CN112882006B - 基于复合调频连续波的毫米波近程目标探测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于复合调频连续波的毫米波近程目标探测方法，效率高、实时性好。其包括：(10)毫米波雷达信号发射：构建四段目标波形的调频连续波，作为毫米波雷达发射信号进行发射；(20)回波信号混频滤波：将回波信号和发射信号进行混频、采样、滤波；(30)差频信号频谱峰值检测：对离散信号进行快速傅氏变换、峰值检测，通过峰值搜索得到各段目标波形所对应的回波差频信号峰值频率；(40)复合波形目标探测：综合各段目标波形所对应的回波差频信号峰值频率，得到组合目标距离速度矩阵、速度矩阵和距离矩阵；剔除组合目标距离速度矩阵中的虚假目标；剔除组合目标距离速度矩阵中的虚假目标；得到真实目标的距离、速度信息。

Description

基于复合调频连续波的毫米波近程目标探测方法

技术领域

本发明属于目标探测领域，特别是一种基于复合调频连续波的毫米波近程目标探测方法。

背景技术

毫米波近程目标探测是基于毫米波近感技术，实现对几十厘米到几公里范围内目标距离和速度信息的探测。由于毫米波雷达空间分辨率高、抗干扰能力强、距离分辨率高、穿透能力强和发射功率低，被广泛应用于毫米波近程目标探测领域，例如炮火寻的、引信、目标探测与跟踪等军事领域，智能安防、汽车防撞与自动控制等民用领域。

毫米波雷达主要分为脉冲体制雷达和连续波体制雷达，其中连续波体制雷达中的调频连续波雷达具备如下优点：(1)具有很高的调频带宽，可以通过提高带宽来提升距离分辨率；(2)无距离盲区；(3)大时宽带宽积；(4)发射信号波束窄，方向性好。以上优点使得调频连续波适用于毫米波近程探测***。

调频连续波按照调制波形划分，可以分为三角波、恒定频率连续波等。三角波调频连续波雷达测距测速原理是利用对称上、下扫频段，将得到的上、下扫频段的回波差频信号峰值频率两配对从而实现距离和速度的解耦，多目标场景下会由于上、下扫频段具有多个峰值频谱，错误配对会产生虚假目标，而恒定调频连续波雷达可以得到目标的速度信息。恒定频率连续波利用目标移动产生的多普勒频移，得到运动目标的速度信息。

为了解决三角波调频连续波雷达在多目标探测场景下会产生虚假目标的问题，梯形波调频连续波雷达结合了三角波调频连续波和恒定频率连续波的特点，利用三角波段获得组合目标，利用恒频段得到的多目标径向速度信息，在速度维剔除虚假目标，但是部分场景下无法剔除全部虚假目标。

考虑到上述体制雷达在部分场景下无法剔除全部虚假目标的问题，目前主流算法是发射两段具备不同上、下扫频段调频斜率的三角波，利用真实目标的距离速度信息不会随着上、下扫频段的调频斜率的变化而改变的特点来去除虚假目标。该算法可有效剔除全部虚假目标，但是假设存在N个目标，则要进行2*N⁴次距离维和速度维的容差比较，故该算法有复杂度高，实时性差的缺点。

因此，现有技术存在的问题是：基于变周期三角波调频连续波的毫米波近程目标探测方法由于算法复杂度高，导致实时性差。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于复合调频连续波的毫米波近程目标探测方法，效率高、实时性好，节省***硬件空间。

实现本发明目的的技术解决方案为：

一种基于复合调频连续波的毫米波近程目标探测方法，包括如下步骤：

(10)毫米波雷达信号发射：构建四段目标波形的调频连续波；将所述调频连续波作为毫米波雷达发射信号进行发射；

(20)回波信号混频滤波：将接收的回波信号和发射信号进行混频，得到回波差频信号，对所述差频信号进行采样，对采样得到的离散信号进行滤波；

(30)差频信号频谱峰值检测：对滤波后的离散信号进行快速傅氏变换，得到回波差频信号的频谱信息，采用恒虚警算法进行峰值检测，通过峰值搜索得到各段目标波形所对应的回波差频信号峰值频率；

