CN107966688A - 基于相位干涉技术的宽带雷达目标速度解模糊方法 - Google Patents
基于相位干涉技术的宽带雷达目标速度解模糊方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明属于雷达信号处理技术领域，针对毫米波宽带雷达探测中运动目标速度极易产生模糊问题，公开了基于相位干涉技术的目标速度解模糊方法，包括如下步骤：步骤一、利用单帧回波信号，获得目标的距离‑多普勒图像；步骤二、对检测的各个目标，在图像域的距离和多普勒两维加窗取出对应的目标信号；步骤三、得到目标的回波数据域信号；步骤四、利用干涉相位粗估计目标速度，解析速度的模糊数；步骤五、利用目标的多普勒位置估计目标的模糊速度，结合速度模糊数，最终求解获得无模糊速度。本发明仅使用单帧数据（一般对应毫秒级时间）即可实现对目标速度较为精确的估计，提高信号处理的实时性，适用于车载毫米波雷达快速估计目标速度参数。
Description
技术领域
本发明涉及一种车载毫米波雷达探测中的目标速度参数估计技术，属于雷达信号处理技术领域。具体地说是一种利用单帧数据干涉相位处理的目标径向速度无模糊估计方法，适用于车载毫米波宽带雷达的目标速度估计。
背景技术
速度模糊是指在脉冲多普勒雷达工作在中低重复频率(PRF)下，观测运动目标的多普勒响应超出一个PRF范围而产生模糊，利用模糊的多普勒解析的目标速度不正确，从而难以分辨目标真实速度的现象。
在宽带雷达中，一般可以利用距离微分法进行速度解模糊处理，通过提取目标在不同时刻距离包络变化，求解速度模糊数。然而，提取明显的距离包络变化，一般要求较长的观测时间，需要利用多帧数据，不利于实际的实时信号处理。例如，对于距离向米级分辨的雷达，一般需要分秒甚至秒级的时间才能出现较为明显的目标距离包络变化。此外，对于多目标场景下，还存在目标匹配的问题。
不同频段下，目标的多普勒响应存在差异。因此，可以通过发射不同载频信号，通过测量目标的多普勒差异求解无模糊速度。然而，发射多频段信号，极大的增加了系统复杂度。对于单频段宽带雷达，可以通过利用距离向频率与多普勒频率的线性关系，估计出不同频率对应的多普勒差异，求解模糊速度。但该方法要求较高的多普勒分辨率才能测量出多普勒差异，对应较长时间的观测，同样不利于实时信号处理。
此外，还可以采用多重PRF雷达系统，结合中国余数定理(CRT)来求解无模糊速度，但该方法同样会较大的增加系统复杂度。
发明内容
技术问题：针对上述已有技术的缺点，本发明的目的在于利用短时间录取的单帧数据，提出一种基于相位干涉技术的解速度模糊方法，以提高信号处理的实时性，同时降低系统的复杂度。通过将单帧速度估计方法扩展到多帧数据情况，进一步提高速度估计精度。
技术方案：实现本发明的技术方案是利用宽带雷达不同频率的目标多普勒响应具有差异，对应回波不同的相位调制，利用相位干涉方法，得到目标无模糊速度的粗估计，进而获得速度的模糊数；然后结合模糊速度/基带速度，求解出真实的无模糊速度。
基于相位干涉技术的宽带雷达目标速度解模糊方法(单帧数据处理)，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一、利用单帧回波信号，获得目标的距离-多普勒图像；
步骤二、对距离-多普勒图像进行目标检测处理，对检测的各个目标，在图像域的距离和多普勒两维加窗取出对应的目标信号；
步骤三、对加窗取出的目标信号，在距离和多普勒两维分别进行逆傅立叶变换，得到目标的回波数据域信号；
步骤四、在回波数据域，对回波数据域信号在不同距离频率信号之间进行干涉相位处理，利用干涉相位粗估计目标速度，解析速度的模糊数；
步骤五、利用目标的多普勒位置估计目标的模糊速度，结合速度模糊数，最终求解获得无模糊速度。
所述步骤一中，获得目标的距离-多普勒图像的方法是：毫米波雷达发射宽带线性调频连续波信号，在接收端采用数字下变频相干检波后，对回波信号在距离和多普勒两个维度分别进行傅里叶变换，获得目标的距离-多普勒图像。
所述步骤一中，目标的距离-多普勒图像s(fr,fd)为：
其中，Tp为扫频信号宽度，γ为调频斜率，R0为目标初始径向距离，v为目标与平台的径向相对速度，c为电磁波传播速度，fc为载波中心频率，表示第m个脉冲的时刻，PRF为脉冲重复频率，为单帧M个脉冲对应的相干处理时间。
