CN106338727B - 一种车载辅助驾驶雷达的目标检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种车载辅助驾驶雷达的目标检测方法，包括以下步骤：确定雷达的发射波形形式为多阶频率步进连续波MS‑FSCW，一个完整的MS‑FSCW波形分为上扫频段和下扫频段两部分，每个扫频段的信号都由多个频率步进点频连续波信号交替排列组成；确定雷达的MS‑FSCW发射波形参数，根据最大测距范围、最大测速范围、测距精度以及***可检测最小信噪比确定波形的参数，所述波形参数包括扫频带宽、扫频周期、采样率、频率步进连续波信号的个数以及频率步进连续波信号间的起始频率差；对雷达的MS‑FSCW发射信号回波进行处理，得到目标的距离和速度信息。本发明缩小了因收发泄漏导致的距离、速度探测盲区，提高了目标测距与测速的精度。

Description

一种车载辅助驾驶雷达的目标检测方法

技术领域

本发明属于雷达信息技术领域，特别是一种车载辅助驾驶雷达的目标检测方法。

背景技术

近年来汽车行业高度发展，而与之带来的交通事故发生频率也在逐年攀升。因此，行车安全问题已经引起了我们足够大的关注。车载辅助驾驶雷达能够实时有效地监测车辆周边环境并对潜在危险进行及时预警，从而在源头上降低了交通事故发生的概率，为行车安全提供了保障。

在车载辅助驾驶雷达设计中，发射波形设计尤为关键，它不仅会影响到雷达的探测性能，还会影响到在多目标工作环境中信号处理的复杂程度。目前主流的波形设计主要分为两类。

第一类是对称三角线性调频连续波(Linear Frequency Modulation ContinuousWaveform，LFMCW)，该波形采用上、下扫频频率配对解耦和的方式得到目标距离和速度信息。由此波形衍生出来的有变调频斜率LFMCW波形和对称三角LFMCW+点频信号波形。这类波形测量精度较高，但是在多目标环境中配对时容易出现虚假目标。尤其是在真实环境中，近距离的地物以及杂波剩余对有用信号造成影响，使得配对处理过程复杂。此类波形的另一种处理方式是对上扫频或者下扫频信号进行多个波形重复间隔的积累，形成距离维和多普勒维二维分布来区分不同目标，这种方法检测效果好，但是对硬件的要求高，需要高速AD和高速数字信号处理芯片，导致硬件成本升高。

第二类是多重频移键控(Multiple Frequency Shift Key，MFSK)波形，这类波形实质为两个线性频率步进点频连续波信号，利用回波差拍信号频率及相位差信息进行距离－速度解耦和，此类发射波形的优点是不需要目标配对就能同时探测多个目标，避免了虚假目标的出现，且计算量较小。该波形具有上述优点外，存在两个方面的问题：第一，与LFMCW体制波形相比，在相同信噪比条件下，MFSK波形的测距、测速精度较差，主要原因是噪声对目标谱线的相位估计影响较大，目标回波信噪比较低时，MFSK波形测量精度较低；第二，连续波体制雷达存在收发泄漏问题，导致回波差拍信号中存在功率很高的零频谱线，当受到距离－速度耦合的目标回波频谱位于零频附近时，难以被检测出来，使得MFSK波形存在一个受距离－速度耦合的探测盲区。

发明内容

本发明的目的在于提供一种车载辅助驾驶雷达的目标检测方法，以提高目标距离、速度测量精度，同时避免因收发泄漏引起的探测盲区。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种车载辅助驾驶雷达的目标检测方法，包括以下步骤：

步骤1，确定雷达的发射波形形式为多阶频率步进连续波(Multistage-FrequencyStepped Continuous Wave，MS-FSCW)，一个完整的MS-FSCW波形分为上扫频段和下扫频段两部分，每个扫频段的信号都由多个频率步进点频连续波信号交替排列组成；

步骤2，确定雷达的MS-FSCW发射波形参数，根据最大测距范围、最大测速范围、测距精度以及***可检测最小信噪比确定波形的参数，所述波形参数包括扫频带宽、扫频周期、采样率、频率步进连续波信号的个数以及频率步进连续波信号间的起始频率差；

