雷达测距测速装置及方法与流程

1.本发明涉及雷达测量技术领域，具体涉及一种雷达测距测速装置及方法。


背景技术：

2.雷达，是英文radar的音译，源于radio detection and ranging的缩写，意思为"无线电探测和测距"，即用无线电的方法发现目标并测定它们的空间位置。因此，雷达也被称为"无线电定位"。雷达是利用电磁波探测目标的电子设备。雷达发射电磁波对目标进行照射并接收其回波，由此获得目标至电磁波发射点的距离、距离变化率(径向速度)、方位、高度等信息。
3.一般来说现在的雷达使用的基本上都是调频连续波(frequency modulation continuous wave，简称fmcw)雷达，该种类的雷达主要优点有辐射功率小、测距测速精度高、设备相对简单、易于实现固态化设计、具有良好的电子对抗(ecm)和低截获概率(lpi)性能等。工作原理是利用fmcw雷达在空间上发射调频连续，同时检测其回波信号，再利用回波信号和发射信号的一部分进行相干混频，得到包含目标距离和速度信息的差频信号，然后对差频信号进行处理和检测即可得到目标的距离和速度。
4.但现有fmcw雷达为了通过上述频率差来获得目标物体的距离与速度信息，一般都是采用三角波的调制方式来获得目标物体的距离和速度信息，也即需要依次发射具有正斜率的fmcw信号和具有负斜率的fmcw信号，通过分别获得的频率差来提取距离和速度信息。但由于具有正斜率的fmcw信号和具有负斜率的fmcw信号的发射、接收以及处理都是依次进行的，属于串行处理，其处理速度较慢，难以应用于对处理时间有苛刻要求的场景。
5.因此，有必要提供改进的技术方案以克服现有技术中存在的以上技术问题。


技术实现要素：

6.为了解决上述技术问题，本发明提供了一种雷达测距测速装置及方法，可以同时实现对具有正斜率的fmcw信号和具有负斜率的fmcw信号的发射、接收及处理，能够有效的缩短雷达的测速和测距时间。
7.根据本公开第一方面，提供了一种雷达测距测速装置，包括：第一测量模块，发射第一调频连续波信号，以及同时接收第一回波信号和第二回波信号，所述第一测量模块用于对接收的回波信号和发射的所述第一调频连续波信号进行混频、复数滤波和模数转换处理后获得表征所述第一调频连续波信号与所述第一回波信号之间的频率差的第一数字信号和第二数字信号；
8.第二测量模块，在所述第一测量模块发射所述第一调频连续波信号的同时发射第二调频连续波信号，以及同时接收所述第一回波信号和所述第二回波信号，所述第二测量模块用于对接收的回波信号和发射的所述第二调频连续波信号进行混频、复数滤波和模数转换处理后获得表征所述第二调频连续波信号与所述第二回波信号之间的频率差的第三数字信号和第四数字信号；
9.信号处理模块，对所述第一数字信号和所述第二数字信号、以及所述第三数字信号和所述第四数字信号进行数据处理，获得目标物体的距离和速度信息，
10.其中，所述第一回波信号为所述第一调频连续波信号在目标物体上的反射信号，所述第二回波信号为所述第二调频连续波信号在目标物体上的反射信号。
11.可选地，所述第一调频连续波信号的频率随时间线性增大，所述第二调频连续波信号的频率随时间线性减小。
12.可选地，所述第一测量模块包括：
13.第一信号源，用于产生所述第一调频连续波信号和具有第一本振频率的第一本振信号和第二本振信号；
14.第一天线，用于发射所述第一调频连续波信号以及接收所述第一回波信号和所述第二回波信号；
15.第一正交混频器，用于将所述第一回波信号和第二回波信号分别与所述第一本振信号和所述第二本振信号进行混频，获得第一中频信号和第二中频信号；
16.第一复数滤波器，用于对所述第一中频信号和所述第二中频信号进行复数滤波，分别获得表征所述第一本振信号和所述第二本振信号与所述第一回波信号之间的频率差的第一模拟信号和第二模拟信号；
17.第一模数转换器，对所述第一模拟信号和所述第二模拟信号进行模数转换，获得第一数字信号和第二数字信号。
18.可选地，所述第一本振信号和所述第二本振信号的相位差为180度。
19.可选地，同一时刻，所述第一本振频率与所述第一回波信号的频率的差值大于0，所述第一本振频率与所述第二回波信号的频率的差值小于0。
20.可选地，所述第一复数滤波器传输正频率信号并抑制负频率信号。
21.可选地，所述第二测量模块包括：
22.第二信号源，用于产生所述第二调频连续波信号和具有第二本振频率的第三本振信号和第四本振信号；