所述步骤三中，目标的回波数据域信号为：
其中，si(fr,fd)为取出第i目标信号,F-1[·]表示逆傅里叶变换,为信号扫频内时间。
所述步骤四中，干涉相位处理为：
θ＝angle(Sinter)
其中，θ为干涉相位，Sinter表示干涉信号，ΔTr和ΔTa对应距离和方位的时间间隔，angle(·)表示取相位操作；
速度粗估计结果为：
模糊数可以估计为:
其中，round(·)表示取整数操作。
所述步骤五中，最终获得的无模糊速度为：
其中，为PRF对应的模糊速度值；为目标多普勒分析对应的模糊速度值；l为目标的多普勒单元偏移数。
基于相位干涉技术的宽带雷达目标速度解模糊方法(多帧数据处理)，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一、接收连续的多帧回波信号，按单帧数据分别处理获得目标的多幅距离-多普勒图像；
步骤二、对多幅距离-多普勒图像分别处理，得到单帧数据下的无模糊速度，具体包括：
对距离-多普勒图像进行目标检测处理，对检测的各个目标，在图像域的距离和多普勒两维加窗取出对应的目标信号；
对加窗取出的目标信号，在距离和多普勒两维分别进行逆傅立叶变换，得到目标的回波数据域信号；
在回波数据域，对回波数据域信号在不同距离频率信号之间进行干涉相位处理，利用干涉相位获得目标速度粗估计结果k为单帧序列数。
步骤三、根据单帧回波信号下的目标速度粗估计，求取均值，得到速度粗估计的均值结果K为多帧数；
步骤四、利用估计速度模糊数结合模糊速度，得到多帧回波信号下的无模糊速度。
最终的目标无模糊速度为：
有益效果：与现有方法相比较，本发明具有的特点如下：
本发明从信号的时域模型出发，推导出目标无模糊速度的粗估计，进而解出模糊数；可以只使用单帧回波数据，也可以使用多帧回波数据。只使用单帧回波数据，相比于距离-时间微分法，提高了实时性，避免了多目标情况下目标行迹匹配的问题；同时相对于多重PRF法，大大降低了系统的复杂度。另外在目标检测后通过加窗处理提取目标像素，有效减小了其他目标回波及杂波对该目标速度估计产生的干扰。使用多帧回波数据，对单帧的目标速度估计结果进行均值滤波处理，能提高目标速度模糊数估计的精度，在低信噪比下仍然能取得良好的目标速度估计结果。
附图说明
图1是本发明的整体流程图。
具体实施方式
实施例一(单帧数据)
参照图1，本实施例的具体实现步骤如下：
步骤1，对单帧回波数据进行二维傅里叶变换，得到距离-多普勒域图像s(fr,fd)，其中，fr为距离向频率，fd为多普勒频率，s(fr,fd)的表示公式为：
其中，Tp为扫频信号宽度，γ为调频斜率，R0为目标初始径向距离，v为目标与平台的径向相对速度，c为电磁波传播速度，fc为载波中心频率，表示第m个脉冲的时刻，PRF为脉冲重复频率，为单帧M个脉冲对应的相干处理时间。
步骤2，针对距离-多普勒图像s(fr,fd)进行目标检测处理，针对检测到的各个目标，对s(fr,fd)进行两维加窗处理取出对应的目标信号si(fr,fd)，加窗的窗口设置为二维矩形窗，例如大小为5×5。
步骤3，将取出的目标信号si(fr,fd)进行二维逆傅里叶变换，得到数据域信号表示公式为(忽略常数项)：
其中，F-1[·]表示逆傅里叶变换，为信号扫频内时间。
步骤4，在两维数据域取干涉相位θ，获得粗估计速度进一步解出速度模糊数。干涉相位θ的具体求法为：
θ＝angle(Sinter)
其中，Sinter表示干涉信号，ΔTr和ΔTa对应距离和方位的时间间隔，angle(·)表示取相位操作。
进一步地，求出粗估计速度即：
进而，解出模糊数为:
其中，round(·)表示四舍五入操作。
步骤5，结合基带模糊速度vres，求解出最终的无模糊速度vreal。
无模糊速度vreal的估计结果为：
其中，为PRF对应的模糊速度值，为目标多普勒分析对应的速度，称为基带模糊速度，可以表示为：
其中，l为目标的多普勒单元偏移数，M为单帧数据所包含的脉冲数，其精确度较高，分辨单元小于
为说明本发明对速度解模糊的有效性，通过以下对仿真数据的实验进一步说明：
1.实验设置
