CN108008391B - 一种基于fmcw的车载雷达多目标识别方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于FMCW的车载雷达多目标识别方法，车载雷达向前方持续发射调频连续波，每个周期的调频连续波由三个子周期调制波构成，其中每个子周期调制波的周期相同，均为T；每个子周期调制波均由三角波段及恒定频率段构成；将发射的调频连续波和接收的回波进行混频，输出差拍信号；对同一周期中的上扫频段、下扫频段和恒定频率段差拍信号作FFT运算进行主频率提取；然后将同周期中每个目标对应的上扫频段、下扫频段频率、恒定频率段频率进行频率匹配；再将匹配成功的频率组进行目标速度距离的计算；最后将三个周期中同时检测到的距离和速度视为真实目标的距离和速度。本发明降低了虚假目标的误判率，从而提升了目标识别的正确性。

Description

一种基于FMCW的车载雷达多目标识别方法

技术领域

本发明属于毫米波雷达信号处理技术领域，具体涉及一种基于FMCW的车载雷达多目标识别方法。

背景技术

近年来，随着我国公路运输的飞速发展，私家车辆的数目越来越多，城镇道路行车环境的降低造成了道路行驶时汽车发生碰撞刮擦的事故的增加。车载雷达系统，作为汽车主动安全控制和辅助驾驶研究领域的一大热点，可以辅助驾驶员对影响公路安全的人、车和其他环境进行实时监控，在危急情况下主动干预驾驶，辅助驾驶人做出正确的处理从而防止汽车相撞。由于毫米波具有分辨率高、截获概率低、天线部件尺寸小、抗干扰能力强等优点，目前车载防撞雷达系统广泛采用调频连续波(FMCW)体制。

在城镇复杂的行车环境下，通常需要对位于车辆前方的多个目标进行识别，计算车辆前方多个目标的速度距离从而对驾驶人员进行安全预警。车载雷达系统中频信号处理的基本原理是将发射信号和回波信号进行混频，混频后输出的中频信号包含了前方被测目标的速度、距离信息。对该中频信号进行相关处理分析即可得到前方被测目标的距离和速度。

在多目标场景下，传统基于FMCW的三角调制波上、下扫频段可以检测到多个目标对应的上、下扫频频率，通过多次频率作差运算来寻找每个目标对应的上扫频频率所对应的下扫频频率，从而计算车辆前方目标速度距离值。

国内外大量学者对雷达多目标识别问题展开了研究，如采用一种MTD动目标检测频域配对方法，该方法通过简化目标环境来实现目标上、下扫频频率类似程度的匹配【参考文献：杨建宇，凌太兵，贺俊。LFMCW雷达运动目标检测与距离速度去耦合[J].电子与信息学报，2004，26(2)：169-173】。又如采用基于二维FFT算法的发送快速调频脉冲串的方法来得到多目标的速度距离信息,该方法避免了频率匹配时的困难【参考文献：(1)王月鹏，赵国庆.二维FFT算法在LFMCW雷达信号处理中的应用及其性能分析[J].电子科技，2005，18(5)：25-32.(2)RohlingH,KronaugeM.New radar waveform based on a chirp sequence[A].Radar Conference(Radar),2014International IEEE[C].Cincinnati,USA:IEEE,2014.1-4】。上述的处理方法中，在进行频率匹配时需要强大的计算资源，在实用时匹配条件难以确定且系统响应时间较慢，从而难以实时确定车辆前方多个目标的正确速度距离信息。又如采用变周期梯形调制波的方法，该方法通过改变梯形波周期，综合不同调制周期目标检测结果来识别并消除虚假目标【参考文献：薛效龙.基于梯形波FMCW雷达的多目标探测技术的研究[D].杭州：杭州电子科技大学，2014】，但并未指出周期改变的大小，实际应用时硬件实现较难度大，而且在改变周期的过程中将影响速度距离分辨率和测速测距误差。

因此，有必要设计一种基于FMCW的车载雷达多目标识别方法，使得能够在保证速度距离分辨率和降低测速测距误差的同时识别真实目标并消除虚假目标。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，针对现有技术的不足，提供一种基于FMCW的车载雷达多目标识别方法，其计算量适中，保证速度距离分辨率和降低测速测距误差的同时能够识别真实目标并消除虚假目标。

本发明的技术方案如下：

一种基于FMCW的车载雷达多目标识别方法，车载雷达(射频前端)向前方持续发射调频连续波，调频连续波遇到目标后返回，车载雷达接收回波，利用混频器将发射的调频连续波和接收的回波进行混频，输出时域中频差拍信号；数字信号处理设备对差拍信号进行信号处理，计算目标速度和距离；

