CN103913742A - 双接收天线的汽车防撞雷达系统及运行方法 - Google Patents

Abstract

本发明为双接收天线的汽车防撞雷达系统及运行方法，本系统有2根独立的接收天线和1根独立的发射天线，分别接入射频信号处理模块；中央控制处理部分有包括系统子模块、数据处理子模块和时钟子模块的PS模块，以及包括调制信号产生子模块、算法子模块、锁相环子模块和及控制子模块的PL模块。输出设备有显示器和报警装置、紧急制动装置。运行方法为发射调制三角波，双接收天线各采集实虚两部分回波信号，经MUSIC算法、目标配对，计算目标的距离速度和方位信息，结果传递给PS模块同步显示，并直接控制报警、制动装置。本发明可得目标方位，提高多目标判断能力，运算速度快、成本低﹑可靠性高，系统结构简化，降低成本，便于维护，易于升级。

Description

双接收天线的汽车防撞雷达系统及运行方法

技术领域

本发明涉及汽车预警技术领域，具体为一种双接收天线的汽车防撞雷达系统及运行方法。

背景技术

随着城市化以及高速公路建设的快速发展，汽车已成为人们生活中必不可少的交通工具。然而汽车在为人们提供便利的同时，也潜藏了诸多的安全隐患。在这一背景下，汽车预警技术的研究开发成为热点，其中汽车防撞雷达系统的研制开发具有非常重要的现实意义与应用价值。

现有的汽车防撞雷达采用多种技术实现，由于超声波、激光、红外容易受到恶劣天气及环境因素的影响，无法确保探测精度，因而国内外专家将注意力集中放在微波雷达上。目前，国外一些高档汽车中已经应用微波雷达，而在国内并没有成熟的产品应用于市场。

汽车防撞雷达通常采用单天线线性调频连续波体制(LFMCW)。在雷达接收机接收的雷达中频信号中，不仅含有目标回波信息，还含有噪声信号和干扰信号，如邻近车道上的车辆、车道间的护拦、路旁的树木以及架设的路标和广告牌等，这些都对雷达系统形成干扰，导致雷达做出错误判断。单天线的雷达接收机的目标方位检测性能差无法满足实际需要，制约了汽车防撞雷达的普及应用。

汽车雷达防撞系统不同于其他雷达系统，其要求防撞雷达系统具有实时性强，处理速度快的特点。目前防撞雷达信号处理电路的实现一般是由微控制单元(MCU)芯片、数字信号处理器(DSP)芯片或者现场可编程门阵列(FPGA)芯片中的任意两片组成。以FPGA和DSP的组合最为常见，由于FPGA的可编程逻辑结构可以比MCU芯片完成更多的功能，有较好的扩展性，有较好的时序控制能力，具有强大的并行处理能力、运算速度快、可靠性高、编程灵活等优点，DSP的信号处理专用乘法器和高速寄存器则可以协助完成不合适在FPGA上的一些运算。但是，目前汽车防撞雷达均需要在个人电脑PC端进行人机交互，这样使得系统体积十分庞大。不利于整机嵌入汽车内部。而基于ARM的嵌入式控制系统是当前汽车电子控制的主流方向，如果防撞雷达也采用以ARM架构的处理芯片，同时具有类似FPGA的逻辑可编程能力，具有DPS的专用信号处理模块，拥有片上操作系统，将利于产品维护，减低成本，提高实用价值。

在公开号为102353954A的中国发明专利申请“线性调频连续波汽车防撞雷达系统及使用方法”中，系统为DSP和FPGA的双处理器结构，采用时空复杂率平均算法对信号处理的各种算法合理分配到DSP和FPGA进行处理，充分利用了DSP和FPGA的各自优势。但是因算法复杂，实现很困难，而且仍难以满足防撞雷达系统实时性和处理速度的特殊要求。同时因硬件结构过于复杂，成本高，不利于商业推广。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术中存在的防撞雷达在复杂环境中的检测能力差，测向能力差，目标分辨力低以及系统硬件复杂等问题，设计一种双接收天线的汽车防撞雷达系统，雷达回波信号处理主芯片是内嵌可编程逻辑块和专用数字信号处理的双核ARM芯片，微波发送接收结合的雷达收发器配有32位高性能芯片用于数据采集，雷达天线包括2根独立的接收天线和1根独立的发射天线。操作简单，实时性好，处理速度快，实现了目标方位测量，提高了目标分辨能力。

本发明的另一目的是设计上述双接收天线的汽车防撞雷达系统的运行方法，雷达系统周期性发射调制三角波，两个接收天线同时采集回波，每个天线分别对接收信号进行MUSIC(多重信号分类，英文为Multiple SignalClassification)算法，通过目标配对得到目标信息，最后根据不同天线所得到的目标距离变化获得目标方位角。

本发明设计的双接收天线的汽车防撞雷达系统包括微波收发部分、中频信号处理部分、数据转换部分、中央控制处理部分和电源部分。电源部分与系统其它各个部分连接、提供需要的电压。微波收发部分包括发射天线、接收天线和射频信号处理模块，发射天线、接收天线与射频信号处理模块连接，射频信号处理模块处理后的信号经中频信号处理部分和数据转换部分，接入中央控制处理部分。所述数据转换部分包括数模转换模块和模数转换模块。中央控制处理部分连接输入设备和输出设备。中央控制处理部分控制待发送信号经数据转换部分接入射频信号处理模块，由发射天线发出。

