阅读说明：本技术 一种汽车防撞雷达探测-通信一体化功能实现方法 (Method for realizing detection-communication integrated function of automobile anti-collision radar ) 是由 夏伟杰 黄壮 余思伟 于 2019-10-30 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种汽车防撞雷达探测-通信一体化功能实现方法,属于雷达和无线通信技术领域。本发明利用后向散射通信技术为前向防撞雷达增加了路旁交通标志的标签识别功能,实现了汽车防撞雷达探测-通信一体化功能。针对标签的后向散射信号能量弱,易受到车辆目标回波、杂波和噪声影响,导致标签识别误码率高的问题,本发明提出一种基于扩频编码的调频连续波雷达后向散射通信系统设计方法,将直接序列扩频技术引入到标签的后向散射调制中,利用接收解扩处理产生的扩频增益增强标签后向散射信号,从而达到标签目标检测和信息提取的目的。本发明的优点是,雷达硬件无需升级,系统性能稳定,抗干扰能力强。(The invention discloses a method for realizing a detection-communication integrated function of an automobile anti-collision radar, and belongs to the technical field of radar and wireless communication. The invention utilizes the backscattering communication technology to add the label identification function of the roadside traffic sign to the forward anti-collision radar, and realizes the detection-communication integrated function of the automobile anti-collision radar. Aiming at the problem that the backscattering signal energy of a label is weak and is easily influenced by vehicle target echoes, clutter and noise, so that the label identification error rate is high, the invention provides a method for designing a frequency modulation continuous wave radar backscattering communication system based on spread spectrum coding. The invention has the advantages that the radar hardware does not need to be upgraded, the system performance is stable, and the anti-interference capability is strong.)

一种汽车防撞雷达探测-通信一体化功能实现方法

技术领域

本发明属于雷达和无线通信技术领域，涉及基于后向散射通信的汽车防撞雷达探测-通信 一体化功能实现方法。

背景技术

汽车防撞雷达具有目标探测功能，是自动驾驶车辆不可或缺的传感器。随着车路协同技 术的发展，通过后向散射通信技术，为前向防撞雷达增加路旁交通标志的标签识别功能将具 有重要的应用价值。标签识别功能不仅可以用于交通标志识别，还可以通过给汽车安装标签， 实现简单的车际通信，如转向或刹车通知，这都将有助于提高汽车的驾驶安全性。后向散射 通信是一种新兴的无线通信方式，具有低功耗和系统复杂度低的优点。在后向散射通信链路 中，标签通过反射部分射频信号来产生后向散射调制信号，完成与阅读器的通信任务。然而， 由于标签后向散射信号的能量较低，且随着距离的增大而迅速减弱。在实际道路环境中，标 签后向散射信号会被淹没在车路目标回波、杂波和噪声中，大大降低了系统可靠性。国内外 学者对后向散射通信的研究多关注于近距离标签的信息提取，而没有解决远距离标签后向散 射信号能量弱的问题。

发明内容

本发明的发明目的是针对上述背景技术中存在的问题，提供一种基于扩频编码的调频连 续波(Frequency Modulated Continuous Wave，FMCW)雷达后向散射通信系统设计方法，可实现 汽车防撞雷达的探测-通信一体化功能。同时，扩频编码技术的引入能够增强标签信号，大大 降低系统误码率，提高系统的稳定性和可靠性。

本发明为实现上述发明目的采用如下技术方案。

汽车防撞雷达常用信号体制是FMCW体制，系统由FMCW雷达和后向散射标签组成。雷达设备负责发射电磁波信号和接收由标签目标后向散射调制信号、车辆目标回波、杂波和 噪声组成的回波信号，经过接收机预处理后，由信号处理模块负责回波信号处理和标签信息 提取。标签设备负责通过调节天线阻抗对标签目标回波进行后向散射调制，调制方式为二相 相移键控(Binary Phase Shift Keying，BPSK)调制，调制信息为标签原始码元信息经过直接序列 扩频(Direct Sequence Spread Spectrum，DSSS)所得。雷达信号处理过程包括如下步骤：首先进 行混频处理，得到回波中频信号，再通过是否进行解扩处理分为车辆目标检测和后向散射通 信两个处理链路。车辆目标检测处理链路不作解扩处理，通过2D-FFT处理和恒虚警(Constant False Alarm Rate，CFAR)检测得到车辆目标信息；后向散射通信处理链路需先做解扩处理增强 标签信号，再经过相干解调即可恢复标签原始码元信息。

