一种调频连续波雷达的相位噪声数字式实时估计方法及系统与流程

1.本发明涉及调频连续波(fmcw)雷达，具体为从中频接收数字信号提取相位噪声采样值从而估计相位噪声功率谱。


背景技术：

2.由于振荡器相位和频率的不稳定，调频连续波雷达发射信号的相位具有随机抖动,这种称为相位噪声的随机相位抖动对雷达的探测性能有负面影响,估计相位噪声是设计低相位噪声雷达和消除相位噪声影响的重要课题。现有fmcw雷达相位噪声的估计方法主要可以归结为两种：一是直接对回波信号做频谱分析，无论实时或离线处理都可以通过频谱分析来进行，该方法的缺点是估计精度会受到多目标和其它类型噪声的影响；二是通过在雷达收发模块添加射频延迟线产生虚拟目标回波，并将其与真实目标回波进行比较从而估计出相位噪声，这种方法的缺点是需要增加额外硬件，例如增加射频延迟线以及相应的混频器等。
3.本发明提供了一种从中频接收数字信号实时估计相位噪声功率谱的方法，本发明无需添加额外硬件，且无论单个或多个目标情况，均能够直接提取相位噪声采样值，进而估计出相位噪声的功率谱，估计精度不易受到多目标和其它类型噪声的影响，并且能够克服上述背景技术中提到的两种噪声估算方法存在的一些技术问题。


技术实现要素：

4.针对上述现有技术的缺点或不足，本发明提供一种从中频接收数字信号实时估计相位噪声功率谱的方法，本发明无需添加额外硬件，且无论单个或多个目标情况，均能够直接提取相位噪声采样值，进而估计出相位噪声的功率谱，并且估计精度不易受到多目标和其它类型噪声的影响。
5.为实现上述目的，本发明提供了一种调频连续波雷达的相位噪声数字式实时估计方法，具体包含如下步骤：
6.s1：由发射天线发射一帧扫频信号，所述发射天线阵列的一帧扫频信号中包括多个扫频信号；
7.s2:由接收天线阵列的多个接收天线接收所述扫频信号的接收信号，所述接收信号是多个目标回波信号的叠加；
8.s3:由数据处理单元对所述目标回波信号进行处理，得到模拟差频信号，所述模拟差频信号为i通道和q通道的模拟差频信号；
9.s4：对所述模拟差频信号进行低通滤波和模数转换处理，得到数字差频信号，所述数字差频信号为i通道和q通道的数字差频信号；
10.s5：对一帧内的多个扫频信号对应的数字差频信号进行矩阵排列，并对所述矩阵排列做二维快速傅立叶变换得到频谱矩阵，进一步对所述频谱矩阵进行计算，得到综合频谱能量矩阵p；
11.s6:对所述综合频谱能量矩阵p进行计算，得到目标参数；
12.s7：任意确定一个扫频信号，获取接收天线阵列中各个接收天线对应于该扫频信号的数字差频信号,根据预先设定的矩阵运算得到去除相互混叠后各目标的目标回波信号；
13.s8：选取所述去除相互混叠后任一目标回波信号，计算其相位序列；
14.s9：根据所述相位序列计算相位噪声采样序列；
15.s10：对所述相位噪声采样序列进行频谱分析获取相位噪声功率谱。
16.其中，一个扫频时间的信号称为一个扫频信号。接收天线接收到的目标回波信号经混频，低通滤波得到的模拟差频信号经模数变换(adc)后送数字信号处理模块提取目标信息。
17.进一步地，所述每一帧扫频信号包含l个(l为整数，且大于零)扫频信号s(t)。在t时刻的所述子扫频信号s(t)可以用以下时间变量t的函数来表示：
[0018][0019]
其中，a为表示电压幅值的常数，fc为中心频率，k＝b/tc为扫频斜率，b为扫频带宽，tc为扫频时间，为初始相位，为t时刻的相位噪声。
[0020]
进一步地，所述l个扫频信号，其中l的值为16、32、64或128。
[0021]
进一步地，所述接收天线阵列有d个接收天线，每个接收天线d(d＝1,2,...,d)对应的所述扫频信号s(t)的接收信号是多个目标回波信号的叠加。
[0022]
进一步地，第d个子接收天线在t时刻的目标回波信号用以下时间变量t的函数来表示：
[0023][0024]
其中，m为目标个数，为第d个天线接收到的第m个目标的回波信号强度，f
dm
为第m个目标的多普勒频率，第m个目标的回波延迟为
[0025]
