具体实施方式

本发明实施例一：

本发明实施例一在IEEE 802.11ad标准框架下，提出了在双功能通信雷达系统中实现雷达目标探测功能的方案。由于IEEE 802.11ad通信协议工作在60GHz频段，其传输带宽很大，基于该标准实现雷达探测功能，能够显著提升雷达测速和测距精度。

本实施例的雷达系统仅在通信的闲暇时刻进行，即雷达系统的发射和接收与通信系统在时间上是分开的。所用雷达信号为IEEE 802.11 ad单载波物理层（Single CarrierPhysical Layer，SC PHY）帧前导码相位编码脉冲雷达信号。该模式下码片速率为1.76GHz，最小同步单位为128点。

IEEE 802.11ad SC PHY前导码具备典型IEEE 802.11协议帧前导码重复结构，其中包含短训练字段（Short Training Field，STF）和信道估计字段（Channel EstimationField，CEF），均采用格雷互补序列。STF字段由16个重复的格雷序列Ga₁₂₈和一个-Ga₁₂₈组成，CEF字段由Gu₅₁₂和Gv₅₁₂，以及-Ga₁₂₈组成，如图2所示。

格雷互补序列具有良好的自相关特性，其自相关函数具有非常尖锐的波峰，且副瓣相互对消。因此，利用格雷互补序列作为雷达编码波形，能够较好地实现目标距离及速度估计。

但由于IEEE 802.11ad SC PHY前导码中格雷序列重复出现，导致雷达信号主副比性能差，此外，近端目标回波不完整导致主副比恶化，毫米波信号衰减严重导致接收信号信噪比不足。

因此，本实施例针对上述三个问题，通过设计接收端处理机制，在IEEE 802.11ad标准框架下实现雷达目标检测。

图3给出了本实施例的完整信号处理流程。一种通信雷达联合系统，包括距离门重排模块、脉冲压缩模块、时延补偿模块、相参积累模块、平滑滤波模块、距离维恒虚警检测模块、距离估计模块、速度维恒虚警检测模块、速度估计模块。雷达发射基于IEEE 802.11ad的前导码雷达信号，接收信号首先送入距离门重排模块，再将重排后的二维数据矩阵通过脉冲压缩模块、时延补偿模块和相参积累模块，使得信号波峰对准目标所在位置，然后通过距离维恒虚警检测模块和距离估计模块获得目标与雷达的距离估计值，最后利用距离估计的结果，将指定距离的数据通过速度维恒虚警检测模块和速度估计模块获得该目标的相对速度估计值。

本发明所用的脉冲雷达信号表示为

(1)

其中，雷达包络函数为矩形函数，为相位调制函数，j为虚数单位。采用的编码 序列IEEE 802.11ad前导码只包含0、1两种元素，所以采用二相编码，即当编码符号为1时，，编码符号为0时，。

如图4所示，本实施例的雷达模型是工作在时分双工（Time Division Duplex，TDD）模式下的单基站雷达。雷达信号子脉冲宽τ= 1/1.76GHz = 0.57ns，前导码码长N=3328，因此雷达脉宽为T=N*τ=1.89us。该雷达提供距离分辨率为ΔR = c*τ/2 = 8.5cm，其中c为光速。雷达发送雷达信号时不进行接收，在发送结束后，接收机开始工作，一发一收总时长为脉冲重复间隔（Pulse Repetition Interval，PRI），当占空比为50%时，PRI=3.78us。重复进行M次发、收后再进行信号处理。M的取值需保证保证目标在相参处理间隔（CoherentProcessing Interval，CPI）内的移动小于距离分辨率，即V_max*M*PRI<ΔR，其中V是雷达能探测到的目标最大速度。在本例中，M取120。

距离门重排模块

具体地，所述的距离门重排模块采用二维缓冲存储器，将采样得到的数据依次放进二 维数据矩阵，如图5。每一个小格表示一个独立的基带样本。列数据为在一个PRI内的L个接 收回波样本，发射机将雷达脉冲信号重复发射了M次，因此，一共有M列数据。同一列的数据 来自同一批采样，采样频率为奈奎斯特采样率。L为PRI内的采样次数，可由PRI和F_s 算得。同一行的数据具有相同的接收时延，因此来自同一距离的目标回波。产生一个L*M二 维数据矩阵所需时间即CPI为M*PRI。其中，列数据的采样频率很快，称为快时间。而同行数 据相隔一个PRI，采样间隔大，称为慢时间。后续的处理围绕该二维数据矩阵展开。