步骤3，对雷达的MS-FSCW发射信号回波进行处理：MS-FSCW发射信号回波与本振信号进行混频重排后得到多个差拍信号，对采样得到的差拍信号数据进行加窗FFT处理得到频谱，对该频谱进行恒虚警检测和点迹凝聚处理得到目标峰值点，根据幅频响应计算目标峰值点谱线的差拍信号频率，根据相频响应计算相邻差拍信号目标峰值点处的相位差，利用差拍信号频率和相位差解耦和，并通过解模糊处理得到目标的距离和速度信息。

本发明与现有技术相比，其显著优点为：(1)设计了多个交替发射的频率步进点频连续波信号，在不产生距离模糊的条件下，通过采用多级不模糊距离发射波形的方式来降低目标谱线相位估计误差对距离、速度测量精度的影响，从而提高了目标测距与测速的精度；(2)通过发射上、下扫频频率步进点频连续波，并对上、下扫频回波差拍信号分开处理的方式，将目标回波频谱搬移到非零频区域进行处理，从而大大缩小了因收发泄漏导致的距离、速度探测盲区；(3)波形处理方式不需要进行目标配对，运算量低且测距、测速精度高，原理简单，即使使用低成本的器件也能实现很好的实时性，在性能与成本方面具有竞争力。

附图说明

图1是本发明MS-FSCW发射波形示意图，其中(a)为MS-FSCW发射波形整体示意图，(b)为MS-FSCW上扫频段发射波形图，(c)为MS-FSCW下扫频段发射波形图。

图2是本发明相位差误差与测距误差的关系图，其中(a)为相位差误差概率密度示意图，(b)为测距误差概率密度示意图。

图3是本发明上扫频段信号处理的流程图。

图4是本发明距离解模糊示意图。

图5是本发明MS-FSCW在速度-距离二维分布中的盲区示意图，其中(a)为上下扫频检测盲区示意图，(b)为MS-FSCW检测盲区示意图。

图6是本发明MS-FSCW与MFSK在相同输入信噪比下的检测精度对比图，其中(a)为测距误差对比示意图，(b)为测速误差对比示意图。

具体实施方式

本发明车载辅助驾驶雷达的目标检测方法，提供一种用于车载辅助驾驶雷达的多阶频率步进连续波(Multistage-Frequency Stepped Continuous Wave，MS-FSCW)发射波形设计及其信号处理方法，主要包括波形结构设计、波形参数设计和信号处理设计三部分，MS-FSCW发射波形设计如图1所示。

步骤一：设计MS-FSCW发射波形形式：确定雷达的发射波形形式为多阶频率步进连续波MS-FSCW，一个完整的MS-FSCW波形分为上扫频段和下扫频段两部分，每个扫频区的信号都由多个频率步进点频连续波信号交替排列组成；

本发明一个完整的MS-FSCW波形分为上扫频段和下扫频段两部分，如图1(a)所示。单个上扫频段或者下扫频段组成了一个相参处理间隔(coherent process internal，CPI)，上、下扫频段各包含M个交替排列的频率步进点频连续波信号。

上扫频波形如图1(b)所示，在上扫频段中，每个频率步进信号由N个步进台阶组成，例如第m个频率步进信号S_m的N个步进台阶分别为S_m.1,S_m.2,…,S_m.N。每个步进台阶时间宽度为T_Step，相邻步进台阶频率差为f_Incr，扫频带宽为B＝(N-1)*f_Incr。这M个频率步进点频连续波信号具有相同的扫频周期T_CPI、扫频带宽B、步进周期T_Step和步进频率f_Incr。用T_{Step_M}表示这M个频率步进信号在同一步进台阶中的扫频时间之和，即T_{Step_M}＝MT_Step。在同一T_{Step_M}中，相邻步进信号间的频率差有所不同，其中，表示第k+1个频率步进信号与第k个频率步进信号在同一T_{Step_M}中频率差绝对值，公式如下：

