本發(fā)明屬于電子通信領(lǐng)域，具體涉及一種近距雷達(dá)傳感器及其測距方法。

背景技術(shù)：

連續(xù)波雷達(dá)中廣泛使用的線性調(diào)頻連續(xù)波（LFMCW）雷達(dá)，存在著調(diào)制波泄漏信號。LFMCW雷達(dá)的調(diào)制波泄漏信號是指由于天線失匹、環(huán)行器泄漏等原因造成的在沒有目標(biāo)的情況下，輸出端依舊有一個強(qiáng)的類似于調(diào)制波的信號，如圖1所示，為一次實(shí)際測量三角波調(diào)制FMCW雷達(dá)中頻輸出端信號，其中方波下方的類似于三角波的信號即為上述的泄漏信號。

LFMCW雷達(dá)在測量遠(yuǎn)距離目標(biāo)時，泄漏信號通常是一個幅值很大的低頻信號，有用的中頻信號雖然幅值低，但頻率較高，不會與泄漏信號的頻譜發(fā)生重疊，所以不會被泄漏信號的頻譜掩蓋，采用濾波的方法可得到有用的中頻信號，從而求得遠(yuǎn)距離目標(biāo)的距離值。如圖2所示，為一次LFMCW雷達(dá)測量遠(yuǎn)距離目標(biāo)時對中頻信號進(jìn)行傅里葉變換后得到的頻譜示意圖，可以看出該遠(yuǎn)距離目標(biāo)的頻譜和泄漏信號的頻譜并未發(fā)生混疊，通過濾波可分離出目標(biāo)頻譜，得到目標(biāo)距離，如圖3所示，為對中頻信號進(jìn)行高通濾波處理后得到的頻譜示意圖。

對于近距雷達(dá)傳感器，泄漏信號同樣是一個幅值很大的低頻信號，而此時有用的中頻信號不僅幅值較小，頻率也很低，與泄漏信號的頻率接近，兩者之間的頻譜發(fā)生混疊，這使得濾波處理無法將泄漏信號去掉，也就導(dǎo)致無法測量近距離目標(biāo)。如圖4所示，為一次LFMCW雷達(dá)測量近距離目標(biāo)時對中頻信號進(jìn)行傅里葉變換后得到的頻譜示意圖，可以看出近距離目標(biāo)的頻譜被泄漏信號的旁瓣完全掩蓋，通過濾波處理無法將有用的中頻信號提取出來，故不能達(dá)到測量近距離目標(biāo)的要求。

泄漏是調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)中的一個嚴(yán)重問題，對于近距雷達(dá)傳感器，必須采用新方法來有效地解決泄漏信號的影響。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

鑒于以上所述現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，本發(fā)明的目的在于為線性調(diào)頻連續(xù)波近距離傳感器提供一種泄漏信號對消電路及方法，通過對混頻后的信號進(jìn)行對消處理來解決泄漏問題對近距離目標(biāo)測量的影響。本發(fā)明提出了一種近距雷達(dá)傳感器及其測距方法。

本發(fā)明所述近距雷達(dá)傳感器,包括天線、雷達(dá)波發(fā)生器、及連接在二者之間的環(huán)行器，還包括與環(huán)行器和雷達(dá)波發(fā)生器輸出端連接的混頻器，所述混頻器輸出端連接一分路器，所述分路器包括至少兩個輸出端，分別連接第一信號處理支路及第二信號處理支路；第一信號處理支路及第二信號處理支路的輸出端均與數(shù)字信號處理器連接；

所述第一信號處理支路包括對消減法器及與對消減法器輸出端連接的第一模數(shù)轉(zhuǎn)換器；所述第二信號處理支路包括第二模數(shù)轉(zhuǎn)換器，模數(shù)轉(zhuǎn)換器的輸出端作為信號處理支路的輸出端；所述第一模數(shù)轉(zhuǎn)換器和第二模數(shù)轉(zhuǎn)換器均由ADC和連接在ADC輸入端的濾波放大模塊組成；所述環(huán)行器和混頻器之間還連接有一濾波放大模塊；

所述數(shù)字信號處理器與一控制器信號連接，所述控制器連接有一DAC，所述對消減法器的兩個輸入端分別連接分路器和DAC的輸出端；所述DAC具有增益調(diào)整功能；所述控制器具有信號同步控制功能；

