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77ghz多载频MIMO汽车雷达信号处理方法的研究

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微波学报 2017年第S1期33卷 214-217页

作者：季晓宇缪晨邵鸿旭吴文南京理工大学近程高速目标探测技术国防重点学科实验室南京210094

由于线性调频连续波(LFMCW)汽车雷达对产品体积的要求,阵元和系统通道数都存在一定的限制,其角度分辨能力大幅降低。为了在系统体积和成本保持不变的情况下提高测角分辨能力,本文利用多载频MIMO雷达发射频率分集信号,通过MIMO雷达多发... 详细信息

由于线性调频连续波(LFMCW)汽车雷达对产品体积的要求,阵元和系统通道数都存在一定的限制,其角度分辨能力大幅降低。为了在系统体积和成本保持不变的情况下提高测角分辨能力,本文利用多载频MIMO雷达发射频率分集信号,通过MIMO雷达多发多收的特性产生虚拟阵列以此扩大天线孔径。该方法利用LFMCW上下扫频的数据进行精准的测距测速,同时运用MUSIC算法在测角范围内进行谱峰搜索精确估计目标方向,仿真结果表明了所提方法的可行性和有效性。

关键词： LFMCW 77ghz 多载频 MIMO 汽车雷达 MUSIC

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77ghz车载防撞雷达研究与设计

77GHz车载防撞雷达研究与设计

作者：秦吕成都理工大学

学位级别：硕士

随着雷达探测技术的发展,车载防撞雷达已经逐渐进入了大众视野,成为了高级辅助驾驶领域中不可或缺的一环,尤其是在车辆数量愈发增多的现在。车载防撞雷达通过对回波数据进行处理分析为驾驶人员提供预警,通过辅助驾驶人员来提升车辆的行... 详细信息

随着雷达探测技术的发展,车载防撞雷达已经逐渐进入了大众视野,成为了高级辅助驾驶领域中不可或缺的一环,尤其是在车辆数量愈发增多的现在。车载防撞雷达通过对回波数据进行处理分析为驾驶人员提供预警,通过辅助驾驶人员来提升车辆的行驶安全。24ghz与77ghz是车载防撞雷达的两个主要频段,但24ghz雷达存在体积大并且探测距离与精度不及77ghz雷达的问题,所以车载防撞雷达正在由24ghz逐步向77ghz过渡。毫米波雷达可以全天候的工作并且衰减弱、穿透性强,使其在众多雷达中脱颖而出成为了辅助驾驶的核心传感器。为了使雷达拥有较好的性能,本文设计的是77ghz车载防撞毫米波雷达。论文中给出了防撞雷达的硬件电路设计与防撞雷达在两种情况下的测试结果。重点实现了低副瓣阵列天线和对回波信号的处理算法。论文主要内容如下:(1)低副瓣天线设计方法对比分析。对比分析了两种能设计低副瓣天线的泰勒综合法与切比雪夫综合法,将两种综合法进行MATLAB仿真对比。由于泰勒综合法在天线单元数量较少时,方向图会变的不精确,选取更适合较少单元数的切比雪夫综合法。(2)给出了77ghz车载防撞雷达的总体框架并提出了性能要求,基于性能要求对雷达进行设计。对比分析多种77ghz芯片选取了高度集成的AWR1642芯片,并对芯片外围电路进行了设计。出于雷达体积的考虑,设计单元数为8的阵列天线。计算出贴片单元尺寸并用切比雪夫综合法对天线进行了优化,得到低副瓣和高增益的阵列天线,并在HFSS软件上进行仿真。天线与PCB集成后使成品雷达的体积为7cm*5cm*2cm,满足小体积的设计要求并且总体功耗在3W左右。(3)对回波数据的处理流程进行了说明并对部分重要算法进行了仿真。首先是说明了AWR1642的对数据的处理过程和参数设置,然后是对在DSP子系统内实现的算法进行了说明与仿真。重点对其中的测距算法、测速算法、测角算法、多种恒虚警算法在MATLAB上进行了仿真,对比分析多种恒虚警算法后选取了适合多目标的恒虚警算法OS＿CFAR。(4)对77ghz车载防撞毫米波雷达进行两种不同环境的测试。将应在DSP子系统内计算的数据导入到MATLAB中进行处理,将MATLAB处理结果与实际情况进行对比分析。对雷达的测试分别在两种环境下进行,在封闭环境下对金属反射器、行人、车辆进行了测试;在实际道路情况下对行驶中的车辆、电动自行车、行人进行了测试。在封闭环境下杂波干扰较少,测试效果良好,能够较精确的获取目标的信息;在实际道路环境情况下的杂波干扰较多,但也能较好的获取目标信息,测试结果验证了本文设计的车载防撞雷达的性能可以满足实际需求。

