路；

fpga信号处理模块包括数据采集模块、锁相环控制模块以及数据处理模块；

fpga信号处理模块的锁相环控制模块产生spi控制信号，控制雷达传感器模块中的锁相环电路产生mfsk调制信号，然后将信号送入射频电路，射频电路对调制信号进行上变频处理，并将信号通过阵列天线发射出去，信号遇到目标被反射回来，阵列天线接收回波信号；射频电路再对回波信号做下变频和差分处理，得到i、q两路正交模拟信号；数据采集模块对i、q两路正交模拟信号进行采样转化为数字信号，然后将数据送入数据处理模块进行处理和计算，最后将计算结果输出到结果显示上位机上。

所述的锁相环控制模块根据系统对调制信号类型、周期、幅度等指标要求，调整寄存器参数，并以spi通信的形式输出相应的控制信号，来配置锁相环电路，同时为锁相环电路的正常工作提供时钟，以及天线增益的控制信号。

所述的锁相环电路由锁相环芯片和相应的外围电路构成，主要是根据锁相环控制模块的时钟和控制信号，产生相应的mfsk调制信号。

所述的射频电路接收来自锁相环电路的vco调制信号，对该信号进行调制上变频处理，然后将处理后的信号接到阵列天线。同时射频电路对阵列天线接收的回波信号做下变频处理，并将下变频后的信号与上变频信号做差频处理和正交变换，得到正交的两路i、q信号。

所述的阵列天线为平面的微带天线，体积较小，功率较低。其包括发射单元和接收单元，主要负责将射频电路调制后的数据发射出去，并接收回波信号，送入射频电路做进一步处理。

所述的数据采集模块由模数转换电路构成，主要是采集雷达传感器模块输出的i、q两路信号，将这些模拟数据转化为数据处理模块可以识别的数字信号。其中采集模块的采样频率由回波差频信号的最大频率决定，采样频率一般取大于等于2倍的最大差频频率。

所述的数据处理模块是本系统的最主要的模块，其负责整个系统的数据运算。接收数据采集模块的数字信号，然后对数据进行拆分、重组得到i路a、b对应信号和q路a、b对应信号，然后做全相位fft处理、求模运算、ca-cfar处理、峰值搜索、容差函数匹配、相位求解，最后根据得到的信息计算出目标的距离和速度信息。

所述的电源模块主要为雷达传感器模块和fpga信号处理模块提供电源，其为雷达传感器模块提供5v和3.3v的电压，为fpga信号处理模块提供5v电压。

所述的结果显示上位机是用来显示计算结果和预警信息的上位机，可以将数据处理模块计算得到的目标信息再该上位机上形象地显示出来，并可以人为设置目标信息阈值，对危险情况进行判断，及时发出提醒信息。

上述车载雷达目标测量系统的测量方法是采用lfm和fsk结合的mfsk波形作为调制信号，对回波信号进行分时采样，再对拆分后的两组数据进行全相位fft和ca-cfar处理，取频谱峰值点，对两组峰值点进行容差判断、峰值匹配得到目标对应频谱峰值，进一步得到目标差频频率。然后取峰值位置的实部和虚部数据进行补偿坐标旋转计算(coridc)得到目标的相位差信息。根据相应公式计算得到目标的距离和速度。

上述基于多频移键控体制的车载雷达目标系统的运行方法，包括如下步骤：

(1)产生多频移键控(mfsk)波形信号

所述的mfsk信号是由lfm和fsk结合的一种新体制，其由fsk波形对应的两个信号a、b步进而得到的，即两个波形交替上升构成mfsk信号。其中每个a、b波形持续的时间相同都是总体的步进时间即调制周期为步进次数n与每个a、b波形持续时间之和tstep的乘积tcpi＝n·tstep；

mfsk信号是由多个fsk信号步进构成的，其频率数目多，跨度范围大，不同的目标在不同的频率阶层被反射，从而得到不同频率的差频信号；

(2)对差频信号进行采样、拆分、重组

根据奈奎斯特采样定律以fs为采样频率对回波的差频信号进行采样，采样得到的数据是a、b所对应的交替的i、q两路回波差频信号，而后端信号处理需要用到的是单独的a、b的回波数据，根据对应发射信号的时间间隔和位置对i、q两路回波差频数据进行拆分，并将拆分得到的数据进行重组，分别存放在相应的寄存器中；

