本发明涉及雷达技术领域，具体涉及一种基于fpga的高分辨率毫米波雷达及信号处理方法。
背景技术：
毫米波雷达工作在毫米波段。通常毫米波是指30～300ghz频段(波长为1～10mm)。毫米波的波长介于厘米波和光波之间，因此毫米波兼有微波制导和光电制导的优点。同厘米波导引头相比，毫米波导引头具有体积小、质量轻和空间分辨率高的特点。与红外、激光、电视等光学导引头相比，毫米波导引头穿透雾、烟、灰尘的能力强，具有全天候(大雨天除外)全天时的特点。另外，毫米波导引头的抗干扰、反隐身能力也优于其他微波导引头。随着自动驾驶技术的发展，毫米波雷达逐渐成为一种不可或缺的传感器，在汽车领域的应用越来越普及，在bsd、lca、acc和aeb等功能上目前毫米波雷达的应用已经得到了充分的验证。
多进多出(multiple-inmultipleout，mimo)是为极大地提高信道容量，在发送端和接收端都使用多根天线，在收发之间构成多个信道的天线系统。mimo系统的一个明显特点就是具有极高的频谱利用效率，在对现有频谱资源充分利用的基础上通过利用空间资源来获取可靠性与有效性两方面增益，其代价是增加了发送端与接收端的处理复杂度。大规模mimo技术采用大量天线来服务数量相对较少的用户，可以有效提高频谱效率。目前运用mimo技术的传统的毫米波雷达多采用单个射频芯片解决方案，根据不同的应用场景采用的雷达芯片的收发通道有2发4收，3发4收和4发4收等。有限的通道数目使得雷达系统的数据处理复杂度很低，采集到的雷达信号的精度也较低。
技术实现要素：
本发明的第一目的在于提供一种基于fpga的高分辨率毫米波雷达，能够同时提供多个发射和接收信道，有效提高雷达的分辨率。本发明的第一目的由以下技术方案实现：
一种基于fpga的高分辨率毫米波雷达，包括控制模块、电源管理模块、微带天线和雷达芯片，所述电源管理模块的电源输出端连接所述控制模块的电源输入端；其特征在于：所述控制模块包括fpga,所述雷达芯片为多块，所述雷达芯片的信号输出端与所述fpga的pl端连接，所述微带天线的数量根据多片所述雷达芯片允许连接的天线总数量确定，所述微带天线与所述雷达芯片的信号输入端连接。
通过上述技术方案，采用fpga作为信号处理芯片，利用fpga的布线资源丰富，可重复编程和集成度高的特点，能够并行连接多块雷达芯片，构成多进多出的天线系统，进一步地通过雷达天线的合理布置，形成虚拟天线阵列，能够极大提高雷达监测的分辨率。
作为本发明的进一步改进，还包括控制板、天线板和高速连接器，所述控制模块和电源管理模块安装在所述控制板上，所述微带天线和雷达芯片安装在所述天线板上，所述控制板和天线板通过所述高速连接器连接。
作为本发明的进一步改进，还包括接口模块，所述接口模块与所述fpga的ps端连接。
作为本发明的进一步改进，所述控制模块还包括内存条和晶振，所述内存条和晶振分别与所述fpga连接。
作为本发明的进一步改进，所述雷达芯片的信号输出端与所述fpga的pl端的spi总线接口和lvds输入接口连接。
作为本发明的进一步改进，所述雷达芯片为四个具有3个发射通道和4个接收通道的雷达芯片。
作为本发明的进一步改进，所述微带天线的数量为28个，12个作为发射天线，16个作为接收天线。
作为本发明的进一步改进，所述发射天线中9个为横向等距排列，3个为纵向等距排列；所述接收天线为横向等距排列，且与横向等距排列的9个所述发射天线平行。
作为本发明的进一步改进，所述发射天线之间的横向间距为31.2mm，纵向间距为1.95mm；所述接收天线之间的间距为1.95mm。
本发明的第二目的在于提供一种雷达信号处理方法，能够准确地定位目标位置，输出目标点迹，本发明的第二目的由以下技术方案实现：
