CN102486538A - 一种毫米波防撞雷达目标探测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种毫米波防撞雷达目标探测方法，包括以下步骤：毫米波防撞雷达根据其发射波形的不同，分别采集相应波形所对应的回波数据；对各种波形的回波数据进行频域变换，得到回波的频谱；对各种波形的回波频谱进行频域压扩处理，补偿距离引起的不同频率分量的衰减，抑制低频干扰分量，得到有效的回波频谱；对上述回波频谱进行目标初次检测处理；对初次检测结果进行频率相关和过滤处理，而到二次检测结果；利用二次检测结果估计雷达探测目标的位置和速度。本发明能够有效的实现毫米波防撞雷达的目标探测，提高毫米波防撞雷达在复杂环境下的实用性。

Description

一种毫米波防撞雷达目标探测方法

技术领域

本发明涉及工业和汽车行业中的防撞装备领域，具体的说是一种毫米波防撞雷达目标探测方法。

背景技术

对于工业和民用行车安全来说，最主要的判断依据是两车之间的相对距离和相对速度信息，当本车以较高的速度接近前方车辆或物体时，如果两物体之间的相对距离太近，很容易造成碰撞事故。因此，工业现场和汽车行业常用防撞探测系统探测车体的周围环境，在发生碰撞前发出报警或制动信息，避免碰撞造成的各种损失。

传统的防撞探测系统中，通常采用激光和超声波雷达探测并获取车辆周围环境信息，由于防撞探测系统的工作环境十分复杂，周围地物的干扰、恶劣的气象条件以及工业现场大量的粉尘干扰，都会严重制约激光和超声波方式的目标检测能力。另外，在工业应用或汽车、交通行业应用中，周围的大型机械以及车辆的存在严重的干扰了传统信号处理方法对目标的检测和判断，造成虚假的报警或漏掉了对威胁目标的报警。

毫米波雷达防撞探测方式的出现克服了激光和超声波雷达探测方式中恶劣环境适应性差的缺点；然而，雷达探测系统中目标探测方法同样影响到雷达的性能，毫米波防撞雷达的实际应用更加依赖于高效率、高可靠、环境适应能力强的目标探测方法，而目前能够有效实现毫米波防撞雷达目标探测方法尚未见报道。

发明内容

针对现有技术中存在的毫米波防撞雷达目标探测方法实时性差，虚警率高等不足之处，本发明要解决的技术问题是提供一种高效率、高可靠性、环境适应性强的毫米波防撞雷达目标探测方法。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

本发明毫米波防撞雷达目标探测方法包括以下步骤：

毫米波防撞雷达根据其发射波形的不同，分别采集相应波形所对应的回波数据；

对各种波形的回波数据进行频域变换，得到回波的频谱；

对各种波形的回波频谱进行频域压扩处理，补偿距离引起的不同频率分量的衰减，抑制低频干扰分量，得到有效的回波频谱；

对上述回波频谱进行目标初次检测处理；

对初次检测结果进行频率相关和过滤处理，而到二次检测结果；

利用二次检测结果估计雷达探测目标的位置和速度。

所述对各种波形的回波数据进行频域变换过程如下：

采用超低旁瓣窗函数对各种回波的时域数据进行预处理，再对预处理的结果进行频域变换为：X(m)＝FFT[x(n)·w(n)]；

式中，x(n)为回波的时域数据，w(n)为超低旁瓣窗函数，X(m)为回波的频域数据；n为时域回波序号，m为频域序号；

对回波的频域数据求幅度为：|X(m)|。

所述对各种波形的回波频谱进行频域压扩处理，补偿距离引起的不同频率分量的衰减为：利用频域压扩曲线C(m)对频谱结果进行频域补偿处理：

P(m)＝|X(m)|·C(m)；

式中C(m)为频域压扩曲线，X(m)为回波的频域数据，P(m)为频域压扩处理结果。

对回波频谱进行目标初次检测处理为：

将频谱划分为若干频率集合为：

[F_i，F_i+1]，

式中[F₀，F₁]∪[F₁，F₂]∪…∪[F_N-2，F_N-1]构成了整个频谱的频率集合，F_i为第i个回波频谱，N为回波个数；

对于低频部分的频率集合，采用杂波图的方法进行目标初次检测，在杂波图方法中构造杂波图数据，利用不同时间的回波数据在该频率区间内的值进行累计更新，得到杂波图数据；

对于高频部分的频率集合采用慢门限噪声检测的方法，在慢门限噪声检测方法中估计高频部分的背景噪声的能量，利用不同时间的回波数据在该频率区间内的值进行平均处理，得到背景噪声；