23.第二天线，用于在所述第一天线发射所述第一调频连续波信号的同时发射所述第二调频连续波信号以及接收所述第一回波信号和所述第二回波信号；
24.第二正交混频器，用于将所述第一回波信号和第二回波信号分别与所述第三本振信号和所述第四本振信号进行混频，获得第三中频信号和第四中频信号；
25.第二复数滤波器，用于对所述第三中频信号和所述第四中频信号进行复数滤波，分别获得表征所述第三本振信号和所述第四本振信号与所述第二回波信号之间的频率差的第三模拟信号和第四模拟信号；
26.第二模数转换器，对所述第三模拟信号和所述第四模拟信号进行模数转换，获得第三数字信号和第四数字信号。
27.可选地，所述第三本振信号和所述第四本振信号的相位差为180度。
28.可选地，同一时刻，所述第二本振频率与所述第一回波信号的频率的差值大于0，所述第二本振频率与所述第二回波信号的频率的差值小于0。
29.可选地，所述第二复数滤波器传输负频率信号并抑制正频率信号。
30.根据本公开第二方面，提供了一种雷达测距测速方法，包括：经由第一天线向目标
物体发射第一调频连续波信号，同时经由第二天线向目标物体发射第二调频连续波信号；
31.同时接收第一回波信号和第二回波信号；
32.将所述第一回波信号和所述第二回波信号分别与所述第一调频连续波信号的两路本振信号进行混频，获得第一中频信号和第二中频信号；
33.将所述第一回波信号和所述第二回波信号分别与所述第二调频连续波信号的两路本振信号进行混频，获得第三中频信号和第四中频信号；
34.对所述第一中频信号和所述第二中频信号进行复数滤波和模数转换，获得表征所述第一调频连续波信号与所述第一回波信号之间的频率差的第一数字信号和第二数字信号；
35.对所述第三中频信号和所述第四中频信号进行复数滤波和模数转换，获得表征所述第二调频连续波信号与所述第二回波信号之间的频率差的第三数字信号和第四数字信号；
36.对所述第一数字信号和所述第二数字信号、以及所述第三数字信号和所述第四数字信号进行数据处理，获得目标物体的距离和速度信息，
37.其中，所述第一调频连续波信号的频率随时间线性增大，所述第二调频连续波信号的频率随时间线性减小。
38.可选地，所述第一调频连续波信号的两路本振信号的相位差，以及所述第二调频连续波信号的两路本振信号的相位差均为180度。
39.可选地，所述第一中频信号和所述第二中频信号中包括正频率信号部分和负频率信号部分，对所述第一中频信号和所述第二中频信号进行复数滤波包括滤除所述第一中频信号和所述第二中频信号中的负频率信号部分。
40.可选地，所述第三中频信号和所述第四中频信号中包括正频率信号部分和负频率信号部分，对所述第三中频信号和所述第四中频信号进行复数滤波包括滤除所述第三中频信号和所述第四中频信号中的正频率信号部分。
41.本发明的有益效果至少包括：
42.本发明实施例的雷达测距测速装置中第一测量模块和第二测量模块同时向目标物体发射具有正斜率的fmcw信号(即第一调频连续波信号)和具有负斜率的fmcw信号(即第二调频连续波信号)、同时接收反射的第一回波信号和第二回波信号，以及同时对接收信号和各自的发射信号进行混频、复数滤波和模数转换处理后获得相应的数字信号，实现了对具有正斜率的fmcw信号和具有负斜率的fmcw信号的并行发射、接收及处理，进而有效的缩短了雷达的测速和测距时间。
43.应当说明的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本发明。
附图说明
44.图1示出根据本发明实施例提供的雷达测距测速装置的结构示意图；
45.图2示出根据本发明实施例提供的第一调频连续波信号和第二调频连续波信号以其各自的本振信号和回波信号的结构示意图；
46.图3示出根据本发明实施例提供的正交混频器的结构示意图；
47.图4示出根据本发明实施例提供的复数滤波器的幅频特性示意图；
48.图5示出根据本发明实施例提供的雷达测距测速方法的流程示意图。
具体实施方式
49.为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的较佳实施例。但是，本发明可以通过不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反的，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。