一种雷达信号处理方法，采用上文所述的基于fpga的高分辨率毫米波雷达，包括以下步骤：
(1)通过fpga的pl端上装载的软件设置雷达的工作参数，包括雷达芯片的雷达中心频率、波形；
(2)启动雷达，发射天线向外发射雷达波；
(3)接收天线采集经过反射得到的回波数据，并由pl端上装载的软件进行数据预处理；
(4)将经过预处理的数据传送至fpga的ps端上装载的软件；
(5)由ps端上装载的软件进行多通道多维fft计算；
(6)利用计算结果进行目标检测，检测在雷达探测区域内是否存在目标；
(7)如在探测区域内存在目标，输出雷达探测到的目标点迹、形状。
上述技术方案中，通过采用基于fpga的高分辨率毫米波雷达，由fpga的ps端和pl端软件对采集到的雷达信号进行处理，充分利用了fpga的高性能对多进多出的雷达信号进行数据处理，极大提高了雷达的分辨率。
附图说明
图1为本发明实施例一提供的毫米波雷达的结构示意图。
图2为本发明实施例一提供的毫米波雷达的fpga的连接示意图。
图3为本发明实施例一提供的毫米波雷达的微带天线阵列示意图。
图4为本发明实施例二提供的雷达信号处理方法的工作流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明，为了便于说明，本申请中可能会对上、下、左、右、前、后等方位进行定义，旨在便于清楚地描述构造的相对位置关系，并不用于产品在生产、使用、销售等过程中实际方位的限制。下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明：
实施例一
请参阅图1-图3，本实施例提供一种基于fpga的高分辨率毫米波雷达，包括控制板、天线板、控制模块、电源管理模块、接口模块、微带天线、雷达芯片和高速连接器。
所述控制板为印刷有导线的pcb板，所述控制模块包括安装在所述控制板上的fpga(所述fpga包括ps端和pl端)、内存条和晶振，所述内存条和晶振通过印刷于所述pcb板上的导线分别连接于所述fpga的内存连接端和晶振连接端。所述接口模块包括网线接口电路和can接口电路，设置于所述控制板上，分别通过印刷于所述pcb板上的导线与所述fpga的ps端连接。所述电源管理模块安装在所述控制板上，电源管理模块的电源输出端通过印刷于所述pcb板上的导线与所述fpga的电源输入端连接。
所述天线板为印刷有导线的pcb板，所述雷达芯片为4块，均为awr2243毫米波雷达芯片，安装在所述天线板上。每个所述雷达芯片具有3个发射通道和4个接收通道，即4块所述雷达芯片一共能够提供12个发射通道和16个接收通道，能够允许同时连接28个天线。所述微带天线的数量为28个，单个所述微带天线的增益为10db，其中12个作为发射天线(tx1-tx12)，16个作为接收天线(rx1-rx16)。在本实施例中，选用的雷达中心频率为76.5ghz，该频率对应的信号波长λ＝3.9mm，12个所述发射天线分为两组，其中9个以8λ的距离横向等距排列，即以31.2mm的间距横向等距排列，3个以λ/2的距离纵向等距排列，即以1.95mm的间距纵向等距排列；所述16个接收天线以λ/2的距离横向等距排列，且与横向等距排列的9个所述发射天线平行，即以1.95mm的间距横向等距排列。横向排列的9个发射天线和16个接收天线通过mimo雷达的虚拟孔径技术，实现能够9*16＝144个虚拟信道的等效阵列，将雷达的角度分辨率提高至0.8°；纵向排列的3个发射天线和16个接收天线能够实现3*16＝48个虚拟信道的等效阵列，以增加俯仰维度的探测范围，实现对目标高度的测量。28个所述微带天线与4个所述雷达芯片所提供的12个发射通道和16个接收通道通过印刷于所述pcb板上的导线一一对应连接。