对于低频部分到高频部分过渡的频率集合采用快门限恒虚警判决方法，在快门限恒虚警判决方法中利用周围的频谱进行目标检测，为此利用受检频率分量的周围频率分量进行门限估计为：

T_C＝f(F_i，[F_i-M，F_i+M]，ε，η)

式中F_i为受检频率分量，[F_i-M，F_i+M]为周围频率分量，ε、η为变换系数，T_c为初次过度部分恒虚警率的检测门限。

所述频率集合[F_i，f_i+1]的杂波图更新为：

$R_t\left(m\right)=a_0{R}_{t-1}\left(m\right)+\underset{i=1}{\overset{T}{\mathrm{\Σ}}}{a}_i\left|X_{t-i}\left(m\right)\right|$

式中R_t(m)为t时刻频率集合[F_i，F_i+1]上的杂波图结果，|X_t-i(m)|为t-i时刻该频率集合上的频谱结果，a_i为杂波图更新系数，且

所述估计高频部分的背景噪声的能量为：

$N=\frac{1}{\mathrm{LM}}\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\underset{i=1}{\overset{L}{\mathrm{\Σ}}}{\left|X_i\left(m\right)\right|}^2$

对背景噪声进行线性变换得到该频率区间上的初次检测门限为：

T_N＝α·N+β

式中α、β为变换系数。

对初次检测结果进行频率相关和过滤处理过程为：

对述回波频谱进行目标初次检测处理，得到的初次检测门限，对超过初次检测门限的频谱分量进行相关处理得到频率集合，对某个频率集合上的初次检测结果进行频率相关处理为：

$\left\{\begin{array}{cc}{F}_i\∈S& |F_i-F_{\mathrm{ref}}|\≤\mathrm{TF}\\ F_i\∉S& |F_i-F_{\mathrm{ref}}|>\mathrm{TF}\end{array}\right.$

式中F_i为初次目标检测判断为有目标的频率分量，S为相关频率集合，F_ref为相关参考频率，TF为相关门限。

对相关的频率分量求频率重心为：

$\frac{\underset{m\∈S}{\mathrm{\Σ}}{F}_m\·\left|X\left(m\right)\right|}{\underset{m\∈S}{\mathrm{\Σ}}\left|X\left(m\right)\right|}$

式中，X(m)为回波的频域数据，m为频域序号；F_m为初次目标检测判断为有目标的频率分量，变量为m。

还包括以下步骤：

根据目标的位置和速度对目标进行确认；

对确认的目标进行威胁判断，确定目标的威胁程度。

对确认的目标根据其距离防撞雷达的远近和速度信息进行排序，对于距离雷达最近，接近雷达方向运动的目标威胁程度最高；根据目标之间相对速度信息，建立安全距离模型，对威胁程度最高的目标进行判断，当雷达与目标距离R＞Sa时，雷达与目标之间处于安全行车距离，当R≤Sa时，雷达与目标之间的行车距离已经超出了临界安全值，需要进行报警提示；

所述安全距离模型为：

$\mathrm{Sa}={\mathrm{vt}}_1-\frac{v^2}{2a}$

Sa为车辆安全行车距离，v为雷达与目标车辆之间相对速度，t₁为制动相应时间，a为摩擦系数、通常为固定值。

本发明具有以下有益效果及优点：

1.本发明能够有效的实现毫米波防撞雷达的目标探测，提高毫米波防撞雷达在复杂环境下的实用性。

2.本发明通过频率压扩处理技术，提高探测远处目标能力，并抑制低频部分的强地物频谱分量，有效提高系统探测动态范围，提高远处微弱目标的频谱分量。

3.本发明采用分段式恒虚警门限检测，提出低频、高频和过度频率段的恒虚警门限设定方法，有效降低系统虚警，提高系统的稳定性。

附图说明

图1为本发明方法流程图；

图2为本发明方法中对回波频谱进行目标初次检测处理流程图；

图3为本发明方法中的行车安全距离模型示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例作进一步详细说明。

