步进调频连续波测速测距及多目标分辨算法研究.pdf利用步进调频连续波技术，实现汽车行驶中对周围其他车

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详细说明：利用步进调频连续波技术，实现汽车行驶中对周围其他车辆运动状态的分析判断步进调频连续波测速测距及多目标分辨算法研究李重阳南京信息工程人学电子与信息工程学院江苏南京210044 摘要本文首先介绍了毫米波雷达测速测距的基本原理,并分析了步进调烦连续波雷达的特点,在此基础上详细推子了两种步进调频连续波雷达的基本关系式;分析了锯齿型步进调频连续波的回波特性, 及中频信号的推导;还对另一种三角型步进调频连续波的测速测距原理进行了分析。由于上述两种步进连续波波形只能对郸一的运动或者静止目标进行分析,在对多个目标进行分祈时,多个目标之间的组合,会产生虚假目标,如何消除虚假目标是多目标分析的关键所在。所以在接下来的分析中,提出了一种改进后的三角型步进调频迕续波,利用交叉找寻的方式确定真实目标的运动信息,有效的消除了虛假目标的千扰。针对三角型步选调频连续波的工作原理,设计了合理的算法,利用 MATLAB进行了系统仿真,对回波信号的FFT变换得到了目标的速度幍庋谱,然后取出这些频谱峰值进行IFFT变换,获得了目标的距离幅度谱。最后将测得的多组数据选行比较分析,对步进调频迮续波测速测距的仿真分析做了简单的总结。关键词:步选调频连续波雷达;FFT变换;多目标分析;交叉找寻; MATLAB仿真 Research on stepped frequency modulation continuous wave velocity measurement range and multiple target resolution algorithm Lichongyang NUIST, Nanjing 210044, China Abstract: Firstly, the basic principle about velocity and range measurement of the millimeter wave radar is introduced in this paper, The characteristics of the stepped frequency modulation continuous wave radar are analyzed. On the basis of this, the basic relation of the two kinds of stepped frequency modulated continuous wave radar are deduced in delail, Analysing the echo characleristics of zigzag stepped frequency modulation continuous wave, meanwhile, the expression of IF signal is derived. Secondly, the principle of measuring the velocity with a new type of stepped frequency modulation continuous wave is analyzed. due to the above two kinds of stepped wavc form can only analysc the singlc moving or stationary targets, if thc analysis is performed on multiple targets, combination between multiple targets will produce false target. how to eliminate the false targets is the key point in the multiple objective analysis. So in the following analysis, an improved triangular stepped frequency modulation continuous wave is proposed, which is used to delermine the motion nformation