所述近距雷達(dá)傳感器還包括可撤除或關(guān)閉的回波屏蔽裝置。

優(yōu)選的,所述回波屏蔽裝置為安裝在天線口的微波吸收裝置。

優(yōu)選的,所述DAC還包括作用在輸入數(shù)字信號上的低通濾波器。

具體的,所述雷達(dá)波發(fā)生器由波形發(fā)生器和與其輸出端連接的定向耦合器組成，所述定向耦合器輸出端與環(huán)行器和混頻器連接；所述控制器與波形發(fā)生器控制連接。

優(yōu)選的,所述數(shù)字信號處理器具備數(shù)據(jù)存儲功能。

本發(fā)明還公開了一種近距雷達(dá)傳感器測距方法，基于如上所述近距雷達(dá)傳感器，具體包括如下步驟：

步驟1. 開啟雷達(dá)并使回波屏蔽裝置正常工作，采集混頻器輸出的第一基帶信號S_b1(t)并經(jīng)分路器、第二信號處理支路輸入到數(shù)字信號處理器，數(shù)字信號處理器采集第二信號處理支路傳輸?shù)男盘柌⒋鎯Φ谝换鶐盘朣_b1(t)；

步驟2. 關(guān)閉或移除回波屏蔽裝置；從DAC輸出第一基帶信號S_b1(t)；

混頻器輸出的第二基帶信號S_b2(t)經(jīng)分路器后與DAC輸出的第一基帶信號S_b1(t)在對消減法器處相減得到校準(zhǔn)基帶信號S_b(t)，并通過第一信號支路輸入到數(shù)字信號處理器，數(shù)字信號處理器對校準(zhǔn)基帶信號S_b(t)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，從而判定有無目標(biāo)并測量目標(biāo)距離；

所述步驟2中，控制器控制第一基帶信號S_b1(t)、第二基帶信號S_b2(t)同步。

具體的,所述步驟2中，對校準(zhǔn)基帶信號S_b(t)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理的具體過程為：首先進(jìn)行FFT處理，再通過CFAR判定有無目標(biāo)，最后通過頻譜的峰值測量包括近距目標(biāo)在內(nèi)的所有目標(biāo)距離。

優(yōu)選的, 所述步驟2中，還包括調(diào)整DAC輸出信號的增益，使得其輸出的第一基帶信號S_b1(t)頻譜功率之和最小。

本發(fā)明的有益效果是：通過在近距雷達(dá)傳感器中引入對消電路，對消掉泄漏信號，排除了干擾，從而實(shí)現(xiàn)近距離目標(biāo)的精確測量。

附圖說明

圖1是實(shí)際測量中LFMCW雷達(dá)的中頻輸出端信號示意圖；圖1橫坐標(biāo)為時間，縱坐標(biāo)為信號電壓幅值；

圖2是LFMCW雷達(dá)測量遠(yuǎn)距離目標(biāo)時對中頻信號進(jìn)行傅里葉變換后得到的頻譜示意圖；

圖3是為對中頻信號進(jìn)行高通濾波處理后得到的頻譜示意圖；

圖4是LFMCW雷達(dá)測量近距離目標(biāo)時對中頻信號進(jìn)行傅里葉變換后得到的頻譜示意圖；

圖5是本發(fā)明所述的近距雷達(dá)傳感器的一種具體實(shí)施方式示意圖；

圖6是本發(fā)明在進(jìn)行測距時的一個具體實(shí)施方式，圖6左半部分為標(biāo)定模式時雷達(dá)所接受到的信號示意圖，右半部分為置于測量模式時雷達(dá)所接受到的信號示意圖；圖6橫坐標(biāo)為時間，縱坐標(biāo)為信號電壓幅值；

圖7是具體實(shí)施例1中系統(tǒng)置于測量模式時，對經(jīng)第二信號處理支路所采集到的未經(jīng)對消的信號進(jìn)行傅里葉變換得到的頻域信號示意圖

圖8是具體實(shí)施例1中對經(jīng)第一信號處理支路所采集到的對消后的信號進(jìn)行傅里葉變換得到的目標(biāo)頻域信號示意圖；

圖2、3、4、7、8中橫坐標(biāo)均表示距離，縱坐標(biāo)表示頻率幅值。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖，對本發(fā)明的具體實(shí)施方式作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。

本發(fā)明所述近距雷達(dá)傳感器,包括天線、雷達(dá)波發(fā)生器、及連接在二者之間的環(huán)行器，還包括與環(huán)行器和雷達(dá)波發(fā)生器輸出端連接的混頻器，所述混頻器輸出端連接一分路器，所述分路器包括至少兩個輸出端，分別連接第一信號處理支路及第二信號處理支路；第一信號處理支路及第二信號處理支路的輸出端均與數(shù)字信號處理器連接；

