本發明涉及車載雷達信號處理領域，特別是基于多頻移鍵控體制的車載雷達目標測量系統及運行方法。

背景技術：

隨著人們生活水平的提高和科技的發展進步，汽車已經成為大家出行的代步工具，其給人們帶來方便的同時也帶來了一定的安全隱患。近年來，交通事故頻發，很大程度都是由于司機的視線模糊或是反映速度緩慢造成的，如果可以研發一種汽車駕駛輔助系統，及時發現危險提醒司機，就可以避免很多生命財產損失。

如今市面上出現了多種車載系統，它們各有優缺點，其中雷達系統相比于可視化車載系統，不受天氣、溫度、濕度等外在條件的影響，同時高精度、遠距離的測量性能使車載雷達系統在很多方面都得到了應用和發展。比如自適應巡航控制(acc)、防撞系統(cas)、預碰撞系統(pre-crash)、停車輔助系統(parkingaid)等。這些車載雷達系統的基本原理是信號處理單元控制射頻單元產生相應的信號，通過陣列天線發射出去，遇到目標后信號返回再被天線接收，接收信號與發射信號在射頻單元做差頻處理，得到的差頻信號由信號處理單元進行相應的計算處理得到目標的狀態信息。這些系統的使用可以有效地避免交通事故的發生，具有很大的研究前景和市場價值。

車載雷達系統研究和發展中的技術挑戰是同時測量多個目標的距離、徑向速度、方位角等信息，其中波形體制的設計影響了這些要求的實現。目前常見的兩種波形體制有線性調頻波(lfm)和頻移鍵控(fsk)波形，傳統的lfm波形體制雷達提供了很高的距離和速度分辨率，但是不能解決多目標情況下的虛假目標問題；而fsk波形體制的雷達系統具有很高的速度分辨率并且可以規避虛假目標問題，但是在距離求解方面存在弊端，無法測量靜止目標和多個具有相同徑向速度的目標。

為了解決lfm和fsk體制存在的問題，一些改進的波形體制目標測量方法被提出，其中有變周期lfmcw多目標識別方法、變周期梯形波雷達距離速度測量方法、雙周期變斜率鋸齒波信號等。然而這些方法都無法同時兼顧測量精度和運算量，為系統的硬件實現帶來了很大的難度，導致研發成本過高，不利于進一步的商業開發。

技術實現要素：

針對現有車載雷達系統多目標測量方面存在虛假目標、無法同時測量多種狀態目標、計算量大等問題，本發明提供了一種多頻移鍵控(mfsk)體制的車載雷達目標測量系統，該系統具有調制信號精度高、數據處理速度快、結構簡單、體積小等優點。

基于多頻移鍵控體制的車載雷達目標測量系統，包括電源模塊、分別與電源模塊連接的fpga信號處理模塊、雷達傳感器模塊及結果顯示上位機，其中：

雷達傳感器模塊包括陣列天線、射頻電路和鎖相環電路；

fpga信號處理模塊包括數據采集模塊、鎖相環控制模塊以及數據處理模塊；

fpga信號處理模塊的鎖相環控制模塊產生spi控制信號，控制雷達傳感器模塊中的鎖相環電路產生mfsk調制信號，然后將信號送入射頻電路，射頻電路對調制信號進行上變頻處理，并將信號通過陣列天線發射出去，信號遇到目標被反射回來，陣列天線接收回波信號；射頻電路再對回波信號做下變頻和差分處理，得到i、q兩路正交模擬信號；數據采集模塊對i、q兩路正交模擬信號進行采樣轉化為數字信號，然后將數據送入數據處理模塊進行處理和計算，最后將計算結果輸出到結果顯示上位機上。

所述的鎖相環控制模塊根據系統對調制信號類型、周期、幅度等指標要求，調整寄存器參數，并以spi通信的形式輸出相應的控制信號，來配置鎖相環電路，同時為鎖相環電路的正常工作提供時鐘，以及天線增益的控制信號。

所述的鎖相環電路由鎖相環芯片和相應的外圍電路構成，主要是根據鎖相環控制模塊的時鐘和控制信號，產生相應的mfsk調制信號。

所述的射頻電路接收來自鎖相環電路的vco調制信號，對該信號進行調制上變頻處理，然后將處理后的信號接到陣列天線。同時射頻電路對陣列天線接收的回波信號做下變頻處理，并將下變頻后的信號與上變頻信號做差頻處理和正交變換，得到正交的兩路i、q信號。