如图1所示，本发明毫米波防撞雷达目标探测方法包括以下步骤：毫米波防撞雷达根据其发射波形的不同，分别采集相应波形所对应的回波数据；对各种波形的回波数据进行频域变换，得到回波的频谱；对各种波形的回波频谱进行频域压扩处理，补偿距离引起的不同频率分量的衰减，抑制低频干扰分量，得到有效的回波频谱；对上述回波频谱进行目标初次检测处理；对初次检测结果进行频率相关和过滤处理，而到二次检测结果；利用二次检测结果估计雷达探测目标的位置和速度。

所述对各种波形的回波数据进行频域变换过程如下：

采用超低旁瓣窗函数对各种回波的时域数据进行预处理，再对预处理的结果进行频域变换为：X(m)＝FFT[x(n)·w(n)]；

式中，x(n)为回波的时域数据，w(n)为超低旁瓣窗函数，X(m)为回波的频域数据；n为时域回波序号，m为频域序号；

对回波的频域数据求幅度为：|X(m)|。

毫米波防撞雷达的回波中包括目标回波、地物回波、干扰和噪声。地物回波、干扰和噪声的存在会严重影响到对目标回波的提取。地物回波的影响主要表现为低频部分，干扰则可能在整个频率分为内存在，噪声影响整个频谱范围。

所述对各种波形的回波频谱进行频域压扩处理，补偿距离引起的不同频率分量的衰减为：利用频域压扩曲线C(m)对频谱结果进行频域补偿处理：

P(m)＝|X(m)|·C(m)；

式中C(m)为频域压扩曲线，X(m)为回波的频域数据，P(m)为频域压扩处理结果。

相同条件下，不同距离处的回波的强度不同，为了能在较远处检测目标，需要对频谱进行压扩处理。抑制低频部分的强地物频谱分量，提高远处微弱目标的频谱分量。

对回波频谱进行目标初次检测处理为：

将频谱划分为若干频率集合为：

[F_i，F_i+1]，

式中[F₀，F₁]∪[F₁，F₂]∪…∪[F_N-2，F_N-1]构成了整个频谱的频率集合，F_i为第i个目标的回波频谱，N为回波个数；

如图2所示，为本发明的回波的频谱进行目标初次检测处理流程图。首先目标的频谱特征将整个频谱分成若干频谱集合。然后对每个频谱集合分别采用不同的目标初次检测方法。对于低频部分的频谱集合，采用基于杂波图的检测方法。对于高频部分的频谱集合，采用基于噪声的慢门限噪声检测方法。对于低频到高频的过渡部分的频率集合，采用快门限恒虚警判决方法。

对不同的频率集合采用不同的目标初次检测方法：

对于低频部分的频率集合，采用杂波图的方法进行目标初次检测。在杂波图方法中需要构造杂波图数据，为此利用不同时间的回波数据在该频率区间内的值进行累计更新，得到杂波图数据。频率集合[F_i，F_i+1]的杂波图更新为：

$R_t\left(m\right)=a_0{R}_{t-1}\left(m\right)+\underset{i=1}{\overset{T}{\mathrm{\Σ}}}{a}_i\left|X_{t-i}\left(m\right)\right|$

式中R_t(m)为t时刻频率集合[F_i，F_i+1]上的杂波图结果，|X_t-i(m)|为t-i时刻该频率集合上的频谱结果，a_i为杂波图更新系数，且

对于高频部分的频率集合采用慢门限噪声检测的方法。在慢门限噪声检测方法中需要估计高频部分的背景噪声的能量，为此利用不同时间的回波数据在该频率区间内的值进行平均处理，得到背景噪声。

由于背景噪声可以近似为高斯白噪声，因而不同的时间、不同的频率分量上的噪声采样相互独立，对背景噪声的估计为：

$N=\frac{1}{\mathrm{LM}}\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\underset{i=1}{\overset{L}{\mathrm{\Σ}}}{\left|X_i\left(m\right)\right|}^2$

对背景噪声进行线性变换得到该频率区间上的初次检测门限为：

T_N＝α·N+β

式中α、β为变换系数。

对于低频部分到高频部分过渡的频率集合采用快门限恒虚警判决方法。在快门限恒虚警判决方法中利用周围的频谱进行目标检测，为此利用受检频率分量的周围频率分量进行门限估计为：

T_C＝f(F_i，[F_i-M，F_i+M]，ε，η)