50.图1示出本发明实施例提供的一种雷达测距测速装置的结构示意图。如图1所示，该雷达测距测速装置包括：第一测量模块100、第二测量模块200和信号处理模块300。其中，第一测量模块100发射第一调频连续波信号同时接收回波信号。第二测量模块200在第一测量模块100发射第一调频连续波信号的同时发射第二调频连续波信号同时接收回波信号。可以理解，第一测量模块100和第二测量模块200各自所接收的回波信号均包括第一调频连续波信号在目标物体上反射生成的第一回波信号以及第二调频连续波信号在目标物体上反射生成的第二回波信号。
51.第一测量模块100还用于对接收的回波信号和发射的第一调频连续波信号进行正交混频、复数滤波和模数转换处理后获得表征第一调频连续波信号与回波信号中的第一回波信号之间的频率差的第一数字信号和第二数字信号。示例性地，第一测量模块100进一步包括：第一信号源120、第一天线110、第一正交混频器130、第一复数滤波器140和第一模数转换器150。
52.第一信号源120用于产生第一调频连续波信号和具有第一本振频率且相位相差180度的两路本振信号(包括第一本振信号和第二本振信号)。本实施例中，第一信号源120产生的第一调频连续波信号的频率随时间线性增大，也即第一调频连续波信号的斜率-时间波形具有正斜率，如图2中实线部分所示，同时，第一信号源120产生的两路本振信号的本振频率与第一调频连续波信号的频率相同。
53.第一天线110与第一信号源120连接，用于发射第一调频连续波信号以及接收第一回波信号和第二回波信号。由上述可知，由于本发明为同时向目标物体发射具有正斜率的第一调频连续波信号和具有负斜率的第二调频连续波信号，所以第一天线110所接收的回波信号中同时包括第一回波信号和第二回波信号。
54.第一正交混频器130分别与第一信号源120和第一天线110连接，用于将第一回波信号和第二回波信号分别与第一本振信号和第二本振信号进行正交混频，获得第一中频信号和第二中频信号。参考图3，本发明实施例中的第一正交混频器130中包含有第一混频器301和第二混频器302。其中，第一混频器301的第一输入端接收同时包含有第一回波信号和第二回波信号的回波信号，第一混频器301的第二输入端接收第一本振信号，第一混频器301用于同时对第一回波信号、第二回波信号和第一本振信号进行正交混频后于其输出端i输出同时包含有表征第一本振信号和第一回波信号的差频信号、以及表征第一本振信号和第二回波信号的差频信号的第一中频信号。第二混频器302的第一输入端接收同时包含有第一回波信号和第二回波信号的回波信号，第二混频器302的第二输入端接收第二本振信号，第二混频器302用于同时对第一回波信号、第二回波信号和第二本振信号进行正交混频
后于其输出端q输出同时包含有表征第二本振信号和第一回波信号的差频信号、以及表征第二本振信号和第二回波信号的差频信号的第二中频信号。
55.第一复数滤波器140用于对第一中频信号和第二中频信号进行复数滤波，分别获得表征第一本振信号和第二本振信号与第一回波信号之间的频率差的第一模拟信号和第二模拟信号。本实施例中，第一复数滤波器140的幅频特性如图4中的实线部分所示，第一复数滤波器140在其通带内通过且仅能通过正频率信号，也即第一复数滤波器140能实现对正频率信号的传输和对负频率信号的抑制。
56.参考图2，基于信号反射原理可知，在同一时刻，第一本振信号和第二本振信号的第一本振频率与第一回波信号的频率的差值始终大于0，也即第一中频信号中表征第一本振信号和第一回波信号的差频信号为正频率信号，以及第二中频信号中表征第二本振信号和第一回波信号的差频信号为正频率信号，而通过合理设置第一调频连续波信号和第二调频连续波信号的起止频率(例如设置第一调频连续波信号的终止频率小于或等于第二调频连续波信号的终止频率)，可使得第一本振信号和第二本振信号的第一本振频率与第二回波信号的频率的差值始终小于0。如此，通过第一复数滤波器140对第一中频信号和第二中频信号的复数滤波处理，即可滤除掉第一中频信号和第二中频信号中关于第一本振信号和第二本振信号分别与第二回波信号的差频信号部分，实现对基于第一回波信号的差频信号的提取。
57.第一模数转换器150对第一模拟信号和第二模拟信号进行模数转换，获得第一数字信号和第二数字信号。
58.第二测量模块200还用于对接收的回波信号和发射的第二调频连续波信号进行正交混频、复数滤波和模数转换处理后获得表征第二调频连续波信号与回波信号中的第二回波信号之间的频率差的第三数字信号和第四数字信号。示例性地，第二测量模块200进一步包括：第二信号源220、第二天线210、第二正交混频器230、第二复数滤波器240和第二模数转换器250。
