CN109581350B - 基于时频积分插值的雷达测距测速方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于时频积分插值的雷达测距测速方法及装置，其中方法包括：接收雷达检测到的回波数据；根据回波数据提取时频数据矩阵；根据时频数据矩阵获取目标体回波数据矩阵；对目标体回波数据矩阵进行体积积分插值算法得出目标距离和目标速度。本发明基于时频积分插值的雷达测距测速方法及装置以雷达恒虚警率检测门限为基础，在恒虚警率检测门限检测出目标体后，提取经过脉压、FFT多普勒滤波后的目标参数矩阵，通过体积积分插值算法，精确测量目标距离、速度，在5Mhz带宽下距离测量精度小于1m，在多普勒分辨率0.5m/s，对应X波段相参积累时间30ms时的速度测量精度小于0.1m/s。

Description

基于时频积分插值的雷达测距测速方法及装置

技术领域

本发明涉及雷达测距测速，更具体地说是基于时频积分插值的雷达测 距测速方法及装置。

背景技术

雷达发明早期仅利用目标回波检波后的波形观察目标，通过人工录取 目标回波前沿对应的延迟时间计算距离，延迟时间即电磁波从发射开始遇 目标反射后返回到接收机的时间，这一时间t是电磁波在距雷达R处的目标 之间运行一个往返的时间，电磁波的速度与光速C相等，为299792458m/s, 可计算出目标距离R＝Ct/2。初期在示波器中人工读取延迟时间t参数，误差 较大，因此测距精度低。

后来雷达发展到自动录取，即从发射电磁波开始启动计数器，检测到 回波时计数截止，将计数器记录的数值换算为距离，虽然有很大进步，但 其缺点是通过距离门选通出检测目标后会丢失其他距离区间的所有目标信 息，由于距离跟踪是一个连续的回波跟踪过程，无法在单一目标回波中检 测出目标信息，检测效率低，同时距离门移动也是靠一个时钟电路控制距 离门移动时间，时钟周期及稳定性依然影响测距精度，由于时钟频率越来越高，量化精度不断提高，雷达距离测量精度可以达到几十米甚至十几米， 只有靶场测量雷达采用宽带信号及单目标跟踪方式距离精度可以达到几米 量级。

另外，早期雷达没有测速能力，后来出现连续波测速雷达，测速雷达 的原理是测量回波与发射信号的差频，差频是目标相对运动多普勒调制后 附加在回波中的频率，频差f_d＝2v/λ，λ是发射信号波长，因此测量出频差即 可计算目标相对速度v，最典型的是炮口测速雷达，现在高速公路测速雷达 也属此类。脉冲雷达在MTD技术发明后具有测速功能，2000年前后这一技 术广泛应用，但大都通过有源RC滤波器实现，由于器件处理目标回波能力 的限制，多普勒滤波通道较少，通道带宽较宽，测速性能很差。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供基于时频积分插值的雷 达测距测速方法及装置。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：基于时频积分插值的雷 达测距测速方法，所述方法包括：

接收雷达检测到的回波数据；

根据回波数据提取时频数据矩阵；

根据时频数据矩阵获取目标体回波数据矩阵；

对目标体回波数据矩阵进行体积积分插值算法得出目标距离和目标速 度。

其进一步技术方案为：所述接收雷达检测到的回波数据的步骤，具体 包括以下步骤：

雷达发送信号通过环行器送入天线发射；

发送信号遇到目标反射回来的回波信号被天线接收；

回波信号通过环行器送入接收机；

接收机对回波信号进行放大、变频、滤波后降低为中频信号送入信号 处理机；

信号处理机对接收的回波信号进行A/D转换处理以及数字下变频处 理，以形成I、Q两路正交数据序列。

其进一步技术方案为：所述根据回波数据提取时频数据矩阵的步骤， 具体包括以下步骤：

分别对I、Q两路进行数字脉冲压缩处理；

将数字脉冲压缩处理后的数据按1个CPI周期顺序存储，并将相同时间 单元排为1列，进行离散傅氏变换；

将I支路同一时间单元的M列N个数据分别进行N点离散傅氏变换,得到 N行M列数据矩阵并存储；

将Q支路同一时间单元的M列N个数据分别进行N点离散傅氏变换,得 到N行M列数据矩阵并存储。

其进一步技术方案为：所述根据时频数据矩阵获取目标体回波数据矩 阵的步骤，具体包括以下步骤：

对N行M列数据矩阵求模后形成N行M列检测数据矩阵，其中，行为速 度通道，列为距离通道；

建立恒虚警率检测门限；

对每一个速度通道的每一个距离单元进行移动检测，并与恒虚警率检 测门限进行比较，高于恒虚警率检测门限的距离单元即为目标单元；

连续检测通过恒虚警率检测门限的目标单元；

将相连的目标单元进行合并，找出最大值对应的目标单元，并以此为 中心，提取并输出该目标单元3行7列目标数据矩阵，形成目标体数据矩阵。

其进一步技术方案为：所述对目标体回波数据矩阵进行体积积分插值 算法得出目标距离和目标速度的步骤，具体包括以下步骤：

采用时域或者频域相同目标单元进行叠加，使数据矩阵变换为频域或 者时域线阵；

在线阵中找出幅度最大单元和次大单元；

在最大单元和次大单元中间设起分界线；

采用梯形法分别计算起始点至分界线之前的总面积和分界线至截止点 之后的总面积；

比较以上两者面积，并按照面积大小控制分界线向大面积方向移动， 其中，移动步长回波多普勒频率单元或回波时间单元宽度的1/100，当移动 量化误差小于或等于最小步长时时移动结束；