(40)复合波形目标探测：综合各段目标波形所对应的回波差频信号峰值频率，得到组合目标距离速度矩阵、速度矩阵和距离矩阵；利用所述速度矩阵的速度信息在速度维剔除组合目标距离速度矩阵中的虚假目标；利用所述距离矩阵的距离信息在距离维剔除组合目标距离速度矩阵中的虚假目标；从而得到真实目标的距离、速度信息。

本发明与现有技术相比，其显著优点为：

1、效率高：本发明通过利用第3段恒频段波形和第4段频率上升段，在距离维和速度维的匹配组合目标，从而全部虚假目标，最多进行2N³-1次比较，而传统基于变周期三角波的毫米波近程目标检测方法需进行2*N⁴比较，相比于现有技术，本发明公布的方法能以更高的效率剔除虚假目标。

2、实时性好：本发明公布的方法相较于原有技术节省了大量运算时间，时间复杂度更低，能有效满足近程探测***对于实时性的要求。

3.节省***硬件空间：本发明公布的方法相较于原有技术空间复杂度更低，大大节省了硬件空间。

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明基于复合调频连续波的毫米波近程目标探测方法的主流程图。

图2为本发明中发射信号、回波信号和差频信号的时频示意图。

图3为本发明中复合调频连续波的多目标探测方法的速度通道和距离通道匹配效果示意图。

具体实施方式

如图1所示，本发明基于复合调频连续波的毫米波近程目标探测方法，包括如下步骤：

(10)毫米波雷达信号发射：构建四段目标波形的调频连续波；将所述调频连续波作为毫米波雷达发射信号进行发射；。

毫米波雷达的发射信号为基于目标波形的调频连续毫米波；所述目标波形由四段波形组成，按时间顺序依次标号为1、2、3、4；所述第1段波形为频率上升波形，第2段波形为频率下降波形，第3段波形为恒定频率波形，第4段波形为频率上升波形。

发射信号的波形如图2所示。所述(10)毫米波信号发射步骤中，所述毫米波雷达信号如下式：

式中，α₀是发射信号幅值信息，f₀是表示信号的初始频率，B为信号的带宽，T₁、T₂、T₃、T₄分别对应第1段频率上升段、第2段频率下降段、第3段恒定频率段和第4段频率上升段的扫频时宽，分别对应每段的初始相位。

第1段波形频率上升段的扫频时宽T₁和第2段波形频率下降段的扫频时宽T₂需满足：

T₁＝T₂

所述第4段波形频率上升段的扫频时宽T₄需满足：

式中，v_min为待测目标的最小速度值，负数表示待测目标远离雷达，v_max为最大速度值。m可取值范围为1～10。T₄范围可适当加宽，需保证τ_max＜＜T₄(τ_max为目标最大回波时延)。

(20)回波信号混频滤波：将接收的回波信号和发射信号进行混频，得到回波差频信号，对所述差频信号进行采样，对采样得到的离散信号进行滤波；

回波信号混频滤波步骤中，发射信号作为本振信号，将回波信号与本振信号混频后得到差频信号。

所述(20)回波信号混频滤波步骤中，采样得到的离散信号为：

式中，K_r为目标的反射系数，t_s为采样时间间隔，n为采样序列，τ为目标回波时延，μ₁＝B/T₁，μ₂＝B/T₄,分别对应每段差频信号的初始相位。

(30)差频信号频谱峰值检测：对滤波后的离散信号进行快速傅氏变换，得到回波差频信号的频谱信息，采用恒虚警算法进行峰值检测，通过峰值搜索得到各段目标波形所对应的回波差频信号峰值频率；

假设目标区域存在一个距离为R_n，速度为v_n的匀速运动的目标n，则所述(30)回波差频信号峰值检测步骤得到的各段目标波形所对应的回波差频信号峰值频率为：

式中，f_{b1_up}、f_{b2_down}、f_{b3_c}和f_{b4_up}分别为目标波形每段对应回波差频信号的峰值频率。

(40)复合波形目标探测：综合各段目标波形所对应的回波差频信号峰值频率，得到组合目标距离速度矩阵、速度矩阵和距离矩阵；利用所述速度矩阵的速度信息在速度维剔除组合目标距离速度矩阵中的虚假目标；利用所述距离矩阵的距离信息在距离维剔除组合目标距离速度矩阵中的虚假目标；从而得到真实目标的距离、速度信息。所述(40)复合波形目标探测步骤具体包括：