59.第二信号源220用于产生第二调频连续波信号和具有第二本振频率且相位相差180度的两路本振信号(包括第三本振信号和第四本振信号)。本实施例中，第二信号源220产生的第二调频连续波信号的频率随时间线性减小，也即第二调频连续波信号的斜率-时间波形具有负斜率，如图2中虚线部分所示，同时，第二信号源220产生的两路本振信号的本振频率与第二调频连续波信号的频率相同。
60.第二天线210与第二信号源220连接，用于发射第二调频连续波信号以及接收第一回波信号和第二回波信号。由上述可知，由于本发明为同时向目标物体发射具有正斜率的第一调频连续波信号和具有负斜率的第二调频连续波信号，所以第二天线210所接收的回波信号中同时包括第一回波信号和第二回波信号。
61.第二正交混频器230分别与第二信号源220和第二天线210连接，用于将第一回波信号和第二回波信号分别与第三本振信号和第四本振信号进行正交混频，获得第三中频信号和第四中频信号。参考图3，本发明实施例中的第二正交混频器230中包含有第一混频器301和第二混频器302。其中，第一混频器301的第一输入端接收同时包含有第一回波信号和第二回波信号的回波信号，第一混频器301的第二输入端接收第三本振信号，第一混频器301用于同时对第一回波信号、第二回波信号和第三本振信号进行正交混频后于其输出端i
输出同时包含有表征第三本振信号和第一回波信号的差频信号、以及表征第三本振信号和第二回波信号的差频信号的第三中频信号。第二混频器302的第一输入端接收同时包含有第一回波信号和第二回波信号的回波信号，第二混频器302的第二输入端接收第四本振信号，第二混频器302用于同时对第一回波信号、第二回波信号和第四本振信号进行正交混频后于其输出端q输出同时包含有表征第四本振信号和第一回波信号的差频信号、以及表征第四本振信号和第二回波信号的差频信号的第四中频信号。
62.第二复数滤波器240用于对第三中频信号和第四中频信号进行复数滤波，分别获得表征第三本振信号和第四本振信号与第二回波信号之间的频率差的第三模拟信号和第四模拟信号。本实施例中，第二复数滤波器240的幅频特性如图4中的虚线部分所示，第二复数滤波器240在其通带内通过且仅能通过负频率信号，也即第二复数滤波器240能实现对负频率信号的传输和对正频率信号的抑制。
63.参考图2，基于信号反射原理可知，在同一时刻，第三本振信号和第四本振信号的第二本振频率与第一回波信号的频率的差值始终大于0，也即第三中频信号中表征第三本振信号和第一回波信号的差频信号为正频率信号，以及第二中频信号中表征第四本振信号和第一回波信号的差频信号为正频率信号，而通过合理设置第一调频连续波信号和第二调频连续波信号的起止频率(例如设置第一调频连续波信号的终止频率小于或等于第二调频连续波信号的终止频率)，可使得第三本振信号和第四本振信号的第二本振频率与第二回波信号的频率的差值始终小于0。如此，通过第二复数滤波器240对第三中频信号和第四中频信号的复数滤波处理，即可滤除掉第三中频信号和第四中频信号中关于第三本振信号和第四本振信号分别与第一回波信号的差频信号部分，实现对基于第二回波信号的差频信号的提取。
64.第二模数转换器250对第三模拟信号和第四模拟信号进行模数转换，获得第三数字信号和第四数字信号。
65.信号处理模块300分别与第一测量模块100和第二测量模块200连接，对第一数字信号、第二数字信号、第三数字信号和第四数字信号进行数据处理，获得目标物体的距离和速度信息。信号处理模块300的具体结构和对第一数字信号、第二数字信号、第三数字信号和第四数字信号进行数据处理以获得目标物体的距离和速度信息的具体处理过程可参考现有技术的方案进行理解，由于其不影响对本技术的保护点的理解，因此本文中对此不做详述。
66.基于上述描述，本发明实施例的雷达测距测速装置中，第一测量模块100和第二测量模块200基于各自的信号源同时产生具有正斜率的第一调频连续波信号和具有负斜率的第二调频连续波信号，并通过各自的天线同时发射至目标物体，相较于传统的采样三角波形式的调频连续波信号中正斜率信号和负斜率信号的串行发射方式，本发明能够有效地节省调频连续波信号的发射和接收时间。由于本发明是并行地同时向目标物体发射具有正斜率的第一调频连续波信号和具有负斜率的第二调频连续波信号，因此第一测量模块100和第二测量模块200中的天线也会同时接收到两个调频连续波信号同时产生的回波信号，但本发明实施例还分别在第一测量模块100和第二测量模块200中设置有各自的正交混频器和复数滤波器。本发明通过合理的设置第一调频连续波信号和第二调频连续波信号的起止频率，可以使得在同一时间内，正斜率的第一调频连续波信号的回波信号频率始终小于其