所述的陣列天線為平面的微帶天線，體積較小，功率較低。其包括發射單元和接收單元，主要負責將射頻電路調制后的數據發射出去，并接收回波信號，送入射頻電路做進一步處理。

所述的數據采集模塊由模數轉換電路構成，主要是采集雷達傳感器模塊輸出的i、q兩路信號，將這些模擬數據轉化為數據處理模塊可以識別的數字信號。其中采集模塊的采樣頻率由回波差頻信號的最大頻率決定，采樣頻率一般取大于等于2倍的最大差頻頻率。

所述的數據處理模塊是本系統的最主要的模塊，其負責整個系統的數據運算。接收數據采集模塊的數字信號，然后對數據進行拆分、重組得到i路a、b對應信號和q路a、b對應信號，然后做全相位fft處理、求模運算、ca-cfar處理、峰值搜索、容差函數匹配、相位求解，最后根據得到的信息計算出目標的距離和速度信息。

所述的電源模塊主要為雷達傳感器模塊和fpga信號處理模塊提供電源，其為雷達傳感器模塊提供5v和3.3v的電壓，為fpga信號處理模塊提供5v電壓。

所述的結果顯示上位機是用來顯示計算結果和預警信息的上位機，可以將數據處理模塊計算得到的目標信息再該上位機上形象地顯示出來，并可以人為設置目標信息閾值，對危險情況進行判斷，及時發出提醒信息。

上述車載雷達目標測量系統的測量方法是采用lfm和fsk結合的mfsk波形作為調制信號，對回波信號進行分時采樣，再對拆分后的兩組數據進行全相位fft和ca-cfar處理，取頻譜峰值點，對兩組峰值點進行容差判斷、峰值匹配得到目標對應頻譜峰值，進一步得到目標差頻頻率。然后取峰值位置的實部和虛部數據進行補償坐標旋轉計算(coridc)得到目標的相位差信息。根據相應公式計算得到目標的距離和速度。

上述基于多頻移鍵控體制的車載雷達目標系統的運行方法，包括如下步驟：

(1)產生多頻移鍵控(mfsk)波形信號

所述的mfsk信號是由lfm和fsk結合的一種新體制，其由fsk波形對應的兩個信號a、b步進而得到的，即兩個波形交替上升構成mfsk信號。其中每個a、b波形持續的時間相同都是總體的步進時間即調制周期為步進次數n與每個a、b波形持續時間之和tstep的乘積tcpi＝n·tstep；

mfsk信號是由多個fsk信號步進構成的，其頻率數目多，跨度范圍大，不同的目標在不同的頻率階層被反射，從而得到不同頻率的差頻信號；

(2)對差頻信號進行采樣、拆分、重組

根據奈奎斯特采樣定律以fs為采樣頻率對回波的差頻信號進行采樣，采樣得到的數據是a、b所對應的交替的i、q兩路回波差頻信號，而后端信號處理需要用到的是單獨的a、b的回波數據，根據對應發射信號的時間間隔和位置對i、q兩路回波差頻數據進行拆分，并將拆分得到的數據進行重組，分別存放在相應的寄存器中；

(3)對重組后的數據進行全相位fft和ca-cfar處理

寄存器中的i、q兩路數據分別對應虛部和實部信息，分別對i、q兩路中a、b對應的差頻信號的每個調制周期tcpi內的數據做全相位fft運算，然后求a、b對應i、q兩路數據的模，得到a、b兩組頻譜數據，再對得到的兩組頻譜做ca-cfar(單元恒虛警)處理；

(4)求目標對應頻率

分別對a、b對應的虛警后的頻譜進行峰值搜索，取出峰值點，由于每段頻譜的采樣時間等于可以得到頻率分辨率為

由于同一目標a、b對應的頻率應該相同，那么如果a、b差頻頻率fak、fbk滿足下式容差函數

則認為該頻率對應同一目標，確定真實目標頻率值，排除不符合條件的頻率；

(5)求目標對應相位差

根據步驟(4)得到的目標峰值點位置及頻率，取出目標頻譜峰值點對應的實部數據re[x(m)]，和虛部數據im[x(m)]。然后利用補償坐標旋轉計算法(coridc)求反正切