(3)对重组后的数据进行全相位fft和ca-cfar处理

寄存器中的i、q两路数据分别对应虚部和实部信息，分别对i、q两路中a、b对应的差频信号的每个调制周期tcpi内的数据做全相位fft运算，然后求a、b对应i、q两路数据的模，得到a、b两组频谱数据，再对得到的两组频谱做ca-cfar(单元恒虚警)处理；

(4)求目标对应频率

分别对a、b对应的虚警后的频谱进行峰值搜索，取出峰值点，由于每段频谱的采样时间等于可以得到频率分辨率为

由于同一目标a、b对应的频率应该相同，那么如果a、b差频频率fak、fbk满足下式容差函数

则认为该频率对应同一目标，确定真实目标频率值，排除不符合条件的频率；

(5)求目标对应相位差

根据步骤(4)得到的目标峰值点位置及频率，取出目标频谱峰值点对应的实部数据re[x(m)]，和虚部数据im[x(m)]。然后利用补偿坐标旋转计算法(coridc)求反正切

同理得到得到同一目标a、b波形之间的相位差

(6)计算目标的距离和速度

由上步骤(4)和步骤(5)计算已经得到目标的差频频率fb和对应的相位差可以根据以下公式计算出目标的距离和速度。

其中式中c为光速、f0为基带频率。bsw为调制带宽，fshift为a、b两个调制信号之间对应的频率差。

由此可知，目标的差频频率和相位差是一一对应的关系，不存在交叉混叠现象，因此该mfsk体制的车载雷达系统可以有效地避免虚假目标的出现，克服了lfm体制存在的缺陷。

与现有技术相比，本发明优点为：

1、本系统使用内部集成锁相环的雷达传感器，锁相环产生调制信号与常规使用fpga直接控制da产生调制信号相比精度更高、线性度更好，进而保证了系统回波信号的精度，提高了信噪比，便于后端运算；

2、本系统不使用中频电路来对中频信号进行处理，避免了不必要的外界干扰，并且减小了系统体积，节省开发成本；

3、采用mfsk波形作为调制信号，可以在多种状态目标场合下避免虚假目标的出现、对目标进行无模糊测量，并且有很高的距离速度分辨率；

4、结合全相位fft算法，避免了频谱泄露、抑制了高斯噪声，提高了算法的相位估计精度，进一步提高最终目标的距离速度准确度；

5、使用补偿cordic算法求相位，利于fpga的硬件实现，避免了数据浮点运算的转化；

6、本方法只需使用1次fft，并且在计算目标距离速度前进行容差判断，减少了算法的运算量，保证了算法的运算速度。

附图说明

图1为实施例的结构框架图；

图2为实施例的信号处理流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例作进一步的详细说明。

实施例：

如图1所示，基于多频移键控体制的车载雷达目标测量系统，包括电源模块、fpga信号处理模块、雷达传感器模块、结果显示上位机。其中雷达传感器模块又包括阵列天线、射频电路和锁相环。fpga信号处理模块包括数据采集模块、锁相环控制模块以及数据处理模块。电源模块为整个系统供电。fpga信号处理模块的锁相环控制模块产生spi控制信号，控制雷达传感器模块中的锁相环电路产生mfsk调制信号，然后将信号送入射频电路。射频电路对调制信号进行上变频处理，然后将信号通过阵列天线发射出去。信号遇到目标被反射回来，阵列天线接收回波信号。射频电路再对回波信号做下变频和差分处理，得到i、q两路正交信号。数据采集模块对i、q两路模拟信号进行采样转化为数字信号，然后将数据送入数据处理模块进行处理和计算，最后将计算结果输出到结果显示上位机上。

本例的电源模块的5v电源由外部电源适配器提供，在电源引脚加滤波电容减小电容纹波对系统的影响。使用asm117-3.3将5v电压转化为3.3v为雷达传感器提供3.3v电压。

本例的锁相环控制模块包含在fpga信号处理模块中，由fpga产生相应控制信号。包括clk时钟信号、data寄存器数据信号、le数据使能信号、以及天线增益控制信号等。

本例的锁相环电路是由亚德诺半导体公司的adf4158以及外围电路构成，该电路可以直接产生6.1ghz的调制波形，是一种小数n分频频率合成器。可以根据锁相环控制模块的控制信号产生高精度的mfsk调制信号，并且线性度好。

本例的射频电路包含vco电路、信号发射电路、信号接收解调电路以及差频信号增益控制电路。其中信号接收解调电路主要负责信号的接收，并将回波信号与发射信号进行混频和正交差分变换，得到i、q信号；差频信号增益电路主要是为了调节差频信号的增益，是通过外部控制信号配置增益电路内的寄存器进行调节。