关键词：辅助驾驶目标检测 77ghz 低副瓣天线

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77ghz车载雷达的研究与设计

77GHz车载雷达的研究与设计

作者：袁钻兴西安电子科技大学

学位级别：硕士

随着无人驾驶概念的相关研究的火热开展,作为高级辅助驾驶系统中最重要的传感器之一,车载毫米波雷达,因为其具有不易受烟雾雨雪天气影响的独特优势,而成为了无人驾驶中重点研究的关键技术。各研究机构和厂家均致力于在有限的空间内,用... 详细信息

随着无人驾驶概念的相关研究的火热开展,作为高级辅助驾驶系统中最重要的传感器之一,车载毫米波雷达,因为其具有不易受烟雾雨雪天气影响的独特优势,而成为了无人驾驶中重点研究的关键技术。各研究机构和厂家均致力于在有限的空间内,用合适的成本完成高性能的车载毫米波雷达设计,将该设计实现量产并广泛应用于汽车市场。因此,对77ghz车载毫米波雷达系统的研究具有重要的理论研究意义和工程应用价值。本文主要工作安排如下:本文首先调研了国内外对车载毫米波雷达的研究现状,分析了发展趋势。其次概述了线性调频连续波体制雷达的工作原理,推导了探测目标信息的提取过程,包括了目标距离以及距离分辨率、目标相对速度以及速度分辨率、目标角度以及角度分辨率,从而总结出影响各项指标的雷达参数,用于指导雷达设计。在工程实现上,本文从车载毫米波雷达设计方案的确定入手并分解任务,经过对比各个厂商的解决方案,确定了采用基于集成度较高的收发一体化芯片的解决方案;设计了用于77ghz车载毫米波雷达的微带阵列天线,通过组阵的方式提高天线增益,通过单元幅度锥削达到低副瓣的效果;根据收发一体化芯片需求完成器件选型并设计其电源管理、存储电路以及高速接口等外围电路;完成单芯片方案的电路原理图以及版图设计。进一步地,为提高雷达系统的探测性能,本文基于MIMO原理提出用多片收发芯片级联的系统方案,对该方案的难点进行分析,设计了多路收发天线的布局以提高方位角以及俯仰角的分辨率;完成本振信号、帧同步信号以及系统时钟信号三种关键信号的同步设计;分析过孔残段的影响并采用背钻工艺优化本振信号功分网络的设计;最终完成级联系统的电路与PCB设计。最后设计实验,设计了一种板载天线雷达的总体方向图测试方法,并在微波暗室中完成对本文设计的77ghz车载雷达的性能指标测试,在3ghz扫频带宽下距离分辨率可达8cm,两发四收天线情况下最小角度分辨率约为16°。在室外对车测距实验可达280m。实验结果表明该雷达可以满足设计需求。

关键词： 77ghz 毫米波雷达收发一体天线阵列级联系统

77ghz毫米波车载雷达信号处理的设计与实现

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77GHz毫米波车载雷达信号处理的设计与实现

作者：沈俊逸南京理工大学

学位级别：硕士

毫米波车载雷达能够有效预防交通事故,对交通安全起到重要作用,对其开展研究具有极大的现实意义和广阔应用前景。基于阵列信号处理的77ghz雷达具有作用距离远、角度分辨率高及测角精度高等优点。本文设计了 77ghz车载毫米波雷达阵列信... 详细信息

毫米波车载雷达能够有效预防交通事故,对交通安全起到重要作用,对其开展研究具有极大的现实意义和广阔应用前景。基于阵列信号处理的77ghz雷达具有作用距离远、角度分辨率高及测角精度高等优点。本文设计了 77ghz车载毫米波雷达阵列信号处理方案并进行了实测验证,主要工作包括:1、根据信号处理要求设计了 77ghz毫米波车载雷达的参数,说明了信号处理芯片的选型及其理由,并介绍了经典DOA估计算法MUSIC算法作为阵列信号处理的主体算法。2、为了实现本文所设计的雷达功能和性能,分别对MPC5775K芯片的系统时钟、模式输入(MCE)、模拟前端(AFE)、时钟中断触发(CTE)、波形产生(WGM)以及信号处理(SPT)等模块进行了详细研究。3、完成了 77ghz毫米波车载雷达阵列信号处理的实现与实测。首先对本文的实测平台进行调试,然后通过C语言对信号处理算法进行了实现与优化,最后对雷达的实测数据进行分析,证明了本文信号处理算法的有效性。4、根据MUSIC算法的基于噪声子空间构造谱函数的原理,对实际情况中噪声对MUSIC算法的影响进行了深入研究,分别对信噪比、噪声类型、噪声不一致对MUSIC算法的影响,进行了研究分析和仿真验证,并对其给出了相应的解决方法,并仿真验证了解决方法的有效性。