(41)组合目标获得：将第1段频率上升段和第2段频率下降段的峰值频率两两配对得到组合目标距离速度矩阵F₁[(R₁,v₁),(R₂,v₂),...(R_W,v_W)]；

(42)速度通道匹配：通过第3段恒频段的峰值频率获得目标径向速度矩阵V₁[v₁,v₂,..v_N]，建立速度容差函数Δδv，遍历F₁中的组合目标的速度值与V₁中速度值进行容差匹配，剔除部分虚假目标，得到筛选后的距离速度矩阵F₂[(R₁,v₁),(R₂,v₂),...(R_Q,v_Q)]；

(43)距离通道匹配：通过第4段频率上升段峰值频率得到速度通道矩阵R₁[(R_1,amb-,R_1,amb+),(R_2,amb-,R_2,amb+),...(R_m,amb-,R_m,amb+)]，遍历F₂中的目标距离值与距离通道矩阵R₁中的每个距离通道进行匹配，无法匹配的目标则被判定为虚假目标，得到真实目标的距离、速度信息。

所述(41)组合目标获得步骤具体为：

单个目标场景下，将第1段频率上升段和第2段频率下降段得到的峰值频率两两配对，通过下述公式，得到目标n的距离、速度信息为：

在多目标场景下，假设存在N个目标，且经过步骤(30)在第1段频率上升段、第2段频率下降段均得到N个峰值频率，则根据上式两两配对会产生N²个组合目标，组合目标距离速度矩阵F₁为[(R₁,v₁),(R₂,v₂),...(R_W,v_W)](w＝N²)。目标距离速度矩阵F₁即为该步骤得到的组合目标，其中包含N²-N个虚假目标。

所述(42)速度通道匹配，速度通道匹配步骤为：

通过下述公式，可以建立得到速度容差函数为：

式中，f_s为回波差频信号的采样频率，N_FFT1为第1段频率上升段的FFT点数，N_FFT3为第3段恒定频率段的FFT点数。

经过步骤(30)在第3段恒定频率段得到N个峰值频率f_{b3_cn}(n＝1,2,...N)，通过如下公式，得到速度矩阵V₁[v₁,v₂,...v_N]:

得到的速度矩阵V₁即为得到的N个速度通道。将F₁中目标的速度与速度矩阵V₁的速度值进行容差匹配，符合如下条件的则是满足匹配：

|v_m-v_n|≤Δδv,m∈[1,2,...M],n∈[1,2,...N]

其中，v_m∈F₁，v_n∈V₁，M是距离速度矩阵F₁的维度，N是距离矩阵V₁的维度。

所述(43)距离通道匹配步骤具体为：

通过下述公式，可以建立得到距离容差函数为：

式中，f_s为回波差频信号的采样频率，N_FFT1为第1段频率上升段的FFT点数，N_FFT4为第4段恒定频率段的FFT点数。

目标m在上扫频段对应的峰值频谱为f_{b4_upm}，则目标m的模糊距离R_m,amb＝cf_{b4_upm}/2μ₂，可以得到目标m的精确距离R_m所在的范围：

其中，v_min(负数表示待测目标远离雷达)为N个待测目标的最小速度值，v_max为最大速度值。令R_m,amb-＝f_{b4_upm}c/2μ+f₀v_min/μ₂，表示为峰值频谱f_{bm_up}对应的目标m的距离区间左端点；令R_m,amb+＝f_{b4_upm}c/2μ₂+f₀v_max/μ₂，表示为频谱峰值f_{bm_up}对应的目标m的距离区间右端点。目标m的精确距离可以表示为：

R_m∈[R_m,amb-，R_m,amb+]

式中，[R_m,amb-，R_m,amb+]为峰值频率f_{b4_upm}对应的距离通道。

假设在所述步骤(30)得到第4段频率上升段得到N个峰值频率则对应距离通道矩阵R₁[(R_1,amb-,R_1,amb+),(R_2,amb-,R_2,amb+),...(R_N,amb-,R_N,amb+)]。距离通道矩阵R₁即为得到的N个距离通道。