所述第一信號處理支路包括對消減法器及與對消減法器輸出端連接的第一模數(shù)轉(zhuǎn)換器；所述第二信號處理支路包括第二模數(shù)轉(zhuǎn)換器，模數(shù)轉(zhuǎn)換器的輸出端作為信號處理支路的輸出端；所述第一模數(shù)轉(zhuǎn)換器和第二模數(shù)轉(zhuǎn)換器均由ADC和連接在ADC輸入端的濾波放大模塊組成；

所述數(shù)字信號處理器與一控制器信號連接，所述控制器連接有一DAC，所述對消減法器的兩個輸入端分別連接分路器和DAC的輸出端；所述DAC具有增益調(diào)整功能；所述控制器具有信號同步控制功能。

所述近距雷達(dá)傳感器還包括可撤除或關(guān)閉的回波屏蔽裝置。

如圖5所示給出本發(fā)明所述近距雷達(dá)傳感器的一個具體實(shí)施方式，圖5中，雷達(dá)波發(fā)生器由波形發(fā)生器和與其輸出端連接的定向耦合器組成，所述定向耦合器輸出端與環(huán)行器和混頻器連接；所述控制器與波形發(fā)生器控制連接，波形發(fā)生器受控制器控制，從而可以方便的控制頻率、波形及相位。

所謂濾波放大模塊是對波形進(jìn)行處理的常用裝置，一般由濾波器和放大器級聯(lián)組成，對接收到的模擬波形信號進(jìn)行濾波和放大。在環(huán)行器和混頻器之間連接一濾波放大模塊，對環(huán)行器輸出到混頻器的信號進(jìn)行濾波和放大處理。

本發(fā)明所述近距雷達(dá)傳感器的DAC用于將數(shù)字信號轉(zhuǎn)化為模擬信號，由于數(shù)字信號經(jīng)第二支路模擬信號采樣得到，將產(chǎn)生頻率為1/T_s的高頻信號，T_s為采樣周期。為屏蔽這些高頻信號的影響，可以在DAC中設(shè)置作用在輸入數(shù)字信號的上的低通濾波器，將高頻信號濾除后再進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換處理。

回波屏蔽裝置一般是安裝在天線口的微波吸收裝置，例如表面為微波吸收材料的微波吸收器，對回波信號吸收。回波屏蔽裝置可以被關(guān)閉或移除以使雷達(dá)可以正常進(jìn)行測距工作，移除方式可以采用自動機(jī)械裝置或人工移除。

以產(chǎn)生線性調(diào)頻連續(xù)波的近距雷達(dá)傳感器為例，由于泄露信號與回波信號頻帶高度重疊，因此難以篩選出其中的有用信號。本發(fā)明所述雷達(dá)傳感器可以通過預(yù)先測量得到泄露信號對接收信號進(jìn)行校準(zhǔn)，從而排除泄露信號的干擾。

本發(fā)明中，基于上述雷達(dá)傳感器進(jìn)行測量及校準(zhǔn)的步驟如下：

步驟1. 開啟雷達(dá)并使回波屏蔽裝置正常工作，采集混頻器輸出的第一基帶信號S_b1(t)并經(jīng)分路器、第二信號處理支路輸入到數(shù)字信號處理器，數(shù)字信號處理器采集第二信號處理支路傳輸?shù)男盘柌⒋鎯Φ谝换鶐盘朣_b1(t)。第一基帶信號可以存儲在數(shù)字信號處理器中。

步驟1也可稱為標(biāo)定模式。

步驟2. 關(guān)閉或移除回波屏蔽裝置；從DAC輸出第一基帶信號S_b1(t)；

混頻器輸出的第二基帶信號S_b2(t)經(jīng)分路器后與DAC輸出的第一基帶信號S_b1(t)在對消減法器處相減得到校準(zhǔn)基帶信號S_b(t)，并通過第一信號支路輸入到數(shù)字信號處理器。

為保證信號同步相減，所述步驟2中，由控制器控制第一基帶信號S_b1(t)、第二基帶信號S_b2(t)同步。步驟2中，可以調(diào)整DAC輸出信號的增益，使得其輸出的第一基帶信號S_b1(t)頻譜功率之和最小，可以減弱回波影響，并使兩個基帶信號同步相減結(jié)果更加可靠。步驟2也可稱為測量模式。

