CN102608606A - 汽车盲区监控雷达准确检测多目标的有效方法 - Google Patents

Abstract

本发明公布了一种汽车盲区监控雷达准确检测多目标的有效方法，针对单一调频斜率的FMCW信号存在着距离速度的耦合问题，在变周期的FMCW信号基础上提出了一种变调频斜率的FMCW雷达发射信号，以准确检测出真实的目标。针对FFT分析差频信号时的测量精度受限问题，根据目标距离远近的不同，通过时域抽取和频域内插方法而获取不同的距离和速度误差。当目标处于远距离时，只需通过FFT分析得出粗略的距离和速度信息；而对中距离和近距离的目标，由于更容易发生交通事故，利用时域抽取和频域内插的方法，以测得更精确的距离和速度。本发明可以用于汽车盲区监控雷达在道路交通安全领域中的多目标检测。

Description

汽车盲区监控雷达准确检测多目标的有效方法

技术领域

本发明属于汽车盲区监控雷达的道路交通安全领域，涉及到汽车盲区监控雷达目标检测领域的检测方法，适合于调频连续波(FMCW)汽车雷达系统。

背景技术

随着现代交通和汽车工业的不断发展，近年来高速公路建设发展迅速，汽车的行驶速度越来越快，车流量也越来越大。随之而来的是交通事故的频繁发生。造成汽车碰撞的原因十分复杂，既有车辆自身的因素，也有人为的因素，还有公路、气象等环境因素。在上述诸多因素中，人为因素是造成汽车碰撞的主要原因。对于公路交通事故的分析表明，80％以上的车祸是由于司机反应不及所引起的，超过65％的车辆相撞属于追尾相撞。虽然现有的汽车上一般都装配有安全带、安全气囊等防护装置，但这是一种事故发生之后才提供应急保护的被动式防护装置，功能有限，撞车事故仍然造成大量的人员伤亡和巨大的经济损失。而研究表明，若司机能够提早1～2秒钟意识到事故的发生并采取相应的措施，则可避免很多交通事故。现在世界各国正在研究开发如汽车防撞雷达等主动式安全驾驶辅助装置，减少司机的负担和判断错误，对于提高交通安全、降低恶性交通事故发生率、减少生命财产损失将起到重要的作用。

盲区监控雷达作为一种辅助驾驶设备，能有效地对即将发生的碰撞危险发出报警，增加行车的安全性，因而越来越受到广泛的重视。现代汽车安装了各类雷达系统以保障行车安全，这一技术的关键是车辆测距技术。但由于FMCW雷达信号时宽通常较大，单一调频斜率的FMCW信号存在着距离速度的耦合问题，使得多目标的距离速度难以准确配对，将导致目标测距偏移问题。该问题可通过采用变斜率的FMCW信号加以解决，以便在后续信号处理中解耦合，实现多目标的正确配对。

目前在雷达信号处理过程中，由于快速傅立叶变换(FFT)计算量低，能够大大地提高雷达响应时间，从而提高雷达性能，因此被广泛的使用，成为雷达信号处理最常用的方法。现代FMCW雷达系统中，一种典型获得目标距离和速度的方法是对发射波与回波信号的差频进行Fourier频谱分析，利用模/数转换器(ADC)将差频转换为数字信号，再用FFT分析信号频谱。然而，这种方法所测频率的精确度受着ADC的采样速率、采样点数、调制周期等因素决定，因此测量的精度受到了限制。随着对雷达系统性能的要求越来越高，快速傅立叶变换计算量与计算精度的矛盾凸显出来，已经不能满足一些较高要求的雷达系统了。在此形势下，人们对快速傅立叶变换寻求改进，使其能满足高要求的雷达系统，如自适应FFT法、Zoom-FFT算法等，并且最大熵法、MUSIC法等非FFT算法也逐一问世。这些改进算法或从计算量，或从计算精度考虑，在保证其一指标较高的情况下，大幅度的提高另一指标，可以说很好地满足了一些高要求雷达系统。本发明针对这一情况，提出了一种既满足盲区监控雷达性能指标又能够保证计算精度的多目标检测方法。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：针对单一调频斜率的FMCW信号存在着距离速度的耦合问题，以及FFT分析差频信号时的测量精度受限问题，提出一种盲区监控雷达准确检测多目标的有效方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案为：考虑到汽车防撞雷达对多目标准确分辨的能力要求，在变周期的FMCW信号基础上提出了一种变调频斜率的FMCW雷达发射信号，以解决多目标距离速度的耦合问题；在处理差频信号时，根据目标距离远近的不同，通过时域抽取和频域内插方法而获取不同的距离和速度误差。当目标处于远距离时，只需通过FFT分析得出粗略的距离和速度信息；而对中距离和近距离的目标，由于更容易发生交通事故，利用时域抽取和频域内插的方法，以测得更精确的距离和速度。

