77G汽車防撞雷達角度測量算法研究

鄭建超

(中國電子科技集團公司第三十八研究所 合肥 230088)

0 引言

隨著科技的進步，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。在常見的車載雷達中，毫米波雷達相比于激光雷達具有獨特的優(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的探測性能，除了不斷增強雷達系統(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汽車防撞雷達采用線性調(diào)頻連續(xù)波雷達,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。