扩频编码将低速的标签码元序列转换为高速扩频信号，扩展信号频谱，减小杂波与后向 散射调制标签信号的相关性。接收端再通过解扩处理可恢复出标签原始码元信号，而其他强 杂波信号等效于经过一次扩频，使得标签信号突显出来。扩频编码的引入提高了系统信噪比 和抗干扰能力，有利于微弱标签信号检测。

本发明采用上述技术方案，具有以下有益效果。

本发明基于后向散射通信技术，在传统汽车防撞雷达的基础上进行设计，硬件上无需升 级，只需在路旁交通标识上安装包含不同标签信息的后向散射标签即可，工程实现简单；软 件上在信号处理中增加一条新的后向散射通信处理链路，这样就可实现汽车防撞雷达同时具 备目标探测和标签识别两种功能。

本发明在标签后向散射调制中引入了扩频编码技术，解决了标签后向散射信号能量弱的 问题，使得散射强度弱的标签目标能够被正确检测和识别，降低系统误码率，系统具有较好 的稳定性和抗干扰能力。

附图说明

图1是汽车防撞雷达后向散射通信系统框图。

图2是雷达端信号处理流程图。

图3(a)是不作解扩处理时2D-FFT处理结果图，图3(b)是经过解扩处理后2D-FFT处理结 果图。

图4是标签回波相干解调结果图。

图5是不同信噪比下误码率性能分析图。

具体实施方式

下面结合附图对发明的技术方案进行详细说明。

本发明提出一种汽车防撞雷达探测-通信一体化功能的实现方法。该方法是设计一种基于 扩频编码的FMCW雷达后向散射通信系统，系统框图如图1所示。系统由77GHzFMCW毫 米波雷达和包含不同标签信息的后向散射标签组成。雷达设备负责信号收发，回波信号由标 签目标后向散射调制信号、车辆目标回波、杂波和噪声组成，回波信号经过接收机混频和滤 波等预处理后，再经过ADC采样，最后由信号处理模块负责回波信号处理和标签信息提取。 标签设备负责通过对入射雷达波进行后向散射调制，将标签信息加载到后向散射回波信号中， 以便雷达在接收端能够解调出标签信息。调制方式可为相位、频率和幅度调制，常通过调节 天线阻抗来实现。本发明选用BPSK调制，调制编码信息为标签原始码元信息经过DSSS扩 频编码所得。

雷达端信号处理流程图如图2所示。回波信号包含车辆目标回波、标签目标后向散射回 波、杂波信号和高斯白噪声。雷达端信号处理包含车辆目标检测和后向散射通信两条处理链 路，分别完成车辆检测和标签识别的功能，其具体实施方案如下：

一、回波信号建模

雷达发射信号为连续的线性调频信号(Chirp信号)。定义信号参数为：初始频率为f₀，带 宽为B，调频周期为T_p，调频斜率为K＝B/T_p，单个Chirp脉冲信号表示为

x_t(t)＝exp(j2πf₀t+jπKt²) t∈[0，T_p]

FMCW发射信号可表示为

假设一匀速运动的车辆目标，以相对径向速度v_car远离雷达，在t＝0时刻与雷达的距离为 R_car，该车辆目标的回波时延为τ_car＝2(R_car+v_cart)/c，其中c为光速，多普勒频率为f_d＝2v_car/λ(λ为信号波长)。不考虑目标反射回波强度传播衰减的情况，车辆目标的接收回波可表示为