所述控制板和天线板之间通过高速连接器相连，具体为雷达芯片的信号输出端通过spi总线通信协议与所述fpga的pl端连接，fpga的pl端的lvds电平的差分io口模拟awr2243的csi2高速接口时序实现对雷达回波信号的采集。
实施例二
请参阅图4，一种雷达信号处理方法，采用实施例一提供的基于fpga的高分辨率毫米波雷达，包括以下步骤：
(1)通过fpga的pl端上装载的软件设置雷达的工作参数，包括雷达芯片的雷达中心频率、波形；
(2)启动雷达，发射天线向外发射雷达波；
(3)接收天线采集经过反射得到的回波数据，并由pl端上装载的软件进行数据预处理；
(4)将经过预处理的数据传送至fpga的ps端上装载的软件；
(5)由ps端上装载的软件进行多通道多维fft计算；
(6)利用计算结果进行目标检测，检测在雷达探测区域内是否存在目标；
(7)如在探测区域内存在目标，输出雷达探测到的目标点迹、形状。
以上实施例仅为充分公开而非限制本发明，凡基于本发明的创作主旨、无需经过创造性劳动即可得到的等效技术特征的替换，应当视为本申请揭露的范围。
1.一种基于fpga的高分辨率毫米波雷达，包括控制模块、电源管理模块、微带天线和雷达芯片，所述电源管理模块的电源输出端连接所述控制模块的电源输入端；其特征在于：所述控制模块包括fpga,所述雷达芯片为多块，所述雷达芯片的信号输出端与所述fpga的pl端连接，所述微带天线的数量根据多片所述雷达芯片允许连接的天线总数量确定，所述微带天线与所述雷达芯片的信号输入端连接。
2.根据权利要求1所述的毫米波雷达，其特征在于：还包括控制板、天线板和高速连接器，所述控制模块和电源管理模块安装在所述控制板上，所述微带天线和雷达芯片安装在所述天线板上，所述控制板和天线板通过所述高速连接器连接。
3.根据权利要求1所述的毫米波雷达，其特征在于：还包括接口模块，所述接口模块与所述fpga的ps端连接。
4.根据权利要求1所述的毫米波雷达，其特征在于：所述控制模块还包括内存条和晶振，所述内存条和晶振分别与所述fpga连接。
5.根据权利要求1所述的毫米波雷达，其特征在于：所述雷达芯片的信号输出端与所述fpga的pl端的spi总线接口和lvds输入接口连接。
6.根据权利要求1所述的毫米波雷达，其特征在于：所述雷达芯片为四个具有3个发射通道和4个接收通道的雷达芯片。
7.根据权利要求6所述的毫米波雷达，其特征在于：所述微带天线的数量为28个，12个作为发射天线，16个作为接收天线。
8.根据权利要求7所述的毫米波雷达，其特征在于：所述发射天线中9个为横向等距排列，3个为纵向等距排列；所述接收天线为横向等距排列，且与横向等距排列的9个所述发射天线平行。
9.根据权利要求8所述的毫米波雷达，其特征在于：所述发射天线之间的横向间距为31.2mm，纵向间距为1.95mm；所述接收天线之间的间距为1.95mm。
10.一种雷达信号处理方法，采用权利要求1-9中任意一项所述的毫米波雷达，包括以下步骤：
(1)通过fpga的pl端上装载的软件设置雷达的工作参数，包括雷达芯片的雷达中心频率、波形；
(2)启动雷达，发射天线向外发射雷达波；
(3)接收天线采集经过反射得到的回波数据，并由pl端上装载的软件进行数据预处理；
(4)将经过预处理的数据传送至fpga的ps端上装载的软件；
(5)由ps端上装载的软件进行多通道多维fft计算；
(6)利用计算结果进行目标检测，检测在雷达探测区域内是否存在目标；
(7)如在探测区域内存在目标，输出雷达探测到的目标点迹、形状。
技术总结