τm＝2rm/c
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)
[0026]rm
为第m个目标的距离，c为光速。
[0027]
进一步地，所述由数据处理单元对所述目标回波信号进行处理，得到模拟差频信号，进一步包括，对回波信号经低噪声放大，混频，中频放大，得到i通道和q通道的模拟差频信号。
[0028]
进一步地，对第d个接收天线d(d＝1,2,...,d)，其对应于一个扫频信号s(t)的i通道和q通道的模拟差频信号可以表示为：
[0029][0030][0031]
进一步地，对所述模拟差频率信号进行低通滤波和模数转换处理，得到i通道和q
通道的数字差频信号，进一步包括，对第d个接收天线(d＝1,2,...,d)，其对应于一个扫频信号s(t)的i通道和q通道的数字差频信号可以表示为：
[0032][0033][0034]
其中，n＝1,...,n，n为采样点数，ts为采样周期，
[0035][0036]
round()为四舍五入取整数。用复数形式表示的数字差频信号y
(d)
(n)为：
[0037][0038]
这里j为虚部表示符号。
[0039]
进一步包括，将接收天线d(d＝1,2,...,d)的对应于一个扫频信号的数字差频信号(如公式(9)表示)排列成一个n维列向量：
[0040]y(d)
＝(y
(d)
(1) y
(d)
(2) ... y
(d)
(n))
t
,(d＝1,2,...d)
ꢀꢀ
(10)
[0041]
其中，右上角t表示向量转置运算。
[0042]
进一步地，将一帧内所有l个扫频信号对应的数字差频信号排列成一个维度为n行l列的矩阵，并对该矩阵做二维快速傅立叶变换得到同样维度的频谱矩阵；对接收天线阵列中的各个接收天线分别重复进行所述二维快速傅立叶变换操作，操作后得到d个频谱矩阵：f
(d)
(d＝1,2,...,d)；对各频谱矩阵逐点求模的平方，得到d个频谱能量矩阵：e
(d)
(d＝1,2,...,d)；进一步将d个频谱能量矩阵做平均得到综合频谱能量矩阵p。
[0043]
进一步地，对所述综合频谱能量矩阵p进行计算，得到目标参数，进一步包括，根据所述综合频谱能量矩阵p的m个尖峰的坐标索引值得到各目标的参数。
[0044]
进一步包括，根据第m(m＝1,2,...,m)个尖峰的行索引值im和列索引值jm分别得到目标m的距离rm及多普勒频率f
dm
。
[0045]
进一步地，任意确定一个扫频信号，根据公式(10)，获取各个接收天线对应于该扫频信号的数字差频信号，并通过预设的矩阵运算求得去除相互混叠后各目标的回波信号xm。
[0046]
进一步地，所述预设的矩阵运算表示如下：
[0047]
(x
1 x
2 ... xm)＝(y
(1) y
(2) ... y
(d)
)c-1
ꢀꢀ
(11)
[0048]
其中，y
(d)
，(d＝1,2,...d)为公式(10)定义的数字差频信号；xm为n维的列矢量：
[0049]
xm＝(xm(1) xm(2) ... xm(n))
t
,(m＝1,2,...m)
ꢀꢀꢀꢀꢀ
(12)
[0050]
[0051]f(d)
(im,jm)(d＝1,2,...,d；m＝1,2,....m)为频谱矩阵f
(d)
的第(im,jm)个元素。im和jm分别为求得的目标m的行索引值和列索引值。
[0052]
进一步地，计算所述去除相互混叠后各目标回波信号的相位序列，包括，计算第m(m＝1,2,...,m)个目标回波信号xm的相位序列为：
[0053]am
(n)＝arctan(imag(xm(n)/real(xm(n)),(n＝1,2,...,n)
ꢀꢀꢀꢀ
(14)
[0054]
其中，arctan()为反正切函数，real()为取实部运算符，imag()为取虚部运算符；
[0055]
根据公式(6)和式(7)计算可以得出：
[0056][0057]
其中，
[0058][0059]
进一步，将公式(15)转换为：
[0060][0061]
其中：