本发明微波收发部分包括2根独立的接收天线和1根独立的发射天线。2根接收天线的距离，即基线长度L＝0.08m～0.15m。2根接收天线和1根发射天线分别接入射频信号处理模块。每个接收天线都有I、Q两路接收信号，即有4路接收信号。接收天线的IQ接收结构降低了采样速率，也降低了对数据转换部分的转换芯片的要求。同时因为2个接收天线的回波信号中保留了相位信息，可以据以判断目标的距离信息，并实现了对目标的方位测量。

所述接收天线和发射天线是一种窄波束雷达天线，为平面微带天线，外形小巧。在工作中不仅节能省电，而且非常易于集成于各种电路，也易于在汽车内的安装环境中构建模块保护设施。

所述射频信号处理模块为射频信号单输出双输入的K-波段带VCO(压控振荡器)的雷达收发芯片。

中央控制处理部分包括处理系统模块和可编程逻辑模块,以下称为PS(Processing System)模块和PL(Programmable Logic)模块。

PS模块包括系统子模块、数据处理子模块和时钟子模块。数据处理子模块对PL模块所得数据进行再处理，以得到最终的目标信息。系统子模块为硬件系统提供软件操作平台，并配有串口、USB接口和VGA接口中的至少一种，用以与输入、输出设备以及车载微机连接。系统启动时最先启动PS模块内的时钟子模块，以软件为中心启动整个系统，并对PL模块进行配置。

PL模块包括调制信号产生子模块、算法子模块、锁相环子模块以及控制子模块。控制子模块连接控制微波发射接收部分、中频信号处理部分和数据转换部分，还连接调制信号产生子模块和算法处理子模块。控制子模块按照PL模块中的锁相环子模块的时钟管理协调其连接的调制信号产生子模块、算法处理子模块的逻辑时序，保证各子模块协调工作。

所述PL模块的调制信号产生子模块按照控制子模块的指令产生调制周期为T、斜率为的三角波调制数字信号，其中调频带宽为B_a；调制数字信号输出至数据转换部分，数字信号转换为模拟信号送入微波收发部分的射频信号处理模块，由发射天线发出。

微波收发部分的射频信号处理模块对2个接收天线接收的射频信号进行算法处理，转换为中频信号，送入中频信号处理部分。

中频信号处理部分对接收的回波信号进行功率放大，其送入数据转换部分的信号功率至少大于一个A/D量化电平，中频信号处理部分还减小信号的动态范围，其预处理后的信号幅度小于一个A/D量化电平。

中频信号处理部分处理后的模拟回波信号送入数据转换部分转换为I、Q四路数字信号送入中央控制处理部分的PL模块。PL模块的算法子模块对2个接收天线的I、Q四路回波信号分别进行MUSIC算法，目标配对，目标距离速度信息计算和方位测量，得到最终的目标信息，并传递给PS模块，进行后续输出处理。

所述输出设备为供司机参考的显示装置，输出设备还可以为车载报警装置和/或紧急制动装置。中央控制处理部分的PL模块的控制子模块存储设置的最终目标距离和速度的预警值，当本雷达系统计算得到的最终目标距离和速度值达到预警值，控制子模块经系统子模块启动车载报警装置和/或紧急制动装置，以避免事故发生。

本发明双接收天线的汽车防撞雷达系统的运行方法，接通电源后，PS模块的软件初始化，并对PL模块进行配置；等待操作人员从输入设备输入开始运行的指令，若无指令输入，继续等待；开始指令输入后，控制子模块发送控制字到PL模块的调制信号产生子模块。具体步骤如下:

Ⅰ、发射调制三角波并采集回波信号

调制三角波参数编程输入并存储于控制子模块，PL模块的调制信号产生子模块按照系统子模块的指令产生三角波调制数字信号。调制数字信号输出至数据转换部分，数字信号转换为模拟信号送入微波收发部分的射频信号处理模块，由发射天线发出。

所发射的调制三角波为线性调频连续波LFMCW(英文为Linear FrequencyModulation Continuous Wave)，其调制周期为T，调频带宽为B_a。其中前为三角波上升段，其斜率为其后周期为三角波下降段，斜率为发射信号的载波中心频率为f_R。由LFMCW信号的特性可知，回波信号依然为周期为T，调频带宽为B_a的三角波，但是其中心频率偏移至f_R+f_d，f_d为目标运动导致的多普勒频移。

目标回波经过接收天线进入微波收发部分的射频信号处理模块，进行下混频操作。由信号混频特性可知，下混频后得到差拍信号，同一个目标在三角波上升段产生一个谱峰对应下扫频段产生一个对应的谱峰△f由目标距离决定。射频信号处理模块的输出信号进入中频信号处理部分的输入端。

本发明双接收天线的汽车防撞雷达系统有两个相距L的天线A、B，每个天线所接收的回波信号分为两路：回波信号的实数部分I信号和虚数部分Q信号，即A天线的回波信号I_A、Q_A和B天线的回波信号I_B、Q_B。中频信号处理部分分别对四路信号进行采集处理。

Ⅱ、基于MUSIC(多重信号分类)算法的目标检测

M个周期的A天线回波信号I_A、Q_A和B天线的回波信号I_B、Q_B完成步骤Ⅰ的处理后,对每一个周期的回波信号数据进行MUSIC算法处理，以得到的对应目标的频谱，两个频谱峰值对应一个目标。

