CN107607924B - 一种fmcw雷达静态杂波干扰消除的信号处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种FMCW雷达静态杂波干扰消除的信号处理方法，包括以下步骤：步骤1，估计每个扫频周期时间内的基带复差拍信号的幅值

；步骤2，由估计的幅值时间序列和已知的初始相位时间序列，得到复数平面上的离散点(R[i],I[i])序列；步骤3，在复数平面对离散点(R[i],I[i])序列进行圆心估计拟合；步骤4，对圆心偏移进行修正补偿，得到校正后的R_u[i]和I_u[i]；步骤5，取复数离散点(R_u[i],I_u[i])序列的相位角，得到对应的相位时间序列。本发明基于信号后处理对估计的相位时间序列进行校正补偿，能够有效消除静态杂波对目标物体振动监测的干扰，提高了振动位移幅值的提取精度。

Description

一种FMCW雷达静态杂波干扰消除的信号处理方法

技术领域

本发明涉及雷达监测技术领域，尤其涉及一种FMCW雷达静态杂波干扰消除的信号处理方法。

背景技术

一般地，雷达通过发射一定形式的电磁波，并接收由目标物体散射的电磁回波信号，经过混频、滤波得到基带信号。通过分析基带信号的频率与相位信息可提取监测目标的距离、速度等信息。典型的，线性调频连续波(Linear Frequency Modulation ContinuousWave,简称LFMCW)雷达通过发射线性调频的连续波，得到中频基带差拍信号。通过估计差拍信号的频率得到对应的距离信息，然而受雷达发射带宽的限制，距离分辨力有限，无法基于此提取如振动运动等引起的微小距离变化。近些年，基于相位信息的雷达干涉测量技术成功应用在桥梁振动测量、生命体征监测等领域，通过估计差拍信号的初始相位随时间的演变序列提取振动位移时域信息。

基于FMCW雷达的振动监测，在雷达辐射空间内的所有目标均会散射雷达回波，虽然FMCW雷达具有距离探测能力，但是无法区分同一距离单元的不同物体。当所监测振动目标附近存在静止物体或者静态的散射点时，基带差拍信号包含由多点散射作用的各个子分量信号，此时基于相位估计提取的振动位移时间序列，其幅值往往会比真实值偏小，且静态杂波干扰越大，偏差值越大。由于很难从基带差拍信号中分离不同散射点引起的信号分量，目前往往从硬件的角度去消除静态杂波的干扰，如在目标物体上安置强反射点或者附加频移、倍频器件等，但增加了系统硬件复杂度，限制了该技术的应用。

发明内容

针对现有技术的局限性，本发明的目的是提供一种FMCW(即调频连续波，Frequency Modulation Continuous Wave)雷达静态杂波干扰消除的信号处理方法，从信号处理的角度消除静态杂波的干扰，获得准确的相位时间序列估计结果，实现利用雷达干涉测量技术提取高精度的振动位移时域信息。

本发明的技术方案是根据以下方案实现的：

一种FMCW雷达静态杂波干扰消除的信号处理方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，估计每个扫频周期时间内的基带复差拍信号的幅值

步骤2，由估计的幅值时间序列和已知的初始相位时间序列，得到复数平面上的离散点(R[i],I[i])序列；

步骤3，在复数平面对离散点(R[i],I[i])序列进行圆心估计拟合；

步骤4，对圆心偏移进行修正补偿，得到校正后的R_u[i]和I_u[i]；

步骤5，取复数离散点(R_u[i],I_u[i])序列的相位角，得到对应的相位时间序列。

上述技术方案中，步骤1所述的每个扫频周期时间内复差拍信号幅值

的估计方法为近似的极大似然估计算法，计算公式如下：

式中：

表示第i个扫频周期时间内复差拍信号的幅值估计值，|·|表示取复数幅值运算，T为扫频周期，S_B(iT+nT_s)为第i个扫频周期时间内的复差拍离散信号，T_s为采样间隔时间，N为单扫频周期时间内复差拍信号S_B(t)的离散点数，

为估计的差拍频率。

上述技术方案中，步骤2所述的离散点(R[i],I[i])序列，其中坐标R[i]和I[i]的计算公式如下：

式中，

为第i个扫频周期时间内差拍信号的初始相位估计值。

上述技术方案中，步骤3所述的圆心估计算法为：

设由离散点(R[i],I[i])序列拟合圆的圆心坐标为(x,y)，半径为r，取矩阵A，矩阵α和矩阵B分别为：

通过参数优化估计得到x和y的值，优化估计的方法为：

min||Aα-B||_l2或min||Aα-B||_l1，

式中，min(·)表示取最小值运算，||.||_l2表示2-范数运算，||.||_l1表示1-范数运算。

上述技术方案中，步骤4所述的校正后的R_u[i]和I_u[i]的计算公式为：

R_u[i]＝R[i]-x，

I_u[i]＝I[i]-y，其中，x和y构成圆心坐标。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

本发明基于信号后处理对估计的相位时间序列进行校正补偿，消除了静态物体反射的杂波对目标物体振动监测的影响，提高了振动位移幅值的提取精度，且无需增加硬件的复杂度。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明实施例中FMCW雷达静态杂波干扰示意图；