计算积分插值后距离单元、速度单元对应多普勒频率插值参数和回波 时间插值参数；

解算目标体径向速度以及目标体距离。

基于时频积分插值的雷达测距测速装置，所述装置包括接收单元、提 取单元、获取单元以及算法单元；

所述接收单元，用于接收雷达检测到的回波数据；

所述提取单元，用于根据回波数据提取时频数据矩阵；

所述获取单元，用于根据时频数据矩阵获取目标体回波数据矩阵；

所述算法单元，用于对目标体回波数据矩阵进行体积积分插值算法得 出目标距离和目标速度。

其进一步技术方案为：所述接收单元包括发射模块、接收模块、双工 模块、降频模块以及处理模块；

所述发射模块，用于雷达发送信号通过环行器送入天线发射；

所述接收模块，用于发送信号遇到目标反射回来的回波信号被天线接 收；

所述双工模块，用于回波信号通过环行器送入接收接收机；

所述降频模块，用于接收机对回波信号进行放大、变频、滤波后降低 为中频信号送入信号处理机；

所述处理模块，用于信号处理机对接收的回波信号进行A/D转换处理 以及数字下变频处理，以形成I、Q两路正交数据序列。

其进一步技术方案为：所述提取单元包括数字脉冲压缩模块、排列模 块、第一离散傅氏变换模块、第二离散傅氏变换模块；

所述数字脉冲压缩模块，用于分别对I、Q两路进行数字脉冲压缩处理；

所述排列模块，用于将数字脉冲压缩处理后的数据按1个CPI周期顺序 存储，并将相同时间单元排为1列，进行离散傅氏变换；

所述第一离散傅氏变换模块，将I支路同一时间单元的M列N个数据分 别进行N点离散傅氏变换,得到N行M列数据矩阵并存储；

所述第二离散傅氏变换模块，用于将Q支路同一时间单元的M列N个数 据分别进行N点离散傅氏变换,得到N行M列数据矩阵并存储。

其进一步技术方案为：所述获取单元包括求模模块、建立模块、移动 检测模块、连续检测模块以及合并模块；

所述求模模块，用于对N行M列数据矩阵求模后形成N行M列检测数据 矩阵，其中，行为速度通道，列为距离通道；

所述建立模块，用于建立恒虚警率检测门限；

所述移动检测模块，用于对每一个速度通道的每一个距离单元进行移 动检测，并与恒虚警率检测门限进行比较，高于恒虚警率检测门限的距离 单元即为目标单元；

所述连续检测模块，用于连续检测通过恒虚警率检测门限的目标单元；

所述合并模块，用于将相连的目标单元进行合并，找出最大值对应的 目标体，并以此为中心，提取并输出该目标单元3行7列目标数据矩阵，以 形成目标体数据矩阵。

其进一步技术方案为：所述算法单元包括叠加模块、寻找模块、分界 线设定模块、梯形法计算模块、比较模块、插值参数计算模块以及解算模 块；

所述叠加模块，用于采用时域或者频域相同目标单元进行叠加，使数 据矩阵变换为频域或者时域线阵；

所述寻找模块，用于在线阵中找出幅度最大单元和次大单元；

所述分界线设定模块，用于在最大单元和次大单元中间设起分界线；

所述梯形法计算模块，用于采用梯形法分别计算起始点至分界线之前 的总面积和分界线至截止点之后的总面积；

所述比较模块，比较以上两者面积，并按照面积大小控制分界线向大 面积方向移动，其中，移动步长为回波多普勒频率单元或回波时间单元宽 度的1/100，当移动量化误差小于或等于最小步长时移动结束；

所述插值参数计算模块，用于计算积分插值后距离单元、速度单元对 应多普勒频率插值参数和回波时间插值参数；

所述解算模块，用于解算目标体径向速度以及目标体距离。

本发明与现有技术相比的有益效果是：本发明基于时频积分插值的雷 达测距测速方法及装置以雷达恒虚警率检测门限为基础，在恒虚警率检测 门限检测出目标体后，提取经过脉压、FFT多普勒滤波后的目标参数矩阵， 通过体积积分插值算法，精确测量目标距离、速度，在5Mhz带宽下距离测 量精度小于1m，在多普勒分辨率0.5m/s，对应X波段相参积累时间30ms时 的速度测量精度小于0.1m/s。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明技 术手段，可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其它 目的、特征及优点能够更明显易懂，以下特举较佳实施例，详细说明如下。