脉冲压缩和时延补偿模块

具体地，所述的脉冲压缩模块逐个脉冲实现匹配滤波，从输出信号波峰的位置信息获得目标回波的接收时延。匹配滤波器系数由已知的本地序列产生，因为本地序列与发送信号相匹配，信号能够获得脉冲压缩增益。而杂波或者噪声与本地序列不匹配，所以在脉冲压缩之后，信号回波能在背景噪声中更加突出，便于检测。匹配滤波器系数的幅频特性与回波信号相同，相频特性与回波信号共轭。

在进行匹配滤波时，IEEE 802.11ad物理帧的STF字段包含的16段重复序列，导致输出信号具有数量多且峰值高的旁瓣。此外，基于IEEE 802.11ad物理帧的雷达信号时宽较长，近端目标回波无法完整接收，加剧输出信号的主副比恶化。针对IEEE 802.11ad前导码导致的主副比性能差问题，本发明提出了采用部分序列生成匹配滤波器系数，而非直接使用全码字。所述的部分序列具备以下条件：

条件1：正序列（Ga₁₂₈、Gb₁₂₈）的数量与负序列（-Ga₁₂₈、-Gb₁₂₈）的数量相等，才能在不匹配时，实现峰值正负抵消。

条件2：序列长，才能使得完全匹配时主瓣峰值更高。

条件3：包含的STF字段中的部分少，才能减少旁瓣数量。

条件4：序列在整个前导码字段中靠后，才能在接收不完整回波时（近距离目标）也能有良好的匹配滤波器输出波形。

具体地，本实施例中，选取STF字段末尾4个长为128的格雷序列和CEF字段中的Gu₅₁₂和Gv₅₁₂作为匹配滤波器系数的参考序列。其中Gu₅₁₂和Gv₅₁₂为格雷互补序列，而另外4个格雷序列用于中和序列中的正负序列数量。结果表明，当采用完整序列时，主瓣和第一个旁瓣比为6.03dB，与最高旁瓣比为4.85dB，如图6a。而当采用部分序列时，主瓣和第一个旁瓣比为15.89dB，与最高旁瓣比为9.8dB，见图6b。采用部分序列的策略使得主副比得到了约10dB的提升，有效避免旁瓣触发虚警，提高雷达探测性能。

脉冲压缩模块带来两部分时延，一是滤波器时延，二是选取的部分序列并非从前导码的第一个码字开始的定位时延。本实施例选取部分序列长度为1536，因此滤波器系数长度为K=1536，则滤波器时延为K-1=1535。部分序列从第q=1536个码字开始，则定位时延为q-1=1535。两种时延均为固定时延，所以将匹配滤波器的输出往前移动该固定单元，并在末尾补零，便可消除时延。

相参积累模块

所述的相参积累模块，即在进行包络检波或其他处理之前，利用信号的相位关系，以获得信号幅度的叠加。相干积累是对跨脉冲的数据进行多普勒处理，即处理的数据均来自于同一距离。

具体地，所述的多个脉冲的多普勒处理通过快速傅立叶变换（Fast FourierTransform，FFT）实现，即将时延补偿后的数据矩阵按行独立进行FFT，一共有L个距离单元，所以需进行L次N点FFT。每行数据包含M个样本，FFT点数N必须是2的幂，并且需大于等于M，在本实施例中N取128。在进行FFT后，数据矩阵的维度从L*M变为了L*N，如图7。其中，同列数据中的每个样本来自不同距离，称为距离门。FFT实现了多普勒频率的分离，同行数据中每个多普勒通道的输出对应一个较窄的多普勒频带，称为多普勒门。

多普勒频带覆盖的频率范围为-PRF到PRF，PRI为脉冲重复频率（PulseRepetition Frequency）。目标的多普勒频偏可能出现在N个多普勒通道中的任意一个的输出处。若探测范围内存在目标，则相参积累的输出波形峰值所在多普勒通道即为目标的多普勒频偏值。

