77G汽車防撞雷達(dá)角度測量算法研究

鄭建超

(中國電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所 合肥 230088)

0 引言

隨著科技的進(jìn)步，智能汽車已經(jīng)成為未來汽車發(fā)展的必然趨勢。車載雷達(dá)作為智能汽車的關(guān)鍵傳感器之一，愈來愈得到重視。在常見的車載雷達(dá)中，毫米波雷達(dá)相比于激光雷達(dá)具有獨(dú)特的優(yōu)勢，在汽車防撞系統(tǒng)中更是不可或缺。為了提高車載毫米波雷達(dá)的探測性能，除了不斷增強(qiáng)雷達(dá)系統(tǒng)的硬件性能外，信號處理算法的研究一直以來也是備受關(guān)注[1]。在雷達(dá)系統(tǒng)中，測角精度是衡量目標(biāo)定位、跟蹤能力的一個重要指標(biāo)[2]。

目前與雷達(dá)天線定向有關(guān)的目標(biāo)角度估計方法有兩種：一種是在多個天線相位中心采用相位測量方法，本質(zhì)上是相位干涉法；另一種在天線波束控制或者波瓣轉(zhuǎn)換的過程中使用多個幅度測量[3]。比相單脈沖測角技術(shù)[4-5]與和差比幅單脈沖測角類似，二者的目的皆是為了提取其角度坐標(biāo)信息。主要的區(qū)別為比幅單脈沖測角生成的信號都是相位相同而幅度不同；比相單脈沖測角正和好與之相反，信號幅度相同而相位不同。 由于本雷達(dá)系統(tǒng)中相位信息相比信號幅度信息穩(wěn)定，因此更加適合應(yīng)用比相單脈沖測角方法，比相單脈沖測角是將接收端天線陣列劃分為N個子天線陣，通過兩兩子陣接收到的回波信號間的相位差可以獲得目標(biāo)角度信息[6]。在測角的過程中會存在角度模糊和奇異值的問題，本文提出了長短基線解角度模糊算法和基線3判2去角度奇異值算法，均獲得了較好的效果。

1 基于相位的角度測量原理

圖1 平面波對等距線陣的影響

0≤…n≤…N-1

(1)

當(dāng)t=t0時，在每個相位中心測得的N組電壓樣本，并將樣本排成一個列矢量y，即

(2)

y=[y[0],y[1],…,y[N-1]]T

(3)

空間相位歷程矢量y稱為到達(dá)陣列信號的空間快拍。定義歸一化空間頻率kθ=2πdsinθ/λ，其中，kθ是空間頻率(單位rad/m)投影到陣列平面的分量((2π/λ)sinθ)乘以陣列采樣間隔(陣元間距d)，則空間快拍變?yōu)?/p>

(4)

式(4)為快拍時對具有歸一化弧度空間頻率-kθ的復(fù)正弦信號的采樣。

假設(shè)雷達(dá)工作波長λ和相位中心間距d已知，測到kθ，則可以得到入射角。

2 長短基線解角度模糊算法

77G汽車防撞雷達(dá)采用線性調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá),三發(fā)四收,四路接收通道兩兩組成一組測角基線,相鄰接收通道組成三組短基線,通道1、3和通道2、4組成兩組中基線，通道1、4組成1組長基線。

1)基線越長測角精度越高；

2)短基線沒有測角模糊，長基線和中等基線有測角模糊；

3)長短基線解模糊算法:用短基線解長基線和中等基線的測角模糊。

下面比較長基線測角精度和兩個中基線與一個長基線平均測角精度。

如圖2、圖3所示，應(yīng)用平均后的測角方法測角精度顯著提高,在±40°(雷達(dá)測角范圍內(nèi))以內(nèi)精度為±0.5°，滿足測角精度要求。

圖2 15dB信噪比 長基線測角精度

圖3 15dB信噪比 兩個中基線與一個長基線平均測角精度

3 基線3判2去角度奇異值算法

由于相位差周期性原因，測量的角度在正負(fù)90°的邊緣處會產(chǎn)生測角奇異值,提出以下解決方法。

圖4 3短判2:其中一個短基線未修正情況

3判2去奇異值算法：長基線和短基線端點(diǎn)會產(chǎn)生奇異值，可選擇三個短基線3判2去除奇異值，也可選擇兩個短基線和一個長基線3判2去除奇異值，加入一個長基線進(jìn)行判定可以減少一個短基線的計算量。

圖5 3短判2:三個短基線修正后結(jié)果

圖6 2短1長未修正情況

圖7 2短1長3判2去奇異值結(jié)果

最終可以看出選擇兩個短基線和一個長基線3判2去除奇異值效果更佳。由于相位差周期性原因，測量的角度在±90°的邊緣處會產(chǎn)生測角奇異值,本文提出的基線3判2去角度奇異值算法，獲得了較好的效果。

4 結(jié)束語

在77G汽車防撞雷達(dá)系統(tǒng)中，本文提出了長短基線解角度模糊算法和基線3判2去角度奇異值算法。長短基線解角度模糊算法可以準(zhǔn)確地解決角度模糊問題，通過對短基線角度估計值與模糊的三個角度估計值進(jìn)行比較來解模糊，計算效率顯著提高。

基線3判2去角度奇異值算法，解決了測量的角度在±90°的邊緣處會產(chǎn)生測角奇異值的問題，獲得了較好的效果。