附图说明

图1为本发明基于时频积分插值的雷达测距测速方法具体实施例的流 程图；

图2为本发明基于时频积分插值的雷达测距测速方法具体实施例中接 收雷达检测到的回波数据的流程图；

图3为本发明基于时频积分插值的雷达测距测速方法具体实施例中回 波数据提取时频数据矩阵的流程图；

图4为本发明基于时频积分插值的雷达测距测速方法具体实施例中获 取目标体回波数据矩阵的流程图；

图5为本发明基于时频积分插值的雷达测距测速方法具体实施例中进 行体积积分插值算法的流程图；

图6为本发明基于时频积分插值的雷达测距测速装置具体实施例的结 构图；

图7为本发明基于时频积分插值的雷达测距测速装置具体实施例中接 收单元的结构图；

图8为本发明基于时频积分插值的雷达测距测速装置具体实施例中提 取单元的结构图；

图9为本发明基于时频积分插值的雷达测距测速装置具体实施例中获 取单元的结构图；

图10为本发明基于时频积分插值的雷达测距测速装置具体实施例中 算法单元的结构图；

图11为本发明雷达原理框图；

图12为本发明信号处理示意图；

图13为本发明CRAR检测示意图；

图14为本发明求解距离插值体积积分示意图；

图15为本发明求解速度插值体积积分示意图。

具体实施方式

为了更充分理解本发明的技术内容，下面结合具体实施例对本发明的 技术方案进一步介绍和说明，但不局限于此。

应当理解，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将 一个实体/操作/对象与另一个实体/操作/对象区分开来，而不一定要求或者 暗示这些实体/操作/对象之间存在任何这种实际的关系或者顺序。

还应当理解，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排 他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者系统不仅 包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这 种过程、方法、物品或者系统所固有的要素。在没有更多限制的情况下， 由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括该要素的过程、方法、 物品或者系统中还存在另外的相同要素。

如图1-5、11-15所示，本发明提供了一种基于时频积分插值的雷达测 距测速方法，该方法包括：

S10、接收雷达检测到的回波数据；

S20、根据回波数据提取时频数据矩阵；

S30、根据时频数据矩阵获取目标体回波数据矩阵；

S40、对目标体回波数据矩阵进行体积积分插值算法得出目标距离和目 标速度。

具体的，本方案打破传统脉冲雷达距离门选通概念，实现了在整个距 离量程内全距离门检测，既简化和消除了距离门选通电路，取消了控制距 离门移动搜索的摇把或手轮，以及与此对应的搜索、控制、指示电路，又 提高了距离检测效率。

如图11所示的为雷达原理框图，频综产生发射激励信号送发射机进行 功率放大，经环行器送天线发射，遇目标反射，目标回波经天线接收，经 环行器进入接收机，接收机进行放大变频滤波，变为中频回波信号送信号 处理，信号处理进行A/D转换，DDC数字下变频变为基带I、Q数据阵列， 再进行脉冲压缩、求模、CFAR检测、体积积分插值计算距离速度，得到目 标参数。

在某些实施例中，步骤S10具体包括以下步骤：

S101、雷达发送信号通过环行器送入天线发射；

S102、发送信号遇到目标反射回来的回波信号被天线接收；

S103、回波信号通过环行器送入接收接收机；

S104、接收机对回波信号进行放大、变频、滤波后降低为中频信号送 入信号处理机；

S105、信号处理机对接收的回波信号进行A/D转换处理以及数字下变 频处理，以形成I、Q两路正交数据序列。

具体的，本案可采用各类脉冲雷达，雷达发射信号通过环行器送入天 线发射，遇目标反射回来的回波信号并被天线接收，并通过环行器送入接 收机，接收机对回波信号进行放大、变频、滤波后降低中频信号送入信号 处理机进行A/D、DDC(数字下变频)后变为I、Q两路正交数据序列。