平滑滤波模块

针对毫米波信号衰减严重导致的接收信号信噪比不足问题，在恒虚警处理前进行平滑滤波操作。在削弱噪声的同时，使得距离维恒虚警检测模块的输入数据变少，大大降低了后续处理的复杂度，进一步提高了系统的探测效率。本实施例中，平滑滤波模块通过多个重复脉冲的相同距离门数据求平均来实现。在距离维度进行目标探测时，考虑到目标与雷达的距离在一个CPI内的变动不超过一个距离门，即重复接收的M个脉冲中，目标均位于同一个距离门。则认为接收到的M个重复脉冲是M个样本，每个样本中目标的距离信息不变，而信道的噪声是不同的并且能够相互抵消。

假设雷达回波包含信号和加性噪声，则第i个脉冲可表示为

(2)

其中，是信号回波，在M个重复脉冲中保持不变，是白色非相关加性噪声，其方 差为。将每个脉冲相同距离门的参数对应相加，如图8，最终得到一个一维向量

(3)

中的噪声功率等于其方差，经换算，平滑滤波前后，信号功率的期望并未改变，而 噪声功率的期望值缩小到了原来的1/N倍，信噪比变为了原来的N倍。若不求平均，而是只进 行叠加，那么就将信号功率的期望值增大了N倍，而噪声功率期望值不变。所以，将M个样本 求平均能够削弱噪声对波形的影响，却不会改变距离信息，平滑滤波极大地削弱了噪声对 目标回波的影响，见图9a和图9b。这一步在相参积累后，恒虚警概率检测前进行。

恒虚警检测模块和估计模块

所述的距离维恒虚警检测模块采用恒虚警率（Constant False Alarm Rate，CFAR）检测技术，实时调整阈值，从背景噪声中找出目标所在的距离门。恒虚警检测技术即通过固定窗口内的信号，估计背景杂波的未知统计参数，计算出目标检测的阈值。具体地，在本实施例中固定窗口是指在观察单元的前后分别有覆盖了若干单元的保护窗口和参考窗口，窗口的数量固定，但窗口的位置是滑动的。

传统的检测程序要求能够区分有用的目标回波和所有可能的杂波情况。而在面对基于IEEE 802.11ad物理帧前导码的雷达信号时，除了需要将噪声、杂波滤除，还需将目标回波的数量多、峰值高的旁瓣滤除。本发明针对IEEE 802.11ad前导码导致的主副比性能差问题，提出利用自相关峰出现规律调整恒虚警检测的窗口对象的策略，使主瓣能在丰富的旁瓣中突出，而旁瓣之间相互制约，进一步降低旁瓣对目标探测的影响。

IEEE 802.11ad物理帧前导码自相关波形中每个相关峰峰值之间的间隔是固定不变的，假设发射端在相位编码时对前导码序列进行了二倍采样，接收端对接收信号进行了四倍内插再进行后续处理，那么这个间隔为128*2*4。

根据相关峰的出现规律，将前、后参考窗口的对象分别指定为回波匹配滤波后主瓣左、右的旁瓣。通过配置参考窗口长度和保护窗口长度，本实施例将参考窗口的对象与主瓣相邻的第一个旁瓣对齐。随着观察窗口的滑动，保护窗口和参考窗口也相应滑动。当观察窗口对准主瓣，则参考窗口对准主瓣相邻的旁瓣；当观察窗口对准旁瓣，则参考窗口对准与旁瓣相邻的旁瓣（或主瓣）；当观察窗口对准背景噪声，则参考窗口也对准背景噪声。主瓣与旁瓣的峰值比很大，而旁瓣之间峰值比很小。此时能够轻松地识别出主瓣，同时旁瓣之间相互牵制，减少虚警。观察图9b中平滑滤波器输出发现旁瓣峰值相差无几，而主瓣与旁瓣相差11.68dB，所以大大降低了旁瓣造成虚警的可能，进一步提升雷达探测性能。

