基于随机开关阵列天线的调频连续波雷达系统的制作方法
【专利摘要】本发明提出一种基于随机开关阵列天线的调频连续波雷达系统，包括：发射模块；天线模块，包括发射天线和接收天线，发射天线发出发射信号以扫描目标，接收天线接收目标反射信号；开关模块，包括多个选通开关，控制多个接收阵元与单个接收通道相连，选通开关随机切换，以使与当前导通的选通开关相连的接收阵元中的目标反射信号占用接收通道；接收模块将接收通道中合成的信号和发射信号进行混频，并对混频后的信号进行中频放大和带通滤波，得到中频信号；处理模块对中频信号进行数字采样，并进行后续的处理。本发明实施例的系统能够有效减少雷达系统的成本和复杂度，并能够有效解决顺序切换开关带来的时空耦合的问题。
【专利说明】基于随机开关阵列天线的调频连续波雷达系统
【技术领域】
[0001]本发明涉及雷达检测【技术领域】，特别涉及一种基于随机开关阵列天线的调频连续波雷达系统。
【背景技术】
[0002]调频连续波雷达具有环境适应性好、分辨力高、系统稳定性好等特点，并能同时测量目标的距离和径向速度。对于调频连续波雷达，目标的方位信息可以通过使用阵列天线的方式来获得。阵列天线雷达在方位测量上具有高精度、高分辨力及高稳定性，因而常常作为实现方位信息获取的方案。
[0003]目前，主要有以下几种调频连续波雷达技术:
[0004]1.Detlefsen J, Troll T, Rozmann M and Zeilinger ff.System aspectsand design of anautomotive collision warning PN code radar usingwavefrontreconstruction.1EEE MTT-SInternational Microwave SymposiumDigest，1992:625-628。多接收通道阵列调频连续波雷达。该技术采用单个天线进行信号发射，多个阵元的接收信号通过多个接收通道同时采样，完成目标的成像和方位、距离、速度的估计。但是，这种方法的缺点在于多接收通道的使用，使系统复杂度高，体积较大，成本较闻。
[0005]2.Li Y and Feng Z H.Switch antenna array with single receiving channelfor FMCff radar.Proc.1nternational Symp.Antennas Propagation, 2000;1629-1632。单接收通道阵列调频连续波雷达。该技术提出了一种时分复用的方式，各阵元按照一定的时序共享一个接收通道，系统的成本和复杂度均有降低。但这种方法的缺点在于:数据的获取时间较长，进行方位、距离、速度的估计需要多个信号发射周期才能获得足够数据。
[0006]3.S.Tokoro, K.Kuroda, and A.Kawakub0.Automotive electronically scannedmillimeter-wave radar.SICE2003Annual Conference, vol.1.1EEE, 2003, pp.42 - 47。单发射周期时分复用方式。该技术提出了接收阵元开关快速顺序切换的工作方式，在一个发射周期内，即可完成所需各阵元接收数据的采集。但这种方法的缺点在于:由于临近阵元接收信号的相位差不仅会由于目标的角度引起，同时也会因为开关切换的时间引起，这种方式会引起时空耦合问题。
[0007]4.王鹏.阵列天线雷达的目标方位距离联合估计和高分辨成像.[硕士学位论文].北京:清华大学，2010。该技术完善了单发射周期的时分复用方式，给出相应的信号模型。通过分析两种特殊的工作方式——慢速切换和快速切换的信号模型，将其和多通道阵列信号模型进行统一，在此基础上，对实际系统中时分复用方式的选取问题进行讨论。然而该技术仍然限于开关顺序切换的方式，不能有效解决时空耦合的问题。