假设一静止标签目标，与雷达的相对径向速度为v_tag，在t＝0时刻与雷达的距离为R_tag， 来自该标签目标的回波时延为τ_tag＝2(R_tag+v_tagt)/c。驱动标签后向散射调制的码元序列为 a_k，码率为R_a，码元周期为T_a＝1/R_a，则标签信息信号为

其中，a_k＝{+1，-1}分别对应相位{0，π}，g_a(t)为脉冲宽度为T_a的门函数：

标签端引入扩频编码技术，即在信息码后加入扩频编码。扩频码序列采用m序列，m序 列是一种容易产生、规律性强、性能优良的伪随机(Pseudo-Noise，PN)序列。令扩频码序列为c_k， 码率为R_c，码元周期为T_c＝1/R_c，扩频编码信号为

扩频编码是通过 信息码序列与扩频码序列直接相乘来实现，则扩展后的码元序列为

其中，

经过扩频编码后的标签后向散射调制信号为

其中，

为标签与雷达之间的时钟差。

因此，包含多车辆目标、多标签目标以及杂波和噪声的回波信号可表示为

其中，G_car为全部车辆目标的集合，G_tag为全部标签目标的集合，n(t)为杂波和噪声的集 合。

二、车辆目标检测处理链路

1、混频

回波信号处理之前需要经过混频处理获得中频信号。混频的具体过程为回波信号与本振 信号(发射信号)在时域共轭相乘。混频后的中频信号表示为

其中，

targ＝car，tag分别对应车辆或标签目标的差拍频率和多普勒 频率。

混频后中频信号常采用2D-FFT处理来获取目标的距离、速度信息。通过对每个Chirp脉 冲回波作距离FFT处理，得到差拍频率f_b，car；对距离FFT结果再作多普勒FFT处理，即可 得到目标的多普勒频率f_d，car，则车辆的距离和速度为

三、后向散射通信处理链路

1、解扩处理

解扩过程与扩频过程类似，用本地扩频码序列c′(t)与接收混频后的信号s_d(t)相乘。c′(t)由 雷达端生成，与标签端的扩频码序列c(t)相同，但初始相位可能不同。本发明暂不考虑扩频 码的同步问题，即假设c(t)＝c′(t)，由于汽车雷达工作距离在几百米范围内，回波时延较小， 可忽略τ_tag/2给解扩处理带来的影响，则解扩后信号为

从上式可以看到，由于车辆目标回波和杂波、噪声信号与扩频码序列不相关，在解扩处 理中等效于进行一次扩频，信号的功率谱幅度大大降低；而经过解扩处理后的标签信号调制 信息刚好恢复到原始码元序列，功率谱也恢复到原始形状。这对于在多车辆目标和强杂波、 噪声的道路环境下检测标签信号非常有利，同时也有利于标签码元信息的准确恢复。

2、相干解调

标签信息的提取采用相干解调的方法，相干解调包括相干相乘、低通滤波和抽样判决三 个步骤。相干相乘即使用标签目标的相干载波分量与解扩后的中频信号共轭相乘得到基带信 号。相干载波分量的提取过程类似于车辆目标检测处理过程，即通过2D-FFT和CFAR检测 提取标签目标的回波中频频率f′_b，tag和多普勒频率f′_d，tag，生成的标签本地相干载波分量副本为

则标签q相干相乘后的信号为

若不考虑频率估计误差，即假设f′_b，tag＝f_b，tag，f′_d，tag＝f_d，tag，则相干相乘后可得到标签信 号的基带码元信号，再通过低通滤波，滤除其他目标回波信号和杂波的高频分量。最后通过 抽样判决即可得到标签码元信息。

扩频编码主要包括码率和码长两个参数，下面给出系统中这两个参数的设计准则。码率 可根据雷达方程来计算，在基本雷达方程中加入脉冲压缩增益BT_P、相干积累增益M(M为 Chirp脉冲数)和扩频增益G_p，可推导出适用于标签目标的雷达方程为

