CN112859061B - 一种基于调频连续波雷达的多目标检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于调频连续波雷达的多目标检测方法，包括：首先对恒频段做一维快速傅里叶变换，得到目标速度矩阵，然后对梯形波和三角波上下扫频频段做二维快速傅里叶变换，峰值点分别对应中心频率和模糊多普勒频率，然后先使用梯形波上下扫频段和恒频段对目标进行配对，得到目标初选信息，然后再将得到的信号与三角波中频信号进行配对，得到真实目标中频信号信息，进而的到目标的距离。本发明解决了现有技术中存在的多目标探测中存在虚假目标，以及配对速度慢的问题。

Description

一种基于调频连续波雷达的多目标检测方法

技术领域

本发明涉及信号处理技术领域，更具体的涉及一种基于调频连续波雷达的多目标检测方法。

背景技术

汽车雷达、自动驾驶和辅助变道在现今的汽车驾驶当中扮演者非常重要的角色，它能够帮助驾驶员检测到与前方其他车辆的相对速度和距离，在危险时刻及时采取必要的制动措施，保护人员安全。

汽车防撞雷达的原理是利用雷达回波来检测出目标信息，其发射波形多采用调频连续波。但是，在多目标识别方面，调频连续波存在误报、虚假目标的问题。

发明内容

本发明实施例提供一种基于调频连续波雷达的多目标检测方法，用以解决上述背景技术中提出的问题。

本发明实施例提供一种调频连续波雷达的多目标检测方法，包括：

采用三角波与梯形波结合的调频连续波雷达，进行多目标检测；

对恒频段波形进行一维快速傅里叶变换，获得恒频段中频信号；以及根据恒频段中频信号，确定目标的真实速度；

对上扫频频段波形进行二维快速傅里叶变换，获得上扫频的差频中心频率；以及对下扫频频段波形进行二维快速傅里叶变换，获得下扫频的差频中心频率；

根据目标的真实速度，和梯形波的上扫频的差频中心频率、下扫频的差频中心频率，对目标中频信号进行初选，获得剩余的目标中频信号；

将剩余的目标中频信号，与三角波的上扫频的差频中心频率、下扫频的差频中心频率相结合，采用不同周期对目标进行筛选，获得最终目标中频信号；

根据最终目标中频信号、目标的真实速度，确定雷达与目标之间距离。

进一步地，所述三角波与梯形波结合的调频连续波为：三角波与梯形波按照不同周期组合而成的波形。

进一步地，所述目标的真实速度，通过下式确定：

其中，f_s是恒频段中频信号；f₀为载波频率；c为波传播速度。

进一步地，所述获得上扫频的差频中心频率，具体包括：

上扫频频段雷达发射信号模型：

其中，A为发射信号的幅值，

为发射信号的初始相位，μ为调制斜率；

假设目标的与雷达的相对速度为v，以远离雷达的方向为正，目标的回波信号为：

其中，H为目标反射强度和传播衰减有关的系数；

表示目标反射引起的附加相移；τ(t)为接收信号的时延函数，表达式如下：

将x(t)与x_r(t)进行混频，得到差频信号：

做快速傅里叶变换、及化简后，得到上扫频的差频中心频率为：

其中，R为雷达与目标之间距离。

进一步地，所述获得下扫频的差频中心频率，具体包括：

下扫频频段雷达发射信号模型：

其中，A为发射信号的幅值，

为发射信号的初始相位，μ为调制斜率；

假设目标的与雷达的相对速度为v，以远离雷达的方向为正，目标的回波信号为：

将x(t)与x_r(t)进行混频，得到差频信号：

其中，H为目标反射强度和传播衰减有关的系数；

表示目标反射引起的附加相移；τ(t)为接收信号的时延函数，表达式如下：

做快速傅里叶变换、及化简后，得到下扫频的差频中心频率为：

其中，R为雷达与目标之间距离。

进一步地，所述对目标中频信号进行初选，通过如下公式确定：

|f_up,i-f_down,i|＝2f_s,i

其中，i为第i个波。

进一步地，所述采用不同周期对目标进行筛选，具体包括：

f₁≈f₀

其中，μ_i为三角波的调制斜率；f_up,1为上扫频差频频率；f_down,1为下扫频差频频率。

进一步地，所述雷达与目标之间距离R，通过下式确定：

其中，f为最终目标中频信号。

本发明实施例提供一种基于调频连续波雷达的多目标检测方法，与现有技术相比，其有益效果如下：

本发明提高了FMCW信号多目标识别能力，同时减少目标匹配所需要的时间。由于真实目标的信息不随周期的变化而变化，速度和距离值能够有效保留下来；而虚假目标的信息会受到周期变化的影响，不同的周期速度距离信息的数值不相同。因此在配合恒频段求出目标速度的基础上，利用变周期三角波进行两次配对，就能够得到真实目标的信息数值了。而且由于恒频段速度维数值是真实有效的，因此需要配对的扫频信号会减少很多，大大降低了配对所需要的时间。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种基于调频连续波雷达的多目标检测方法的流程图；