在上扫频段中，同一T_{Step_M}中的M个步进信号的频率随着步进信号编号的增加逐渐变小即信号间频率差随着步进信号编号的增加逐渐拉大即

在下扫频段中，步进信号的组成方式为上扫频段信号的镜像，即时间上的倒置，波形如图1(c)所示。

步骤二：设计MS-FSCW发射波形参数：确定雷达的MS-FSCW发射波形参数，根据最大测距范围、最大测速范围、测距精度以及***可检测最小信噪比确定波形的参数，所述波形参数包括扫频带宽、扫频周期、采样率、频率步进连续波信号的个数以及频率步进连续波信号间的起始频率差；

首先设置发射波形参数如下：波形的扫频带宽B，波形的扫频周期T_CPI，频率步进信号在同一阶步进中的扫频时间之和T_{Step_M}，频率步进信号的步进台阶数N，频率步进信号的个数M，频率步进信号之间的频率差相邻步进台阶频率差f_Incr，步进台阶宽度T_Step，有了以上的参数就可以构建出完整的波形。

首先我们设计上扫频段。在MS-FSCW的上扫频段中，根据距离分辨力ΔR确定扫频带宽，即

其中c为光速。

根据最大测速范围确定扫频周期T_CPI。为了保证差拍信号目标频谱峰值不出现距离门走动，要求在扫频周期范围内车辆的最大位移不超过半个距离分辨力ΔR，即

将式(3)取等号，记扫频斜率T_{Step_M}满足：

其中，R_max为最大探测距离，λ为发射信号波长。

为了避免在信号处理中FFT补零，T_{Step_M}还满足：

理论上T_{Step_M}只要满足(4)(5)即可，没有下限，在实际应用中，T_{Step_M}还需与波形产生芯片、AD芯片的性能折中考虑。根据T_{Step_M}确定频率步进信号的步进台阶数N和相邻步进台阶频率差f_Incr：

在MS-FSCW中，同一目标在不同频率步进信号产生的差拍回波中具有相同的频率和不同的初相。我们利用了目标谱线频率和相位信息计算目标的距离和速度信息。用表示目标谱线处差拍信号S_k的相位和差拍信号S_k+1的相位之差，即：

经推导，与目标距离R满足以下公式：

其中，f_b表示目标位置处差拍回波信号的频率，其估计精度受噪声的影响要比更小。所以，的估计误差越小，距离R的测量精度越高。对差拍信号的相位差估计作一个精度分析，经推导，满足正态分布，其方差为：

其中，SNR为频域目标谱线信噪比。δ为目标差拍信号真实频率与FFT分辨频率的偏差，一般|δ|≤0.5。从公式看出，方差与k无关，即所有的差拍信号相位差都满足这一方差。于是，我们可以得到在信噪比最差条件下相位差误差分布。

如图2(a)所示，这是一张目标在最大距离处的信噪比(即频域最小可检测信噪比)SNR_min且δ＝0.5条件下相位差误差的概率密度图，相位差估计误差与测距误差满足一致的概率分布，如图2(b)所示，所以相位差的估计误差会引起测距误差。

根据容错概率a(例如容错概率a＝0.1％)计算在频域最小可检测信噪比SNR_min下相位差的最大误差值即在(1-a)的置信水平下对正态分布进行区间估计。满足：

根据和测距精度ΔR(在本发明中，我们设定测距精度等于距离分辨力)计算不模糊距离的最小值：

理论上只要发射波形的不模糊距离小于对应计算出来的距离误差精度就能满足要求。而不模糊距离的上限应该满足使测距不发生模糊，理论上最大测距范围应该作为不模糊距离的上限，但考虑到噪声的影响，不模糊距离的上限放宽至：

用Q等分法将不模糊距离从开始等分直至不模糊距离小于Q满足：

在本发明中，发射波形S_k和S_k+1对应的不模糊距离与信号间频差满足如下关系：

越大，越小，测距精度越高。同时为了与我们之前的波形设计相对应，将发射波形S_k和S_k+1对应的不模糊距离设定为：

Q等分的次数决定了频率步进信号的个数M

T_Step满足

通过公式(14)，计算得到M个频率步进信号间的频率差k＝1,2,...,M-1。

至此，上扫频段波形的所有参数都已计算完毕，下扫频段波形为上扫频段的镜像，因此也获得了下扫频段的发射波形参数。

步骤三：设计MS-FSCW信号处理方式：对雷达的MS-FSCW发射信号回波进行处理：MS-FSCW发射信号回波与本振信号进行混频重排后得到多个差拍信号，对采样得到的差拍信号数据进行加窗FFT处理得到频谱，对该频谱进行恒虚警检测和点迹凝聚处理得到目标峰值点，根据幅频响应计算目标峰值点谱线的差拍信号频率，根据相频响应计算相邻差拍信号目标峰值点处的相位差，利用差拍信号频率和相位差解耦和，并通过解模糊处理得到目标的距离和速度信息。