(构建FMCW雷达目标模型)

传统FMCW雷达发送信号的调制波形为：

$f_t=\left\{\begin{array}{cc}{f}_c-\frac{B}{2}+\frac{2B}{T_m}t,& 0\≤t\≤T_m/2\\ f_c+\frac{3B}{2}-\frac{2B}{T_m}t,& T_m/2\≤t\≤T_m\end{array}\right.;$

其中，f_c为调制信号的中心频率，B为调制带宽，T_m为调制周期，t表示时间。FMCW雷达基本原理是利用发送信号和回波信号之间的频率差来确定目标的速度和距离。盲区监控雷达发射波经运动目标后接收到的波形，除了有一个时间上的延时t_d外，还包含一个多普勒频偏f_d。设发射波与回波信号的差频在上升段和下降段的频率分别为f_bu和f_bd。其表达式可表示为f_bu＝f_r-f_d和f_bd＝f_r+f_d，其中

为目标物体相对静止时差频信号的频率，

为多普勒频移，其中c表示光速。最终得目标的距离和速度为：

$R=\frac{c{T}_m}{8B}(f_{\mathrm{bu}}+f_{\mathrm{bd}}),$ $v=\frac{c}{4f_c}(f_{\mathrm{bd}}-f_{\mathrm{bu}});$

且利用FFT测出的目标距离和速度的步长间隔为：

$\mathrm{\ΔR}=\frac{c{T}_m}{4B}\·\frac{f_s}{N_s},$ $\mathrm{\Δv}=\frac{c}{2f_c}\·\frac{f_s}{N_s};$

式中，f_s为ADC采样频率，N_s为差频信号在T_m/2时间内的采样点数。故，运用FFT测出距离和速度的最大误差值分别可达ΔR/2和Δv/2。

因此，传统三角调制波形在测量单目标的情况下，上述方法简单可行，表现了良好的实时性和测距测速功能。但是当前方有多目标时，雷达就会出现判断上的困难。假设前方有n个目标，那么对频率上升段的差频信号分析频谱可得n个谱峰，分别对应n个差频值。同样，可获得频率下降阶段的n个谱峰对应的差频值。但却无法得到两组谱线的对应关系，因而无法得到距离和速度信息。考虑到所有可能的两两组合，可得n²组距离和速度。但是实际上其中只有n组是真实的目标距离和速度，其他n²-n组是由于缺乏相关性而造成的虚假目标。配对后，可得n²个目标的距离和速度：

$\left\{\begin{array}{c}{R}_{\mathrm{ij}}=\frac{R_i+R_j}{2}+\frac{f_c{T}_m}{4B}(v_j-v_i)\\ v_{\mathrm{ij}}=\frac{v_i+v_j}{2}+\frac{B}{f_c{T}_m}(R_j-R_i)\end{array}\right.;$

式中，i，j∈[1，n]且是整数。由上式可以看出，虚假目标的距离和速度值与FMCW信号的调频带宽、调制周期有关，而真实目标的距离和速度值与调频带宽、调制周期无关，利用这一原理就可以分辨出真实的目标。根据这一原理，一种变周期的FMCW雷达波形被一些学者提了出来。该变周期雷达波形在一个周期内由三段具有相同的调频带宽，不同的调制频率的信号组成。信号处理时，对三段频率的上升段和下降段分别做FFT变换。由于三段信号调频周期不同，虚假目标在三次计算中会得到不同的距离和速度值。而对真实目标三次运算都应该得出相同的距离和速度值。因此而分辨出真实的目标。

本发明技术方案具体如下：

(多目标距离速度去耦的实现和技术改进)