图2为本发明实施例提供的雷达改进波形的发射信号。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参见图1，本发明实施例提供的一种基于调频连续波雷达的多目标检测方法，该方法包括：

步骤1，采用三角波与梯形波结合的调频连续波雷达，进行多目标检测。

步骤2，对恒频段波形进行一维快速傅里叶变换，获得恒频段中频信号；以及根据恒频段中频信号，确定目标的真实速度。即对恒频段做一维快速傅里叶变换，得到目标速度矩阵。

步骤3，对上扫频频段波形进行二维快速傅里叶变换，获得上扫频的差频中心频率；以及对下扫频频段波形进行二维快速傅里叶变换，获得下扫频的差频中心频率。即对梯形波和三角波上下扫频频段做二维快速傅里叶变换，峰值点分别对应中心频率和模糊多普勒频率。

步骤4，根据目标的真实速度，和梯形波的上扫频的差频中心频率、下扫频的差频中心频率，对目标中频信号进行初选，获得剩余的目标中频信号。

步骤5，将剩余的目标中频信号，与三角波的上扫频的差频中心频率、下扫频的差频中心频率相结合，采用不同周期对目标进行筛选，获得最终目标中频信号。

步骤6，根据最终目标中频信号、目标的真实速度，确定雷达与目标之间距离。

对上述步骤2、3的具体说明如下：

上、下扫频差频信号由于性质相同，只是斜率相反，所以本次以上扫频为例，分析f_up的求解过程，同时了解传统三角波目标识别的工作原理，发射信号的模型如下：

其中，A为发射信号的幅值，

为发射信号的初始相位，f₀和μ是载波频率和调制斜率。

假设目标的与雷达的相对速度为v(以远离雷达的方向为正)，目标的回波信号为：

其中，H是与目标反射强度和传播衰减有关的系数，

表示目标反射引起的附加相移。接收信号的时延函数为τ(t)，表达式如下：

将x(t)与x_r(t)进行混频可以得到差频信号：

做快速傅里叶变换：

化简之后，得到上扫频的差频中心频率为：

同样地，下扫频的差频信号频率与上扫频的求解过程相同，将斜率变成相反数后发射信号模型如下。

目标的回波信号为：

混频可以得到差频信号：

化简之后得到下扫频的差频中心频率为：

另外，恒频段由于斜率μ不存在，因此

对上述步骤4的具体说明如下：

初选公式如下：

|f_up,i-f_down,i|＝2f_s,i

由于|f_up,i-f_down,i|＝2f_s,i，因此只要是满足这个式子，且速度满足

前提下才算是完成目标初选。具体地，i为第i个对称三角波(三角波和梯形波上下扫频段构成两个三角波)。

对上述步骤5的具体说明如下：

将步骤4得到的中频信号与三角波得到的中频信号进行结合筛选，得到最终的目标中频信号；由于真实目标的信息不受周期变化影响，而虚假目标的信息受周期变化的影响，所以采用不同周期对目标进行筛选，

f₁≈f₀

对上述步骤6的具体说明如下：

步骤5得到的中频信号再通过计算得到目标的距离信息，其计算目标距离公式为：

其中，f为最终目标中频信号。

本发明原理说明：

本发明是一种改进的调频连续波多目标雷达波形设计，在调频连续波多目标检测当中，由于目标上下扫频配对中存在多种情况，因此在n个目标的上下扫频信号的情况，会出现n²种目标配对情况，而其中有n²-n个虚假目标，传统方法无法分辨虚假和真实目标。而本发明的重点，设计了三角波与梯形波结合的汽车防撞雷达波形，提出了相应的改进配对算法，使之能更有效地探测到多个真实目标，去除虚假目标的干扰。

进一步地，本发明是一种调频连续波多目标识别波形设计与算法。单一波形无法解决多目标情况下的目标识别问题，在配对方面，直接进行目标上下扫频配对，耗费时间太大，所以先使用恒频段求出目标真实速度，进而使用所得到的目标速度求得目标真实频率。目标速度所得信号由于可能存在相同情况，因此使用变三角波得到最终的真实目标上下扫频信息。由于真实目标不受周期变化的影响，而虚假目标会受到周期变化的影响，因此采用变周期三角波来解决目标真实性的问题。

