一种软件定义的调频连续波雷达系统及其发射信号调制与回
波信号处理方法
技术领域
[0001] 本
发明涉及雷达系统与信号处理技术领域，具体是一种软件定义的调频连续波(Frequency Modulated Continuous Wave，FMCW)雷达系统及其发射信号调制与回波信号处理方法。
背景技术
[0002] 非
接触式测量是科学研究及应用领域中的重要内容，无线测量、成像作为非接触式测量具有高效率、易维护的优点而备受青睐。由于雨
雪、雾霾等天气条件的影响，在进行近场探测，如车流量检测、建筑测量时，使用普通光学相机成像分析往往会受到较大限制。FMCW雷达具有绕射能
力强的特点，能在雾霾、雨雪等恶劣环境下实现稳定、高
精度的测量和成像，因此具有广泛的应用前景。
[0003] 然而，现有FMCW雷达往往需要使用专用信号发生器
硬件、专用DSP(Digital Signal Processing，
数字信号处理)硬件等。因此，现有FMCW雷达往往只能应用于单一的应用场景，难以根据实际的多样化应用场景需求，灵活地调整设计参数和发射调制
波形。
[0004] 另外，现有FMCW雷达往往需要在发射部分产生调制信号时，同时产生与该调制信号对齐的
同步信号，并且把该同步信号传送给接收部分，使接收部分在同步信号的辅助下，才能正确地提取有用的回波信号。然而，由于需要同时发射并且传送两路信号，并且接收机需要同时采集两路信号，从而要求较多的硬件资源，提高了设计成本。
发明内容
[0005] 为了解决现有FMCW雷达难以根据实际的多样化应用场景需求，灵活地调整设计参数和发射调制波形，以及需要产生同步信号从而提高成本的技术问题，本发明的目的是提供一种软件定义的FMCW雷达系统及其发射信号调制与回波信号处理方法。另外，为了使系统在不使用同步信号的情况下仍能正常工作，设计了多种周期性间歇调制信号，并且为接收端设计了检测
算法，从而能够提取有用回波波形、计算被测目标距离。
[0006] 为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
[0007] 一种软件定义的调频连续波雷达系统，包括软件定义信号源，压控
振荡器，功分器，射频发射
放大器，发射天线，接收天线，射频接收放大器，
混频器，基带信号调理器，软件定义信号处理器；所述软件定义信号源的输出端连接到所述压控振荡器的信号控制端，所述功分器包含一个输入端，和两个输出端分别命名为输出端A和输出端B，所述压控振荡器的输出端连接所述功分器的输入端，所述射频发射放大器的输入端连接到所述功分器的输出端A，所述射频发射放大器的输出端连接所述发射天线的输入端，所述射频接收放大器的输入端连接到所述接收天线的输出端，所述混频器包含两个输入端，分别命名为输入端A和输入端B，以及一个输出端，所述混频器的输入端A连接到射频接收放大器的输出端，所述混频器的输入端B连接到功分器的输出端B，所述基带信号调理器的输入端连接到混频器的输出端，所述软件定义信号处理器的输入端连接到基带信号调理器的输出端；
[0008] 所述软件定义信号源，用于产生任意波形的调制信号c(t)；
[0009] 所述压控振荡器，用于在调制信号c(t)的控制下产生
射频信号s(t)；
[0010] 所述功分器，用于将压控振荡器输出的射频信号s(t)分为波形相同的两路信号，分别表示为s1(t)和s2(t)；
[0011] 所述射频发射放大器，用于将所述信号s1(t)放大后输出，相应
输出信号表示为x(t)；
[0012] 所述发射天线，用于将所述信号x(t)向外
辐射；
[0013] 所述接收天线，用于接收回波信号，表示为w(t)；
[0014] 所述射频接收放大器，用于放大所述回波信号w(t)，放大输出的信号为u(t)；
[0015] 所述混频器，用于将所述信号s2(t)与信号u(t)混频后输出信号为v(t)；
[0016] 所述基带信号调理器，用于将所述信号v(t)低通滤波后进行放大，输出信号为y(t)；