在某些实施例中，步骤S20具体包括以下步骤：

S201、分别对I、Q两路进行数字脉冲压缩处理；

S202、将数字脉冲压缩处理后的数据按1个CPI周期顺序存储，并将相 同时间单元排为1列，进行离散傅氏变换；

S203、将I支路同一时间单元的M列N个数据分别进行N点离散傅氏变 换,得到N行M列数据矩阵并存储；

S204、将Q支路同一时间单元的M列N个数据分别进行N点离散傅氏变 换,得到N行M列数据矩阵并存储。

如图12所示的信号处理示意图，上部fr为m个周期接收中频回波时序 图，f(A/D)为信号处理A/D采集数据示意图。A/D采集数据经DDC数字下 变频后，变为基带I、Q两组数据，纵向按Tr周期排列，横向为Tr周期内A/D 采样时间单元，形成两个数据矩阵，行为每个Tr周期内采样时间单元序列， 列为Tr周期序列。然后经过脉冲压缩，变为I脉压数据矩阵和Q脉压数据矩 阵，再按照纵向每个Tr周期同一时间单元数据进行FFT快速傅里叶变换，分别得到I支路FFT数据矩阵和Q支路FFT数据矩阵，形成新的时频数据矩阵， 行为A/D采集时间单元序号，时间单元宽度为A/D采样时间间隔，列为FFT 频率分辨单元序号，频率分辨单元宽度为1/mTr，为一个CPI相参积累周期 的倒数，一个CPI周期为m个Tr探测脉冲周期。然后再对I、Q数据矩阵求模， 得到目标矢量数据矩阵A，

目标矢量数据矩阵行为时间单元序 号t0、t1、t2、......tm,列为目标多普勒频率单元序号，fd(-m/2)、fd(-m+1/2)、 fd(-m+2/2)、...fd(5)、fd(4)、fd(3)、fd(2)、fd(1)、fd(0)、fd(-1)、、 fd(-2)、...fd(-m+5/2)、fd(-m+4/2)、fd(-m+3/2)、fd(-m+2/2)、fd(-m+1/2)、 fd(-m/2)。

在某些实施例中，步骤S30具体包括以下步骤：

S301、对N行M列数据矩阵求模后形成N行M列检测数据矩阵，其中， 行为速度通道，列为距离通道；

S302、建立恒虚警率检测门限；

S303、对每一个速度通道的每一个距离单元进行移动检测，并与恒虚 警率检测门限进行比较，高于恒虚警率检测门限的距离单元即为目标单元；

S304、连续检测通过恒虚警率检测门限的目标单元；

S305、将相连的目标单元进行合并，找出最大值对应的目标单元，并 以此为中心，提取并输出该目标单元3行7列目标数据矩阵，形成目标体数 据矩阵。

具体的，采用单元平均值法CA-CFAR进行恒虚警率检测，即分别选取 保护单元前十六个单元和后十六个单元取平均值，再乘以恒虚警率增益， 形成恒虚警率检测门限，调整恒虚警率增益就可以控制虚警概率，将虚警 概率满足要求的恒虚警率增益参数作为标定结果存储和使用，就可以实现 恒虚警率检测。恒虚警率的检测过程是，软件对每一个速度通道的每一个 距离单元移动检测(滑窗检测)，并不断将检测单元与恒虚警率检测门限比 较，高于门限幅度即为目标，然后连续检测过门限的单元，对于相连的单 元进行合并，找出最大值对应的单元，并以此为中心，提取并输出该目标 单元3行7列目标数据矩阵，形成目标体数据矩阵。

3行7列目标时-频矩阵体是距离速度联合测量的基础，其中3行7列的行 起始序号即是目标体在速度通道的起始位置，可通过速度分辨率及通道序 号精确计算目标体起始速度，第三行即是目标在速度通道的截止行，提取 三行速度通道数据基于FFT检测后的目标速度分布，通常分布在主通道的 前后。其中3行7列的列起始序号即是目标距离通道起始号，可通过距离分 辨率精确计算目标体起始距离，提取7列距离通道基于回波脉冲前后沿通过 匹配滤波后会加长，A/D采样会在目标顶部分布三个样本，前后沿分别分 布两个样本，完整的时域样本不小于7个。通过3行7列目标体数据矩阵体积 积分插值，通过求解目标体中心线位置，即目标体中心线在速度通道间插 值，解算目标径向速度，在距离通道间插值，解算目标距离。

如图13所示的CFAR检测示意图，对时频矩阵每个单元进行CFAR检测， 检测门限参数取每行检测单元前后各16个单元平均值乘以检测因子，检测 因子为12dB，对应系数为15.8，形成门限参数，逐一对目标模值与门限比 较检测，通过检测门限即为目标，该单元即为目标单元，读取目标单元对 应I、Q参数，判断目标速度极性，I、Q数据在第一和第三象限速度为正， 赋正值，第二和第四象限速度为负，赋幅值，利用速度极性信息对模值数 据矩阵重新排列，得到目标矢量数据矩阵，右侧是其三维图。

在某些实施例中，步骤S40具体包括以下步骤：

S401、采用时域或者频域相同目标单元进行叠加，使数据矩阵变换为 频域或者时域线阵；

S402、在线阵中找出幅度最大单元和次大单元；

S403、在最大单元和次大单元中间设起分界线；

S404、采用梯形法分别计算起始点至分界线之前的总面积和分界线至 截止点之后的总面积；

S405、比较以上两者面积，并按照面积大小控制分界线向大面积方向 移动，其中，移动步长为回波多普勒频率单元或回波时间单元宽度的的 1/100，当移动量化误差小于或等于最小步长时移动结束；