MUSIC算法的具体操作如下：

对A天线第一个回波周期的实部数据x(n)，n为回波的采样点数。对x(n)建立虚拟矩阵X(n)，

$X\left(n\right)=\left[\begin{array}{c}x\left(n\right)\\ x(n-1)\\ .\\ .\\ .\\ x(n-m+1)\end{array}\right]$

m为虚拟阵元个数，X(n)的协方差矩阵为R_xx＝E{X(n)X^H(n)}，式中E表示期望运算，H表示对矩阵求共轭。对R_xx进行奇异值分解 $R_{\mathrm{xx}}=[S,G]\left[\begin{array}{cc}\mathrm{\Σ}& O\\ O& {\mathrm{\σ}}^2{I}_{n-r}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{S}^H\\ G^H\end{array}\right],$ 式中∑表示信号特征值矩阵，O表示0矩阵，σ²I_n-r表示噪声特征值矩阵，其中σ为噪声的方差，S为信号矩阵，G为噪声矩阵。最后求得 $S_{\mathrm{AI}}=\frac{1}{X^H\left(n\right){\mathrm{GG}}^{H}X\left(n\right)}.$

n取离散值，其范围是接收天线探测的最大距离和最小距离所对应的频率值,取值间隔将决定频率精度，如果太大将会漏掉目标所在频率，如果太小计算量将会增加。所得S_AI的输出为行向量，长度由接收天线探测距离决定，目标距离在S_AI对应位置出现一组峰值。

对A天线回波信号Q_A的数据进行上述相同的MUSIC算法得到S_AQ，对B天线回波信号I_B、Q_B的数据进行与A天线相同的MUSIC算法得到S_BI、S_BQ。

MUSIC算法所得数据暂存于PL模块的算法子模块。

Ⅲ、目标配对

在步骤Ⅱ中得到一组含有目标距离速度信息的行向量，对A天线回波信号进行取模处理，即得到A天线回波的频谱S_A。

S_A矩阵的三个重要的参数为谱线幅值﹑模糊速度值和距离值。

在步骤Ⅰ的发射调制三角波前为三角波上升段，后周期为三角波下降段，三角波调制信号的上升段、下降段分别称为上扫频、下扫频，将S_A按上下扫频分为两部分。假设有N个目标，对应调制信号上升段、下降段的峰值大小分别为D_u1D_u2D_u3...D_uN，D_d1D_d2D_d3...D_dN。

根据调制信号上下扫频段得到的谱线上下峰值差的绝对值判断目标的距离值，根据谱线上下峰值的和判断速度值。

得到的S_A在上下扫频段对应N个目标分别各有N个谱线，当A天线回波的S_A的模糊多普勒频率的谱线满足上下峰值绝对值相同，则判断它们的谱线幅度值相等，判断为同一个目标的谱线,即目标配对。

B天线回波的S_B频谱的目标配对与上述A天线回波的S_A的处理过程相同。

Ⅳ、计算目标的距离和速度信息

对周期T的调制三角波所采集到的A天线回波和B天线回波信号经步骤Ⅲ目标配对后分别将同一目标的上下扫频数据配对分组，将各个目标的上下扫频数值转换为对应频率值f，

f＝k*0.5+l

其中k为目标谱峰行向量的位置，l为搜索频率起始值。

根据A天线回波的数据计算N个目标中某个目标i的目标距离R_AI和目标速度v_Ai的公式如下：

$R_{\mathrm{Ai}}=\frac{\mathrm{CT}}{4B_a}(f_{\mathrm{Ai}}^{+}+f_{\mathrm{Ai}}^{-});v_{\mathrm{Ai}}=\frac{C}{4f_o}(f_{\mathrm{Ai}}^{-}-f_{\mathrm{Ai}}^{+})$

式中C为光速，为T周期A天线回波的S_A上扫频段的某个目标i频谱峰值处频率，为T周期A天线回波的S_A下扫频段的某个目标i频谱峰值处频率，f_o为发射信号的载频中心频率，B_a为调频带宽。

根据回波B的数据计算某个目标i的R_Bi和v_Bi的计算方式与上述R_Ai和v_Ai的计算方式相同。

Ⅴ、目标方位信息提取

将步骤Ⅲ得到的A、B回波各目标的距离速度信息反映在一个距离-速度维矩阵Y内，实际应用中雷达探测距离远大于发射微波波长，因此，满足微波远场特性，即对于同一目标两个天线AB所测得的速度是一致的。

某个目标i偏离A天线主轴的角度为其中R_Ai和R_Bi分别为步骤Ⅵ得到的A、B回波该目标i距离，L为两天线的距离，即基线长度，θ_i为该目标偏离主跟踪轴，即A天线主轴的方位角，其中左偏为负值，右偏为正值。

所述步骤Ⅳ中在同一速度下AB回波检测到的目标距离不同的情况有2种：第一种情况是在同一速度下仅有两个谱峰，此为同一目标的A、B回波得到距离测量值；按步骤Ⅴ中目标偏离主跟踪轴的方位角计算公式求得目标偏离角度。第二种情况为同一速度下有多个目标，根据实际情况，不同目标距离所造成的A、B天线谱峰差值远大于同一目标在AB天线谱峰差值，即目标谱峰不会交叉出现。在本系统天线探测角度内，由于基线长度L很小，同一目标在Y矩阵中是成对出现，且距离很近，将距离小于某一阈值Z的两个谱峰默认为同一目标。Z＝Lsin(θ_max)，L为基线长度，θ_max为天线探测方位角最大值。在目标距离耦合后，对同一目标按步骤Ⅴ中目标偏离主跟踪轴的方位角计算公式求得目标偏离角度。