本发明在传统变周期FMCW信号基础上提出了一种新的变斜率FMCW雷达调制波形。该波形在一个周期内由a，b两段具有不同调频带宽和调制周期的三角波信号组成，a段信号调制周期小而调频带宽大，b段信号调制周期大而调频带宽小。因此，与传统变周期FMCW信号相比较，利用该波形测出的真实目标值与虚假目标值的差别必然会更加明显，故更容易提取出真实目标的距离和速度值。

在变斜率FMCW雷达系统中，对a、b这两段信号分别进行分析时，计算出真实目标的R、v值必然有所偏差。因此，为了数据处理时准确地定位目标，首先要分别确定距离和速度的相关阈值，只要距离和速度的误差在阈值范围内，即可认定为同一个目标。假设对a、b两段信号分析得出的真实目标距离和速度值分别为R_a、v_a和R_b、v_b，则同一个目标的判决条件为：

|v_a-v_b|＜Th_v&&|R_a-R_b|＜Th_R；

为了保证识别的准确性，考虑到最坏的情况，这里，我们取距离和速度的阈值分别为TH_v＝(Δv_a+Δv_b)/2，Th_R＝(ΔR_a+ΔR_b)/2。式中，ΔR_a、Δv_a和ΔR_b、Δv_b分别表示a、b段信号分析得到的距离和速度的步长间隔。最终真实目标的距离、速度值由测量的平均值得到，即R＝(R_a+R_b)/2，v＝(v_a+v_b)/2。因此误差也会因为平均而减小，提高了测量的准确性。

(盲区监控雷达信号处理新方法)

距离和速度的测量误差和很多因素有关：ADC采样速率、采样点数、调制周期等。为了克服测量精度的这种受限性，本发明在ADC采样速率不变的情况下，根据目标距离远近的不同，利用时域抽取和频域内插的方法分析差频信号，进一步减小测距测速误差。

首先将盲区监控雷达的测量范围分成三段：远距离区域、中距离区域和近距离区域。

对远距离区域的目标，只需直接对差频信号做N_s点FFT，粗略测出其距离和速度。这时最大误差分别为ΔR/2和Δv/2。

如果目标位于中距离区域，此时先用时域抽取的方法，对采样后的差频信号每两个数据抽取一次，使采样点数降至N_s/2。再用FFT补零对频率进行内插的方法，对N_s/2点的差频数据仍然做N_s点FFT，使得距离和速度的步长间隔降至ΔR/2和Δv/2，最大测量误差降至ΔR/4和Δv/4，测量精度大大改善。同理，如果目标位于近距离区域，用同样的方法，可测得更精确的距离和速度。

与传统FFT信号处理方法相比，本方法不仅能够很好地改善测距和测速误差、降低系统对瞬时带宽和回波信号的高采样率要求、提高系统的综合利用率，而且有利于降低盲区监控雷达在差频信号处理时对数字信号处理器的要求。因此，该方法对简化盲区监控的雷达设备、降低硬件成本有着重要的实用价值。

附图说明

图1本发明中FMCW雷达模型；

图2本发明中变斜率FMCW雷达调制波形；

图3汽车公路行驶的情景图

图4本发明中信号处理流程图；

图5本发明中盲区监控雷达多目标匹配的仿真结果；

图6本发明中盲区监控雷达信号处理新方法下三种不同区域测距误差比较；

图7本发明中盲区监控雷达信号处理新方法下三种不同区域测速误差比较；

具体实施方式

下面结合附图对本发明提供的准确检测多目标的有效方法做进一步描述。

本发明中的FMCW雷达目标模型如图1所示。图中，f_c为调制信号的中心频率，B为调制带宽，T_m为调制周期，t表示时间。发送信号为三角调频连续波，其经运动目标后接收到的波形，除了有一个时间上的延时t_d外，还包含一个多普勒频偏f_d。对发送信号与回波信号混频后可得到差频信号，差频在上升段和下降段的频率分别为f_bu和f_bd。分析差频信号即可测出目标的距离和速度值：

$R=\frac{c{T}_m}{8B}(f_{\mathrm{bu}}+f_{\mathrm{bd}}),$ $v=\frac{c}{4f_c}(f_{\mathrm{bd}}-f_{\mathrm{bu}});---\left(1\right)$