S406、计算积分插值后距离单元、速度单元对应多普勒频率插值参数 和回波时间插值参数；

S407、解算目标体径向速度以及目标体距离。

具体的，当移动量化误差小于或等于最小步长时移动结束，对应移动 步数为x，则可计算积分插值后距离单元、速度单元对应多普勒频率插值参 数f_d和回波时间插值参数t。计算公式为：

f_di+1+δf_d，

f_d＝f_di+1+δf_d，t＝t_i+3+δ_t，

t＝t_i+3+δ_t，

其中，Δf_d为速度通道宽度，N为CPI周期内脉冲个数，T_r为脉冲周期， j为目标单元距离通道号，x为移动步数，Δt为距离通道宽度，取A/D采样间 隔时间。

目标体速度公式为：

其中，λ为雷达工作波长；

目标体距离公式为：

其中c为光速。

如图14、15所示，图14为求解距离(回波时间)插值时的体积积分示 意图，按照3个多普勒通道相同时间单元叠加实现多普勒通道方向面积积 分，幅度乘以通道间隔为一个多普勒单元面积，ti通道面积积分为 A_t0＝A₀₀+A₁₀+A₂₀，ti+1通道面积积分为A_t1＝A₀₁+A₁₁+A₂₁，ti+2通道面积积分为

A_t2＝A₀₂+A₁₂+A₂₂，ti+3通道面积积分为A_t3＝A₀₃+A₁₃+A₂₃，ti+4通道面积积 分为A_t4＝A₀₄+A₁₄+A₂₄，ti+5通道面积积分为A_t5＝A₀₅+A₁₅+A₂₅，ti+6通道面积积 分为A_t6＝A₀₆+A₁₆+A₂₆。沿多普勒方向面积积分结果变为上部的线阵，再对线 阵面积积分综合完成体积积分，通过线阵前后面积相等原则插值求解回波 时间中心t_i+3+δt，最后计算精确的目标距离，

图15为求解速度(回波多普勒频率)插值时的体积积分示意图，按照6 个回波时间通道相同多普勒单元叠加实现距离(回波时间)通道方向面积 积分，幅度乘以通道间隔为一个时间单元面积，fdi通道面积积分为 A_fd0＝A₀₀+A₀₁+A₀₂+A₀₃+A₀₄+A₀₅+A₀₆，fdi+1通道面积积分为 A_fd1＝A₁₀+A₁₁+A₁₂+A₁₃+A₁₄+A₁₅+A₁₆，fdi+2通道面积积分为 A_fd2＝A₂₀+A₂₁+A₂₂+A₂₃+A₂₄+A₂₅+A₂₆。沿回波时间方向面积积分结果变为图5 右侧线阵，再对线阵面积积分综合完成体积积分，通过线阵前后面积相等 原则插值求解多普勒频率中心f_di+1+δf_d，最后计算精确的目标速度，

应理解，上述实施例中各步骤的序号的大小并不意味着执行顺序的先 后，各过程的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定，而不应对本发明实施 例的实施过程构成任何限定。

对应于上述实施例所述的基于时频积分插值的雷达测距测速方法，本 发明提供了一种基于时频积分插值的雷达测距测速装置，如图6-15所示， 该装置包括接收单元1、提取单元2、获取单元3以及算法单元4；

接收单元1，用于接收雷达检测到的回波数据；

提取单元2，用于根据回波数据提取时频数据矩阵；

获取单元3，用于根据时频数据矩阵获取目标体回波数据矩阵；

算法单元4，用于对目标体回波数据矩阵进行体积积分插值算法得出目 标距离和目标速度。

具体的，本案打破传统脉冲雷达距离门选通概念，实现了在整个距离 量程内全距离门检测，既简化和消除了距离门选通电路，取消了控制距离 门移动搜索的摇把或手轮，以及与此对应的搜索、控制、指示电路，又提 高了距离检测效率。

如图11所示的为雷达原理框图，频综产生发射激励信号送发射机进行 功率放大，经环行器送天线发射，遇目标反射，目标回波经天线接收，经 环行器进入接收机，接收机进行放大变频滤波，变为中频回波信号送信号 处理，信号处理进行A/D转换，DDC数字下变频变为基带I、Q数据阵列， 再进行脉冲压缩、求模、CFAR检测、体积积分插值计算距离速度，得到目 标参数。

在某些实施例中，接收单元1包括发射模块11、接收模块12、双工模块 13、降频模块14以及处理模块15；

发射模块11，用于雷达发送信号通过环行器送入天线发射；

接收模块12，用于发送信号遇到目标反射回来的回波信号被天线接收；

双工模块13，用于回波信号通过环行器送入接收接收机；

降频模块14，用于接收机对回波信号进行放大、变频、滤波后降低为 中频信号送入信号处理机；

处理模块15，用于信号处理机对接收的回波信号进行A/D转换处理以 及数字下变频处理，以形成I、Q两路正交数据序列。

具体的，本案可采用各类脉冲雷达，雷达发射信号通过环行器送入天 线发射，遇目标反射回来的回波信号并被天线接收，并通过环行器送入接 收机，接收机对回波信号进行放大、变频、滤波后降低中频信号送入信号 处理机进行A/D、DDC(数字下变频)后变为I、Q两路正交数据序列。