【发明内容】
[0008]本发明旨在至少解决上述技术问题之一。[0009]为此，本发明的目的在于提出一种基于随机开关阵列天线的调频连续波雷达系统，该系统能够准确的得到目标的距离、速度、方位等信息，有效减少雷达系统的成本和复杂度，并能够有效解决顺序切换开关带来的时空耦合的问题。
[0010]为了实现上述目的，本发明的实施例提出了一种基于随机开关阵列天线的调频连续波雷达系统，包括:发射模块，所述发射模块用于产生雷达所需的发射信号；天线模块，所述天线模块包括由单阵元构成的发射天线和由多个接收阵元构成的接收天线，所述发射天线用于发出发射信号以扫描目标，所述接收天线用于接收目标反射信号；开关模块，所述开关模块包括与多个接收阵元一一对应相连的多个选通开关，所述多个选通开关控制所述多个接收阵元与单个接收通道相连，所述多个选通开关随机切换，以使与当前导通的选通开关相连的接收阵元中的目标反射信号占用所述接收通道；接收模块，所述接收模块用于将所述单个接收通道中合成的信号和所述发射信号进行混频，并对混频后的信号进行中频放大和带通滤波，得到中频信号；处理模块，所述处理模块用于对所述中频信号进行数字采样，并进行后续的处理。
[0011]根据本发明实施例的基于随机开关阵列天线的调频连续波雷达系统，采用调频连续波的体制，对场景的目标和地形环境进行探测，能够有效得到目标的距离、速度，方位等信息。另外，该系统采用随机开关阵列天线的结构，使多个接收天线时分复用一个接收通道，即使用单一接收通道，在一个信号发射周期内，采用高速开关切换对各接收阵元天线所接收的回波信号(目标反射信号)进行选通，从而有效减小了雷达系统成本和复杂度，并有效解决了顺序切换开关带来的时空耦合的问题。另外，在开关切换速率和系统带宽受限的情况下，使用随机切换选通开关的方式，增大了雷达测量的不模糊距离，降低了对开关切换速率和系统带宽的 要求。
[0012]另外，根据本发明上述实施例的基于随机开关阵列天线的调频连续波雷达系统还可以具有如下附加的技术特征:
[0013]在一些示例中，所述发射信号为调频连续波的雷达信号X(l(t)，且:
[0014]x0(t)=exp{j2 n (f0t+ Φ (t))}, Φ (t) = α t2/2, O ^ t〈T,
[0015]其中，&为发射载频，α为调频连续波的调频率Β/Τ，B为发射信号扫频带宽，T为发射周期。
[0016]在一些示例中，所述目标反射信号Xk (t)通过下式表示:
[0017]Xk (t) = α 0X0 (t-tk), tk=2 (r+vt) /c+ τ k, τ k= (dsin Θ /c) (k_l), k=l,..., Μ,
[0018]其中，k表示第k个接收阵元，r，V，Θ分别为目标相对于雷达的距离，径向速度及方位，a0表示目标反射系数，c为光速，d为接收阵元间距，τ k表示第k个接收阵元相对于第I个接收阵元反射信号到达的延时。
[0019]在一些示例中，所述混频后的信号ynk(t)通过如下公式表示:
[0020]Ynk (t) =aexp {-j (2 π η (((n_l) M+ (k_l)) Tsw+t_ ((n_l) M+ (k_l)) Tsw))}.[0021]exp {-j (2 n (dsin Θ / λ ) (Mnk-1))} +n (t),
[0022]((n-1) M+ (k_l)) Tsw ( t< ((n_l) M+k) Tsw,
[0023]其中，Tsw表示每个选通开关的导通状态保持时间，M表示接收阵元的数量，Mnk表示第n个轮换周期中第k个时分复用间隔内占据接收通道的阵元编号，η称为距离频率，^j] = 2arlc + 2vl λ，φ = 1:Ι^.Ι(:， α = α0 ^{-]2πφ} ^ r、ν、θ 和 aQ 分别表示每个目标相对于雷达的的距离、径向速度、角度和反射系数，n(t)为接收通道噪声。
