CN102798856B - 一种基于小波包的24GHz LFMCW雷达测距方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种基于小波包的24GHz线性调频连续波LFMCW雷达测距方法，包括以下步骤：将线性调频连续波LFMCW雷达的回波信号与发射信号通过混频和滤波得到差拍信号；利用小波包的分解算法和单节点重构算法对差拍信号进行处理，得到单节点的重构信号；对小波包重构后的信号进行快速傅里叶变换，得到信号的频谱信息；找到频谱的最大幅值所对应的频率，将其代入距离公式计算出目标的距离。本发明提出的测距方法可以在低信噪比下提取出远距离的目标信息，增加雷达的有效作用距离。

Description

一种基于小波包的24GHz LFMCW雷达测距方法

技术领域

本发明涉及一种基于小波包的24GHz LFMCW雷达测距方法，是车辆测距和测速、评估多层的电介质结构、地球表面飞行物的高度和速度的测量以及直升机分类等的一项核心技术，在各类军、民用***中均可有广泛的应用。

背景技术

毫米波雷达与红外线传感器、超声波传感器以及图像处理传感器设备相比，具有受环境的影响小、高精度和高分辨率等方面的优势。基于线性调频连续波（frequency modulation continue wave，LFMCW）技术的毫米波雷达***在民用和军事方面都应用得比较广泛。因此，如何进一步提高线性调频连续波LFMCW毫米波雷达的测距精度、增加雷达的有效作用距离仍是一个热门的话题。最常见的方法有：最大似然估计法、曲线拟合法和chirp-z变换法。

影响线性调频连续波LFMCW毫米波雷达测距范围的因素有很多，如调频线性度、收发天线间的隔离度以及信号处理算法等。差拍-傅里叶变换可在频域上等效地完成极大压缩比的脉压功能，因而成为线性调频连续波信号处理的经典方法。差拍信号由发射信号和回波信号混频得到，然而，信号在毫米波段的衰减非常明显，随着目标距离的增加，回波信号的功率会急剧降低，限制了线性调频连续波LFMCW毫米波雷达在远程测距中的应用。

发明内容

本发明的目的在于克服上述线性调频连续波LFMCW毫米波雷达在远程测距中的不足，提供一种基于小波包和傅里叶变换的测距方法，通过小波包分解算法可以实现微弱信号的提取来测量远距离的目标，增加线性调频连续波LFMCW毫米波雷达的有效作用距离。本发明利用小波包的分解算法对差拍信号进行分解，利用单节点的小波包重构算法小波包系数进行重构，利用傅里叶变换对重构信号进行处理，得到目标的频率信息，最终根据距离公式得到目标的距离。

为实现这一目的，本发明的技术方案是以小波包分解算法可以实现微弱信号的提取为切入点。本发明采用以下技术方案：

一种基于小波包的24GHz 线性调频连续波LFMCW雷达测距方法，其特征在于，所述测距方法包括如下步骤：

A、 线性调频连续波LFMCW雷达的发射信号经天线发射出去，遇到目标时形成回波信号，将回波信号与发射信号通过混频和滤波得到差拍信号；

B、 选择合适的小波函数和小波分解层数，对差拍信号进行小波包分解，得到一系列子带上的小波包系数

其中，，为差拍信号，小波包系数，为小波包函数；

C、 将雷达的有效测距范围划分为若干段，利用距离公式计算出每段距离所对应的频带范围，选择频域与之对应的小波包系数

其中，为目标距离，为差拍信号的频率，为光速，为调频带宽, 为调制周期，为调频斜率；

D、 根据目标所处的距离段来选择小波包系数，对其进行小波包重构，得到单节点的重构信号

；

E、  对小波包重构后的信号进行快速傅里叶变换，得到信号的频谱信息

其中，；

F、  利用冒泡法找到频谱的最大幅值所对应的频率，将其代入距离公式计算出目标的距离。

附图说明

图1是差拍信号的小波包分解与单节点重构快递算法；

图2是目标距离雷达6.39m时的差拍信号频谱图；

图3是目标距离雷达58.01m时的差拍信号频谱图；

图4是雷达测距方法的流程图。

具体实施方式

本实施方式是以本发明技术方案为前提进行实施，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细说明：

本实施方式是24GHz 线性调频连续波LFMCW雷达对目标进行测距，包括以下步骤：

1）线性调频连续波LFMCW雷达的发射信号经天线发射出去，遇到目标时形成回波信号，将回波信号与发射信号通过混频和滤波得到差拍信号。

2）选择db3小波和小波分解层数，对差拍信号进行小波包分解，得到一系列子带上的小波包系数：

    

式中，；为小波包函数，它可以由小波函数经滤波器和逐次计算得到：

式中，、为小波重构滤波器，与尺度函数有关，与小波函数有关。

3）将雷达的有效测距范围划分为段，利用距离公式计算出每段距离所对应的频带范围，选择频域与之相对应的小波包系数，

其中，为目标距离，为差拍信号的频率，为光速，为调频带宽, 为调制周期，为调频斜率。

 4）测距时，根据目标所处的距离段来选择小波包系数，对其进行小波包重构，得到单节点的重构信号，

差拍信号的小波包分解与单节点重构快递算法如图1所示。

5）对小波包重构后的信号进行快速傅里叶变换，得到信号的频谱信息，

  

式中，，目标距离雷达6.39m时的差拍信号频谱图如图2所示，目标距离雷达58.01m时的差拍信号频谱图如图3所示。

6）利用冒泡法找出频谱的最大幅值所对应的频率，即重构信号的频率，并将其代入距离公式计算出目标的距离，整个算法流程如图4所示。

通过在自制的24GHz 线性调频连续波LFMCW雷达实验平台上验证，与传统的差拍-傅里叶测距方法相比，本方法可以将实验雷达的有效作用范围从1m-30m扩大至1m-60m。

Claims (1)

1.一种基于小波包的24GHz线性调频连续波LFMCW雷达测距方法，包括如下步骤：

线性调频连续波LFMCW雷达的发射信号经天线发射出去，遇到目标时形成回波信号，将回波信号与发射信号通过混频和滤波得到差拍信号；

选择合适的小波函数和小波分解层数，对差拍信号进行小波包分解，得到一系列子带上的小波包系数

$p_j^i\left(m\right)=<s_{\mathrm{IF}}\left(m\right),{\mathrm{\&psi;}}_j^i\left(m\right)>$

其中，i＝1,2,…，j＝0,1,…，s_IF(m)为差拍信号，小波包系数，为小波包函数；

其特征在于，将雷达的有效测距范围划分为若干段，利用距离公式计算出每段距离所对应的频带范围，选择频域与之对应的小波包系数

$R=\frac{{\mathrm{CT}}_m}{2B}{f}_{\mathrm{IF}}=\frac{C}{2K}{f}_{\mathrm{IF}}$

其中，R为目标距离，f_IF为差拍信号的频率，C为光速，B为调频带宽,T_m为调制周期，为调频斜率；

根据目标所处的距离段来选择小波包系数，对其进行小波包重构，得到单节点的重构信号

$s_j^i\left(m\right)=\mathrm{\&Sigma;}{p}_j^i\left(m\right){\mathrm{\&psi;}}_j^i\left(m\right);$

对小波包重构后的信号进行快速傅里叶变换，得到信号的频谱信息

$S\left(r\right)=\underset{m=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}{s}_j^i\left(m\right)e^{-j2\mathrm{\&pi;mr}/N}$

其中，0≤r≤N-1；

利用冒泡法找到频谱的最大幅值所对应的频率，将其代入距离公式计算出目标的距离。