[0017] 所述软件定义信号处理器，用于采集与处理信号y(t)，并且根据所述信号y(t)计算目标距离信息。
[0018] 所述软件定义信号处理器包含AD(Analog to Digital，
模数转换)模
块和DSP(Digital Signal Processing，数字信号处理)模块，所述AD模块可以使用PC(Personal Computer，个人电脑)声卡，用于采集所述基带信号调理器输出的一段时间内的信号y(t)，并转化为数字信号；所述DSP模块使用PC以及在其上运行的软件程序，用于对所述数字信号进行分析，获取目标距离信息。所述PC声卡可以是单通道的声卡。
[0019] 一种软件定义的调频连续波雷达发射信号调制与回波信号处理方法，适用于上述的雷达系统，包括以下步骤：
[0020] 步骤一：由所述软件定义信号源产生调制信号c(t)，控制所述压控振荡器产生射频信号s(t)，再经过所述功分器变为波形相同的两路信号输出，分别表示为s1(t)、s2(t)；
[0021] 步骤二：信号s1(t)经过所述射频发射放大器放大后为x(t)，通过所述发射天线发射信号x(t)；
[0022] 步骤三：所述接收天线接收回波信号为w(t)，经过所述射频接收放大器放大后为u(t)；
[0023] 步骤四：将所述功分器输出信号s2(t)与信号u(t)一同送到所述混频器进行混频处理，混频后输出信号v(t)；
[0024] 步骤五：使用所述基带信号调理器，将信号v(t)低通滤波后进行放大，输出信号为y(t)；再使用所述软件定义信号处理器对信号y(t)进行采集、分析处理，获得目标距离信息。
[0025] 为了使系统在不使用同步信号的情况下仍能正常工作，所述步骤一中软件定义信号源产生周期性间歇调制信号c(t)，具体来说，所述c(t)具有以下特征：
[0026] (1)周期性重复；
[0027] (2)在一个周期内，c(t)中包括一段幅度稳定不变的直流间歇波形，以及紧随其后的一段非直流调制波形；
[0028] (3)非直流调制波形采用：阶跃上升沿波形与随后的线性下降波形；或线性上升波形与阶跃下降沿波形；或线性上升波形与紧随其后的线性下降波形；
[0029] (4)非直流调制波形的持续时间和直流间歇波形的持续时间都能够动态调整。
[0030] 所述步骤五中的软件定义信号处理器对信号y(t)进行采集、分析处理，包括以下步骤：
[0031] 步骤1：使用所述AD模块采集至少两个周期时长的信号；采集输出信号表示为：{r(1),r(2),...,r(N)}，其中N代表
采样点数。
[0032] 步骤2：检测在上述采集输出信号中，c(t)的非直流调制波形对应的接收信号的起点标号，然后从该点开始往后截取c(t)的一个周期时长的采样信号；
[0033] 步骤3：把上述截取的信号，进行离散傅里叶变换后，分析、提取目标距离信息，计算目标到雷达系统的距离以及目标相对雷达系统的速度。
[0034] 所述步骤2是根据以下特征，即c(t)的非直流调制波形对应的接收信号具有高振幅波形，以及c(t)的直流间歇波形对应的接收信号具有低振幅波形。具体来说，包括以下子步骤：
[0035] 步骤2.1：将上述采集输出信号r(n)分解为多
帧信号；
[0036] 步骤2.2：计算每帧信号的平均幅值；
[0037] 步骤2.3：使用三
门限方法依次从第一帧信号开始进行检测，如果判决出当前帧信号的起点就是c(t)的非直流调制波形对应的接收信号的起点，则退出，否则继续检测下一帧信号。
[0038] 所述的三门限分别是：
[0039] a.门限1是用来判断到当前帧为止，是否成功检测到高振幅波形；
[0040] b.门限2是用来判断到当前帧为止，是否成功检测到低振幅波形；
[0041] c.门限3是用来判断当前帧是否为异常帧，即当高振幅波形的震荡
频率降低时，在过零点附近的帧表现出低振幅波形的特征。
[0042] 与
现有技术相比，本发明的有益效果是：