同理得到得到同一目標a、b波形之間的相位差

(6)計算目標的距離和速度

由上步驟(4)和步驟(5)計算已經得到目標的差頻頻率fb和對應的相位差可以根據以下公式計算出目標的距離和速度。

其中式中c為光速、f0為基帶頻率。bsw為調制帶寬，fshift為a、b兩個調制信號之間對應的頻率差。

由此可知，目標的差頻頻率和相位差是一一對應的關系，不存在交叉混疊現象，因此該mfsk體制的車載雷達系統可以有效地避免虛假目標的出現，克服了lfm體制存在的缺陷。

與現有技術相比，本發明優點為：

1、本系統使用內部集成鎖相環的雷達傳感器，鎖相環產生調制信號與常規使用fpga直接控制da產生調制信號相比精度更高、線性度更好，進而保證了系統回波信號的精度，提高了信噪比，便于后端運算；

2、本系統不使用中頻電路來對中頻信號進行處理，避免了不必要的外界干擾，并且減小了系統體積，節省開發成本；

3、采用mfsk波形作為調制信號，可以在多種狀態目標場合下避免虛假目標的出現、對目標進行無模糊測量，并且有很高的距離速度分辨率；

4、結合全相位fft算法，避免了頻譜泄露、抑制了高斯噪聲，提高了算法的相位估計精度，進一步提高最終目標的距離速度準確度；

5、使用補償cordic算法求相位，利于fpga的硬件實現，避免了數據浮點運算的轉化；

6、本方法只需使用1次fft，并且在計算目標距離速度前進行容差判斷，減少了算法的運算量，保證了算法的運算速度。

附圖說明

圖1為實施例的結構框架圖；

圖2為實施例的信號處理流程圖。

具體實施方式

下面結合附圖和實施例作進一步的詳細說明。

實施例：

如圖1所示，基于多頻移鍵控體制的車載雷達目標測量系統，包括電源模塊、fpga信號處理模塊、雷達傳感器模塊、結果顯示上位機。其中雷達傳感器模塊又包括陣列天線、射頻電路和鎖相環。fpga信號處理模塊包括數據采集模塊、鎖相環控制模塊以及數據處理模塊。電源模塊為整個系統供電。fpga信號處理模塊的鎖相環控制模塊產生spi控制信號，控制雷達傳感器模塊中的鎖相環電路產生mfsk調制信號，然后將信號送入射頻電路。射頻電路對調制信號進行上變頻處理，然后將信號通過陣列天線發射出去。信號遇到目標被反射回來，陣列天線接收回波信號。射頻電路再對回波信號做下變頻和差分處理，得到i、q兩路正交信號。數據采集模塊對i、q兩路模擬信號進行采樣轉化為數字信號，然后將數據送入數據處理模塊進行處理和計算，最后將計算結果輸出到結果顯示上位機上。

本例的電源模塊的5v電源由外部電源適配器提供，在電源引腳加濾波電容減小電容紋波對系統的影響。使用asm117-3.3將5v電壓轉化為3.3v為雷達傳感器提供3.3v電壓。

本例的鎖相環控制模塊包含在fpga信號處理模塊中，由fpga產生相應控制信號。包括clk時鐘信號、data寄存器數據信號、le數據使能信號、以及天線增益控制信號等。

本例的鎖相環電路是由亞德諾半導體公司的adf4158以及外圍電路構成，該電路可以直接產生6.1ghz的調制波形，是一種小數n分頻頻率合成器。可以根據鎖相環控制模塊的控制信號產生高精度的mfsk調制信號，并且線性度好。

本例的射頻電路包含vco電路、信號發射電路、信號接收解調電路以及差頻信號增益控制電路。其中信號接收解調電路主要負責信號的接收，并將回波信號與發射信號進行混頻和正交差分變換，得到i、q信號；差頻信號增益電路主要是為了調節差頻信號的增益，是通過外部控制信號配置增益電路內的寄存器進行調節。

本例的陣列天線采用的是平面的微帶天線，具有56個陣元的發射單元和16個陣元的接收單元。該陣列天線體積較小，對功耗要求也很低。

本例的數據采集模塊是由analogdevice公司的ad9233-125芯片及外圍電路構成的。該芯片是一款12位分辨率的單芯片，最高采樣率可以達到125m，可以做射頻直接帶通采樣，完全滿足系統的需要。由于是差分的i、q兩路信號，所以需要兩個ad采樣模塊。