本振信号频率，而负斜率的第二调频连续波信号的回波信号频率始终大于其本振信号频率，进而基于仅能够实现正频率信号传输的第一复数滤波器140和仅能够实现负频率信号传输的第二复数滤波器240，实现对第一正交混频器130和第二正交混频器230输出的中频信号中有用信号的区分和提取，由于两个回波信号的混频、滤波和模数转换的处理过程是同时进行的，因此本发明也能够有效地节省对调频连续波信号及其回波信号的差频信号的信号处理时间。之后通过对获得的数字信号进行相应的信号处理，即可快速的获得目标物体的距离和速度信息。本发明能够同时实现对具有正斜率的fmcw信号和具有负斜率的fmcw信号的发射、接收及处理，有效的缩短了雷达的测速和测距时间。
67.进一步地，本发明还公开了一种雷达测距测速方法，可应用于如图1至图4中所示出的雷达测距测速装置。如图5所示，该雷达测距测速方法包括执行如下步骤：
68.在步骤s1中，经由第一天线向目标物体发射第一调频连续波信号，同时经由第二天线向目标物体发射第二调频连续波信号。
69.本实施例中，第一测量模块100和第二测量模块200基于各自的信号源同时产生具有正斜率的第一调频连续波信号和具有负斜率的第二调频连续波信号，并通过各自的天线同时发射至目标物体。其中，第一调频连续波信号的频率随时间线性增大，第二调频连续波信号的频率随时间线性减小。
70.在步骤s2中，同时接收第一回波信号和第二回波信号。
71.本实施例中，第一测量模块100中的第一天线110和第二测量模块200中的第二天线210所接收的回波信号均同时包括第一回波信号部分和第二回波信号部分。
72.在步骤s3中，将第一回波信号和第二回波信号分别与第一调频连续波信号的两路本振信号进行混频，获得第一中频信号和第二中频信号。
73.本实施例中，将第一天线110所接收的回波信号和由第一测量模块100中的第一信号源120产生具有第一本振频率且相位相差180度的两路本振信号同时输入至第一正交混频器130中进行正交混频，获得第一中频信号和第二中频信号。具体可参考前述对第一正交混频器130的描述进行理解，此处不再赘述。
74.在步骤s4中，将第一回波信号和第二回波信号分别与第二调频连续波信号的两路本振信号进行混频，获得第三中频信号和第四中频信号。
75.本实施例中，将第二天线210所接收的回波信号和由第二测量模块200中的第二信号源220产生具有第二本振频率且相位相差180度的两路本振信号同时输入至第二正交混频器230中进行正交混频，获得第三中频信号和第四中频信号。具体可参考前述对第二正交混频器230的描述进行理解，此处不再赘述。
76.在步骤s5中，对第一中频信号和第二中频信号进行复数滤波和模数转换，获得表征第一调频连续波信号与第一回波信号之间的频率差的第一数字信号和第二数字信号。
77.本实施例中，第一中频信号和第二中频信号中包括正频率信号部分和负频率信号部分，对第一中频信号和第二中频信号进行复数滤波包括滤除第一中频信号和第二中频信号中的负频率信号部分。具体可参考前述对第一复数滤波器140的描述进行理解，此处不再赘述。
78.在步骤s6中，对第三中频信号和第四中频信号进行复数滤波和模数转换，获得表征第二调频连续波信号与第二回波信号之间的频率差的第三数字信号和第四数字信号。
79.本实施例中，第三中频信号和第四中频信号中包括正频率信号部分和负频率信号部分，对第三中频信号和第四中频信号进行复数滤波包括滤除第三中频信号和第四中频信号中的正频率信号部分。具体可参考前述对第二复数滤波器240的描述进行理解，此处不再赘述。
80.在步骤s7中，对第一数字信号和第二数字信号、以及第三数字信号和第四数字信号进行数据处理，获得目标物体的距离和速度信息。
81.综上，本发明实施例的雷达测距测速装置中第一测量模块和第二测量模块同时向目标物体发射具有正斜率的fmcw信号(即第一调频连续波信号)和具有负斜率的fmcw信号(即第二调频连续波信号)、同时接收反射的第一回波信号和第二回波信号，以及同时对接收信号和各自的发射信号进行混频、复数滤波和模数转换处理后获得相应的数字信号，实现了对具有正斜率的fmcw信号和具有负斜率的fmcw信号的并行发射、接收及处理，进而有效的缩短了雷达的测速和测距时间。
82.最后应说明的是：显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。