[0062]bm
(n)＝am(n)-ф(n)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(18)
[0063]
根据公式(17)可知:对任-目标m,相位噪声采样值φ(nts)均为bm(n)(n＝1,2,...,n)通过一个阶数为的数字滤波器的输出序列。
[0064]
进一步地，计算相位噪声采样序列φ(nts)(n＝1,2,...,n)，进一步包括，任意确定一个目标，即任选一个m∈(1,2,...,m)，将所述bm(n)序列通过如下传输函数的数字滤波器:
[0065][0066]
其中，z为传输函数的自变量，表示一个单元的超前运算。该滤波器之输出序列即为相位噪声采样值:φ(nts)，(n＝1,2,
…
,n)。其中，bm(n)由公式(18)、式(15)和公式(16)计算，参数τm由公式(3)计算，由公式(8)计算。
[0067]
进一步地，所述频谱分析为快速傅立叶变换。
[0068]
为实现上述目的，根据本发明的另一个方面，提供了一种调频连续波雷达的相位噪声数字式实时估计系统。本发明的调频连续波雷达的相位噪声数字式实时估计系统包括：发射天线，用于发射扫频信号；接收阵列天线，用于接收所述扫频信号的目标回波信号；数据处理模块，用于对目标回波信号进行数据处理，其特征在于，所述调频连续波雷达的相位噪声数字式实时估计系统用于实现一种调频连续波雷达的相位噪声数字式实时估计的方法。
[0069]
本发明的有益效果是：本发明提供一种从中频接收数字信号实时估计相位噪声功率谱的方法，通过对目标回波信号进行处理得到数字差频信号，利用二维快速傅立叶变换将数字差频信号矩阵进行处理得到综合频谱能量矩阵，并进一步得到目标参数，再根据预先设定的矩阵运算得到去除相互混叠后各目标的目标回波信号，计算相位噪声采样序列并进行频谱分析获取相位噪声功率谱。本发明无需添加额外硬件，且无论单个或多个目标情况，均能够直接提取相位噪声采样值，进而估计出相位噪声的功率谱，估计精度不易受到多目标和其它类型噪声的影响，并且能够克服上述背景技术中提到的两种噪声估算方法存在的一些技术问题。
附图说明
[0070]
图1：调频连续波雷达系统原理框图及发射信号的时间(t)频率(f)关系示意图。
[0071]
图2：调频连续波雷达的相位噪声数字式实时估计方法实施例一。
[0072]
图3:估计的相位噪声功率谱和实际值之比较案例一。
[0073]
图4：估计的相位噪声功率谱和实际值之比较案例二。
具体实施方式
[0074]
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
[0075]
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图或实施例中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图或实施例中被定义，则在随后的附图或实施例中不需要对其进行进一步定义和解释。
[0076]
本发明属于图1中数字信号处理模块的技术。发射信号为周期性的扫频连续波。b为扫频带宽，tc为扫频时间。一个扫频时间的信号称为一个扫频信号。发射端压控振荡器(vco)产生调频正弦波信号。接收天线接收回波信号经混频，低通滤波得到的差频信号经模数变换(adc)后送数字信号处理模块提取目标信息。根据本发明的一个实施例，如图2所示，提供了一种调频连续波雷达的相位噪声数字式实时估计方法，具体包含如下步骤：
[0077]
【步骤1】由发射天线发射一帧扫频信号，所述发射天线的一帧扫频信号中包括多个扫频信号；
[0078]
【步骤2】由接收天线阵列的多个接收天线接收所述一帧扫频信号的接收信号，所述接收信号是多个目标回波信号的叠加；
[0079]
【步骤3】由数据处理单元对所述目标回波信号进行处理，得到模拟差频信号，所述模拟差频信号为i通道和q通道的模拟差频信号；
[0080]