每个周期的调频连续波由三个子周期调制波构成，其中每个子周期调制波的周期相同，均为T；每个子周期调制波均由三角波段及恒定频率段构成，其中三角波段所占时间为恒定频率段所占时间为设各子周期调制波中三角波段上扫频时间为其中α为三角波段上扫频时间占半周期比；三个子周期调制波中α的取值不同，将第一、二和三子周期调制波中三角波段上扫频时间占半周期比α分别记为α₁、α₂和α₃。

进一步地，所述α₁＝0.3，α₂＝0.35，α₃＝0.4。

进一步地，信号处理包括以下步骤：

步骤1：设某一时刻车辆前方有N个目标，则对于车辆前方的每一个目标，每个周期雷达发射波与回波之间的差频为上扫频段差频f_b+、下扫频段差频f_b-和恒定频率段差频f_c；分别对第一、第二和第三子周期三角波上扫频段、下扫频段和恒定频率段差拍信号作FFT运算进行主频率的提取，得到三个子周期下N个目标对应的三角波上扫频段、下扫频段和恒定频率段频率差频，记为f_cj，其中下标b+、b-和c分别对应于三角波上扫频段、下扫频段和恒定频率段，i＝1,2,3分别对应于第一、第二和第三子周期，j＝1,2,…,N分别对应于N个目标，即对第一子周期调制波上扫频段差拍信号作FFT进行主频率提取，得到第一子周期N个目标对应的上扫频段频率对第一子周期调制波下扫频段差拍信号作FFT进行主频率提取，得到第一子周期N个目标对应的下扫频段频率对第一子周期调制波恒定频率段差拍信号作FFT进行主频率提取，得到第一子周期N个目标对应的恒定频率段频率f_c1,f_c2…f_cN。对于第二、三子周期调制波差拍信号做类似处理可以得到第二子周期N个目标对应的上扫频段频率第二子周期N个目标对应的下扫频段频率第二子周期N个目标对应恒定频率段的频率第三周期N个目标对应的上扫频段频率第三周期N个目标对应的下扫频段频率第二、三子周期恒定频率段N个目标对应的频率与第一周期相同，均为f_c1,f_c2…f_cN。

步骤2：将同一子周期下N个目标对应的三角波上扫频段、下扫频段和恒定频率段差频进行频率匹配，将匹配成功的三角波上扫频段频率、下扫频段频率和恒定频率段频率分为一组；

步骤3：分别依据三个子周期下匹配成功的频率组计算N个目标的速度距离值；

步骤4：比对三个子周期中计算所得到的所有目标的速度距离值，将三个周期中同时检测到的(均存在的)速度距离值视为真实目标的速度距离值，进行保存，其它的(只在某个周期中存在的)速度距离值视为虚假目标的速度距离值，进行剔除；最后输出真实目标的速度距离值。

进一步地，所述步骤2中，对第i子周期N个目标对应的三角波上扫频段、下扫频段和恒定频率段差频进行频率匹配的方法如下：

首先，将第i子周期N个目标对应的三角波上扫频段差频分别乘以频率匹配系数得到将第i周期N个目标对应的恒定频率段差频分别乘以频率匹配系数得到

然后，分别对j＝1,2,…,N进行频率匹配；方法为：从开始，将其依次与l＝1,2,…,N进行作差运算，得到多个频率差值，并将得到的频率差值依次与j＝1,2,…,N中每一个频率进行比对，若找到某一频率值使得频率匹配原则成立，则频率匹配完成，将匹配成功的三个频率，即和f_cj分为一组；然后再按上述方法分别对进行频率匹配；当中每一个频率经上述方法完成频率匹配时则第i子周期频率匹配完成。

进一步地，所述步骤3中，将第i子周期下匹配成功的频率组，采用以下公式计算N个目标的速度值和距离值：

其中，c＝3×10⁸m/s为电磁波传播速度；为第i子周期调制波三角波段上扫频斜率，B为调频带宽，B＝f₂-f₁，f₁和f₂分别为调频连续波的起始频率和截止频率。

所述调频连续波的起始频率f₁和截止频率f₂分别取为实际所用雷达模块中压控振荡器VCO的调谐电压-频率曲线上线性度最好一段(近似成直线的一段)对应的两个频率点。

通过上述步骤可得到第一子周期N个目标的速度距离值(R₁₁,v₁；R₁₂,v₂…R_1N,v_N)，第二子周期N个目标的速度距离值(R₂₁,v₁；R₂₂,v₂…R_2N,v_N)，第三子周期N个目标速度距离值(R₃₁,v₁；R₃₂,v₂…R_3N,v_N)。

