CN106842166A - 一种适用于线性调频连续波雷达系统的解速度模糊方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于线性调频连续波雷达系统的解速度模糊方法，首先根据原始的接收中频信号得到第一回波数据和第二回波数据，其次估测目标的距离和模糊速度，接着根据目标距离和模糊速度求出离散傅里叶变化旋转因子，再次利用参考信号进行快时间维的快速傅里叶变化，根据第一步所得目标所处距离单元，得到目标所处距离单元的慢时间维复矢量，最后将慢时间维复矢量与离散傅里叶旋转因子相乘找出最大值对应的真实不模糊速度。本发明创新性地利用了最小公倍数的概念，提供了一种更加简洁有效的解速度模糊的方案，降低了硬件实现复杂度，为整个系统的参数估计与进一步运作提供了可撑的保障。

Description

一种适用于线性调频连续波雷达系统的解速度模糊方法

技术领域

本发明涉及雷达信号处理领域，特别是涉及一种适用于线性调频连续波雷达系统的解速度模糊方法。

背景技术

雷达的研究起始于20世纪30年代中期，经历了不同历史因素的促进得到了很大的发展。线性调频连续波(LFMCW)雷达是一种通过对连续波进行频率调制来获得距离与速度信息的雷达体制，在过去很长一段时间内LFMCW雷达应用被限制在很小的范围内。进入九十年代，固态微波毫米波器件和数字信号处理技术的发展为毫米波LFMCW雷达发展奠定了基础。毫米波雷达在军用、民用方面有着极其深远的应用价值，其优点可以概括如下：

1、有大量带宽可以使用，提高测距分辨率，有效消除相互干扰,无测速盲区。

2、波长较短，波束宽度窄，天线增益高，可以提高空间分辨率，同时元件尺寸小，重量轻。

3、大气吸收作用比微波强，衰减大，不易相互干扰，减少电磁污染。

在工程应用中，LFMCW雷达发射一组锯齿波估计目标参数,要想实现多普勒频率小于慢时间维的采样率，尤其是在目标速度未知的情况下，这需要硬件在很短的时间内发射一个带宽极高的调频信号。实现这一要求需要付出巨大代价，所以一般在信号处理过程中，为了降低硬件成本，通常需要对速度进行解模糊以估计出正确的速度。

目前，关于多重频PRF解速度模糊的算法，都是根据发射多个互质的扫频频率线性调频波形，估计出多组距离、速度参数数据；然后根据孙子定理算法、CRT算法和聚类算法等进行匹配解模糊。在这过程中，多次估计速度、距离参数以及速度匹配导致系统运算量大，复杂度高。

发明内容

发明目的：本发明的目的是提供一种能够解决现有技术中存在的缺陷的适用于线性调频连续波雷达系统的解速度模糊方法。

技术方案：为达到此目的，本发明采用以下技术方案：

本发明所述的适用于线性调频连续波雷达系统的解速度模糊方法，其特征在于：包括以下步骤：

S1：选取互质多重频f_T1和f_T2，发射第一组锯齿波信号，也即发射N₁个扫频周期为T₁锯齿波S_saw1，对中频信号采样得到第一回波数据；发射第二组锯齿波信号，也即发射N₂个扫频周期为T₂锯齿波S_saw2，对中频信号采样得到第二回波数据；

S2：利用第一回波数据进行快时间维FFT和慢时间维FFT，估计出目标与雷达的距离和速度

S3：由不模糊测速范围0～V_u，得到目标可能的速度值v_m，进而根据v_m求出DFT旋转因子

S4：对第二回波数据进行快时间维FFT，取出目标所处距离单元的慢时间维复矢量

S5：将目标所处距离单元的慢时间维复矢量与旋转因子相乘，找出最大值，即得到真实的目标速度。

进一步，所述步骤S1中的中频信号y_i(t)如式(1)所示：

式(1)中，v为目标相对雷达的径向速度，A为发射信号幅度，A₀为接收信号幅度，是调频率，B是信号带宽，T是信号发射周期，r为目标距离，c为光速，f₀为载波频率，t为时间，T为第一组锯齿波信号的发射周期，τ_d为目标回波延时，i表示第i个发射周期。