在MS-FSCW的上扫频段中，信号处理过程如图3所示。雷达正常工作时，将整段上扫频信号作为一个CPI进行处理。MS-FSCW发射信号回波与本振信号进行混频得到差拍信号，对回波差拍信号在步进台阶的中间时刻进行AD采样。AD采样率f_s为：

将步进信号S_m.n发射期间差拍回波采样数据记为b_m.n，m＝1,2,...M,n＝1,2,…,N，对所有的b_m.n进行数据重排，将具有相同m的b_m.n按发射顺序排成一行，得到上扫频期间M个频率步进发射信号的差拍回波采集数据B＝(b_m.n)_M×N。

依次对(b_m.n)_1×N进行加窗和N点FFT处理，1≤m≤M，获得频域结果记为FB＝(fb_m.n)_M×N：

(fb_m.n)_1×N＝fft[(b_m.n)_1×N],m＝1,2,...,M (19)

为了对目标回波能量积累，提高检测概率，对FB作求模运算，然后进行周期图积累处理得到FBSUM＝(fbsum_n)_1×N：

对周期图积累后结果FBSUM作恒虚警检测找出过门限的点，并通过点迹凝聚获得目标峰值点。理论上目标的个数等于峰值谱线的个数，记某个目标峰值点处的位置为p，对应的频率即为差拍信号的频率，记为使用FB计算在目标位置p处谱线的M个相位

将相邻相位作差可以得到M-1个相位差信息

将和代入下面的公式，即可算得在M-1个不模糊距离条件下的距离R^k：

上式中，R^k的值随着的减小逐渐精确，但也变得更加模糊。解模糊的方式如图4所示。可以分为以下3步。

第1步，根据和使用公式(23)计算R^k和(1≤k≤M-1)。将R¹记为初始的参考距离q¹＝0。

第2步，使用以下公式进行迭代计算和q^k：

第3步，k依次取2、3、…、M-1，直至参考距离更新至

即为目标的真实距离R。将R代入下面公式就可得到目标的速度V。

至此在上扫频段中，目标的速度V和距离R均已获得。下扫频段的信号处理过程与上扫频段一致，不再详述。

另外在实际***中，由于收发泄漏，目标的有用信号会被收发耦合信号淹没，在零频附近形成检测盲区。从图5(a)可以看出，对于一个正在靠近(即速度为正值)的目标来说，上扫频形成的频谱峰值在某个时刻会处于零频附近。而对于一个远离(即速度为负值)的目标来说，在下扫频中也会遇到类似的问题。所以在实际检测时，MS-FSCW利用上扫频检测远离的目标，用下扫频检测靠近的目标，从而使盲区大大缩小，如图5(b)所示。

实施例1

本发明的效果可以通过以下仿真实验和外场测试进一步说明。

在仿真实验的指标设计中，测距范围为0到100m，测速范围为-120Km/h到120Km/h，雷达距离分辨力不大于1m，在最大作用距离处的目标回波输入信号时域信噪比为-9dB。根据具体实施的设计方法，MS-FSCW雷达波形参数设计如表1所示：

表1

上述方案中，步进信号的台阶数取512，在频谱最小信噪比条件下的为36°，所以不模糊距离的上限值为125m，下限值为10m。采用4等分法迭代缩短不模糊距离。需要4个频率步进连续波信号，且不模糊距离取125m，31.25m，7.8125m。