of the real target, this wave can effectively eliminate the interference of the false target For triangular stepped frequency continuous wave principle, designing the reasonable algorithm.The stem simulation is carricd out by matlAB. The cho signal is transformed by FFT, obtaining the target velocity amplitude spectrum. Then the spectral peaks are extracted and the range spectrum of the target is obtained by IFFT transform. Finally, the measured data are compared and analyzed, and the simulation analysis of the step frequency modulated continuous wave velocity measurement is summarized Key words: Stepped frequency modulated continuous wave radar; FFT; Multiple objective analysis; Cross searching MATLAB Simulation 1绪论 1.1研究背景和意义汽车在日常生活中扮,已成为当今社会生活中不可缺少的工具。伴随时代发展和社会进步,汽车的数量越来越多。于此同时,汽车数量的快速增长也带来了很多问题。首先汽车的动力主要来自汽油的的増多也造成了拥堵的交通和频繁的交通事故,因此为过来直接带来了巨人的经济损失,曾有统计表明,美国平均每年因为交通堵塞造成的经济损失达到600亿美元,我们国家也高达2000亿人民币。面对汽车带来的种利问题,各个国家都在研究处理的办法。虽然每年国家都会投入大量资金来修建道路,但是还是追不上汽车增长的速度,因此我们应该在如何提高安全驾驶上想办法。为了提高汽车行驶的安全性,人们采取了多种措施。目前应用在汽车上有多种安全系统,例如安全气囊、安全带等,这几种都可以归为被动安全系统,因为都是在汽车发生事故后起作用,尽量减少人员伤。另外还用一种主动安全系统,例如车道偏离系统、汽玍防撞雷达等。主动式安全系统可以及时预测可能出现的安全事故,提醒驾驶员集中注意安全驾驶,减少交通事故发生的机会。汽车防撞雷达通过判断车辆前方有无目标,对目标的速度以及距离进行测量,从而提醒驾驶员避免交通事故的发生,具有非常广阔的应用前景。 1.2国内外研究现状 1.2.1国外研究现状以德国、美国、日木为代表的国家形成研究热溯。 (1)汽车防撞目标识别成果只有代表性的是美国,代表信号成果是Ford和 Eaton norad公司联合开发的防撞系统,利用频率为24.752GHz和雷达功率为5mW的雷达实现的探测日标有二十多个, 最远探测距离106米。 (2)欧洲具有代表性的是德国奔驰硏制的防撞系统,利用频率为76GHz雷达,雷达功率为3mW 实现的探测跟踪目标有三十多个,探测距离达到150米,该系统采用调频连续波体制波形,该系统研究目标是小于或等于白车车速的目标。徳国汉堡技术学院将频移键控和线性调频连续波体制波结合使用,研制的防潼雷达的实时性和多目标分辨能力的得到了提高巴 (3)日本代表性的防撞雷达是 Eaton vorad公司研制的,工作频率为60GHz,采用FMCW体制,带宽150MIκ能实现目标探测距离能达到120m,可以实现目标定位,分辨出前方汽车的速庋、距离和角度信息B。 1.2.2国内研究现状我国在汽车防撞雷达的研究比较滞后,主要都还应用于倒车系统上,对于汽车前置雷达的研究尚处于起始阶段,与国外相比还存在很大差距。很多汽车防撞系统还需要从国外进∏。因此汽车防撞雷达的研究对我们国家来说是件迫在眉睫的事情。 2001年的时候,中国科学院上微系统所研制出了一套亳米波雷达系统,利用一种调制信号为周期三角波的线性调颎连续波体制,通过DSP芯片对信号进行处理,实现了对距离大」100m,速度大于 100km/h目标的检测。另外还有很多高校与一些公司合作,也有一些相关文章发表。