以峰值频率f_{b4_upm}对应的距离通道为例，做如下修正：

对N个距离通道进行修正，得到距离通道矩阵

R₂[(R_1,amb-,R_1,amb+),(R_2,amb-,R_2,amb+),...(R_N,amb-,R_N,amb+)]。

将目标距离速度矩阵F₂中的距离值与距离通道R₂进行匹配，若满足：

R_m,amb-≤R_n≤R_m,amb+,m∈[1,2,...M],n∈[1,2,...N]

其中，R_n∈F₂，R_m,amb-，R_m,amb+∈F₂，M是距离速度矩阵F₂的维度，N是距离通道矩阵R₂的维度。

图3为基于复合调频连续波的毫米波近程目标探测方法的速度通道和距离通道匹配效果示意图，可以看出，第1段频率上升段和第2段频率下降段的峰值频率两两配对共计算产生了16个组合目标，通过第3段恒定频段得到4个径向速度值，利用速度通道剔除了9个虚假目标，通过第4段频率上升段得到4个距离通道，利用距离通道剔除了3个虚假目标，最终匹配后剩下的4个组合目标即为真实目标，本次算法一共进行了92次比较，而传统基于变周期三角波的目标探测方法则要进行512次比较，可以看出本发明中公布的方法效率更高。

Claims (3)

1.一种基于复合调频连续波的毫米波近程目标探测方法，其特征在于，包括如下步骤：

(10)毫米波雷达信号发射：构建四段目标波形的调频连续波；将所述调频连续波作为毫米波雷达发射信号进行发射；

所述毫米波雷达信号如下式：

式中，α₀是发射信号幅值信息，f₀是表示信号的初始频率，B为信号的带宽，T₁、T₂、T₃、T₄分别对应第1段频率上升段、第2段频率下降段、第3段恒定频率段和第4段频率上升段的扫频时宽，分别对应每段的初始相位；

所述第1段频率上升段的扫频时宽T₁和第2段频率下降段的扫频时宽T₂需满足：

T₁＝T₂

所述第4段频率上升段的扫频时宽T₄需满足：

式中，v_min为待测目标的最小速度值，负数表示待测目标远离雷达，v_max为最大速度值,m取值范围为1～10,T₄范围需保证τ_max＜＜T₄,τ_max为目标最大回波时延；

(20)回波信号混频滤波：将接收的回波信号和发射信号进行混频，得到回波差频信号，对所述差频信号进行采样，对采样得到的离散信号进行滤波；

所述采样得到的离散信号为：

式中，K_r为目标的反射系数，t_s为采样时间间隔，n为采样序列，τ为目标回波时延，μ₁＝B/T₁，μ₂＝B/T₄,分别对应每段差频信号的初始相位；

(30)差频信号频谱峰值检测：对滤波后的离散信号进行快速傅氏变换，得到回波差频信号的频谱信息，采用恒虚警算法进行峰值检测，通过峰值搜索得到各段目标波形所对应的回波差频信号峰值频率：

式中，f_{b1_up}、f_{b2_down}、f_{b3_c}和f_{b4_up}分别为目标波形每段对应回波差频信号的峰值频率

(40)复合波形目标探测：综合各段目标波形所对应的回波差频信号峰值频率，得到组合目标距离速度矩阵、速度矩阵和距离矩阵；利用所述速度矩阵的速度信息在速度维剔除组合目标距离速度矩阵中的虚假目标；利用所述距离矩阵的距离信息在距离维剔除组合目标距离速度矩阵中的虚假目标；从而得到真实目标的距离、速度信息；

(41)组合目标获得：将第1段频率上升段和第2段频率下降段的峰值频率两两配对得到组合目标距离速度矩阵F₁[(R₁,v₁),(R₂,v₂),...(R_W,v_W)]；

在单目标场景下，将所述第1段频率上升段和第2段频率下降段得到的峰值频率配对，通过下述公式，得到目标n的距离、速度信息为：

在多目标场景下，假设存在N个目标，且经过回波差频信号峰值检测在第1段频率上升段、第2段频率下降段均得到N个峰值频率，则根据上式两两配对会产生N²个组合目标，组合目标距离速度矩阵F₁为[(R₁,v₁),(R₂,v₂),…(R_W,v_W)](w＝N²)，目标距离速度矩阵F₁即为该步骤得到的组合目标，其中包含N²-N个虚假目标