本例的數據處理模塊是fpga處理器，其型號為ep4ce115f2317，是cyclone四代的處理器，與之前的芯片相比，該芯片內部資源豐富，功耗低。同時fpga是并行處理的芯片，所以也保證了系統的運算速度。數據處理模塊主要是利用了fpga內部的fifo內核、rom內核、ram內核、fft內核等集成內核，以及其強大的邏輯運算能力來完成整個系統的運算。最后將計算得到的結果通過串口發送至結果顯示上位機。

本例的結果顯示上位機是用來顯示計算結果和預警信息的上位機，可以將數據處理模塊計算得到的目標信息再該上位機上形象地顯示出來，并可以人為設置目標信息閾值，對危險情況進行判斷，及時發出提醒信息。

基于多頻移鍵控體制的車載雷達目標測量方法是在上述的基于多頻移鍵控體制的車載雷達目標測量系統實施例上實施，測量目標為距離80m、速度10m/s的目標一和距離35m、速度5m/s的目標二。其流程圖如下圖2所示。

(1)產生多頻移鍵控(mfsk)波形信號

本例所產生的mfsk信號由100個fsk信號步進而成，其中fsk信號的對應頻率為250khz，每個步進之間的頻率差值為1000khz，每個步進的持續時間為100us。即得到調制帶寬bsw為100mhz，調制信號的周期tcpi為10ms。發射信號的基帶頻率為24ghz，目標最遠探測距離為100m，距離分辨率為1.5m。

(2)對差頻信號進行采樣、拆分、重組

本例根據系統的最遠測量距離計算出最大回波差頻的頻率，然后根據奈奎斯特采樣定律將采樣頻率定為500khz。將采樣回來的數據與發射的調制信號進行時間對比，利用a、b波形各持續時間50us來對i、q數據進行分割，分別重組存入相應的寄存器得到四組數據分別是i路a波形數據、i路b波形數據、q路a波形數據、q路b波形數據。然后將數據存入fpga內部的四個不同的fifo中。

(3)對重組后的數據進行全相位fft和ca-cfar處理

本例中取出fifo內的數據做全相位預處理，將處理后的結果送入fpga的fft內核中做fft變換，得到a波形對應的i、q路頻譜和b波形對應的i、q路頻譜。再使用求模函數對上述頻譜數據進行處理得到a波形頻譜數據和b波形頻譜數據。然后使用單元恒虛警算法(ca-cfar)對a、b兩路數據進行虛警處理。

(4)求目標對應頻率

本例對頻譜進行搜索，找到所有的峰值點位置，然后根據下式

計算出所有峰值點對應頻率，其中k為峰值點位置，n為fft點數，fs為采樣頻率。對比a、b兩個波形相近的頻率值，如果滿足下式則為同一目標的對應頻率。

計算得到兩個目標的回波頻率分別為6.93khz和3.13khz。

(5)求目標對應相位差

根據上面步驟(4)峰值搜索和容差匹配后得到的目標峰值點位置，取出全相位fft后的相應位置的實部和虛部數據，然后根據數據的大小進行補償，將浮點數轉化為定點數，然后再通過coridc函數算法對實部和虛部的數據做反正切變換得到a、b兩個頻譜的相位，二者相減得到相位差。通過計算得到兩個目標對應的差頻的相位差分別為1.3455rad和0.6204rad。

(6)計算目標的距離和速度

本例根據上述求得的目標差頻頻率和相位差，將數據帶入下式

其中，c＝3.0×10⁸m/s，λ＝0.0125，δv＝0.625，bsw＝100mhz，n＝100，tcpi＝10ms，fshift＝250khz。計算得到r1＝79m，v1＝10m/s，r2＝35m，v2＝4.9m/s。可見該系統可以避免虛假目標的出現，無模糊地測量目標，并且有很高的測量精度。

上述實施例，僅為對本發明的目的、技術方案和有益效果進一步詳細說明的具體個例，本發明并非限定于此。凡在本發明的公開的范圍之內所做的任何修改、等同替換、改進等，均包含在本發明的保護范圍之內。