图2为本发明实施例中静态杂波干扰引起的误差示意图；

图3为本发明所述的FMCW雷达静态杂波干扰消除的信号处理方法的流程图；

其中，1-振动目标物体，2-静态物体。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

基于FMCW雷达的振动监测是一种非接触式的中短距离振动监测技术手段，利用FMCW雷达的距离分辨能力，可以区分雷达辐射空间内不同距离的物体，但无法区分处于同一距离单元的多个物体。图1为本发明实施例中FMCW雷达静态杂波干扰示意图；如图1所示，雷达无法有效区分振动目标物体1和静态物体2，基带信号中由这两个物体引起的信号子分量难以有效分解、隔离。基于雷达干涉技术，通过估计每个扫频周期时间内差拍信号的初始相位，得到对应的相位时间序列，推算出振动位移时域信息。

然而，图2为本发明实施例中静态杂波干扰引起的误差示意图；如图2所示，由于受到静态物体产生的杂波干扰，所估计的相位随时间演变的幅值往往小于真实值，且杂波信号强度越大，偏差值越大。本发明从信号处理的角度解决实际应用中静态杂波的干扰问题，利用信号后处理方法去补偿、校正相位时间序列的估计偏差。

图3为本发明所述的FMCW雷达静态杂波干扰消除的信号处理方法的流程图，参见图3，本发明的一种FMCW雷达静态杂波干扰消除的信号处理方法，包括以下步骤：

步骤1，估计每个扫频周期时间内的基带复差拍信号的幅值

可利用近似的极大似然估计算法求取，计算公式如下：

式中：

表示第i个扫频周期时间内复差拍信号的幅值估计值，|·|表示取复数幅值运算，T为扫频周期，S_B(iT+nT_s)为第i个扫频周期时间内的复差拍离散信号，T_s为采样间隔时间，N为单扫频周期时间内复差拍信号S_B(t)的离散点数，

为估计的差拍频率。

步骤2，由估计的幅值时间序列和已知的初始相位时间序列，得到复数平面上的离散点(R[i],I[i])序列，其中坐标R[i]和I[i]的计算公式如下：

式中，

为第i个扫频周期时间内差拍信号的初始相位估计值。

步骤3，在复数平面对离散点(R[i],I[i])序列进行圆心估计拟合，圆心估计的算法为：

设由离散点(R[i],I[i])序列拟合圆的圆心坐标为(x,y)，半径为r，取矩阵A，矩阵α和矩阵B分别为：

通过参数优化估计得到x和y的值，优化估计的方法为：

min||Aα-B||_l2或min||Aα-B||_l1，

式中，min(·)表示取最小值运算，||.||_l2表示2-范数运算，||.||_l1表示1-范数运算。

步骤4，对圆心偏移进行修正补偿，得到校正后的R_u[i]和I_u[i]。在复平面上，由于静态杂波的干扰，拟合的圆心往往不在原点，因此需对圆心偏移进行校正补偿，具体为：

R_u[i]＝R[i]-x，

I_u[i]＝I[i]-y，其中，x和y构成圆心坐标。

步骤5，取复数离散点(R_u[i],I_u[i])序列的相位角，得到对应的相位时间序列。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (3)

1.一种FMCW雷达静态杂波干扰消除的信号处理方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，估计每个扫频周期时间内的基带复差拍信号的幅值

步骤2，由估计的幅值时间序列和已知的初始相位时间序列，得到复数平面上的离散点(R[i],I[i])序列；

步骤3，在复数平面对离散点(R[i],I[i])序列进行圆心估计拟合；

步骤4，对圆心偏移进行修正补偿，得到校正后的R_u[i]和I_u[i]；

步骤5，取复数离散点(R_u[i],I_u[i])序列的相位角，得到对应的相位时间序列；

步骤1所述的每个扫频周期时间内复差拍信号幅值

的估计方法为近似的极大似然估计算法，计算公式如下：

式中：

表示第i个扫频周期时间内复差拍信号的幅值估计值，|·|表示取复数幅值运算，T为扫频周期，S_B(iT+nT_s)为第i个扫频周期时间内的复差拍离散信号，T_s为采样间隔时间，N为单扫频周期时间内复差拍信号S_B(t)的离散点数，

为估计的差拍频率；

步骤2所述的离散点(R[i],I[i])序列，其中坐标R[i]和I[i]的计算公式如下：

式中，

为第i个扫频周期时间内差拍信号的初始相位估计值。

2.根据权利要求1所述的一种FMCW雷达静态杂波干扰消除的信号处理方法，其特征在于，步骤3所述的圆心估计算法为：

设由离散点(R[i],I[i])序列拟合圆的圆心坐标为(x,y)，半径为r，取矩阵A，矩阵α和矩阵B分别为：

通过参数优化估计得到x和y的值，优化估计的方法为：

min||Aα-B||_l2或min||Aα-B||_l1，

式中，min(·)表示取最小值运算，||.||_l2表示2-范数运算，||.||_l1表示1-范数运算。

3.根据权利要求1所述的一种FMCW雷达静态杂波干扰消除的信号处理方法，其特征在于，步骤4所述的校正后的R_u[i]和I_u[i]的计算公式为：

R_u[i]＝R[i]-x，

I_u[i]＝I[i]-y，其中，x和y构成圆心坐标。

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