在某些实施例中，提取单元2包括数字脉冲压缩模块21、排列模块22、 第一离散傅氏变换模块23、第二离散傅氏变换模块24；

数字脉冲压缩模块21，用于分别对I、Q两路进行数字脉冲压缩处理；

排列模块22，用于将数字脉冲压缩处理后的数据按1个CPI周期顺序存 储，并将相同时间单元排为1列，进行离散傅氏变换；

第一离散傅氏变换模块23，用于将I支路同一时间单元的M列N个数据 分别进行N点离散傅氏变换,得到N行M列数据矩阵并存储；

第二离散傅氏变换模块24，用于将Q支路同一时间单元的M列N个数据 分别进行N点离散傅氏变换,得到N行M列数据矩阵并存储。

如图12所示的信号处理示意图，上部fr为m个周期接收中频回波时序 图，f(A/D)为信号处理A/D采集数据示意图。A/D采集数据经DDC数字下 变频后，变为基带I、Q两组数据，纵向按Tr周期排列，横向为Tr周期内A/D 采样时间单元，形成两个数据矩阵，行为每个Tr周期内采样时间单元序列， 列为Tr周期序列。然后经过脉冲压缩，变为I脉压数据矩阵和Q脉压数据矩 阵，再按照纵向每个Tr周期同一时间单元数据进行FFT快速傅里叶变换，分别得到I支路FFT数据矩阵和Q支路FFT数据矩阵，形成新的时频数据矩阵， 行为A/D采集时间单元序号，时间单元宽度为A/D采样时间间隔，列为FFT 频率分辨单元序号，频率分辨单元宽度为1/mTr，为一个CPI相参积累周期 的倒数，一个CPI周期为m个Tr探测脉冲周期。然后再对I、Q数据矩阵求模， 得到目标矢量数据矩阵A，A＝√I²+Q²。目标矢量数据矩阵行为时间单元序 号t0、t1、t2、......tm,列为目标多普勒频率单元序号，fd(-m/2)、fd(-m+1/2)、fd(-m+2/2)、...fd(5)、fd(4)、fd(3)、fd(2)、fd(1)、fd(0)、fd(-1)、、 fd(-2)、...fd(-m+5/2)、fd(-m+4/2)、fd(-m+3/2)、fd(-m+2/2)、fd(-m+1/2)、 fd(-m/2)。

在某些实施例中，获取单元3包括求模模块31、建立模块32、移动检测 模块22、连续检测模块34以及合并模块35；

求模模块31，用于对N行M列数据矩阵求模后形成N行M列检测数据矩 阵，其中，行为速度通道，列为距离通道；

建立模块32，用于建立恒虚警率检测门限；

移动检测模块33，用于对每一个速度通道的每一个距离单元进行移动 检测，并与恒虚警率检测门限进行比较，高于恒虚警率检测门限的距离单 元即为目标单元；

连续检测模块34，用于连续检测通过恒虚警率检测门限的目标单元；

合并模块35，用于将相连的目标单元进行合并，找出最大值对应的目 标单元，并以此为中心，提取并输出该目标单元3行7列目标数据矩阵，形 成目标体数据矩阵。

具体的，采用单元平均值法CA-CFAR进行恒虚警率检测，即分别选取 保护单元前十六个单元和后十六个单元取平均值，再乘以恒虚警率增益， 形成恒虚警率检测门限，调整恒虚警率增益就可以控制虚警概率，将虚警 概率满足要求的恒虚警率增益参数作为标定结果存储和使用，就可以实现 恒虚警率检测。恒虚警率的检测过程是，软件对每一个速度通道的每一个 距离单元移动检测(滑窗检测)，并不断将检测单元与恒虚警率检测门限比 较，高于门限幅度即为目标，然后连续检测过门限的单元，对于相连的单 元进行合并，找出最大值对应的单元，并以此为中心，提取并输出该目标3 行7列目标数据矩阵。

3行7列目标时-频矩阵体是距离速度联合测量的基础，其中3行7列的行 起始序号即是目标体在速度通道的起始位置，可通过速度分辨率及通道序 号精确计算目标体起始速度，第三行即是目标在速度通道的截止行，提取 三行速度通道数据基于FFT检测后的目标速度分布，通常分布在主通道的 前后。其中3行7列的列起始序号即是目标距离通道起始号，可通过距离分 辨率精确计算目标体起始距离，提取7列距离通道基于回波脉冲前后沿通过 匹配滤波后会加长，A/D采样会在目标顶部分布三个样本，前后沿分别分 布两个样本，完整的时域样本不小于7个。通过3行7列目标体数据矩阵体积 积分插值，通过求解目标体中心线位置，即目标体中心线在速度通道间插 值，解算目标径向速度，在距离通道间插值，解算目标距离。