PL模块在步骤Ⅳ和Ⅴ得到的目标的距离、速度和方位信息传递给PS模块，在显示设备上同步显示，供司机参考。

当输出设备包括车载报警装置和/或紧急制动装置，操作人员从输入设备设定报警门限，作为目标距离和速度的预警值存储于PL模块的控制子模块。控制子模块监测是否有数据从PL的算法子模块输出至PS模块的数据接收寄存器，若有则对其进行预警分析。控制子模块将所得目标的距离、速度和方位信息与预警值相比较，当本防撞雷达系统计算得到的最终目标距离和速度值达到预警值，控制子模块经系统子模块启动车载报警装置和/或紧急制动装置，以避免事故发生。

与现有技术相比，本发明双接收天线的汽车防撞雷达系统的优点为：1、微波信号接收部分具有一个发射天线和两个接收天线，独立的接收发送通道，可以获得最大的增益，双接收天线接收结构有I_AI_BQ_AQ_B四路接收通道，可以探测目标的方向，提高多目标判断能力；2、微波发送接收结合为一个部件，节省硬件资源和成本，节省空间，能耗也随之降低；3、中央控制处理部分的可编程逻辑模块为单处理器结构，系统具有强大的并行处理能力﹑运算速度快、成本低﹑可靠性高、编程灵活等优点，本系统对雷达信号的处理速度快，实时性好；选用集成度更高的嵌入式AP-SoC芯片，提高了人机交互性能，开发周期短，产品易于升级，便于产品后期维护，生产成本更低，可靠性更高，可使整个系统变得更为小巧、结构简化，更利于系统的实现和升级，降低成本，提高了商业价值；4、本系统本身即为一个完全嵌入式系统，无需上位机对数据进一步处理，可以独立完成从天线的信号采集到目标显示和自动报警功能，同时还可以连接汽车的紧急制动装置，实现自动制动。

与现有技术相比，本发明双接收天线的汽车防撞雷达系统的运行方法优点为：1、针对目标方位检测，本方法发射调制三角波，设计双回波信号的处理算法，实现目标方位检测；2、采用MUSIC算法，结合线性调频连续波体制(LFMCW)三角调制信号对称的特点，即运动目标的距离速度耦合所引起的距离偏移具有对称性，进行目标的配对，提升在强背景杂波噪声下检测运动目标的能力；3、采用高精度的MUSIC算法，得到高精度的目标特征参数；有效地提升了强背景噪声下，目标回波的检测能力；4、根据LFMCW信号的特点，距离变化导致回波频率变化的特性，简化了目标方位检测算法的结构，在不损失雷达性能的条件下使整个系统结构得到进一步简化。

附图说明

图1为本双接收天线的汽车防撞雷达系统实施例总体架构框图；

图2为图1中的中央控制部分结构框图；

图3为双接收天线的汽车防撞雷达系统的运行方法实施例流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。

双接收天线的汽车防撞雷达系统实施例

本双接收天线的汽车防撞雷达系统实施例整体架构如图1所示，包括微波收发部分、中频信号处理部分、数据转换部分、中央控制处理部分和电源部分。电源部分与系统其它各个部分连接、提供需要的电压。

本例的微波收发部分包括1根独立的发射天线、2根独立的接收天线AB和射频信号处理模块，本例2根接收天线AB的距离，即基线长度L＝0.12m。1根发射天线和2根接收天线分别接入射频信号处理模块。A、B两个接收天线都有I、Q两路接收信号，即有4路接收信号接入射频信号处理模块。

本例接收天线和发射天线是一种窄波束雷达天线，为平面微带天线。所述射频信号处理模块为射频信号单输出双输入的K-波段带VCO(压控振荡器)的雷达收发芯片。配有一路发送通道和四路接收通道，即A天线回波信号的实部接收通道I_A，A天线回波信号的虚部接收通道Q_A，B天线回波信号的实部接收通道I_B，B天线回波信号的虚部接收通道Q_B。本例中的射频信号处理模块发射电磁波载频的工作频段为24GHz。

射频信号处理模块处理后的信号经中频信号处理部分和数据转换部分，接入中央控制处理部分。所述数据转换部分包括数模转换模块和模数转换模块。中央控制处理部分连接输入设备和输出设备。

本例中频信号处理部分包括频域动态压缩电路和中频放大电路。

中央控制处理部分中心控制处理部分为全可编程片上系统芯片PA-SoC，其结构如图2所示，包括PS模块和PL模块。

PS模块包括数据处理子模块、系统子模块和时钟子模块。数据处理子模块对PL模块所得数据进行再处理。本例系统子模块配有串口、USB接口和VGA接口。

PL模块包括调制信号产生子模块、算法子模块、锁相环子模块以及控制子模块。控制子模块连接控制微波发射接收部分、中频信号处理部分和数据转换部分，还连接调制信号产生子模块和算法处理子模块。控制子模块按照PL模块中的锁相环子模块的时钟管理协调其连接的调制信号产生子模块、算法处理子模块的逻辑时序，保证各子模块协调工作。