假设车辆目标RCS为σ_cardBsm，标签目标RCS为σ_tagdBsm，根据雷达方程可得，在相同距离处，标签和车辆目标的回波信噪比要达到相同，扩频增益须取为G_p≥σ_car/σ_tag。G_p表示扩频系统信噪比改善的程度，其定义如下：

其中，B_a，B_ss分别为扩频前后的信号带宽。因此，扩频码码率大小可设为

基于汽车防撞雷达的后向散射通信系统具有与传统RFID应用场景不同的特点，RFID系 统中阅读器处于静止状态且标签距离较近，而汽车平台常处于高速运动中且标签距离雷达较 远。因此，系统必须确保在一个距离门内完成标签信息的快速提取，否则会出现跨距离门问 题，导致标签后向散射调制信号中包含多个中频频率，相干解调后则无法得到正确的基带码 元信号。因此，要设计合理的扩频码码长，保证系统在一个距离门内完成扩频处理。FMCW 雷达的距离门宽度为Δd＝c/2B，假设装载雷达的汽车平台的最大速度为v_max，则一个距离门 的时间间隔最短为Δt_min＝Δd/v_max。假设扩频码码长为N_c，则N_c必须满足

下面通过仿真来证明本发明技术方案的有效性。

雷达系统参数和FMCW信号参数如表1、表2所示：

表1 FMCW雷达后向散射通信系统参数

参数名称	符号	参数值
			发射功率	P<sub>t</sub>	12dBm
发射/接收天线功率	G<sub>t</sub>，G<sub>r</sub>	24dB
			接收机带宽	B<sub>n</sub>	250MHz
接收机噪声系数	F	14dB
			系统损耗	L<sub>s</sub>	10dB
标签RCS(平板天线)	σ<sub>tag</sub>	0.5dBsm
			车辆RCS	σ<sub>car</sub>	10dBsm

表2 FMCW雷达的信号参数

参数名称	符号	参数值
			初始频率	f<sub>0</sub>	77GHz
调频带宽	B	150MHz
			调频周期	T<sub>p</sub>	25us
采样率	f<sub>s</sub>	10Mbps
			脉冲数	M	512

仿真场景设置为包含三辆车辆和两个标签目标的道路环境，如表3所示

表3仿真场景目标设置

目标	相对距离m	相对速度m/s
			车辆1	140	5
车辆2	100	-10
			车辆3	80	0
标签1	100	30
			标签2	40	30

设置标签信息的码元周期R_a＝10kHz，根据扩频编码的参数设计准则，设置码率R_c＝32R_a＝320kHz，码长N_c＝2¹²。

2D-FFT处理后得到距离-多普勒频谱，距离-多普勒图可以直观地看到雷达检测结果。雷 达端通过是否进行解扩处理来区分标签和车辆目标。若不作解扩处理，标签目标仍处于扩展 状态，可正常进行车辆目标检测，如图3(a)所示；若经过解扩处理，标签信号恢复到原始慢 码元序列调制的状态，而车辆目标回波和杂波、噪声信号被扩展，谱密度降低，标签目标即 可突显出来，如图3(b)所示。经过解扩处理，系统信噪比得以提高，使得微弱的标签信号能 被正确检测。

相干解调结果如图4所示，图中黑色曲线为标签相干解调低通滤波后的结果，灰色曲线 为标签原始码元序列。可以看到，两个标签信息均能正确恢复，虽然标签1信号存在同频的 车辆2目标干扰，但仍有较好的恢复效果，这说明本发明所提出的FMCW雷达后向散射通信 系统能够实现标签识别功能，且具有较好的鲁棒性。

图5表示在不同信噪比下AWGN信道的误码率曲线图，比较系统在直接后向散射调制和 基于直接序列扩频技术这两种状态下的误码率性能。从图中可以看出，在低信噪比环境下， 基于扩频技术的后向散射通信系统误码率性能得到改善。即使信号功率低于噪声基底时，系 统也能够保持良好的误码率性能。