式中F_i为受检频率分量，[F_i-M，F_i+M]为周围频率分量，ε、η为变换系数，T_c为恒虚警率的检测门限。

对初次检测过门限的频谱分量进行相关处理，对不同频率集合采用不用的相关准则。对某个频率集合上的初次检测结果进行频率相关处理为：

$\left\{\begin{array}{cc}{F}_i\∈S& |F_i-F_{\mathrm{ref}}|\≤\mathrm{TF}\\ F_i\∉S& |F_i-F_{\mathrm{ref}}|>\mathrm{TF}\end{array}\right.$

式中F_i为初次目标检测判断为有目标的频率分量，S为相关频率集合，F_ref为相关参考频率，TF为相关门限。

对相关的频率分量求频率重心为：

$\frac{\underset{m\∈S}{\mathrm{\Σ}}{F}_m\·\left|X\left(m\right)\right|}{\underset{m\∈S}{\mathrm{\Σ}}\left|X\left(m\right)\right|}$

式中，X(m)为回波的频域数据，m为频域序号；F_m为初次目标检测判断为有目标的频率分量，变量为m。

利用目标的位置和速度信息进行目标确认的依据为所得到的该目标的位置和速度信息符合实际应用场合的情况，即目标的位置处于防撞雷达的探测范围之内且目标的速度为防撞雷达所能处理的正常目标速度。

如图3所示，为本发明的行车安全距离模型示意图。表示了当雷达与目标距离相距Sa报警开始，t₁为刹车延时，由报警开始到刹车制动有效所延迟的时间；a刹车有效后的加速度；S₂为从报警开始到雷达与前车速度相同所行使的距离；R为雷达探测两车的相对距离。对确认的目标根据其距离防撞雷达的远近和速度信息进行排序，对于距离雷达最近，接近雷达方向运动的目标威胁程度最高；根据目标之间相对速度信息，建立安全距离模型，首先对威胁程度最高的目标进行判断，当雷达与目标距离R＞Sa时，雷达与目标之间处于安全行车距离，当R≤Sa时，雷达与目标之间的行车距离已经超出了临界安全值，需要进行报警提示。

所述安全距离模型为：

$\mathrm{Sa}={\mathrm{vt}}_1-\frac{v^2}{2a}$

式中R为雷达与目标之间距离，Sa为车辆安全行车距离，v为雷达与目标车辆之间相对速度，t₁为制动相应时间，通常为0.1s，a为摩擦系数、通常为固定值。

Claims (10)

1.一种毫米波防撞雷达目标探测方法，其特征在于包括以下步骤：

毫米波防撞雷达根据其发射波形的不同，分别采集相应波形所对应的回波数据；

对各种波形的回波数据进行频域变换，得到回波的频谱；

对各种波形的回波频谱进行频域压扩处理，补偿距离引起的不同频率分量的衰减，抑制低频干扰分量，得到有效的回波频谱；

对上述回波频谱进行目标初次检测处理；

对初次检测结果进行频率相关和过滤处理，而到二次检测结果；

利用二次检测结果估计雷达探测目标的位置和速度。

2.如权利要求1所述毫米波防撞雷达目标探测方法，其特征在于：所述对各种波形的回波数据进行频域变换过程如下：

采用超低旁瓣窗函数对各种回波的时域数据进行预处理，再对预处理的结果进行频域变换为：X(m)＝FFT[x(n)·w(n)]；

式中，x(n)为回波的时域数据，w(n)为超低旁瓣窗函数，X(m)为回波的频域数据；n为时域回波序号，m为频域序号；

对回波的频域数据求幅度为：|X(m)|。

3.如权利要求1所述毫米波防撞雷达目标探测方法，其特征在于：所述对各种波形的回波频谱进行频域压扩处理，补偿距离引起的不同频率分量的衰减为：利用频域压扩曲线C(m)对频谱结果进行频域补偿处理：