关键词：毫米波车载雷达 77ghz MPC5775K MUSIC算法噪声

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77ghz毫米波相控阵雷达研究

77GHz毫米波相控阵雷达研究

作者：颜旺电子科技大学

学位级别：硕士

近年来,随着自动驾驶和智能交通领域的不断深入研究,毫米波技术的不断成熟和广泛应用,毫米波雷达由于抗干扰能力强、动态范围宽、鲁棒性高、可全天候工作等优势使其被广泛应用在汽车、交通、安防等领域。其中77ghz频段凭借着更宽的带宽... 详细信息

近年来,随着自动驾驶和智能交通领域的不断深入研究,毫米波技术的不断成熟和广泛应用,毫米波雷达由于抗干扰能力强、动态范围宽、鲁棒性高、可全天候工作等优势使其被广泛应用在汽车、交通、安防等领域。其中77ghz频段凭借着更宽的带宽、更高的发射功率逐渐成为毫米波雷达的主流频段。相控阵雷达的快速扫描响应使得毫米波雷达的刷新率进一步提升。本文研究并提出了一种77ghz毫米波相控阵雷达的解决方案,成功实现了单芯片毫米波相控阵雷达的波束控制和目标检测,并给出多芯片级联方案的参考设计。本文的研究内容和主要工作包括以下几个方面:第一,针对毫米波雷达的研究背景和发展现状进行了文献调研工作,明确了77ghz频段的优越性,并将相控阵雷达作为主要研究方向,阐述了毫米波相控阵雷达的相关理论,包括调频连续波雷达理论、相控阵雷达原理以及相控阵校准技术。第二,完成整体雷达的硬件电路设计,在单板架构设计后,完成相应的功耗分析,电源设计等前期工作,设计多接口进行数据交互,完成基带控制电路和射频前端电路的原理图设计,并进行了版图的绘制,制板,焊接调试等工作。第三,开展软件程序的开发,基带单板完成射频前端芯片的配置,基带信号的处理以及以太网数据传输通信,射频单板完成射频信号的发送与接收,并编写相应上位机实现整体系统联调。最后搭建相应实验环境对设计的77ghz毫米波相控阵雷达进行了模块功能和性能测试,射频前端的通道测试以及雷达的整体性能测试,测试结果符合前期设计目标,验证了单元级毫米波相控阵雷达方案,为后续77ghz毫米波相控阵雷达的大规模级联阵列化研究提供了参考。

关键词： 77ghz 毫米波相控阵波束扫描系统设计

77ghz调频连续波线阵雷达的关键技术研究

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77GHz调频连续波线阵雷达的关键技术研究

作者：王超西南科技大学

学位级别：硕士

随着半导体工艺的不断进步,调频连续波(Frequency Modulated Continuous Wave,FMCW)雷达技术也在不断的进步,雷达传感器在民用领域也受到越来越多的关注。在雷达成像领域,相比传统的光学摄像头、激光雷达和红外辐射摄像机,FMCW雷达具有... 详细信息