[0043] (1)本发明提出的雷达系统的功能由软件定义。本发明提出的FMCW雷达系统，信号源与信号处理器都是软件定义的，可以根据应用场景灵活调整，提高雷达测距、测速的精度。
[0044] (2)本发明无需使用诸如DSP、FPGA(Field Programmable Gate Array，
现场可编程门阵列)等高成本软硬件设备，可以使用常见的PC声卡作为采样设备，降低雷达系统设计成本。
[0045] (3)本发明无需产生、无需传输、无需接收同步信号，从而降低了设备硬件成本。综上所述，所述信号源无需产生、无需传输同步信号给所述
数字信号处理器；所述数字信号处理器也无需采集同步信号。本发明使用周期性间歇调制信号波形，以及DSP算法检测c(t)的非直流调制波形对应的接收信号的起点标号,从而实现了上述有益效果。
[0046] (4)通过调整c(t)的周期重复时间、直流间歇波形持续时间、非直流调制波形持续时间等参数，可以调整系统的实时性能。
[0047] (5)本发明通过软件
数据处理就可以得到距离信息和时间-频率-距离雷达图像。整个系统设备相当简单，且可以利用现有的设备，成本较低，应用前景较好；能在各种雨雪雾霾等恶劣天气中运行，可以运用在在建筑测量、车流量统计等领域。
[0048] 本发明不限于进行距离信息测量，还可进一步使用算法，获得速度、多孔径雷达图像。从而应用于测速计、SAR(Synthetic Aperture Radar，
合成孔径雷达)成像等多方面。
附图说明
[0049] 图1为本发明软件定义的FMCW雷达系统的硬件
框图。
[0051] 图3为周期性间歇上升锯齿波信号。
[0053] 图5为软件定义的调频连续波雷达发射信号调制与回波信号处理
流程图。
[0054] 图6为起始点在低振幅部分情况下的声卡采样信号图。
[0055] 图7为起始点在高振幅部分情况下的声卡采样信号图。
[0056] 图8为三门限端点检测算法流程图。
具体实施方式
[0057] 下面结合具体实例来对本发明进行详细说明。该实例的说明只是用于帮助理解本发明的方法和核心思想，并不用于限制本发明；凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何
修改、替换，均应包含在本发明的保护范围。
[0058] 如图1所示，一种软件定义的调频连续波雷达系统，包括软件定义信号源101，压控振荡器102，功分器103，射频发射放大器104，发射天线105，接收天线106，射频接收放大器107，混频器108，基带信号调理器109，软件定义信号处理器110；
[0059] 其中，软件定义信号源101可以通过软件编程产生任意波形的调制信号c(t)，用于控制压控振荡器102。压控振荡器102的信号控制端连接到软件定义信号源101的输出端，用于产生射频信号s(t)，其中心频率可以优选为2.4GHz。功分器103包含一个输入端，以及输出端A和输出端B。功分器103的输入端连接到压控振荡器102的输出端，用于将s(t)分成波形相同的两路信号，分别表示为信号s1(t)和信号s2(t)。射频发射放大器104的输入端连接到功分器103的输出端A，用于将s1(t)的功率放大后输出信号x(t)。射频发射放大器104可以优选为低噪声
功率放大器。发射天线105用于将x(t)向外辐射。接收天线106用于接收回波信号w(t)。射频接收放大器107的输入端连接到接收天线106的输出端，用于放大w(t)的功率后输出信号u(t)。射频接收放大器107可以优选为低噪声功率放大器。混频器108包含输入端A和输入端B，以及一个输出端。混频器108的输入端A连接到射频接收放大器107的输出端，混频器108的输入端B连接到功分器103的输出端B，用于将u(t)与s2(t)进行混频处理后输出信号v(t)。基带信号调理器109的输入端连接到混频器108的输出端，用于将v(t)低通滤波后进行放大，输出信号为y(t)。软件定义信号处理器110的输入端连接到基带信号调理器109的输出端，用于根据y(t)计算被测目标距离信息。