P(m)＝|X(m)|·C(m)；

式中C(m)为频域压扩曲线，X(m)为回波的频域数据，P(m)为频域压扩处理结果。

4.如权利要求1所述的毫米波防撞雷达目标探测方法，其特征在于：对回波频谱进行目标初次检测处理为：

将频谱划分为若干频率集合为：

[F_i，F_i+1]，

式中[F₀，F₁]∪[F₁，F₂]∪…∪[F_N-2，F_N-1]构成了整个频谱的频率集合，F_i为第i个回波频谱，N为回波个数；

对于低频部分的频率集合，采用杂波图的方法进行目标初次检测，在杂波图方法中构造杂波图数据，利用不同时间的回波数据在该频率区间内的值进行累计更新，得到杂波图数据；

对于高频部分的频率集合采用慢门限噪声检测的方法，在慢门限噪声检测方法中估计高频部分的背景噪声的能量，利用不同时间的回波数据在该频率区间内的值进行平均处理，得到背景噪声；

对于低频部分到高频部分过渡的频率集合采用快门限恒虚警判决方法，在快门限恒虚警判决方法中利用周围的频谱进行目标检测，为此利用受检频率分量的周围频率分量进行门限估计为：

T_C＝f(F_i，[F_i-M，F_i+M]，ε，η)

式中F_i为受检频率分量，[F_i-M，F_i+M]为周围频率分量，ε、η为变换系数，T_c为初次过度部分恒虚警率的检测门限。

5.如权利要求4所述的毫米波防撞雷达目标探测方法，其特征在于：

所述频率集合[F_i，F_i+1]的杂波图更新为：

$R_t\left(m\right)=a_0{R}_{t-1}\left(m\right)+\underset{i=1}{\overset{T}{\mathrm{\Σ}}}{a}_i\left|X_{t-i}\left(m\right)\right|$

式中R_t(m)为t时刻频率集合[F_i，F_i+1]上的杂波图结果，|X_t-i(m)|为t-i时刻该频率集合上的频谱结果，a_i为杂波图更新系数，且

6.如权利要求4所述的毫米波防撞雷达目标探测方法，其特征在于：

所述估计高频部分的背景噪声的能量为：

$N=\frac{1}{\mathrm{LM}}\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\underset{i=1}{\overset{L}{\mathrm{\Σ}}}{\left|X_i\left(m\right)\right|}^2$

对背景噪声进行线性变换得到该频率区间上的初次检测门限为：

T_N＝α·N+β

式中α、β为变换系数。

7.如权利要求1所述的毫米波防撞雷达目标探测方法，其特征在于：

对初次检测结果进行频率相关和过滤处理过程为：

对述回波频谱进行目标初次检测处理，得到的初次检测门限，对超过初次检测门限的频谱分量进行相关处理得到频率集合，对某个频率集合上的初次检测结果进行频率相关处理为：

$\left\{\begin{array}{cc}{F}_i\∈S& |F_i-F_{\mathrm{ref}}|\≤\mathrm{TF}\\ F_i\∉S& |F_i-F_{\mathrm{ref}}|>\mathrm{TF}\end{array}\right.$

式中F_i为初次目标检测判断为有目标的频率分量，S为相关频率集合，F_ref为相关参考频率，TF为相关门限。

8.如权利要求7所述的毫米波防撞雷达目标探测方法，其特征在于：

对相关的频率分量求频率重心为：

$\frac{\underset{m\∈S}{\mathrm{\Σ}}{F}_m\·\left|X\left(m\right)\right|}{\underset{m\∈S}{\mathrm{\Σ}}\left|X\left(m\right)\right|}$

式中，X(m)为回波的频域数据，m为频域序号；F_m为初次目标检测判断为有目标的频率分量，变量为m。

9.按权利要求1所述的毫米波防撞雷达目标探测方法，其特征在于：还包括以下步骤：

根据目标的位置和速度对目标进行确认；

对确认的目标进行威胁判断，确定目标的威胁程度。

10.如权利要求9所述毫米波防撞雷达目标探测方法，其特征在于：

对确认的目标根据其距离防撞雷达的远近和速度信息进行排序，对于距离雷达最近，接近雷达方向运动的目标威胁程度最高；根据目标之间相对速度信息，建立安全距离模型，对威胁程度最高的目标进行判断，当雷达与目标距离R＞Sa时，雷达与目标之间处于安全行车距离，当R≤Sa时，雷达与目标之间的行车距离已经超出了临界安全值，需要进行报警提示；

所述安全距离模型为：

$\mathrm{Sa}={\mathrm{vt}}_1-\frac{v^2}{2a}$

Sa为车辆安全行车距离，v为雷达与目标车辆之间相对速度，t₁为制动相应时间，a为摩擦系数、通常为固定值。

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