随着半导体工艺的不断进步,调频连续波(Frequency Modulated Continuous Wave,FMCW)雷达技术也在不断的进步,雷达传感器在民用领域也受到越来越多的关注。在雷达成像领域,相比传统的光学摄像头、激光雷达和红外辐射摄像机,FMCW雷达具有更高的测量精度、在烟雾条件和火灾环境中具有更优秀的工作能力等。在调频连续波(FMCW)雷达中,通过与多输入多输出(Multi-input Multi-output,MIMO)阵列技术相结合,可以大幅度提高其测量精度,从而极大地改善FMCW雷达的成像效果。本文的研究重点在于MIMO FMCW雷达的硬件设计实现和室内外人员定位和点云成像关键技术。本论文首先介绍了FMCW雷达的硬件结构,从硬件层次分析其原理;接着对测距、测速、测角公式进行了推导;最后对均值类恒虚警(Cell Averaging Constant False Alarm Rate,CA-CFAR)算法、点云成像技术做了介绍。MIMO技术的引入,使得FMCW雷达具有更高的角分辨率特点,这在成像雷达中具有非常高的应用前景和研究价值。进而我们介绍了MIMO虚拟孔径技术原理,对其如何提高角度分辨率进行了分析,接着分析了时分复用(Time Division Multiplexing Access,TDMA)正交波形的发射方式,对TDMA-MIMO的信号处理模型进行了推导。最后,我们针对近场室内外人员定位和点云成像目标构建了指标参数,对MIMO天线进行了研究设计,设计了一个间距为1.28λ的线阵天线。针对硬件实现,本论文首先进行方案调研选取,最终选择采用一体化芯片解决方案,围绕AWR1443雷达传感器搭建了点云成像方案;然后按照天线指标,设计了用于77ghz FMCW雷达的微带线阵天线;接着针对MIMO FMCW成像线阵雷达系统指标,参照德州仪器(Texas Instruments,TI)的评估板完成了各个器件的原理图设计、版图设计。最后我们对实物样机进行了测距实验,验证了其测距功能。最后,在MIMO线性阵列进行室内外人员定位及点云成像实验中,研究了线阵毫米波雷达信号处理和优化算法,根据毫米波雷达接收点云数据量少,测量范围小和易受反射干扰的缺点,通过采用CA-CFAR算法配合二维度旋转转台提取了更多的点云数据,并进行了室外有无烟雾实验验证,得到了较好的整体效果。

关键词：调频连续波雷达 MIMO线阵 77ghz 人员定位点云成像

77ghz毫米波汽车防撞雷达系统研究与设计

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77GHz毫米波汽车防撞雷达系统研究与设计

作者：黄壮南京航空航天大学

学位级别：硕士

汽车防撞雷达具有全天候,全天时等优点,成为自动驾驶车辆必不可少的传感器之一,在汽车辅助驾驶领域具有重要应用价值和广阔市场前景。本文围绕77ghz毫米波汽车防撞雷达系统的实现展开了深入研究,主要研究了雷达信号处理、数据处理算法... 详细信息

汽车防撞雷达具有全天候,全天时等优点,成为自动驾驶车辆必不可少的传感器之一,在汽车辅助驾驶领域具有重要应用价值和广阔市场前景。本文围绕77ghz毫米波汽车防撞雷达系统的实现展开了深入研究,主要研究了雷达信号处理、数据处理算法和系统工程实现,并对汽车防撞雷达探测-通信一体化功能进行了拓展研究。本文主要工作如下:（1）本文设计了基于AWR1243+FPGA+DSP平台的汽车防撞雷达系统方案,研究了调频连续波（FMCW）雷达的测距测速测角基本原理和二维恒虚警检测算法以及适用于汽车防撞雷达数据的点迹凝聚和目标跟踪算法。（2）针对DBSCAN聚类算法的全局密度阈值和时间复杂度高的缺点,提出了一种基于极坐标网格划分的三维PG-DBSCAN算法。算法使用极坐标网格替代等间隔网格,利用网格粗聚类和DBSCAN精聚类相结合的方法实现点迹凝聚。相较于DBSCAN算法,该算法不仅提高了算法效率,还修正了其全局密度阈值的缺点,使得远近密度不同的车辆目标都能凝聚起来。（3）针对系统实时性要求,提出了一种EDMA+乒乓缓冲的DSP程序性能优化方法。该方法利用乒乓缓冲操作在接收下一脉冲回波数据的同时,DSP在内存中做上一脉冲回波数据的FFT运算,再利用EDMA技术将运算结果搬移到外存中用于后续处理,使得DSP不需要耗费宝贵时间在等待数据搬移上,提高了处理效率,将系统程序运行时间优化到50ms工作周期内。（4）针对汽车防撞雷达探测-通信一体化功能的拓展研究,提出了一种基于扩频编码的FMCW雷达后向散射通信系统方案。系统在不改变雷达硬件的基础上,将标签信息后向散射调制到雷达信号中,使雷达在目标探测同时还具备标签识别功能,并在后向散射调制过程中引入扩频编码技术,借助雷达接收解扩产生的扩频增益来增强标签信号,解决了远距离标签后向散射信号能量弱的难题。综上所述,本文完成了77ghz汽车防撞雷达系统的研究与设计,并在其基础上拓展研究了后向散射通信系统,对于汽车防撞雷达探测-通信一体化功能的探究具有一定的参考价值。实测结果表明本系统能够实现车辆目标探测和防撞功能,可支持汽车主动避障等应用。