南京理工大学在线性调频雷达领域颇有研宄,先后发表了《毫米波线性调频雷达系统分析与VCO设计》和《毫米波线性调频连续波雷达关键技术研究》。 1.3汽车防撞雷达发展方向及存在的问题 1.3.1汽车雷达发展方向随着现在毫米波雷达技术的成熟,汽车雷达可以实现的功能也越来越多。最开始汽车雷达只能测量车距,当探测到与前车距离过近吋,汽车会向司杌发岀警报,以便司机对可能出现的紧急状况及吋作岀反应。在美国,有一种智能巡航系统被广泛应用,该系统通过雷达获得前方道路上其他车锕的行煚状态,包括车速车距等,从而根据这些探测到的信息对自身车速自动进行调节,驾驶员只需要简单地控制夲辆行驶方冋就行了,这样就很大程度减轾了驾驶员的驾驶疲劳,从而避免疲劳驾驶带来的交通事故如果汽车雷达不再只是探测到简单的单点日标,而是三维日标时,并且能够对探测到的日标进行合理分析适当归类,对前方道路准确识别,那么实现汽车自动驾驶将不冉是梦想。而汽车自动驾驶也是未来发展的必然趋势,但是这对汽车雷达系统的要求也就会更高 1.3.2汽车雷达存在的问题汽车雷达存在的主要问题有以下几点: 1、汽车雷达的体积问题汽车雷达原先主要采用的结构是波导及结构,但是波导结构的体积太大,这样在给汽车配置汽车雷达装置时很麻烦,这样就很不利于汽车雷达投入到实际使用中去。同时,体积较大的波导结构生产成本也很高,并不适用于量产。因此,利用集成电路来实现汽车雷达装置是一个可行的方向,因为集成电路体积小,成本低,适合大规模生产。 2、汽车雷达分析目标的算法问题作为汽车雷达,最重要的就是可靠性,这关系的人身和财产安全。因此,汽车雷达探测目标就必须具有很髙的精确性。所以在雷达在对回波信号的算法上就必须有所改进,这样才能更精确地分析前方目标的运动状态,以及更快地做出反应。否则如果算法太过复杂,即使能有很高的探测精度,也无法得到推广使用。 3、虚警问题的处理因为汽车防撞雷达的作用是及时侦测到汽车行驶途中可能出现的危险,以便驾驶员及时应对。所以这就需要考虑到外芥因素对汽车防撞雷达的影响汽车在行驶时,前方除了有其他的车辆,还会有各种树木、建筑等,这些事物也会将汽车雷达发小的信号反射回来,但是树木建筑并不会对汽车行驶造成危险,所以这就需要汽车雷达可以将这些无用的信号剔除,以兔影响有效日标的分析,造成不存在危险却出现报警的情况,也就是虚警问题。因此如何降低虚警率是目前急需解决的问题。 4、汽车雷达产品的成本过高,因为生产雷达的材料GaAs和SiGe价格一直居高不下图,现在车载雷达一般只会在一些高级轿车上出现。而且现在汽车逐步向节能环保方向发展,如果本能找到成本更低的材料来生产汽车雷达,那么要想早日将汽车雷达普及到市场,还有很长的路要走。 5、电磁兼容的问题,因为现在各个国家对汽车雷达频段的使用没有统一的规定,所以这也是一个需要考的问题。 1.4论文的主要内容和组织结构本文的工作是棊于步进调频连续波信号,对步进调频连续波进行信号分析,阐述步进调频连续波测速测距的原理,并通过软件进行一些简单的仿真。合坦运用 MATLAB选择编程方案,构思设计方案。软件的设计、调试,实现设计目的。木论文的章节安排如下: 第一章:绪论,主要阐述∫本文的硏究背景和意义,以及相关的国内外硏究现状,并介绀∫本文主要工作和各章组织结构。第二章:介绍雷达系统结构,陈述雷达测速测距的关键因素。第三章:步进调频连续波雷达测速测距原理。第四章:设计及仿真结果。第五章:结论。 2汽车雷达原理分析雷达根据发射信号能量的特点,分为脉冲和连续波雷达两种。脉冲雷达可以直接通过脉冲信号往返的时间得到与目标之间的距离。连续波雷达因为发射功率不随时间变化,所以与脉冲雷达相比,连续波雷达具有比较小的峰值功率,所以连续波雷达的接收机就比较简单。调频连续波(FMCW是一种频率调制过的连续波信号。将这种调制过的连续波作为发射信号,然后对接收到的回波信号做相应的处理,就可以得到目标的速度与距离的信息.。由」雷达体制是连续波体制,所以需要持续不断地发射发射信号,同时接受到的回波信号就可能会对发射信号造成干扰。这样就对发射信号与接收信号的隔离技术有很大的要求。但是与脉冲雷达相比,HMCW雷达的理论没有那么成熟,想实现两个信号的隔离需要依靠别的技术来支持,可是现实是技术还不够完善,还存仁很多问题。所以为了减少两个信号之间的相互干扰,发射信号的功率就不能很大,从而导致雷达的作用距离也受到了限制,不能像脉冲雷达那样得到更广范的应用而现在,随着数字信号处理技术的成熟,FMCW雷达所面临的信号隔离、信号处理等问题得到了解决,因此FWCM雷达又得到了快速发展的机公。