所述PL模块的调制信号产生子模块按照控制子模块的指令产生调制周期为T、斜率为的三角波调制数字信号，其中调频带宽为B_a；调制数字信号输出至数据转换部分，数字信号转换为模拟信号送入微波收发部分的射频信号处理模块，由发射天线发出。

微波收发部分的射频信号处理模块对2个接收天线接收的射频信号进行算法处理，转换为中频信号，送入中频信号处理部分；中频信号处理部分对接收的回波信号进行功率放大，并减小信号的动态范围，其送入数据转换部分的信号功率大于一个A/D量化电平。中频信号处理部分处理后的模拟回波信号经数据转换部分转换为I、Q四路数字信号送入中央控制处理部分PA-SoC芯片的PL模块中算法子模块。PL模块的算法子模块对2个接收天线I、Q四路的回波信号分别进行MUSIC算法，目标配对，目标距离速度信息计算和方位测量，得到最终的目标信息，并传递给PS模块，进行后续输出处理。

本例输入设备为键盘鼠标。本例输出设备为供司机参考的显示装置、车载报警装置和紧急制动装置。中央控制处理部分的PL模块的控制子模块存储设置的最终目标距离和速度的预警值，当本雷达系统计算得到的最终目标距离和速度值达到预警值，控制子模块经系统子模块启动车载报警装置和紧急制动装置。本例系统子模块配置的串口、USB接口和汽车上的微机进行数据传输。

双接收天线的汽车防撞雷达系统的运行方法实施例

本方法实施例的采用实车实验，上述双接收天线的汽车防撞雷达系统实施例作为本方法的实验系统固定在静止的实验平台上，前方两辆目标车，第一目标车辆距离实验平台上的实验系统80m，速度为10m/s，方位：+3.4°，第二目标车辆距离实验平台上的实验系统80.1m，静止状态，方位：0°。接收天线探测远距离的目标时，所得回波功率较小，而探测近距离目标时的所得回波功率较大。当探测距离为100m时，I/Q混频器输出的中频信号的功率范围为-80dBm～-20dBm，动态范围为60dB。

本例运行方法的流程如图3所示。

本发明双接收天线的汽车防撞雷达系统的运行方法，接通电源后，PS模块的软件初始化，并对PL模块进行配置；等待操作人员从输入设备输入开始运行的指令，若无指令输入，继续等待；开始指令输入后，控制子模块发送控制字到PL模块的调制信号产生子模块。具体步骤如下:

本例多天线高精度汽车防撞雷达目标运行方法包括以下步骤。

接收端对AB两个天线同时接收I_AI_BQ_AQ_B四路信号。经过数据转换部分变为数字信号，采样频率f_s，送入XC7Z020芯片。

Ⅰ、发射调制三角波并采集回波信号

调制三角波参数编程输入并存储于控制子模块，PL模块的调制信号产生子模块按照控制子模块的指令产生三角波调制数字信号。调制数字信号输出至数据转换部分，数字信号转换为模拟信号送入微波收发部分的射频信号处理模块，由发射天线不断发射电磁波。

本例发射的调制三角波为线性调频连续波LFMCW，其调制周期为T＝1.6ms，调频带宽为B_a＝160MHz。其中前为三角波上升段，其斜率为其后周期为三角波下降段，斜率为发射信号的载波中心频率为f_R＝24GHz。接收天线的目标距离范围为1m～100m，目标的速度范围为0～150Km/h。

本例双接收天线的汽车防撞雷达系统有两个相距L＝0.12m(米)的天线A、B，每个天线所接收的回波信号分为两路：回波信号的实数部分I信号和虚数部分Q信号，即A天线的回波信号I_A、Q_A和B天线的回波信号I_B、Q_B。目标回波经过A、B接收天线进入微波收发部分的射频信号处理模块，进行下混频操作。送入中频信号处理部分分别对四路信号进行采集处理。采样频率为f_s＝512KHz。

Ⅱ、基于MUSIC算法的目标检测

M＝16个周期的A天线回波信号I_A、Q_A和B天线的回波信号I_B、Q_B完成步骤Ⅰ的处理后,对每一个周期的回波信号数据进行MUSIC算法处理，得到的对应目标的频谱，两个频谱峰值对应一个目标。

MUSIC算法的具体操作如下：

对A天线第一个回波周期的实部数据x(n)，n＝1024为回波的采样点数。对x(n)建立虚拟矩阵X(n)

$X\left(n\right)=\left[\begin{array}{c}x\left(n\right)\\ x(n-1)\\ .\\ .\\ .\\ x(n-m+1)\end{array}\right]$

虚拟阵元个数m＝16，X(n)的协方差矩阵为R_xx＝E{X(n)X^H(n)}，对R_xx进行奇异值分解 $R_{\mathrm{xx}}=[S,G]\left[\begin{array}{cc}\mathrm{\Σ}& O\\ O& {\mathrm{\σ}}^2{I}_{n-r}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{S}^H\\ G^H\end{array}\right],$ 得到S为信号矩阵G为噪声矩阵。最后求得 $S_{\mathrm{AI}}=\frac{1}{X^H\left(n\right){\mathrm{GG}}^{H}X\left(n\right)}.$