[0060] 所述软件定义信号处理器110包含AD模块与DSP模块。所述AD模块，用于采集在一段有限持续时间内的y(t)并且将其转化为数字信号。所述DSP模块，用于从所述数字信号计算目标距离信息。
[0061] 软件定义信号源101可以选用以下多种装置中的一种：
[0062] (1)使用FPGA芯片制作的
电路模块；
[0063] (2)可编程的函数信号发生仪器或设备；
[0064] (3)使用
微处理器芯片(例如Atmel 328P)制作的电路模块；
[0065] (4)产生特定调制信号的专用芯片。
[0066] 软件定义信号处理器110的AD模块可以选用以下多种装置中的一种：
[0067] (1)使用专用AD芯片制作的AD电路模块；
[0068] (2)PC自带的声卡，并且声卡可以是单通道或多通道的；
[0069] (3)使用内部嵌入AD转换功能的微处理器芯片制作的电路模块。
[0070] 软件定义信号处理器110的DSP模块可以选用以下多种装置中的一种：
[0071] (1)使用FPGA芯片制作的电路模块以及在其上运行的程序；
[0072] (2)使用PC以及在其上运行的软件程序；
[0073] (3)使用微处理器芯片制作的电路模块以及在其上运行的软件程序。
[0074] 本发明调制信号c(t)可以选用以下几种可能形式之一：
[0075] (1)周期性间歇下降锯齿波信号，如图2所示。其中t1代表单周期内直流波形的持续时间，t2代表单周期内下降锯齿波形的持续时间。通过调整t1和t2的取值可以改变系统性能。例如，减小t1和t2可提升系统实时性。
[0076] (2)周期性间歇上升锯齿波信号，如图3所示。其中t3代表单周期内直流波形的持续时间，t4代表单周期内上升锯齿波形的持续时间。通过调整t3和t4的取值可以改变系统性能。例如，减小t3和t4可提升系统实时性。
[0077] (3)周期性间歇三角波信号，如图4所示。其中t5代表单周期内直流波形的持续时间，t6代表单周期内三角波形的持续时间,其中三角波形的上升部分波形和下降部分波形具有相同的持续时间，即t6/2。通过调整t5和t6的取值可以改变系统性能。例如，减小t5和t6可提升系统实时性。
[0078] 如图5所示，其展示了上述FMCW雷达系统进行发射信号调制以及处理回波信号的方法流程图。具体包括以下步骤：
[0079] 步骤501：由软件定义信号源101产生所述c(t)。
[0080] 步骤502：压控振荡器102在c(t)的控制下产生s(t)。随后射s(t)通过功分器103，将一路信号分成s1(t)和s2(t)。s1(t)经过射频发射放大器104放大后为x(t)，信号s2(t)送入混频器108。
[0081] 步骤503：通过发射天线105向外发射x(t)。
[0082] 步骤504：通过接收天线106接收雷达回波信号w(t)。
[0083] 步骤505：w(t)经过射频接收放大器107放大后输出的信号为u(t)。将u(t)与功分器103输出信号s2(t)一同送到混频器108进行混频处理，u(t)与s2(t)混频后输出信号为v(t)。再使用基带信号调理器109，对信号v(t)进行滤波、放大处理，输出信号为y(t)。
[0084] 步骤506：使用软件定义信号处理器110的AD模块对信号y(t)进行采样。例如，可以在装有MATLAB的PC上进行软件编程，调用个人PC自带的声卡对信号y(t)进行采样，并且声卡可以是单通道声卡。采样持续时间可以设置为大于或等于2T，其中T代表c(t)的单个周期时长。AD模块采集的一段持续时长大于或等于2T秒的数字信号。假设采样率是R次/秒，并且采样时长为W秒，这段信号对应的离散抽样点数为N＝RW，采样后获得的数字信号可以表示为：{r(1),r(2),...,r(N)}。
[0085] 由于AD模块被调用采集信号时，采集的起始时刻是随机决定的，因此{r(1),r(2),...,r(N)}的波形可能类似如图6或图7所示。无论哪种形态，采样信号里都包含两部分：低振幅部分，这部分对应c(t)中直流波形的回波信号；以及高振幅部分，这部分对应c(t)中