如图13所示的CFAR检测示意图，对时频矩阵每个单元进行CFAR检测， 检测门限参数取每行检测单元前后各16个单元平均值乘以检测因子，检测 因子为12dB，对应系数为15.8，形成门限参数，逐一对目标模值与门限比 较检测，通过检测门限即为目标，该单元即为目标单元，读取目标单元对 应I、Q参数，判断目标速度极性，I、Q数据在第一和第三象限速度为正， 赋正值，第二和第四象限速度为负，赋幅值，利用速度极性信息对模值数 据矩阵重新排列，得到目标矢量数据矩阵，右侧是其三维图。

在某些实施例中，算法单元4包括叠加模块41、寻找模块42、分界线设 定模块43、梯形法计算模块44、比较模块45、插值参数计算模块46以及解 算模块47；

叠加模块41，用于采用时域或者频域相同目标单元进行叠加，使数据 矩阵变换为频域或者时域线阵；

寻找模块42，用于在线阵中找出幅度最大单元和次大单元；

分界线设定模块43，用于在最大单元和次大单元中间设起分界线；

梯形法计算模块44，用于采用梯形法分别计算起始点至分界线之前的 总面积和分界线至截止点之后的总面积；

比较模块45，比较以上两者面积，并按照面积大小控制分界线向大面 积方向移动，其中，移动步长为回波多普勒频率单元或回波时间单元宽度 的1/100，当移动量化误差小于或等于最小步长时移动结束；

插值参数计算模块46，用于计算积分插值后距离单元、速度单元对应 多普勒频率插值参数和回波时间插值参数；

解算模块47，用于解算目标体径向速度以及目标体距离。

具体的，当移动量化误差小于或等于最小步长时移动结束，对应移动 步数为x，则可计算积分插值后距离单元、速度单元对应多普勒频率插值参 数f_d和回波时间插值参数t。计算公式为：

f_di+1+δf_d，

f_d＝f_di+1+δf_d，

t＝t_i+3+δ_t，

其中，Δf_d为速度通道宽度，N为CPI周期内脉冲个数，T_r为脉冲周期， j为目标单元距离通道号，x为移动步数，Δt为距离通道宽度，取A/D采样间 隔时间。

目标体速度公式为：

其中，λ为雷达工作波长；

目标体距离公式为：

其中，c为光速。

如图14、15所示，图14为求解距离(回波时间)插值时的体积积分示 意图，按照3个多普勒通道相同时间单元叠加实现多普勒通道方向面积积 分，幅度乘以通道间隔为一个多普勒单元面积，ti通道面积积分为 A_t0＝A₀₀+A₁₀+A₂₀，ti+1通道面积积分为A_t1＝A₀₁+A₁₁+A₂₁，ti+2通道面积积分为 A_t2＝A₀₂+A₁₂+A₂₂，ti+3通道面积积分为A_t3＝A₀₃+A₁₃+A₂₃，ti+4通道面积积分为 A_t4＝A₀₄+A₁₄+A₂₄，ti+5通道面积积分为A_t5＝A₀₅+A₁₅+A₂₅，ti+6通道面积积分为A_t6＝A₀₆+A₁₆+A₂₆。沿多普勒方向面积积分结果变为上部的线阵，再对线阵面 积积分综合完成体积积分，通过线阵前后面积相等原则插值求解回波时间 中心t_i+3+δt，最后计算精确的目标距离，

图15为求解速度(回波多普勒频率)插值时的体积积分示意图，按照6 个回波时间通道相同多普勒单元叠加实现距离(回波时间)通道方向面积 积分，幅度乘以通道间隔为一个时间单元面积，fdi通道面积积分为 A_fd0＝A₀₀+A₀₁+A₀₂+A₀₃+A₀₄+A₀₅+A₀₆，fdi+1通道面积积分为

A_fd1＝A₁₀+A₁₁+A₁₂+A₁₃+A₁₄+A₁₅+A₁₆，fdi+2通道面积积分为 A_fd2＝A₂₀+A₂₁+A₂₂+A₂₃+A₂₄+A₂₅+A₂₆。沿回波时间方向面积积分结果变为图5 右侧线阵，再对线阵面积积分综合完成体积积分，通过线阵前后面积相等 原则插值求解多普勒频率中心f_di+1+δf_d，最后计算精确的目标速度，

所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为了描述的方便和简洁，仅 以上述各功能单元、模块的划分进行举例说明，实际应用中，可以根据需 要而将上述功能分配由不同的功能单元、模块完成，即将所述装置的内部 结构划分成不同的功能单元或模块，以完成以上描述的全部或者部分功能。 实施例中的各功能单元、模块可以集成在一个处理单元中，也可以是各个 单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中，上述 集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式 实现。另外，各功能单元、模块的具体名称也只是为了便于相互区分，并 不用于限制本申请的保护范围。上述装置中单元、模块的具体工作过程， 可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。