图2是本发明中所采用的变斜率FMCW雷达调制波形。该波形在一个周期内包括a、b两个三角波信号，a段信号调制周期小而调频带宽大，b段信号调制周期大而调频带宽小。

在测量单目标的情况下，根据公式(1)只需一段三角波信号即可测量出目标的距离和速度值。但是当前方有多目标时，雷达就会出现判断上的困难。假设前方有n个目标，那么对频率上升段的差频信号分析频谱可得n个谱峰，分别对应n个差频值。同样，可获得频率下降阶段的n个谱峰对应的差频值。但却无法得到两组谱线的对应关系，因而无法得到距离和速度信息。考虑到所有可能的两两组合，可得n²组距离和速度。但是实际上其中只有n组是真实的目标距离和速度，其他n²-n组是由于缺乏相关性而造成的虚假目标。根据公式(1)进行配对处理后，可得n²个目标的距离和速度：

$\left\{\begin{array}{c}{R}_{\mathrm{ij}}=\frac{R_i+R_j}{2}+\frac{f_c{T}_m}{4B}(v_j-v_i)\\ v_{\mathrm{ij}}=\frac{v_i+v_j}{2}+\frac{B}{f_c{T}_m}(R_j-R_i)\end{array}\right.---\left(2\right)$

由上式可知，虚假目标的距离和速度与FMCW信号的调频带宽、调制周期有关，而真实目标的距离和速度与调频带宽、调制周期无关，且虚假目标距离R_ij与T_m/B成线性正比例关系，速度v_ij与T_m/B成线性反比例关系。

利用本发明中的变斜率FMCW雷达调制波形，对a、b这两段信号分别分析差频时，根据公式(2)可计算出所以可能目标的距离和速度，但是只有真实目标的距离和速度是理论相等的，而由于a、b两段波形的调制周期和调频带宽不一致，因此虚假目标的距离速度值各不相同，并且由于a段信号调制周期小而调频带宽大，b段信号调制周期大而调频带宽小，使得虚假目标更易被分辨出来。当在实际情况中时，即使是真实目标的R、v值也必然有所偏差。因此，为了数据处理时准确地定位目标，首先要分别确定距离和速度的相关阈值，只要距离和速度的误差在阈值范围内，即可认定为同一个目标：

|v_a-v_b|＜Th_v&&|R_a-R_b|＜Th_R    (3)

为了保证识别的准确性，考虑到最坏的情况，这里，我们取距离和速度的阈值分别为Th_v＝(Δv_a+Δv_b)/2，Th_R＝(ΔR_a+ΔR_b)/2。最终真实目标的距离、速度值由测量的平均值得到，即R＝(R_a+R_b)/2，v＝(v_a+v_b)/2。

图3为汽车行驶时的情景图。在图3中，车0为配备有FMCW车载雷达的汽车，我们假设前方有车1、车2、车3分别在近距离、中距离、远距离区域行驶。对于前方车3，它距离车0还很远，我们只需粗略测出其距离速度即可；而对于车2、车1，由于其离车0更近、更易发生事故，我们需要更精确地测量其距离和速度，从而达到防撞的目的。

图4是差频信号处理时的流程图。对远距离区域的目标，如图3中的车3，只需直接对差频信号做N_s点FFT，粗略测出其距离和速度。这时最大误差分别为ΔR/2和Δv/2。

如果目标(如车2)位于中距离区域，此时先用时域抽取的方法，对采样后的差频信号每两个数据抽取一次，使采样点数降至N_s/2。然而，若此时对信号做N_s/2点FFT，由公式(3)发现距离和速度的步长间隔没有变化，这是因为抽取之后的采样率也降为f_s/2。为了克服这一局限性，我们采用FFT补零对频率进行内插的方法，对N_s/2点的差频数据仍然做N_s点FFT，使得距离和速度的步长间隔降至ΔR/2和Δv/2，最大测量误差降至ΔR/4和Δv/4，测量精度大大改善。同理，如果目标(如车1)位于近距离区域，用同样的方法，可测得更精确的距离和速度。

图5、图6、图7是本发明中盲区监控雷达准确检测多目标的仿真结果。

仿真中盲区监控雷达参数设置如下：工作频率f_c＝24GHz；a段信号调制周期T_a＝1ms，调制带宽B_a＝200MHz；b段信号T_b＝2ms，B_b＝100MHz。根据高速公路行驶情况，如果两车之间的距离超过200m，正常情况不会存在相撞危险，所以通常的测距范围为1～200m，测速范围为1～160Km/h。则计算得到的最大的差频值为f_b max＝f_r max+f_d max＝540.4kHz，故根据采样定理，ADC采样频率可选取为2MHz。因此，a、b段差频信号的采样点数N_s分别为1000、2000。本例中，对a、b段差频信号做FFT的点数分别取为1024和2048点，以满足其为2的整数幂次。这里，选定远距离区域范围为100m～200m；中距离区域范围为50m～100m；而近距离区域范围是1～50m。