关键词：汽车防撞雷达 77ghz FMCW 点迹凝聚后向散射通信

77ghz汽车防撞雷达系统一些关键技术研究

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77GHz汽车防撞雷达系统一些关键技术研究

作者：徐俊东南大学

学位级别：硕士

随着社会经济的发展和人民生活水平的提高,汽车开始作为主要的交通工具越来越普及,与此同时,安全驾驶也越来越成为大众关注的焦点,汽车防撞雷达作为一种主动安全防御措施越来越受到关注。77ghz频段与目前汽车防撞雷达采用的其他频段相... 详细信息

随着社会经济的发展和人民生活水平的提高,汽车开始作为主要的交通工具越来越普及,与此同时,安全驾驶也越来越成为大众关注的焦点,汽车防撞雷达作为一种主动安全防御措施越来越受到关注。77ghz频段与目前汽车防撞雷达采用的其他频段相比有多个方面的优势,是未来汽车防撞雷达的发展方向。本文针对77ghz汽车防撞雷达系统中的一些关键技术开展研究。论文主要工作如下：第一章简要介绍了77ghz汽车防撞雷达的国内外研究现状和本文的主要工作。第二章介绍了77ghz汽车防撞雷达的基本原理和整体的设计方案。第三章给出了77ghz汽车防撞雷达天线的设计。为了方便该频段天线的测试,首先设计了一种基片集成波导(SIW)到标准金属波导的转接结构,接着分别设计了八单元SIW缝隙线阵和十六单元SIW缝隙线阵。基于十六单元SIW缝隙线阵设计完成了可用于远距探测的4×16单元缝隙面阵。所有天线及转接结构均加工了实物并进行了测试,验证了设计的正确性。第四章介绍了具有谐波抑制功能的滤波器设计。基于阶跃阻抗谐振器(SIR)技术分别设计了一种二阶、一种四阶和一种五阶SIR带通滤波器,均在仿真的基础上加工了滤波器实物并进行了测试,测试结果均与仿真结果吻合得很好,证明了设计的正确性。五阶的SIR滤波器可作为本振滤波器使用来滤除二次谐波。第五章介绍了77ghz汽车防撞雷达测距、测速、测角的基本算法,并基于Matlab编写了仿真程序,进行了单目标情况下的算法验证,证明了算法的可行性。

关键词： 77ghz 汽车防撞雷达 SIW缝隙阵 SIR带通滤波器雷达基本算法

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77ghz微带阵列天线研究与设计

77GHz微带阵列天线研究与设计

作者：李文超南京理工大学

学位级别：硕士

近年来,由于汽车数量的迅速增加,交通事故变得越来越频发。毫米波雷达具有成本低,全天候工作的特点,受到了众多厂家的青睐。本文研究了适用于车载雷达领域的77ghz微带阵列天线,分别设计了短距离雷达阵列天线、长距离雷达阵列天线与相控... 详细信息

近年来,由于汽车数量的迅速增加,交通事故变得越来越频发。毫米波雷达具有成本低,全天候工作的特点,受到了众多厂家的青睐。本文研究了适用于车载雷达领域的77ghz微带阵列天线,分别设计了短距离雷达阵列天线、长距离雷达阵列天线与相控雷达阵列天线。首先介绍了微带天线基本知识与分析方法,分析了阵列天线的原理,为下文的天线设计提供了理论基础。其次,研究了切比雪夫阵列综合法,并设计1×8与1×12小型线阵作为收发天线。仿真结果表明:接收天线增益为15.3dB,副瓣电平低于-24dB,S=-25dB,Sghz;发射天线增益为17.1dB,副瓣电平低于-24dB,S=-31dB,Sghz。后续对天线进行布板与测试,分析测试结果偏差原因,并改进了设计,改进后的发射天线增益为14.5dB,副瓣电平小于-20dB,满足设计要求。然后,研究了适合大型阵列的泰勒综合法,并提出了一种通过在各个输出端口加载阻抗变换器来实现任意功分比的新型功分器。完成了10×16、2×16微带阵列天线与6×17微带梳型阵列天线的设计。仿真结果表明:10×16阵列增益为26.2dB,副瓣平低于-20dB,S=-19dB,Sghz;2×16阵列增益为19.6dB,副瓣电平低于-20dB,S=-23.6dB,Sghz;6×17梳型阵列增益为22.9dB,副瓣电平低于-20dB,S=-21.3dB,Sghz。后续对10×16阵列进行测试,增益为21.7dB,副瓣电平小于-20dB,满足设计要求最后研究了低副瓣相控阵天线原理,以1×4线阵作为单元,在满足栅瓣抑制的前提下,按照H面排列组成相控阵,实现了在±50o的波束扫描范围内,增益不低于18dB,副瓣电平低于-15dB。

关键词：车载雷达 77ghz 微带天线阵列天线低副瓣相控阵