然后利用参考窗口中的参考样本均值功率，估计旁瓣功率，再根据估计值进行阈值设计，使得只有观察窗口对准主瓣时能够超过阈值。

系统用到的CFAR为一维单元平均选最大CFAR（Cell Averaging with GreatestOf CFAR，CAGO-CFAR），其原理框图见图10。输入数据为一维的距离维度数据的模平方，滑动窗口覆盖了前参考单元、前保护单元、观察单元、后保护单元、后参考单元。保护单元的设置是为了防止主瓣宽度过宽，功率估计值变高，从而阈值变高，使得主瓣也无法被探测到。假设参考单元个数为W，分别估计前后参考单元的均值功率，然后对两个均值功率进行比较，并选取大值作为最终功率估计值Z。

于是观察单元的阈值S便可得到

(4)

其中为阈值乘积因子。CAGO-CFAR的阈值因子由以下隐式给出

(5)

为给定虚警概率。在获得阈值S后，将观察单元的功率与阈值比较，若大于阈值，则 记1，若小于阈值，则记0。该模块的输出为与距离格一一对应的一维数组。

所述的距离估计模块即估计目标的相对距离。为了消除同一目标主瓣连续多格超过阈值造成的虚警，该模块对距离维恒虚警检测模块的输出数组进行处理，具体的处理规则如下： 规则1：若单独一格为1，则不进行处理； 规则2：若连续两格为1，则仅保留大值处的1，另外一格置0； 规则3：若连续三格为1，则仅保留中值处的1，另外两格置0； 规则4：若连续多格即≥4格为1，取前三个认为来自于同一目标，按照规则3处理，数组中剩下的数据再取前三个，认为来自于同一目标，按照规则3处理，以此类推，当剩下不到三格时，按规则1或者规则2处理；

按照上述4条规则处理后，仍为1的格子对应距离格处存在目标；根据距离格的位置得到目标回波的接收时延，从而得到目标距离估计值。

根据距离检测结果，所述的速度维恒虚警检测模块选取存在目标的行数据进行恒虚警检测。速度维恒虚警检测方法与距离维恒虚警检测方法一致，但其参考窗口无需对准旁瓣，按照经验设置即可。速度维CFAR用于应对同一距离有多个目标的场景，其结果为目标的多普勒频偏估计值。

所述的速度估计模块将目标的多普勒频偏估计值转化为目标的速度。

本发明提出在接收端进行雷达信号处理时，选取部分IEEE 802.11ad前导码序列作为脉冲压缩的匹配滤波器系数生成序列。选取的原则充分考虑IEEE 802.11ad前导码的结构，选取的序列需要满足4个条件，分别是正序列、负序列数量相等；序列包含STF字段的部分少；序列长；选取的序列靠后。选取的序列使得匹配滤波器输出波形具有更大的主副比，从而在恒虚警检测中展现更好的探测性能。

本发明提出的平滑滤波处理，通过对跨脉冲的相同距离门数据求平均来实现。在降低计算复杂度的同时，增大了输出的信噪比。

本发明提出在距离维度恒虚警处理，根据IEEE 802.11ad前导码的自相关峰的峰值出现规律，将参考窗口对准相邻的旁瓣，或者第二个旁瓣。主瓣相对于旁瓣有可观的主副比，而旁瓣就无法在旁瓣中凸显出来，从而实现降低旁瓣对雷达探测的影响。

本发明的基本方案，可应用到使用IEEE 802.11ad前导码编码信号实现雷达功能的其它场景下（例如，射频前端支持全双工场景）。但凡根据发明的技术方案及其发明构思，加以等同替换与改变，均被认为属于发明的权利要求的保护范围。

本发明实施例二：

本发明实施例一中所用到的协议为IEEE 802.11ad，但本发明同样适用于在其他IEEE802.11系列通信协议中实现雷达功能。如在IEEE 802.11ax协议中，如果要实现雷达功能，可以类比本专利设计方案，在接收端进行雷达信号处理时，应对接收信号进行多倍内插提高距离精度，利用平滑滤波模块增大信噪比，并且在恒虚警检测模块，将参考窗口对准其过高的旁瓣，减少虚警概率，从而实现更好的雷达探测性能。