进一步，所述步骤S2具体包括以下步骤：

S2.1：对第一回波数据进行快时间维FFT，得到关于目标距离r、目标与雷达的径向速度v的中频频率f_r,v；

S2.2：对快时间维FFT后的数据进行慢时间维FFT，得到视在多普勒频率f_v；

S2.3：通过式(2)计算得到速度通过式(3)计算得到距离

式(2)中，c为光速，f₀为载波频率；

式(3)中，μ为调频率。

进一步，所述步骤S3中，DFT旋转因子通过式(4)计算得到：

式(3)中，v_m为可能的真实径向速度值，f₀为载波频率，T₂为第二组锯齿波信号的发射周期，N_sa2为一个相干时间内的发射周期。

有益效果：本发明创新性地利用了最小公倍数的概念，提供了一种更加简洁有效的解速度模糊的方案，降低了硬件实现复杂度，为整个系统的参数估计与进一步运作提供了可撑的保障。

附图说明

图1为本发明具体实施方式中发射不同锯齿波的波形示意图；

图2为本发明具体实施方式中的帧结构的设计流程图；

图3为本发明具体实施方式中的天线发射信号的时频图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明的技术方案作进一步的介绍。

本具体实施方式中，雷达采用三发四收的天线阵列，图1为发射不同锯齿波的波形示意图，图3为天线发射信号时频图。发射64个扫频周期为T₁的锯齿波S_saw1信号时，三根发射天线采用时分的方式依次发射锯齿波信号；再发射16个扫频周期为T₂的锯齿波信号S_saw2，这里只利用天线1发射信号。系统参数如下表所示：

表1 系统参数设置

本具体实施方式公开了一种适用于线性调频连续波雷达系统的解速度模糊方法，如图2所示，包括以下步骤：

S1：选取互质多重频f_T1和f_T2，发射N₁个扫频周期为T₁锯齿波S_saw1，对中频信号采样得到第一回波数据；发射N₂个扫频周期为T₂锯齿波S_saw2，对中频信号采样得到第二回波数据；发射不同锯齿波的波形如图1所示；

S2：利用第一回波数据进行快时间维FFT和慢时间维FFT，估计出目标与雷达的距离和速度

S3：由不模糊测速范围0～V_u，得到目标可能的速度值v_m，进而根据v_m求出DFT旋转因子

S4：对第二回波数据进行快时间维FFT，取出目标所处距离单元的慢时间维复矢量

S5：将目标所处距离单元的慢时间维复矢量与旋转因子相乘，找出最大值，即得到真实的目标速度。

步骤S1中的中频信号y_i(t)如式(1)所示：

式(1)中，v为目标相对雷达的径向速度，A为发射信号幅度，A₀为接收信号幅度，是调频率，B是信号带宽，T是信号发射周期，r为目标距离，c为光速，f₀为载波频率，t为时间，T为第一组锯齿波信号的发射周期，τ_d为目标回波延时，i表示第i个发射周期。

步骤S2具体包括以下步骤：

S2.1：对第一回波数据进行快时间维FFT，得到关于目标距离r、目标与雷达的径向速度v的中频频率f_r,v；

S2.2：对快时间维FFT后的数据进行慢时间维FFT，得到视在多普勒频率f_v；

S2.3：通过式(2)计算得到速度

式(2)中，c为光速，f₀为载波频率；

将式(2)带入式(3)中可以估计出目标与雷达的距离

式(3)中，μ为调频率。

步骤S3中，DFT旋转因子通过式(4)计算得到：

式(3)中，v_m为可能的真实径向速度值，f₀为载波频率，T₂为第二组锯齿波信号的发射周期，N_sa2为一个相干时间内的发射周期。

步骤S2中，根据仿真结果可以得到速度这里估计出的速度存在模糊。

步骤S3中，慢时间维最大频率为该频率对应的速度为V_u＝21.645m/s；其中，M_u为不模糊度，V_max为100，则目标可能的速度v_m为13.27、34.92、56.56、78.20、99.85m/s；所以对应DFT因子为