(42)速度通道匹配：通过第3段恒频段的峰值频率获得目标径向速度矩阵V₁[v₁,v₂,...v_N]，建立速度容差函数Δδv，遍历F₁中的组合目标的速度值与V₁中速度值进行容差匹配，剔除部分虚假目标，得到筛选后的距离速度矩阵F₂[(R₁,v₁),(R₂,v₂),...(R_Q,v_Q)]；

(43)距离通道匹配：通过第4段频率上升段峰值频率得到速度通道矩阵R₁[(R_1,amb-,R_1,amb+),(R_2,amb-,R_2,amb+),...(R_m,amb-,R_m,amb+)]，遍历F₂中的目标距离值与距离通道矩阵R₁中的每个距离通道进行匹配，无法匹配的目标则被判定为虚假目标，得到真实目标的距离、速度信息。

2.根据权利要求1所述的近程目标探测方法，其特征在于，所述(42)速度通道匹配步骤具体为：

将从第3段恒定频率段得到N个峰值频率f_{b3_cn}(n＝1,2,...N)，通过如下公式，得到速度矩阵V₁[v₁,v₂,...v_N]:

所述速度矩阵V₁即为得到的N个速度通道；通过下述公式，建立得到速度容差函数Δδv为：

式中，f_s为回波差频信号的采样频率，N_FFT1为第1段频率上升段的FFT点数，N_FFT3为第3段恒定频率段的FFT点数；

将F₁中目标的速度与速度矩阵V₁的速度值进行容差匹配，符合如下条件的则是满足匹配：

|v_m-v_n|≤Δδv,m∈[1,2,…M],n∈[1,2,…N]

其中，M是距离速度矩阵F₁的维度，N是距离矩阵V₁的维度。

3.根据权利要求1所述的近程目标探测方法，其特征在于所述(43)距离通道匹配步骤具体为：

目标m在上扫频段对应的峰值频谱为f_{b4_upm}，则目标m的模糊距离R_m,amb＝cf_{b4_upm}/2μ₂，可以得到目标m的精确距离R_m所在的范围：

其中，v_min为N个待测目标的最小速度值，负数表示待测目标远离雷达，v_max为最大速度值，令R_m,amb-＝f_{b4_upm}c/2μ+f₀v_min/μ₂，表示为峰值频谱f_{bm_up}对应的目标m的距离区间左端点；令R_m,amb+＝f_{b4_upm}c/2μ₂+f₀v_max/μ₂，表示为频谱峰值f_{bm_up}对应的目标m的距离区间右端点，目标m的精确距离存在如下关系：

R_m∈[R_m,amb-，R_m,amb+]

式中，[R_m,amb-，R_m,amb+]为峰值频率f_{b4_upm}对应的距离通道；

从第4段频率上升段得到N个峰值频率，则对应距离通道矩阵R₁[(R_1,amb-,R_1,amb+),(R_2,amb-,R_2,amb+),…(R_N,amb-,R_N,amb+)]，距离通道矩阵R₁即为得到N个距离通道；

通过下述公式，建立得到距离容差函数ΔδR为：

式中，f_s为回波差频信号的采样频率，N_FFT1为第1段频率上升段的FFT点数，N_FFT4为第4段恒定频率段的FFT点数；

其中峰值频率f_{b4_upm}对应的距离通道做如下修正：

对N个距离通道分别进行修正，得到距离通道矩阵R₂[(R_1,amb-,R_1,amb+),(R_2,amb-,R_2,amb+),…(R_N,amb-,R_N,amb+)]；

将目标距离速度矩阵F₂中的距离值与距离通道R₂中的每个距离通道进行匹配，若满足下述关系式，则该目标满足匹配；若不满足，则被剔除；

R_m,amb-≤R_n≤R_m,amb+,m∈[1,2,...M],n∈[1,2,...N]

其中，M是距离速度矩阵F₂的维度，N是距离通道矩阵R₂的维度；

经过匹配后，得到目标距离速度矩阵F₃[(R₁,v₁),(R₂,v₂),…(R_N,v_N)]即为计算得到的真实目标。