[0024]在一些示例中，所述处理模块用于对所述中频信号进行数字采样，得到数字信号ynk，设w=sin Θ ,计算所述数字信号ynk在距离频率-方位上的自相关函数X (Λ η, Λ ω)，所述自相关函数X (Λ η，Λ ω)通过如下公式计算:
【权利要求】
1.一种基于随机开关阵列天线的调频连续波雷达系统，其特征在于，包括: 发射模块，所述发射模块用于产生雷达所需的发射信号； 天线模块，所述天线模块包括由单阵元构成的发射天线和由多个接收阵元构成的接收天线，所述发射天线用于发出发射信号以扫描目标，所述接收天线用于接收目标反射信号; 开关模块，所述开关模块包括与多个接收阵元一一对应相连的多个选通开关，所述多个选通开关控制所述多个接收阵元与单个接收通道相连，所述多个选通开关随机切换，以使与当前导通的选通开关相连的接收阵元中的目标反射信号占用所述接收通道； 接收模块，所述接收模块用于将所述单个接收通道中合成的信号和所述发射信号进行混频，并对混频后的信号进行中频放大和带通滤波，得到中频信号； 处理模块，所述处理模块用于对所述中频信号进行数字采样，并进行后续的处理。
2.根据权利要求1所述的基于随机开关阵列天线的调频连续波雷达系统，其特征在于， 所述发射信号为调频连续波的雷达信号Xtl (t)，且:
X0 (t) =exp {j2 n (f0t+ φ (t))}, Φ (t) = α t2/2, O ( t〈T, 其中，fo为发射载频，α为调频连续波的调频率Β/Τ，B为发射信号扫频带宽，T为发射周期。
3.根据权利要求1所述的基于随机开关阵列天线的调频连续波雷达系统，其特征在于，所述目标反射信号Xk(t)通过下式表示:
Xk (t) = a OxO (t_tk)，tk=2 (r+vt) /c+ τ k, τ k= (dsin θ /c) (k_l), k=l,..., Μ, 其中，k表示第k个接收阵元，r，V，Θ分别为目标相对于雷达的距离，径向速度及方位，a0表示目标反射系数，c为光速，d为接收阵元间距，τ k表示第k个接收阵元相对于第I个接收阵元反射信号到达的延时。
4.根据权利要求1所述的基于随机开关阵列天线的调频连续波雷达系统，其特征在于，所述混频后的信号ynk(t)通过下式表示:
Ynk ⑴=aexp {_ j (2 π η (((n_l) M+ (k_l)) Tsw+t_ ((n_l) M+ (k_l)) Tsw))}.exp {-j (2 3i (dsin Θ / λ ) (Mnk-1))} +n (t)，
((n~l) M+ (k_l)) Tsw ^ t< ((n_l) M+k) Tsw, 其中，Tsw表示每个选通开关的导通状态保持时间，M表示接收阵元的数量，Mnk表示第n个轮换周期中第k个时分复用间隔内占据接收通道的阵元编号，η称为距离频率，且η = Iar ic ^rlv I λ,φ = If^rIc ^ ? = % exp{-)2歸} , r、v、θ 和 a。分别表示每个目标相对于雷达的的距离、径向速度、角度和反射系数，n(t)为接收通道噪声。
5.根据权利要求1所述的基于随机开关阵列天线的调频连续波雷达系统，其特征在于，所述处理模块用于对所述中频信号进行数字采样，得到数字信号Ynk，设O=Sin Θ，计算所述数字信号ynk在距离频率-方位上的自相关函数X (Λ Th Λ ω)，其中，所述自相关函数X (Λ η，Λ ω)通过如下公式计算:
【文档编号】G01S13/58GK103941252SQ201410125898
【公开日】2014年7月23日 申请日期:2014年3月31日 优先权日:2014年3月31日
【发明者】孟华东, 胡晨曦, 张祎博, 刘一民, 王希勤 申请人:清华大学