步骤S4中，根据第一回波数据估计的距离可以计算得到目标所处距离单元取出该距离单元的复矢量为：

步骤S5中，计算两者乘积得到22.85、187.03、32.19、17.74、28.51，最大值对应的速度为34.92m/s，与目标的真实速度误差在允许的范围内。说明了该方法的正确性。

Claims (4)

1.一种适用于线性调频连续波雷达系统的解速度模糊方法，其特征在于：包括以下步骤：

S1：选取互质多重频f_T1和f_T2，发射第一组锯齿波信号，也即发射N₁个扫频周期为T₁锯齿波S_saw1，对中频信号采样得到第一回波数据；发射第二组锯齿波信号，也即发射N₂个扫频周期为T₂锯齿波S_saw2，对中频信号采样得到第二回波数据；

S2：利用第一回波数据进行快时间维FFT和慢时间维FFT，估计出目标与雷达的距离和速度

S3：由不模糊测速范围0～V_u，得到目标可能的速度值v_m，进而根据v_m求出DFT旋转因子

S4：对第二回波数据进行快时间维FFT，取出目标所处距离单元的慢时间维复矢量

S5：将目标所处距离单元的慢时间维复矢量与旋转因子相乘，找出最大值，即得到真实的目标速度。

2.根据权利要求1所述的适用于线性调频连续波雷达系统的解速度模糊方法，其特征在于：所述步骤S1中的中频信号y_i(t)如式(1)所示：

$y_i\left(t\right)=\frac{{\mathrm{AA}}_0}{2}\cos \left(2\mathrm{\&pi;}\right(\left(\frac{2\mathrm{\&mu;}r}{c}-\frac{2v}{c}{f}_0\right)\left(t-iT\right)-\frac{2{\mathrm{vf}}_0}{c}iT-\frac{2\mathrm{\&mu;}vt}{c}\left(t-iT\right)+\frac{2{\mathrm{rf}}_0}{c}\left)\right),(i-1)T+{\mathrm{\&tau;}}_d\&le;t<iT---\left(1\right)$

式(1)中，v为目标相对雷达的径向速度，A为发射信号幅度，A₀为接收信号幅度，是调频率，B是信号带宽，T是信号发射周期，r为目标距离，c为光速，f₀为载波频率，t为时间，T为第一组锯齿波信号的发射周期，τ_d为目标回波延时，i表示第i个发射周期。

3.根据权利要求1所述的适用于线性调频连续波雷达系统的解速度模糊方法，其特征在于：所述步骤S2具体包括以下步骤：

S2.1：对第一回波数据进行快时间维FFT，得到关于目标距离r、目标与雷达的径向速度v的中频频率f_r,v；

S2.2：对快时间维FFT后的数据进行慢时间维FFT，得到视在多普勒频率f_v；

S2.3：通过式(2)计算得到速度通过式(3)计算得到距离

$\tilde{v}=-\frac{f_{v}c}{2f_0}---\left(2\right)$

式(2)中，c为光速，f₀为载波频率；

$f_{r,v}=\frac{2\mathrm{\&mu;}\hat{r}}{c}-\frac{2\tilde{v}}{c}{f}_0---\left(3\right)$

式(3)中，μ为调频率。

4.根据权利要求1所述的适用于线性调频连续波雷达系统的解速度模糊方法，其特征在于：所述步骤S3中，DFT旋转因子通过式(4)计算得到：

$w_{N_{sa2}}^{nm}=e^{-j2\mathrm{\&pi;}\left(\frac{-2v_m}{c}{f}_0{T}_2\right)n},n=1,2,...,N_{sa2}---\left(4\right)$

式(3)中，v_m为可能的真实径向速度值，f₀为载波频率，T₂为第二组锯齿波信号的发射周期，N_sa2为一个相干时间内的发射周期。