S_AI的输出为行向量，长度由接收天线探测距离决定，目标距离会在S_AI对应位置出现一组峰值，PL模块的算法子模块将所得数据暂存。

对A天线回波信号Q_A的数据进行上述相同的MUSIC算法得到S_AQ，对B天线回波信号I_B、Q_B的数据进行与A天线相同的MUSIC算法得到S_BI、S_BQ。

本例S_A为16*1024个数据，存入算法子模块的RAM中。

Ⅲ、目标配对

S_A、S_B在上下扫频段对应N个目标分别各有N个谱线，当A天线回波的S_A的模糊多普勒频率的谱线满足上下峰值绝对值相同，则判断它们的谱线幅度值相等，判断为同一个目标的谱线,即目标配对。

本例步骤Ⅳ得到的A天线回波信号S_A的频谱有三个峰值，输出的行向量上峰值所在位置分别为8、808、425。即配对后存在两个目标第一个目标上扫频为8，下扫频为808；第二个目标上扫频为425，下扫频为425。同样，B天线回波信号S_B的频谱有三个峰值，输出的行向量上峰值分别为679、647、425。即配对后存在两个目标第一个目标上扫频为8，下扫频为808；第二个目标上扫频为425，下扫频为425。

Ⅳ、计算目标的距离和速度信息

A天线回波和B天线回波信号经步骤Ⅴ目标配对后，同一目标的上下扫频数据分组。

将各个目标上下扫频数值转换为对应频率值，公式如下：

f＝k*4+l

其中k为目标谱峰所在行向量位置，在本例A天线回波信号S_A的频谱中峰值为8,808,425；l为搜索频率起始值，本例中l＝51700；

第一个目标上扫频频率为51732，下扫频频率为54932；

第二个目标上扫频频率为53400，下扫频频率为53400；

进一步解算出目标距离和速度。

距离公式为 $R_{\mathrm{Ai}}=\frac{\mathrm{CT}}{4B_a}(f_{\mathrm{Ai}}^{+}+f_{\mathrm{Ai}}^{-})$

在本例中C＝3*10⁸， 表示T周期A天线回波的S_A上扫频段N个目标中第i个目标的频谱峰值处频率，表示T周期A天线回波的S_A第i个目标的频谱峰值处频率。本例解得第一目标的距离为R_A1＝79.998m，第二目标的距离R_A2＝80.1m。

速度公式为 $v=\frac{\mathrm{\λ}}{4}(f_{\mathrm{Ai}}^{+}-f_{\mathrm{Ai}}^{-})$

在本例中载波频率采用24GHz其波长λ＝0.0125，表示第i个目标的上扫频信号，表示第i个目标的下扫频信号。解得第一目标的速度V_A1＝10m/s(米/秒)，第二目标的速度V_A2＝0m/s。

采用同样的计算方法，由B天线回波信号S_B的频谱峰值第一个目标距离R_B1＝79.998m，速度V_B1＝10m/s，第二个目标距离R_B2＝80.1m，速度V_B2＝0m/s。

当两个接收天线的数据计算结果中，同一目标的距离不同时，以A天线数据计算结果为实际目标距离，与下一步骤Ⅶ方位角的信息以A天线为基准相对应。

Ⅴ、目标方位信息提取

方位角计算公式为：

$\mathrm{\θ}=\arcsin \frac{R_{\mathrm{An}}-R_{\mathrm{Bn}}}{L}$

其中L为基线长度，在本例中L＝0.12m，R_An代表A天线回波信号所得N个目标中第i个距离值，R_Bn代表B天线回波信号所得N个目标中第i个距离值。

将步骤Ⅵ得到2个目标距离R_A1、R_B1和R_A2、R_B2分别代入公式，解得第一个目标偏离A天线主轴方位角θ₁＝3.4度，第二个目标偏离A天线主轴方位角θ₂＝0度。

本双接收天线的汽车防撞雷达系统的运行方法实施例运行实验结果为：共发现2个目标，本方法得到的计算结果为第一目标距离79.998m,速度10m/s，偏离A天线主轴方位角为+3.4度。第二目标距离80.1m,速度0m/s，偏离A天线主轴方位角为0度。实际实验环境中第一目标距离为80m，速度为10m/s，方位角为+3.4度。第二个目标距离为80.1m，速度为0m/s，方位角为0度。

对比例

与上述双接收天线的汽车防撞雷达系统的运行方法实施例采用相同的实验条件，将传统的单接收天线的调制三角波汽车防撞雷达探测系统作为对比系统固定在静止的实验平台上，与前方两辆目标车进行实验。第一目标车辆距离实验平台上的对比系统81m，相对速度为9.05m/s，第二目标车辆距离实验平台上的对比系统81m，速度为0.1m/s。

该对比例实验结果为：共发现2个目标，距离是81m和81m,速度为9.05m/s和0.1m/s，无方位检测能力。

由本双接收天线的汽车防撞雷达系统的运行方法实施例和对比例的实验结果，可以明显看出本发明的方法比传统的单接收天线的调制三角波汽车防撞雷达运行方法有效地提高了目标测距测速精度，同时增加了测向功能。

本实施例PL模块在步骤Ⅵ和Ⅶ得到的目标的距离、速度和方位信息传递给PS模块，在显示设备上同步显示，供司机参考。

本例输出设备包括车载报警装置和紧急制动装置，操作人员从输入设备设定报警门限，作为目标距离和速度的预警值存储于PL模块的控制子模块。控制子模块监测是否有数据从PL的算法子模块输出至PS模块的数据接收寄存器，若有则对其进行预警分析。控制子模块将所得目标的距离、速度和方位信息与预警值相比较，当本防撞雷达系统计算得到的最终目标距离和速度值达到预警值，控制子模块经系统子模块启动车载报警装置和紧急制动装置，避免事故发生。