數(shù)字信號處理器對校準(zhǔn)基帶信號S_b(t)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，從而判定有無目標(biāo)并測量目標(biāo)距離；可以對校準(zhǔn)基帶信號S_b(t)首先進(jìn)行FFT（（Fast Fourier Transformation，即快速傅里葉變換）處理，再通過CFAR （CFAR即Constant False-Alarm Rate，恒虛警率檢測）判定有無目標(biāo)，最后通過頻譜的峰值測量包括近距離目標(biāo)在內(nèi)的所有目標(biāo)距離。

以下給出本發(fā)明的一個具體實(shí)施例:

本實(shí)施例中采用具有泄漏信號對消電路的雷達(dá)傳感器對近距離靜止目標(biāo)進(jìn)行測距。

本實(shí)施例中，采用如圖5所示的雷達(dá)傳感器結(jié)構(gòu)，波形產(chǎn)生器產(chǎn)生對稱三角調(diào)頻連續(xù)波（LFMCW） 作為雷達(dá)的發(fā)射信號，具體參數(shù)為：調(diào)制周期T_r=1ms，載波起始頻率f₀=34GHz,調(diào)頻帶寬B=400MHz，中頻采樣率200kHz。兩條信號處理支路中的濾波放大模塊器均為模擬低通濾波器，截止頻率為5kHz。

為了達(dá)到近距離測量目標(biāo)的效果，在測量前，系統(tǒng)首先置于標(biāo)定模式，以獲取對消的基準(zhǔn)信號。然后將系統(tǒng)置于測量模式，中頻信號經(jīng)對消處理，并進(jìn)行采集處理，得到近距離目標(biāo)的距離信息。

應(yīng)用本發(fā)明所述近距雷達(dá)傳感器及其測距方法進(jìn)行測距，有如下結(jié)果：

如圖6所示，左、右兩部分分別為系統(tǒng)置于標(biāo)定模式和置于測量模式時雷達(dá)所接受到的信號，在左半部分中可以看到，由于發(fā)射信號的本振信號泄漏、天線駐波等引起的泄漏問題，在天線口面前放置微波吸收裝置時所接收到的信號呈類似三角波的形狀，即是所謂的泄漏信號；而在右半部分中，測距時接收到的有用信號附加在泄漏信號上，呈現(xiàn)出如圖所示的信號形狀，比較左、右兩部分波形可以看出，實(shí)際的近距離目標(biāo)信號的幅度遠(yuǎn)小于泄漏信號的幅度，是附加在泄漏信號上的微弱信號。

如圖7所示為系統(tǒng)置于測量模式時，對經(jīng)第二信號處理支路所采集到的未經(jīng)對消的信號進(jìn)行傅里葉變換得到的頻域信號示意圖，圖8為系統(tǒng)置于測量模式時，對經(jīng)第一信號處理支路所采集到的對消后的信號進(jìn)行傅里葉變換得到的目標(biāo)頻域信號示意圖，可以看到對消處理后測得的目標(biāo)距離為1.318m，測出了近距離目標(biāo)的距離。這也說明泄漏信號的影響已經(jīng)被去除，能有效地檢測近距離目標(biāo)。

本發(fā)明中所公開的實(shí)施例描述的方法或算法的步驟可以直接用硬件、處理器執(zhí)行的軟件模塊，或者二者的結(jié)合來實(shí)施。軟件模塊可以置于隨機(jī)存儲器(RAM)、內(nèi)存、只讀存儲器(ROM)、電可編程ROM、電可擦除可編程ROM、寄存器、硬盤、可移動磁盤、CD-ROM、或技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)所公知的任意其它形式的存儲介質(zhì)中。

前文所述的為本發(fā)明的各個優(yōu)選實(shí)施例，各個優(yōu)選實(shí)施例中的優(yōu)選實(shí)施方式如果不是明顯自相矛盾或以某一優(yōu)選實(shí)施方式為前提，各個優(yōu)選實(shí)施方式都可以任意疊加組合使用，所述實(shí)施例以及實(shí)施例中的具體參數(shù)僅是為了清楚表述發(fā)明人的發(fā)明驗(yàn)證過程，并非用以限制本發(fā)明的專利保護(hù)范圍，本發(fā)明的專利保護(hù)范圍仍然以其權(quán)利要求書為準(zhǔn)，凡是運(yùn)用本發(fā)明的說明書及附圖內(nèi)容所作的等同結(jié)構(gòu)變化，同理均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。