为了验证变斜率FMCW雷达调制波形配对多目标的准确性，图5给出了对多目标匹配时的仿真结果。仿真时选取3个目标汽车分别位于距雷达20m处以38m/s的速度行驶、32m处以15m/s的速度行驶以及45m处以-20m/s的速度行驶。根据上面的雷达参数可以确定距离和速度的阈值，Th_R＝1.83m，Th_v＝12.2m/s。根据公式(3)可识别出真实目标，即图5中“o”和“*”近似重合处即为所测的3个真实目标，其余均为虚假目标。仿真结果显示，采用变斜率FMCW雷达调制波形能准确地识别多目标。

图6是对静止目标用时盲区监控雷达信号处理新方法测出的距离误差的比较，为了方便对比，目标距离变化范围在20～30m。横轴表示目标的距离，纵轴为测距误差。通过对图6中(a)、(b)、(c)三幅图的比较可以发现，处于远距离区域的目标，由于没有采用时域抽取和频域内插方法，测距误差最大；利用时域抽取、频域内插的方法后，中距离区域的测距误差明显减小；近距离区域的测距误差最小。

图7是盲区监控雷达信号处理新方法下对远、中和近距离区域的运动目标速度测量误差的比较。为方便对比，假定目标处于距雷达50m处，速度变化范围为-100km/h～100km/h。横轴表示目标的速度，纵轴为测速误差。比较图7中(a)(b)(c)可以看出，测量目标处于远距离区域时，测速误差最大；利用时域抽取和频域内插之后，中距离区域测距误差明显降低，且近距离区域的测距误差最小。

Claims (1)

1.一种汽车盲区监控雷达准确检测多目标的有效方法，其特征在于包括如下步骤：

(1)设置发射波形为变斜率FMCW雷达调制波形，该波形在一个周期内由a，b两段具有不同调频带宽和调制周期的三角波信号组成，a段信号调制周期小而调频带宽大，b段信号调制周期大而调频带宽小；

将发射信号与经目标汽车后接收到的回波信号进行混频，得到差频信号；然后对上述a，b两段信号对应的不同差频信号分别进行分析，根据变斜率FMCW雷达系统的参数，计算确定距离和速度的相关阈值Th_R、Th_v，只要距离和速度的误差在阈值范围内，即可认定为同一个目标；假设对a、b两段信号分析得出的真实目标距离和速度值分别为R_a、v_a和R_b、v_b，则同一个目标的判决条件为：

|v_a-v_b|＜Th_v&&|R_a-R_b|＜Th_R；

为了保证识别的准确性，考虑到最坏的情况，取距离和速度的阈值分别为Th_v＝(Δv_a+Δv_b)/2，Th_R＝(ΔR_a+ΔR_b)/2，式中，ΔR_a、Δv_a和ΔR_b、Δv_b分别表示a、b段信号分析得到的距离和速度的步长间隔，最终真实目标的距离、速度值由测量的平均值得到，即R＝(R_a+R_b)/2，v＝(v_a+v_b)/2；

(2)根据目标距离远近的不同，利用时域抽取和频域内插的方法分析差频信号；

首先将盲区监控雷达的测量范围分成三段：远距离区域、中距离区域和近距离区域；

对远距离区域的目标，只需直接对差频信号做N_s点FFT，粗略测出其距离和速度，其中N_s为差频信号在T_m/2时间内的采样点数，T_m为调制周期；

如果目标位于中距离区域，此时先用时域抽取的方法，对采样后的差频信号每两个数据抽取一次，使采样点数降至N_s/2，再用FFT补零对频率进行内插的方法，对N_s/2点的差频数据仍然做N_s点FFT；

同理，如果目标位于远距离区域，先用时域抽取的方法，对采样后的差频信号每四个数据抽取一次，使采样点数降至N_s/4，再用FFT补零对频率进行内插的方法，对N_s/4点的差频数据仍然做N_s点FFT。

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