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。

Claims (10)

1.双接收天线的汽车防撞雷达系统，包括微波收发部分、中频信号处理部分、数据转换部分、中央控制处理部分和电源部分；电源部分与系统其它各个部分连接、提供需要的电压；微波收发部分包括发射天线、接收天线和射频信号处理模块，发射天线、接收天线与射频信号处理模块连接，射频信号处理模块处理后的信号经中频信号处理部分和数据转换部分，接入中央控制处理部分；所述数据转换部分包括数模转换模块和模数转换模块；中央控制处理部分连接输入设备和输出设备；中央控制处理部分控制待发送信号经数据转换部分接入射频信号处理模块，由发射天线发出；其特征在于：

所述微波收发部分包括2根独立的接收天线和1根独立的发射天线，2根接收天线和1根发射天线分别接入射频信号处理模块。

2.根据权利要求1所述的双接收天线的汽车防撞雷达系统，其特征在于：

所述2根接收天线的距离，即基线长度L＝0.08m～0.15m。

3.根据权利要求1所述的双接收天线的汽车防撞雷达系统，其特征在于：

所述接收天线和发射天线是一种窄波束雷达天线，为平面微带天线。

4.根据权利要求1所述的双接收天线的汽车防撞雷达系统，其特征在于：

所述射频信号处理模块为射频信号单输出双输入的K-波段带压控振荡器的雷达收发芯片。

5.根据权利要求1所述的双接收天线的汽车防撞雷达系统，其特征在于：

所述中央控制处理部分包括处理系统模块和可编程逻辑模块,以下称为PS模块和PL模块；

PS模块包括数据处理子模块、系统子模块和时钟子模块；系统子模块配有串口、USB接口和VGA接口中的至少一种；

PL模块包括调制信号产生子模块、算法子模块、锁相环子模块以及控制子模块；控制子模块连接控制微波发射接收部分、中频信号处理部分和数据转换部分，还连接调制信号产生子模块和算法处理子模块。

6.根据权利要求1所述的双接收天线的汽车防撞雷达系统，其特征在于：

所述输出设备为供司机参考的显示装置，输出设备还有车载报警装置和/或紧急制动装置。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的双接收天线的汽车防撞雷达系统的运行方法，其特征在于：

接通电源后，PS模块的软件初始化，并对PL模块进行配置；等待操作人员从输入设备输入开始运行的指令，若无指令输入，继续等待；开始指令输入后，控制子模块发送控制字到PL模块的调制信号产生子模块；具体步骤如下:

Ⅰ、发射调制三角波并采集回波信号

调制三角波参数编程输入并存储于控制子模块，PL模块的调制信号产生子模块按照系统子模块的指令产生三角波调制数字信号；调制数字信号输出至数据转换部分，数字信号转换为模拟信号送入微波收发部分的射频信号处理模块，由发射天线发出；

所发射的调制三角波为线性调频连续波LFMCW，其调制周期为T，调频带宽为B_a；其中前为三角波上升段，其斜率为其后周期为三角波下降段，斜率为发射信号的载波中心频率为f_R；由于LFMCW信号的特性，回波信号依然为周期为T，调频带宽为B_a的三角波，其中心频率偏移至f_R+f_d，f_d为目标运动导致的多普勒频移；

目标回波经过接收天线进入微波收发部分的射频信号处理模块，进行下混频操作；下混频后得到差拍信号，同一个目标在三角波上升段产生一个谱峰对应下扫频段产生一个对应的谱峰△f由目标距离决定；射频信号处理模块的输出信号进入中频信号处理部分的输入端；

双接收天线的汽车防撞雷达系统有两个相距L的天线A、B，每个天线所接收的回波信号分为两路：回波信号的实数部分I信号和虚数部分Q信号，即A天线的回波信号I_A、Q_A和B天线的回波信号I_B、Q_B；中频信号处理部分分别对四路信号进行采集处理；

Ⅱ、基于MUSIC算法的目标检测

M个周期的A天线回波信号I_A、Q_A和B天线的回波信号I_B、Q_B完成步骤Ⅰ的处理后,对每一个周期的回波信号数据进行MUSIC算法处理，得到对应目标的频谱，两个频谱峰值对应一个目标；

MUSIC算法的具体操作如下：

对A天线第一个回波周期的实部数据x(n)，n为回波的采样点数；对x(n)建立虚拟矩阵X(n)，

$X\left(n\right)=\left[\begin{array}{c}x\left(n\right)\\ x(n-1)\\ .\\ .\\ .\\ x(n-m+1)\end{array}\right]$

m为虚拟阵元个数，X(n)的协方差矩阵为R_xx＝E{X(n)X(n)^H}，式中E表示期望运算，H表示对矩阵求共轭；

对R_xx进行奇异值分解

$R_{\mathrm{xx}}=[S,G]\left[\begin{array}{cc}\mathrm{\Σ}& O\\ O& {\mathrm{\σ}}^2{I}_{n-r}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{S}^H\\ G^H\end{array}\right],$