另外，为了评估本发明波形的性能，我们在相同指标的条件下设计了一种采用MFSK探测的波形。

MFSK雷达波形参数设计如表2所示：

表2

图6为Matlab仿真比较MFSK和MS-FSCW在相同输入信噪比下的检测精度，输入信噪比范围取-9dB到9dB。在同一信噪比下，对目标车辆距离从1m到100m，间隔1m，速度从-30m/s至30m/s，间隔1m/s的所有情况下进行仿真，将检测结果与实际情况相减计算误差，通过比较误差矩阵的标准差来确定两种体制的测量精度的好坏。

从图6(a)、(b)中可以看出，MFSK的测距测速精度在输入信噪比小于0dB后严重恶化(测距误差大于2m，测速误差大于1m/s)，然而MS-FSCW在输入信噪比为-9dB的情况下，误差仍然在可接受范围内(测距误差小于1m，测速误差小于0.5m/s)。从而可以看出在测量精度方面，MS-FSCW波形的性能更好。因此，MS-FSCW在测量精度和盲区检测等方面，都具有良好的性能。

Claims (3)

1.一种车载辅助驾驶雷达的目标检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，确定雷达的发射波形形式为多阶频率步进连续波MS-FSCW，一个完整的MS-FSCW波形分为上扫频段和下扫频段两部分，每个扫频段的信号都由多个频率步进点频连续波信号交替排列组成；

步骤2，确定雷达的MS-FSCW发射波形参数，根据最大测距范围、最大测速范围、测距精度以及***可检测最小信噪比确定波形的参数，所述波形参数包括扫频带宽、扫频周期、采样率、频率步进连续波信号的个数以及频率步进连续波信号间的起始频率差；

步骤3，对雷达的MS-FSCW发射信号回波进行处理：MS-FSCW发射信号回波与本振信号进行混频重排后得到多个差拍信号，对采样得到的差拍信号数据进行加窗FFT处理得到频谱，对该频谱进行恒虚警检测和点迹凝聚处理得到目标峰值点，根据幅频响应计算目标峰值点谱线的差拍信号频率，根据相频响应计算相邻差拍信号目标峰值点处的相位差，利用差拍信号频率和相位差解耦和，并通过解模糊处理得到目标的距离和速度信息；

步骤1所述确定雷达的发射波形形式为多阶频率步进连续波MS-FSCW，一个完整的MS-FSCW波形分为上扫频段和下扫频段两部分，每个扫频段的信号都由多个频率步进点频连续波信号交替排列组成，具体如下：

所述一个完整的MS-FSCW波形分为上扫频段和下扫频段两部分，单个上扫频段或者下扫频段组成了一个相参处理间隔，上、下扫频段各包含M个交替排列的频率步进点频连续波信号；

在上扫频段中，每个频率步进信号由N个步进台阶组成，第m个频率步进信号S_m的N个步进台阶分别为S_m.1,S_m.2,…,S_m.N，每个步进台阶时间宽度为T_Step，相邻步进台阶频率差为f_Incr，扫频带宽为B＝(N-1)*f_Incr；这M个频率步进点频连续波信号具有相同的扫频周期T_CPI、扫频带宽B、步进周期T_Step和步进频率f_Incr，用T_{Step_M}表示这M个频率步进信号在同一步进台阶中的扫频时间之和，即T_{Step_M}＝MT_Step；在同一T_{Step_M}中，相邻步进信号间的频率差不同，其中表示第k+1个频率步进信号与第k个频率步进信号在同一T_{Step_M}中频率差绝对值，公式如下：

在上扫频段中，同一T_{Step_M}中的M个步进信号的频率随着步进信号编号的增加逐渐变小即信号间频率差随着步进信号编号的增加逐渐拉大即

在下扫频段中，步进信号的组成方式为上扫频段信号的镜像，即时间上的倒置。

2.根据权利要求1所述车载辅助驾驶雷达的目标检测方法，其特征在于，步骤2所述确定雷达的MS-FSCW发射波形参数，根据最大测距范围、最大测速范围、测距精度以及***可检测最小信噪比确定波形的参数，所述波形参数包括扫频带宽、扫频周期、采样率、频率步进连续波信号的个数以及频率步进连续波信号间的起始频率差，具体如下：