车载毫米波宽带雷达对中远距场景进行观测，仿真设置6个运动目标，其速度在-20m/s到40m/s范围内。
雷达系统参数设置：
a.载波中心频率76.5GHz，扫频带宽500MHz，信号扫频周期150μs，脉冲重复频率5kHz；
b.信号离散采样频率10MHz，采样点数1024，单帧数据的脉冲数32(对应时间6.4ms)，车载雷达平台速度为20m/s；
通过计算可知，多普勒分析对应的目标不模糊范围[-4.9,4.9]m/s。很明显，目标速度超过不模糊范围，从而导致速度模糊。
为了验证算法的稳健性，仿真中对回波数据添加高斯噪声信号，回波信号的信噪比设置为SNR＝10dB、5dB和0dB。
2.实验内容
基于MATLAB软件平台，利用32个脉冲信号进行距离-多普勒两维成像后，采用本发明方法进行目标速度解模糊处理，在不同信噪比下分别进行了5次实验。表1、表2和表3分别为SNR＝10dB、5dB和0dB的目标速度估计结果。
3.实验结果分析
通过表1、表2和表3可知，本发明方法利用单帧数据(连续32个脉冲)能够实现目标速度的解模糊处理，目标速度估计精度较高，短时间内能够有效实现目标无模糊速度估计。在SNR＝10dB条件下，重复5次实验，都可以获得很好的目标速度估计结果，目标速度估计绝对误差在1m/s范围内，估计精度较高。然而，随着信噪比的降低，本发明方法的性能受到一定的影响。在SNR＝5dB和SNR＝0dB条件下，重复5次实验，会出现速度估计存在较大误差的情况。这是因为目标的模糊数估计出现偏差，从而导致最终的速度估计错误。在实际中，可以通过增加脉冲个数，以增加距离-多普勒图像的信噪比，能够有效保证本发明方法的速度解模糊具有良好的性能。
表1 SNR＝10dB速度估计结果(单帧数据)
表2 SNR＝5dB速度估计结果(单帧数据)
表3 SNR＝0dB速度估计结果(单帧数据)
实施例二(多帧数据)
本实施例的具体实现步骤如下：
步骤1，接收多帧回波数据，按单帧数据分别进行二维傅里叶变换，得到第k帧回波数据对应的距离-多普勒域图像sk(fr,fd)，sk(fr,fd)的表示公式为：
其中，Tp为扫频信号宽度，γ为调频斜率，R0为目标初始径向距离，v为目标与平台的径向相对速度，c为电磁波传播速度，fc为载波中心频率，表示第m个脉冲的时刻，PRF为脉冲重复频率，为单帧M个脉冲对应的相干处理时间。
步骤二、对多幅距离-多普勒域图像分别处理，得到各个单帧数据下的无模糊速度，具体包括：
对距离-多普勒图像进行目标检测处理，对检测的各个目标，在图像域的距离和多普勒两维加窗取出对应的目标信号；
对加窗取出的目标信号，在距离和多普勒两维分别进行逆傅立叶变换，得到目标的回波数据域信号；
在回波数据域，对回波数据域信号在不同距离频率信号之间进行干涉相位处理，利用干涉相位获得目标速度粗估计结果 具体公式为：
其中，θk为第k帧的干涉相位结果。
步骤三、根据单帧回波信号下的目标速度粗估计，求取平均值，得到粗估计速度的均值为其中K为多帧数。利用估计速度模糊数为
同时，基带模糊速度为
其中，l为目标的多普勒单元偏移数，
结合速度模糊数和模糊速度获得最终的无模糊速度估计结果
其中，为PRF对应的模糊速度值
为说明本发明利用多帧数据进行速度解模糊的有效性，通过以下对仿真数据的实验进一步说明：
1.实验设置
与前面单帧回波实验设置一样，利用连续三帧数据进行实验，相邻两帧之间的间隔是0.5ms。
2.实验内容
与前面单帧数据实验略有不同的是，在多帧回波实验中，回波的信噪比设置更低，SNR＝0dB和-5dB。表4和表5分别为SNR＝0dB和-5dB的目标速度估计结果。
3.实验结果分析
通过表4和表5可知，本发明方法利用多帧(3帧)数据在低信噪比下能够获得良好的目标速度估计。在SNR＝0dB和-5dB情况下，分别重复5次实验，都可以获得很好的目标速度估计结果。而仅用单帧数据，在SNR＝0dB时，目标速度估计结果会出现存在较大误差的情况。由此可见，基于单帧速度估计方法，通过多帧联合估计，最终可以获得更为稳健的速度估计结果。
表4 SNR＝0dB速度估计结果(三帧数据)
表5 SNR＝-5dB速度估计结果(三帧数据)
Claims (8)