【步骤4】对所述模拟差频率信号进行低通滤波和模数转换处理，得到数字差频信号，所述数字差频信号为i通道和q通道的数字差频信号；
[0081]
【步骤5】对一帧内的多个扫频信号对应的数字差频信号进行矩阵排列，并对所述矩阵排列做二维快速傅立叶变换得到频谱矩阵，进一步对所述频谱矩阵进行计算，得到综合频谱能量矩阵p；
[0082]
【步骤6】对所述综合频谱能量矩阵p进行计算，得到目标参数；
[0083]
【步骤7】任意确定一个扫频信号，获取接收天线阵列中各个接收天线对应于该扫频信号的数字差频信号,根据预先设定的矩阵运算得到去除相互混叠后各目标的目标回波信号；
[0084]
【步骤8】选取所述去除相互混叠后任一目标回波信号，计算其相位序列；
[0085]
【步骤9】根据所述相位序列计算相位噪声采样序列；
[0086]
【步骤10】对所述相位噪声采样序列进行频谱分析获取相位噪声功率谱。
[0087]
根据本发明的另一个实施例，提供了一种调频连续波雷达的相位噪声数字式实时估计方法，具体包含如下步骤：
[0088]
【步骤1】发射一帧扫频信号。一帧扫频信号包含l个(l一般为16,32，64或128)扫频信号。一个扫频信号可以用以下时间变量t的函数来描述：
[0089][0090]
这里a为表示电压幅值的常数，fc为中心频率，k＝b/tc为扫频斜率，为初始相位，为相位噪声。
[0091]
【步骤2】接收所述发射信号的回波信号。
[0092]
假定有d个接收天线，每个接收天线d(d＝1,2,...,d)对应所述一个扫频信号的接收信号是多个目标回波信号的叠加，并且可以用以下时间变量t的函数来描述：
[0093][0094]
这里m为目标个数，为第d个天线接收到的第m个目标的回波信号强度，f
dm
为第m个目标的多普勒频率，第m个目标的回波延迟为
[0095]
τm＝2rm/c
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)
[0096]rm
为第m个目标的距离，c为光速。
[0097]
【步骤3】处理所述回波信号得到模拟差频信号。所述回波信号经低噪声放大，混频，中频放大即得到i通道和q通道的模拟差频信号。对接收天线d(d＝1,2,...,d)，其对应于一个扫频信号的模拟差频信号可以表示为：
[0098][0099][0100]
【步骤4】对所述模拟差频率信号进行低通滤波和模数转换处理，得到i通道和q通道的数字差频信号。对接收天线d(d＝1,2,...,d)，其对应于一个扫频信号的数字差频信号可以表示为：
[0101][0102][0103]
这里n＝1,...,n，n为采样点数，ts为采样周期，
[0104][0105]
round()为四舍五入取整数。用复数形式表示的数字差频信号为：
[0106]
[0107]
这里j为虚部表示符号。
[0108]
【步骤5】对所述数字差频信号做二维快速傅立叶变换。将接收天线d(d＝1,2,...,d)的对应于一个扫频信号的数字差频信号(如公式(9)所示)排列成一个n维列向量：
[0109]y(d)
＝(y
(d)
(1) y
(d)
(2) ... y
(d)
(n))
t
,(d＝1,2,...d)
ꢀꢀ
(10)这里右上角t表示向量转置运算。将一帧内所有l个扫频信号对应的数字差频信号排列成一个维度为n行l列的矩阵，并对该矩阵做二维快速傅立叶变换得到同样维度的频谱矩阵。各接收天线分别进行这样的操作后便得到d个频谱矩阵：f
(d)
(d＝1,2,...,d)。对各频谱矩阵逐点求模的平方得到d个频谱能量矩阵：e
(d)
(d＝1,2,...,d)。将d个频谱能量矩阵做平均便得到综合频谱能量矩阵p。
[0110]
【步骤6】求解目标参数。所述综合频谱能量矩阵p的m个尖峰的坐标索引值对应了各目标的参数。具体地，第m(m＝1,2,...,m)个尖峰的行索引值im和列索引值jm分别对应了目标m的距离rm及多普勒频率f
dm
。
[0111]
【步骤7】求解去除相互混叠后各目标的回波信号。任意确定一个扫频信号，取各接收天线对应于该扫频信号的数字差频信号(见公式(10)),通过下述矩阵运算求得去除相互混叠后各目标的回波信号xm：