现在应用比较多的FWCM雷达的调制方式有这么几种线性连续波调制」(包括锯齿波调制和三角波调制)、频移键控调制以及本文所介绍的步进连续波调制锯齿波的调制方式会产生距离一一速度耦合堄象,并且不能被消除,所以测出目标的距离有误差。三角波调制则可以利用差拍傅里叶方式在一个周期内得到目标准确的径向距离与径向速度。单纯的线性调频连续波体制雷达是不可以同吋探测多个运动目标。单纯的频移键控伓制雷达可以同吋探测并且正确区分多个运动目标,但是无法分辨岀静止目标。而步进调频连续波体制雷达可以同时探测多个静止和运动的目标,但是同时步进调频连续波体制雷达具有更为复杂的调制波形,是线性调频连续波与频移键控两种体制的组合。 2.1汽车雷达参数分析当信号发生器产生一个信号时,将其中一部分能量作为本振信号输入到混频器中,其他的能量公电磁波的形式向外发射出去。当电磁波在传播过程中選到障碍物及目标时,公反射回来一部分信号,也就是回波信号。我们将原来的本振信号与回波信号都输入到混频器里面,会得到一个信号,这个信号里面就有关丁目标运动状态的信息,这个信号成为差拍信号或者中频信号。对中频信号做一定的信号处理,包括放大、滤波等就可以获得前方目标的速度和距离信息假设汽车自身的速度为w,前方R处存在一个速度为v2的目标,于是目标相对运动速度为v, 若ν大于0,汽车正在向目标靠近,ν小于0,目标正在远离。汽车雷达发射个信号后,经过t时间后,回波信号被接受到,这时汽车与目标之间的距离为R,接受到信号与发射信号之间延时时间为 14,电磁波的传播速度为c。于是可以得到这些量之间的一些关系 4R-R_R,R-(-1)f 2c R C+v (c-1)(c-v2) 假设汽车雷达与日标都是静止的,即v和V2都为0,那么时间延迟可以表示为 2R (2.3) 因为相对于电磁波的传播速度,目标与汽车自身的运动速度都可以忽略不计,所以我们在研究汽车雷达时,可以认为延时时间为(2.3)所示的表达式。 2.2中频信号分析在处理混频信号时,最重要的就是得到中频信号f,中频信号与我们调制波形的调制规律和延时时间相关。调制规律也就是雷达发射信号的频率函数f(t),f(t)可以用以下表达式表示 f(t)= (2.4) 2 dt 其中p()是雷达发射信号的相位,所以回波信号的相位q,()就可以由(t)延时t得到,即 P (0)=o((-to 由式(2.5)可以得到回波信号的频率f(t) f(t)= do, (t) 1 do(t-t)d(t-t f(t-tM、ct2 2 dt 2t d(t-t) du d 2R f(t-tu[ )]=f(t-t4)(1+ 2v f(t-t)+fo f(t-t,)+fd 因为中频信号与我们调制波形的调制规律和延时时间相关,具体关系如下 fm=f(t)-f(t-td)]+f(t-t) (2.7) 当前方目标相对运动速度为ν时,中频信号fm可以表示为: fm=[f(t)-f(-t)+f(-1)=0+yd2R2f4R 2 (2.8) 2v 这里取f ,则fn=-f (2.9) 这里的f就是多普勒频移,因为雷达反射信号的波长是知道的,所以我们只需要得到多普勒频移 f,就可以计算出目标的速度 2.3本章小结本章中,我们简单介绍了汽车雷达测量日标运动状态的基本原理,分析了中频信号的特点,明确了测量的关键因素 3汽车雷达原理分析 3.1锯齿型步进调频连续波信号分析步进频连续波(SFCW)可以分为单程步进调频连续波雷达(锯齿型)和双程步进调频波雷达(三角型)。前者每个周期内只有频率上升的过程,即信号的频率在一个周期内递增某个值,然后这个周期结束吋降到起始值,周期重复。后者在·个周期内包含频率递增部分,又含有频率递减部分。锯齿波步进调频连续波信号数学表达式: (t)=A∑cos(2ft+φ;)rect( t-T./2-i rec()为矩形函数,其体含义如下: rect(t)= 由式(3.1)可以得到锯齿形步进调频连续波的频率波形图,如图3.1所小。 f▲ △f f1 (n-D'Tsn'l 图3.1锯齿型步进调频连续波时频图式(3.1)中,T为一个重复同期的时門,B表示发射信号的带宽,们为步进信号持续时间,△表每次信号步进量,一个周期内共有N个步进信号。以上各参数有以下关系 B B N-1 f()=f1+(n-1)△,n=1,2…,N (3.3) 对于相对目标来说,我们只需要对一个周期内的信号进行分析,就可以得到相对静止目标的距

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