综上所述，本发明首先对恒频段做一维快速傅里叶变换，得到目标速度矩阵，然后对梯形波和三角波上下扫频频段做二维快速傅里叶变换，峰值点分别对应中心频率和模糊多普勒频率，然后先使用梯形波上下扫频段和恒频段对目标进行配对，得到目标初选信息，然后再将得到的信号与三角波中频信号进行配对，得到真实目标中频信号信息，进而的到目标的距离。本发明解决了现有技术中存在的多目标探测中存在虚假目标，以及配对速度慢的问题。传统的线性调频连续波无论是在多目标识别方面，还是目标配对速度方面都存在很大问题。本发明旨在研究对目标识别能力的提高，使其从灵活性、实用性、精度等方面得到改进，对于不同场合，信号仅需进行调整，以满足不同的要求，大大提高了信号提取和处理的灵活性和准确性。

以上公开的仅为本发明的几个具体实施例，本领域的技术人员可以对本发明实施例进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围，但是，本发明实施例并非局限于此，任何本领域的技术人员能思之的变化都应落入本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种基于调频连续波雷达的多目标检测方法，其特征在于，包括：

采用三角波与梯形波结合的调频连续波雷达，进行多目标检测；

对恒频段波形进行一维快速傅里叶变换，获得恒频段中频信号；以及根据恒频段中频信号，确定目标的真实速度；

对上扫频频段波形进行二维快速傅里叶变换，获得上扫频的差频中心频率；以及对下扫频频段波形进行二维快速傅里叶变换，获得下扫频的差频中心频率；

根据目标的真实速度，和梯形波的上扫频的差频中心频率、下扫频的差频中心频率，对目标中频信号进行初选，获得剩余的目标中频信号；

将剩余的目标中频信号，与三角波的上扫频的差频中心频率、下扫频的差频中心频率相结合，采用不同周期对目标进行筛选，获得最终目标中频信号；

根据最终目标中频信号、目标的真实速度，确定雷达与目标之间距离。

2.如权利要求1所述的基于调频连续波雷达的多目标检测方法，其特征在于，所述三角波与梯形波结合的调频连续波为：三角波与梯形波按照不同周期组合而成的波形。

3.如权利要求1所述的基于调频连续波雷达的多目标检测方法，其特征在于，所述目标的真实速度，通过下式确定：

其中，f_s是恒频段中频信号；f₀为载波频率；c为波传播速度。

4.如权利要求3所述的基于调频连续波雷达的多目标检测方法，其特征在于，所述获得上扫频的差频中心频率，具体包括：

上扫频频段雷达发射信号模型：

其中，A为发射信号的幅值，

为发射信号的初始相位，μ为调制斜率；

假设目标的与雷达的相对速度为v，以远离雷达的方向为正，目标的回波信号为：

其中，H为目标反射强度和传播衰减有关的系数；

表示目标反射引起的附加相移；τ(t)为接收信号的时延函数，表达式如下：

将x(t)与x_r(t)进行混频，得到差频信号：

做快速傅里叶变换、及化简后，得到上扫频的差频中心频率为：

其中，R为雷达与目标之间距离。

5.如权利要求4所述的基于调频连续波雷达的多目标检测方法，其特征在于，所述获得下扫频的差频中心频率，具体包括：

下扫频频段雷达发射信号模型：

其中，A为发射信号的幅值，

为发射信号的初始相位，μ为调制斜率；

假设目标的与雷达的相对速度为v，以远离雷达的方向为正，目标的回波信号为：

将x(t)与x_r(t)进行混频，得到差频信号：

其中，H为目标反射强度和传播衰减有关的系数；

表示目标反射引起的附加相移；τ(t)为接收信号的时延函数，表达式如下：

做快速傅里叶变换、及化简后，得到下扫频的差频中心频率为：

其中，R为雷达与目标之间距离。

6.如权利要求5所述的基于调频连续波雷达的多目标检测方法，其特征在于，所述对目标中频信号进行初选，通过如下公式确定：

|f_up,i+f_down,i|＝2f_s,i

其中，i为第i个波。

7.如权利要求5所述的基于调频连续波雷达的多目标检测方法，其特征在于，所述采用不同周期对目标进行筛选，具体包括：

f₁≈f₀

其中，μ_i为三角波的调制斜率；f_up,1为上扫频差频频率；f_down,1为下扫频差频频率。

8.如权利要求7所述的基于调频连续波雷达的多目标检测方法，其特征在于，所述雷达与目标之间距离R，通过下式确定：

其中，f为最终目标中频信号。

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