[0112]
(x
1 x
2 ... xm)＝(y
(1) y
(2) ... y
(d)
)c-1
ꢀꢀ
(11)
[0113]
这里xm为n维的列矢量：
[0114]
xm＝(xm(1) xm(2) ... xm(n))
t
,(m＝1,2,...m)
ꢀꢀ
(12)
[0115][0116]f(d)
(im,jm)(d＝1,2,...,d；m＝1,2,....m)为频谱矩阵f
(d)
的第(im,jm)个元素。im和jm分别为步骤6中求得的目标m的行索引值和列索引值。
[0117]
【步骤8】计算所述去除相互混叠后各目标回波信号的相位序列。第m(m＝1,2,...,m)个目标回波信号xm的相位序列为：
[0118]am
(n)＝arctan(imag(xm(n)/real(xm(n)),(n＝1,2,...,n)
ꢀꢀ
(14)
[0119]
这里arctan()为反正切函数，real()为取实部运算符，imag()为取虚部运算符。
[0120]
由式(6)和式(7)可以看出：
[0121][0122]
这里
[0123][0124]
式(15)可以转换为：
[0125][0126]
这里：
[0127]bm
(n)＝am(n)-ф(n)
ꢀꢀ
(18)
[0128]
式(17)表示:对任一目标m,相位噪声采样值φ(nts)均为bm(n)(n＝1,2,...,n)通
过一个阶数为的数字滤波器的输出序列。
[0129]
【步骤9】计算相位噪声采样序列。任意确定一个目标，即任选一个m∈(1,2,...,m)，将所述bm(n)序列通过如下传输函数的数字滤波器:
[0130][0131]
这里z为传输函数的自变量，表示一个单元的超前运算。该滤波器输出序列即为相位噪声采样值:φ(nts)，(n＝1,2,
…
,n)。这里bm(n)由式(18),式(15)和式(16)计算。其所需参数τm由式(3)计算，由式(8)计算，多普勒频率f
dm
由步骤6获得。
[0132]
【步骤10】对所述相位噪声采样序列φ(nts)进行频谱分析(比如通过快速傅立叶变换)获取相位噪声功率谱。
[0133]
根据本发明的另一个实施例，提供了一种调频连续波雷达的相位噪声数字式实时估计系统，所述调频连续波雷达的相位噪声数字式实时估计系统包括：发射天线，用于发射扫频信号；接收阵列天线，用于接收所述扫频信号的目标回波信号；数据处理模块，用于对目标回波信号进行数据处理，其特征在于，所述调频连续波雷达的相位噪声数字式实时估计系统用于实现本发明的中调频连续波雷达的相位噪声数字式实时估计方法。
[0134]
如图3所示，本发明的一个测试案例，雷达参数：扫频带宽180兆赫兹，扫频时间17.5微秒，一帧扫频信号包含16个扫频信号，天线为1发2收。一个反射面积为10平方米的静止目标位于雷达正前方25米处。图3为实际的相位噪声功率谱和估计的相位噪声功率谱。如图4所示，本发明的另一个测试案例，雷达参数如案例一。两个目标，其反射面积分别为10平方米和20平方米，距离分别为25米和37.5米，方位角分别为-10度和30度，俯仰角分别为0度和30度，速度分别为13.91米/秒和34.79米/秒。图4为实际的相位噪声功率谱和估计的相位噪声功率谱。图3和图4说明估计的相位噪声功率谱和实际值相吻合。
[0135]
根据本发明实施例的技术方案，无需添加额外硬件，且无论单个或多个目标情况，均能够直接提取相位噪声采样值，进而估计出相位噪声的功率谱，并且估计精度不易受到多目标和其它类型噪声的影响。
[0136]
上述具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限制。本领域技术人员应该明白的是，取决于设计要求和其他因素，可以发生各种各样的修改、组合、子组合和替代。任何在本发明的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明保护范围之内。