本例的阵列天线采用的是平面的微带天线，具有56个阵元的发射单元和16个阵元的接收单元。该阵列天线体积较小，对功耗要求也很低。

本例的数据采集模块是由analogdevice公司的ad9233-125芯片及外围电路构成的。该芯片是一款12位分辨率的单芯片，最高采样率可以达到125m，可以做射频直接带通采样，完全满足系统的需要。由于是差分的i、q两路信号，所以需要两个ad采样模块。

本例的数据处理模块是fpga处理器，其型号为ep4ce115f2317，是cyclone四代的处理器，与之前的芯片相比，该芯片内部资源丰富，功耗低。同时fpga是并行处理的芯片，所以也保证了系统的运算速度。数据处理模块主要是利用了fpga内部的fifo内核、rom内核、ram内核、fft内核等集成内核，以及其强大的逻辑运算能力来完成整个系统的运算。最后将计算得到的结果通过串口发送至结果显示上位机。

本例的结果显示上位机是用来显示计算结果和预警信息的上位机，可以将数据处理模块计算得到的目标信息再该上位机上形象地显示出来，并可以人为设置目标信息阈值，对危险情况进行判断，及时发出提醒信息。

基于多频移键控体制的车载雷达目标测量方法是在上述的基于多频移键控体制的车载雷达目标测量系统实施例上实施，测量目标为距离80m、速度10m/s的目标一和距离35m、速度5m/s的目标二。其流程图如下图2所示。

(1)产生多频移键控(mfsk)波形信号

本例所产生的mfsk信号由100个fsk信号步进而成，其中fsk信号的对应频率为250khz，每个步进之间的频率差值为1000khz，每个步进的持续时间为100us。即得到调制带宽bsw为100mhz，调制信号的周期tcpi为10ms。发射信号的基带频率为24ghz，目标最远探测距离为100m，距离分辨率为1.5m。

(2)对差频信号进行采样、拆分、重组

本例根据系统的最远测量距离计算出最大回波差频的频率，然后根据奈奎斯特采样定律将采样频率定为500khz。将采样回来的数据与发射的调制信号进行时间对比，利用a、b波形各持续时间50us来对i、q数据进行分割，分别重组存入相应的寄存器得到四组数据分别是i路a波形数据、i路b波形数据、q路a波形数据、q路b波形数据。然后将数据存入fpga内部的四个不同的fifo中。

(3)对重组后的数据进行全相位fft和ca-cfar处理

本例中取出fifo内的数据做全相位预处理，将处理后的结果送入fpga的fft内核中做fft变换，得到a波形对应的i、q路频谱和b波形对应的i、q路频谱。再使用求模函数对上述频谱数据进行处理得到a波形频谱数据和b波形频谱数据。然后使用单元恒虚警算法(ca-cfar)对a、b两路数据进行虚警处理。

(4)求目标对应频率

本例对频谱进行搜索，找到所有的峰值点位置，然后根据下式

计算出所有峰值点对应频率，其中k为峰值点位置，n为fft点数，fs为采样频率。对比a、b两个波形相近的频率值，如果满足下式则为同一目标的对应频率。

计算得到两个目标的回波频率分别为6.93khz和3.13khz。

(5)求目标对应相位差

根据上面步骤(4)峰值搜索和容差匹配后得到的目标峰值点位置，取出全相位fft后的相应位置的实部和虚部数据，然后根据数据的大小进行补偿，将浮点数转化为定点数，然后再通过coridc函数算法对实部和虚部的数据做反正切变换得到a、b两个频谱的相位，二者相减得到相位差。通过计算得到两个目标对应的差频的相位差分别为1.3455rad和0.6204rad。

(6)计算目标的距离和速度

本例根据上述求得的目标差频频率和相位差，将数据带入下式

其中，c＝3.0×10⁸m/s，λ＝0.0125，δv＝0.625，bsw＝100mhz，n＝100，tcpi＝10ms，fshift＝250khz。计算得到r1＝79m，v1＝10m/s，r2＝35m，v2＝4.9m/s。可见该系统可以避免虚假目标的出现，无模糊地测量目标，并且有很高的测量精度。

上述实施例，仅为对本发明的目的、技术方案和有益效果进一步详细说明的具体个例，本发明并非限定于此。凡在本发明的公开的范围之内所做的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围之内。