有益效果：

本发明提出了一种基于FMCW体制的车载雷达多目标识别方法，其发射的调频连续波每个周期由三角波段和恒定频率段组成，通过三角波段的上、下扫频段能够提取车辆前方每个目标的上、下差拍信号频率，通过恒定频率段差拍信号频率的提取能够快速计算多普勒频移进而获取车辆前方目标的速度值。此外，通过三个周期相同但上扫频时间占半周期比不同的调制波段来确定真实目标，与三角调制波相比有效避免了大量虚假目标的形成，同时避免了变周期梯形调制波进行目标识别时带来的距离、速度分辨率变化和测距测速误差的增加。相关频率匹配方法计算速度适中，出错率低，可应用于车载雷达的多目标识别中。

附图说明

图1示出了本发明调制波模型三个周期时频关系

图2示出了实施例中车辆与前方4个目标位置关系

图3示出了雷达发射波与回波时频域关系

图4示出了主频率峰值提取方法

图5示出了频率匹配流程

图6示出了实施例中频率错误匹配在距离速度平面的体现

图7示出了实施例中调制波第一周期频率匹配错误造成虚假目标

图8示出了实施例中调制波第二周期正确反演车辆前方目标信息

图9示出了实施例中调制波第三周期正确反演车辆前方目标信息

图10示出了本发明与传统方案在识别真实目标方面的优势

具体实施方式

以下将结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。

实施例1：

参见图1，本发明公开了一种基于FMCW体制的车载雷达多目标识别方法，其发射的调频连续波每个周期由三个周期相同但三角波上扫频时间占空比不同的调制波构成。三个波段的周期均为T，在单周期中三角波段和恒定频率段时间均为第一周期三角波段上扫频时间占比α₁＝0.3，第二周期三角波段上扫频时间占比α₂＝0.35，第三周期三角波段上扫频时间占比α₃＝0.4。

本实施例中，设置调频起始频率f₁＝76.5GHZ，调频截止频率f₂＝76.9GHZ，调频带宽B＝400MHZ，调制波单周期时长T＝6ms。设置车辆前方存在四个运动目标，车辆前方目标参数分别为：R₁＝75m,v₁＝15m/s；R₂＝100m,v₁＝12m/s；R₃＝75m,v₃＝8m/s；R₄＝130m,v₄＝6m/s，车辆与前方四个目标位置关系示意图见图2。行车时车载雷达射频前端向前方发射调频连续波，调频连续波遇到目标后返回，雷达发射波与回波时频域关系见图3。对于车辆前方的每一个目标，在调制波的每个周期中发射波与回波均会产生上、下扫频和恒定频率三个差拍信号，车载雷达中的混频器将发射波与回波混频后输出时域中频差拍信号供后续数字信号处理设备进行主频率提取。在图3中f_cj分别为调制波上、下扫频段和恒定频率段差拍信号频率，i＝1,2,3分别代表第一、二、三周期，j＝1,2,3,4代表4个目标。对差拍信号进行主频率提取时采用准同步离散傅里叶变换算法【参考文献：DAIXianzhong,GRETSHR.Quasi-synchronous Sampling Algorithm and Its Application[J].IEEE Trans.on Instrumentation and Measurement,1994,43(2)】。以第一周期上扫频段为例，主频率峰值提取示意图见图4，将频谱中峰值最大的四个主频率认定为上扫频段4个目标对应的主频率。通过上述方法分别对1、2、3三个周期调制波差拍信号的上扫频段、下扫频段和恒定频率段作3次FFT进行主频率的提取，得到三个周期四个目标频率参数如下：

其中j＝1,2,3,4表示4个目标。然后将上述各目标的上扫频差频和恒定频差频乘以相应周期频率匹配系数并按照频率匹配流程和频率匹配原则进行频率匹配，见图5，将匹配成功的频率组代入速度距离公式进行计算。在当前目标速度距离下，第一周期进行频率匹配时将出现将三个频率进行错误匹配的情况，见图6。因此第一周期进行车辆前方目标速度距离反演时将出现虚假目标，见图7。而第二、三周期则进行了正确的频率匹配从而正确识别车辆前方目标，见图8、图9。最后将图7,8,9中三个周期反演出的目标速度距离值进行整合，剔除只在某一周期出现的速度距离值，输出真实目标的速度距离值。