首先设置发射波形参数如下：波形的扫频带宽B，波形的扫频周期T_CPI，频率步进信号在同一阶步进中的扫频时间之和T_{Step_M}，频率步进信号的步进台阶数N，频率步进信号的个数M，频率步进信号之间的频率差相邻步进台阶频率差f_Incr，步进台阶宽度T_Step；

在MS-FSCW发射波的上扫频段中，根据距离分辨力ΔR确定扫频带宽，即

其中c为光速；

根据最大测速范围确定扫频周期T_CPI，为了保证差拍信号目标频谱峰值不出现距离门走动，要求在扫频周期范围内车辆的最大位移不超过半个距离分辨力ΔR，即

将式(3)取等号，记扫频斜率T_{Step_M}满足：

其中，R_max为最大探测距离，λ为发射信号波长；

为了避免在信号处理中FFT补零，T_Step__M还满足

根据T_Step__M确定频率步进信号的步进台阶数N和相邻步进台阶频率差f_Incr：

用表示目标谱线处差拍信号S_k的相位和差拍信号S_k+1的相位之差，即：

与目标距离R满足以下公式：

其中，f_b表示目标位置处差拍回波信号的频率；的估计误差与距离R的测量误差成正比；

对差拍信号的相位差估计作一个精度分析，满足正态分布，方差为

其中，SNR为频域目标谱线信噪比，δ为目标差拍信号真实频率与FFT分辨频率的偏差，|δ|≤0.5；

根据容错概率a计算在频域最小可检测信噪比SNR_min下相位差的最大误差值即在(1-a)的置信水平下对正态分布进行区间估计，满足：

根据和测距精度ΔR计算不模糊距离的最小值

考虑到噪声的影响，不模糊距离的上限放宽至：

用Q等分法将不模糊距离从开始等分直至不模糊距离小于Q满足

发射波形S_k和S_k+1对应的不模糊距离与信号间频差满足如下关系：

将发射波形S_k和S_k+1对应的不模糊距离设定为：

Q等分的次数决定了频率步进信号的个数M

T_Step满足

通过公式(14)，计算得到M个频率步进信号间的频率差k＝1,2,...,M-1；

下扫频段波形为上扫频段的镜像，因此也获得了下扫频段的发射波形参数。

3.根据权利要求1所述的车载辅助驾驶雷达的目标检测方法，其特征在于，步骤3所述对雷达的MS-FSCW发射信号回波进行处理，具体如下：

MS-FSCW发射信号回波与本振信号进行混频得到差拍信号，对回波差拍信号在步进台阶的中间时刻进行AD采样，AD采样率f_s为：

将步进信号S_m.n发射期间差拍回波采样数据记为b_m.n，m＝1,2,...M,n＝1,2,…,N，对所有的b_m.n进行数据重排，将具有相同m的b_m.n按发射顺序排成一行，得到上扫频期间M个频率步进发射信号的差拍回波采集数据B＝(b_m.n)_M×N；

依次对(b_m.n)_1×N进行加窗和N点FFT处理，1≤m≤M，获得频域结果记为FB＝(fb_m.n)_M×N：

(fb_m.n)_1×N＝fft[(b_m.n)_1×N],m＝1,2,...,M (19)

对FB作求模运算，然后进行周期图积累处理得到FBSUM＝(fbsum_n)_1×N

对周期图积累后结果FBSUM作恒虚警检测找出过门限的点，并通过点迹凝聚获得目标峰值点，记某个目标峰值点处的位置为p，对应的频率即为差拍信号的频率，记为使用FB计算在目标位置p处谱线的M个相位

将相邻相位作差得到M-1个相位差信息

将和代入下面的公式，算得在M-1个不模糊距离条件下的距离R^k：

解模糊的方式分为以下3步：

第1步，根据和使用公式(23)计算R^k和(1≤k≤M-1)，将R¹记为初始的参考距离q¹＝0；

第2步，使用以下公式进行迭代计算和q^k：

第3步，k依次取2、3、…、M-1，直至参考距离更新至

即为目标的真实距离R，将R代入下面公式得到目标的速度V：

至此在上扫频段中，目标的速度V和距离R均已获得，下扫频段的信号处理过程与上扫频段一致。