1.基于相位干涉技术的宽带雷达目标速度解模糊方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一、利用单帧回波信号，获得目标的距离-多普勒图像；
步骤二、对距离-多普勒图像进行目标检测处理，对检测的各个目标，在图像域的距离和多普勒两维加窗取出对应的目标信号；
步骤三、对加窗取出的目标信号，在距离和多普勒两维分别进行逆傅立叶变换，得到目标的回波数据域信号；
步骤四、在回波数据域，对回波数据域信号在不同距离频率信号之间进行干涉相位处理，利用干涉相位粗估计目标速度，解析速度的模糊数；
步骤五、利用目标的多普勒位置估计目标的模糊速度，结合速度模糊数，最终求解获得无模糊速度。
2.根据权利要求1所述的基于相位干涉的解速度模糊方法，其特征在于，所述步骤一中，获得目标的距离-多普勒图像的方法是：毫米波雷达发射宽带线性调频连续波信号，在接收端采用数字下变频相干检波后，对回波信号在距离和多普勒两个维度分别进行傅里叶变换，获得目标的距离-多普勒图像。
3.根据权利要求2所述的基于相位干涉的解速度模糊方法，其特征在于，所述步骤一中，目标的距离-多普勒图像s(fr,fd)为：
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其中，Tp为扫频信号宽度，γ为调频斜率，R0为目标初始径向距离，v为目标与平台的径向相对速度，c为电磁波传播速度，fc为载波中心频率，表示第m个脉冲的时刻，PRF为脉冲重复频率，为单帧M个脉冲对应的相干处理时间。
4.根据权利要求3所述的基于相位干涉的解速度模糊方法，其特征在于，所述步骤三中，目标的回波数据域信号为：
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其中，si(fr,fd)为取出的目标信号，F-1[·]表示逆傅里叶变换，为信号扫频内时间。
5.根据权利要求4所述的基于相位干涉的解速度模糊方法，其特征在于，所述步骤四中，干涉相位处理为：
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θ＝angle(Sinter)
其中，θ为干涉相位，Sinter表示干涉信号，ΔTr和ΔTa对应距离和方位的时间间隔，angle(·)表示取相位操作；
速度粗估计结果为：
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模糊数可以估计为:
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其中，round(·)表示取整数操作。
6.根据权利要求5所述的基于相位干涉的解速度模糊方法，其特征在于，所述步骤五中，最终获得的无模糊速度为：
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其中，为PRF对应的模糊速度值；为目标位置在l个多普勒单元对应的模糊速度值。
7.基于相位干涉技术的宽带雷达目标速度解模糊方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一、接收连续的多帧回波信号，按单帧数据分别处理获得目标的距离-多普勒图像；
步骤二、对多幅距离-多普勒图像分别处理，得到单帧数据下的无模糊速度估计，具体包括：
对距离-多普勒图像进行目标检测处理，对检测的各个目标，在图像域的距离和多普勒两维加窗取出对应的目标信号；
对加窗取出的目标信号，在距离和多普勒两维分别进行逆傅立叶变换，得到目标的回波数据域信号；
在回波数据域，对回波数据域信号在不同距离频率信号之间进行干涉相位处理，利用干涉相位获得目标速度粗估计；
步骤三、联合多个单帧回波信号下的目标速度粗估计，进行均值滤波处理，得到均值后的速度粗估计结果，用来求取目标速度模糊数
步骤四、结合模糊速度得到多帧回波信号处理下的无模糊速度。
8.根据权利要求7所述的基于相位干涉的解速度模糊方法，其特征在于，最终的目标无模糊速度为：
式中，为PRF对应的模糊速度值，为目标位置在l个多普勒单元对应的模糊速度值。
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