本发明应用于车载雷达多目标识别当中，采用整合三个调制波周期中车辆前方每一个目标的速度距离信息的方法来确定真实目标。本发明方案与传统三角调制波多目标识别方案对比见图10。在图10中，实心点代表真实目标，空心点代表虚假目标。从距离速度平面可以看出传统三角调制波多目标识别采用f_b+、f_b-两条直线的焦点来确定一个目标，在车辆前方存在N个目标的情况下将形成N²-N个虚假目标。在本实施例中车辆前方存在四个目标的情况下，将形成12个虚假目标。本发明调制波模型体现在图10的距离速度平面上，在频率匹配时采用三条直线的交点来确定目标，与传统三角调制波方案相比大大降低了虚假目标的误判率，提升了目标识别的正确性。本发明利用三个周期相同但三角波段上扫频时间占比不同调制波来消除虚假目标，与变周期梯形波方案相比，其单周期数据点数相同利于做FFT运算，且降低了数据传输设备和数字信号处理设备的负荷，工程上更易于实现。

Claims (5)

1.一种基于FMCW的车载雷达多目标识别方法，其特征在于，车载雷达向前方持续发射调频连续波，调频连续波遇到目标后返回，车载雷达接收回波，利用混频器将发射的调频连续波和接收的回波进行混频，输出时域中频差拍信号；数字信号处理设备对差拍信号进行信号处理，计算目标速度和距离；

每个周期的调频连续波由三个子周期调制波构成，其中每个子周期调制波的周期相同，均为T；每个子周期调制波均由三角波段及恒定频率段构成，其中三角波段所占时间为恒定频率段所占时间为设各子周期调制波中三角波段上扫频时间为其中α为三角波段上扫频时间占半周期比；三个子周期调制波中α的取值不同，将第一、二和三子周期调制波中三角波段上扫频时间占半周期比α分别记为α₁、α₂和α₃；

其中，数字信号处理设备对差拍信号进行信号处理，计算目标速度和距离，具体包括以下步骤：

步骤1：设某一时刻车辆前方有N个目标；分别对第一、第二和第三子周期三角波上扫频段、下扫频段和恒定频率段差拍信号作FFT运算进行主频率的提取，得到三个子周期下N个目标对应的三角波上扫频段、下扫频段和恒定频率段频率差频，记为f_cj，其中下标b+、b-和c分别对应于三角波上扫频段、下扫频段和恒定频率段，i＝1,2,3分别对应于第一、第二和第三子周期，j＝1,2,…,N分别对应于N个目标；

步骤2：将同一子周期下N个目标对应的三角波上扫频段、下扫频段和恒定频率段差频进行频率匹配，将匹配成功的三角波上扫频段频率、下扫频段频率和恒定频率段频率分为一组；

步骤3：分别依据三个子周期下匹配成功的频率组计算N个目标的速度距离值；

步骤4：比对三个子周期中计算所得到的所有目标的速度距离值，将三个周期中同时检测到的速度距离值视为真实目标的速度距离值，进行保存，其它的速度距离值视为虚假目标的速度距离值，进行剔除；最后输出真实目标的速度距离值。

2.根据权利要求1所述的基于FMCW的车载雷达多目标识别方法，其特征在于，所述α₁＝0.3，α₂＝0.35，α₃＝0.4。

3.根据权利要求1所述的基于FMCW的车载雷达多目标识别方法，其特征在于，所述步骤2中，对第i子周期N个目标对应的三角波上扫频段、下扫频段和恒定频率段差频进行频率匹配的方法如下：

首先，将第i子周期N个目标对应的三角波上扫频段差频分别乘以频率匹配系数得到将第i周期N个目标对应的恒定频率段差频分别乘以频率匹配系数得到

然后，分别对进行频率匹配；方法为：从开始，将其依次与进行作差运算，得到多个频率差值，并将得到的频率差值依次与中每一个频率进行比对，若找到某一频率值使得频率匹配原则成立，则频率匹配完成，将匹配成功的三个频率，即和f_cj分为一组；然后再按上述方法分别对进行频率匹配；当中每一个频率经上述方法完成频率匹配时则第i子周期频率匹配完成。

4.根据权利要求3所述的基于FMCW的车载雷达多目标识别方法，其特征在于，所述步骤3中，将第i子周期下匹配成功的频率组，采用以下公式计算N个目标的速度值和距离值：

其中，c＝3×10⁸m/s为电磁波传播速度；为第i子周期调制波三角波段上扫频斜率，B为调频带宽，B＝f₂-f₁，f₁和f₂分别为调频连续波的起始频率和截止频率。

5.根据权利要求4所述的基于FMCW的车载雷达多目标识别方法，其特征在于，所述调频连续波的起始频率f₁和截止频率f₂分别取为实际所用雷达模块中压控振荡器VCO的调谐电压-频率曲线上线性度最好一段对应的两个频率点。