式中∑表示信号特征值矩阵，O表示0矩阵，σ²I_n-r表示噪声特征值矩阵，其中σ为噪声的方差，S为信号矩阵，G为噪声矩阵；最后求得 $S_{\mathrm{AI}}=\frac{1}{X^H\left(n\right){\mathrm{GG}}^{H}X\left(n\right)};$

n取离散值，其范围是接收天线探测的最大距离和最小距离所对应的频率值；

S_AI的输出为行向量，长度由接收天线探测探测距离决定，目标距离在S_AI对应位置出现一组峰值；

对A天线回波信号Q_A的数据进行上述相同的MUSIC算法得到S_AQ，对B天线回波信号I_B、Q_B的数据进行与A天线相同的MUSIC算法得到S_BI、S_BQ；

MUSIC算法所得数据暂存于PL模块的算法子模块；

Ⅲ、目标配对

在步骤Ⅱ中得到一组含有目标距离速度信息的行向量，对A天线回波信号进行取模处理，得到A天线回波的频谱S_A；

S_A矩阵的三个重要的参数为谱线幅值﹑模糊速度值和距离值；

在步骤Ⅰ的发射调制三角波前为三角波上升段，后周期为三角波下降段，三角波调制信号的上升段、下降段分别称为上扫频、下扫频，将S_A按上下扫频分为两部分，假设有N个目标，对应调制信号上升段、下降段的峰值大小分别为D_u1D_u2D_u3...D_uN，D_d1D_d2D_d3...D_dN；

根据调制信号上下扫频段得到的谱线上下峰值差的绝对值判断目标的距离值，根据谱线上下峰值的和判断速度值；

得到的S_A在上下扫频段对应N个目标分别各有N个谱线，当A天线回波的S_A的模糊多普勒频率的谱线满足上下峰值绝对值相同，则判断它们的谱线幅度值相等，判断为同一个目标的谱线,即目标配对；

B天线回波的频谱S_B的目标配对与上述A天线回波的S_A的处理过程相同；

Ⅳ、计算目标的距离和速度信息

对周期T的调制三角波所采集到的A天线回波和B天线回波信号经步骤Ⅲ目标配对后分别将同一目标的上下扫频数据配对分组，将各个目标的上下扫频数值转换为对应频率值f，

f＝k*0.5+l

其中k为目标谱峰行向量位置，l为搜索频率起始值；

根据A天线回波的数据计算N个目标中某个目标i的目标距离R_AI和目标速度v_Ai的公式如下：

$R_{\mathrm{Ai}}=\frac{\mathrm{CT}}{4B_a}(f_{\mathrm{Ai}}^{+}+f_{\mathrm{Ai}}^{-});v_{\mathrm{Ai}}=\frac{C}{4f_o}(f_{\mathrm{Ai}}^{-}-f_{\mathrm{Ai}}^{+})$

式中C为光速，为T周期A天线回波的S_A上扫频段的某个目标i频谱峰值处频率，为T周期A天线回波的S_A下扫频段的某个目标i频谱峰值处频率，f_o为发射信号的载频中心频率，B_a为调频带宽；

根据回波B的数据计算某个目标i的R_Bi和v_Bi的计算方式与上述R_Ai和v_Ai的计算方式相同；

Ⅴ、目标方位信息提取

将步骤Ⅲ得到的A、B回波各目标的距离速度信息反映在一个距离-速度维矩阵Y内，

某个目标i偏离A天线主轴的角度为其中R_Ai和R_Bi分别为步骤Ⅳ中根据A、B回波得到的该目标i距离，L为两天线的距离，即基线长度，θ_i为该目标偏离主跟踪轴，即A天线主轴的方位角，其中左偏为负值，右偏为正值。

8.根据权利要求7所述的双接收天线的汽车防撞雷达系统的运行方法，其特征在于：

所述步骤Ⅳ，在同一速度下A、B回波检测到的目标距离不同的情况有2种：第一种情况是在同一速度下仅有两个谱峰，此为同一目标的A、B回波得到不同距离测量值，按步骤Ⅴ中目标偏离主跟踪轴的方位角计算公式求得目标偏离角度；第二种情况为当同一速度下有多个目标，不同目标距离所造成的A、B天线谱峰差值远大于同一目标在AB天线谱峰差值，将距离小于阈值Z的两个谱峰默认为同一目标，Z＝Lsin(θ_max)，L为基线长度，θ_max为天线探测方位角最大值；在目标距离耦合后对同一目标按步骤Ⅴ中目标偏离主跟踪轴的方位角计算公式求得目标偏离角度。

9.根据权利要求8所述的双接收天线的汽车防撞雷达系统的运行方法，其特征在于：

所述PL模块在步骤Ⅳ和Ⅴ得到的目标的距离、速度和方位信息传递给PS模块，在显示设备上同步显示。

10.根据权利要求8所述的双接收天线的汽车防撞雷达系统的运行方法，其特征在于：

当输出设备包括车载报警装置和/或紧急制动装置，操作人员从输入设备设定报警门限，作为目标距离和速度的预警值存储于PL模块的控制子模块；控制子模块监测是否有数据从PL的算法子模块输出至PS模块的数据接收寄存器，若有则对其进行预警分析；控制子模块将所得目标的距离、速度和方位信息与预警值相比较，当本防撞雷达系统计算得到的最终目标距离和速度值达到预警值，控制子模块经系统子模块启动车载报警装置和/或紧急制动装置。