非直流信号波形的回波信号。在图6中，采样信号从低振幅部分开始，然而在图7中，采样信号从高振幅部分开始。
[0086] 步骤507：使用软件定义信号处理器110的DSP模块，以{r(1),r(2),...,r(N)}为输入，执行三门限检测算法，输出回波信号的高振幅部分的起始端点p。
[0087] 如果{r(1),r(2),...,r(N)}的波形如图6所示，p将对应信号起始端点2。如果{r(1),r(2),...,r(N)}的波形如图7所示，p将对应信号起始端点1。
[0088] 步骤508：使用软件定义信号处理器110的DSP模块，从信号起始端点向后截取n2长度的回波高振幅信号，并存储为数字信号{r(p),r(p+1),...,r(p+n2-1)}。
[0089] 步骤509：使用软件定义信号处理器110的DSP模块，对截取的信号进行离散傅里叶变化，计算
频谱,具体计算公式如下：
[0090]
[0091] 其中，X(f)表示离散傅里叶后的频域信号，f代表上述频域信号的频率。
[0092] 步骤510：使用软件定义信号处理器110的DSP模块，计算目标的距离信息。相应的距离计算公式如下：
[0093]
[0094] 其中，D表示雷达系统与测试目标的距离，C表示
电磁波在空气中的传播速度，B表示压控振荡器102输出射频信号的带宽。
[0095] fd由以下公式计算：
[0096]
[0097] 需要说明的是，fd是在0赫兹到R/2赫兹范围内，使|X(f)|取最大值的频率值。
[0098] Tm由以下公式计算：
[0099] (1)采用周期性间歇下降锯齿波信号时，Tm＝t2；
[0100] (2)采用周期性间歇上升锯齿波信号时，Tm＝t4；
[0101] (3)采用周期性间歇三角波信号时，
[0102] 需要说明的是，步骤507的三门限端点检测算法的具体实施方法如图8所示。
[0103] 步骤801：初始化。初始化信号搜索起点k＝1。将三个统计量c1、c2、c3都初始化为0。
[0104] c1的作用是记录从第1次
迭代到现在为止，信号帧平均幅度低于
阈值H的累计次数。
[0105] c2的作用是记录从c1>h1开始到现在为止，信号帧平均幅度高于阈值H的累计次数。
[0106] c3的作用是记录从c1
[0107] 步骤802：分帧、计算平均幅度。提取从时刻k开始的长度为L的一帧信号{r(k),r(k+1),...,r(k+L-1)}。计算上述帧信号的平均幅度：
[0108]
[0109] 步骤803：依次更新c1、c2、c3。具体方法是：
[0110]
[0111]
[0112]
[0113] 其中阈值H的作用是区分当前帧属于高振幅部分还是低振幅部分。其值由上述两部分的平均幅度差决定。可以选为上述平均幅度差值的十分之一。
[0114] 阈值h1的作用是判断到当前帧为止，是否成功检测到信号的低振幅部分，若c1>h1表示成功。h1的取值由低振幅部分的长度n1决定，可以选为
[0115] 阈值h2的作用是判断到当前帧为止，是否成功检测到信号的高振幅部分，若c2>h2表示成功。h2的取值由高振幅部分的长度n2决定，可以选为
[0116] 阈值h3的作用是判断当前帧是否为异常帧(异常帧是指当高振幅部分的震荡频率降低时，在过零点附近的帧表现出低振幅部分的特征，即平均幅度低于阈值H)，若c3>h3表示当前帧为异常帧。h3的取值由信号噪声特征决定，可以选为
[0117] 步骤804：如果满足：c1>h1且c2>h2，则输出k作为回波信号的高振幅部分的起始端点p。继续执行步骤805。如果不满足上式，则将k增加1，跳转执行步骤802。
[0118] 步骤805：获得高振幅部分起始端点。输出当前k作为p，提供给步骤508。
[0119] 以上所述仅为本发明的较佳
实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