本领域普通技术人员可以意识到，结合本文中所公开的实施例描述的 各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、或者计算机软件和电子硬件 的结合来实现。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方 案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使 用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范 围。

在本发明所提供的实施例中，应该理解到，所揭露的装置和方法，可 以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的， 例如，所述模块或单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可 以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一 个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互 之间的耦合或直接耦合或通讯连接可以是通过一些接口，装置或单元的间 接耦合或通讯连接，可以是电性，机械或其它的形式。

所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的， 作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地 方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的 部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。

上述仅以实施例来进一步说明本发明的技术内容，以便于读者更容易 理解，但不代表本发明的实施方式仅限于此，任何依本发明所做的技术延 伸或再创造，均受本发明的保护。本发明的保护范围以权利要求书为准。

Claims (2)

1.基于时频积分插值的雷达测距测速方法，其特征在于，所述方法包括：

接收雷达检测到的回波数据；

根据回波数据提取时频数据矩阵；

根据时频数据矩阵获取目标体回波数据矩阵；

对目标体回波数据矩阵进行体积积分插值算法得出目标距离和目标速度；

所述接收雷达检测到的回波数据的步骤，具体包括以下步骤：

雷达发送信号通过环行器送入天线发射；

发送信号遇到目标反射回来的回波信号被天线接收；

回波信号通过环行器送入接收机；

接收机对回波信号进行放大、变频、滤波后降低为中频信号送入信号处理机；

信号处理机对接收的回波信号进行A/D转换处理以及数字下变频处理，以形成I、Q两路正交数据序列；

所述根据回波数据提取时频数据矩阵的步骤，具体包括以下步骤：

分别对I、Q两路进行数字脉冲压缩处理；

将数字脉冲压缩处理后的数据按1个CPI周期顺序存储，并将相同时间单元排为1列，进行离散傅氏变换；

将I支路同一时间单元的M列N个数据分别进行N点离散傅氏变换,得到N行M列数据矩阵并存储；

将Q支路同一时间单元的M列N个数据分别进行N点离散傅氏变换,得到N行M列数据矩阵并存储；

所述根据时频数据矩阵获取目标体回波数据矩阵的步骤，具体包括以下步骤：

对N行M列数据矩阵求模后形成N行M列检测数据矩阵，其中，行为速度通道，列为距离通道；

建立恒虚警率检测门限；

对每一个速度通道的每一个距离单元进行移动检测，并与恒虚警率检测门限进行比较，高于恒虚警率检测门限的距离单元即为目标单元；

连续检测通过恒虚警率检测门限的目标单元；

将相连的目标单元进行合并，找出最大值对应的目标单元，并以此为中心，提取并输出该目标单元3行7列目标数据矩阵，形成目标体数据矩阵；

所述对目标体回波数据矩阵进行体积积分插值算法得出目标距离和目标速度的步骤，具体包括以下步骤：

采用时域或者频域相同目标单元进行叠加，使数据矩阵变换为频域或者时域线阵；

在线阵中找出幅度最大单元和次大单元；

在最大单元和次大单元中间设起分界线；

采用梯形法分别计算起始点至分界线之前的总面积和分界线至截止点之后的总面积；

比较以上两者面积，并按照面积大小控制分界线向大面积方向移动，其中，移动步长为回波多普勒频率单元或回波时间单元宽度的1/100，当移动量化误差小于或等于最小步长时移动结束；

计算积分插值后距离单元、速度单元对应多普勒频率插值参数和回波时间插值参数；

解算目标体径向速度以及目标体距离。

2.基于时频积分插值的雷达测距测速装置，其特征在于，所述装置包括接收单元、提取单元、获取单元以及算法单元；

所述接收单元，用于接收雷达检测到的回波数据；

所述提取单元，用于根据回波数据提取时频数据矩阵；

所述获取单元，用于根据时频数据矩阵获取目标体回波数据矩阵；

所述算法单元，用于对目标体回波数据矩阵进行体积积分插值算法得出目标距离和目标速度；

所述接收单元包括发射模块、接收模块、双工模块、降频模块以及处理模块；

所述发射模块，用于雷达发送信号通过环行器送入天线发射；

所述接收模块，用于发送信号遇到目标反射回来的回波信号被天线接收；

所述双工模块，用于回波信号通过环行器送入接收机；

所述降频模块，用于接收机对回波信号进行放大、变频、滤波后降低为中频信号送入信号处理机；

所述处理模块，用于信号处理机对接收的回波信号进行A/D转换处理以及数字下变频处理，以形成I、Q两路正交数据序列；

所述提取单元包括数字脉冲压缩模块、排列模块、第一离散傅氏变换模块、第二离散傅氏变换模块；

所述数字脉冲压缩模块，用于分别对I、Q两路进行数字脉冲压缩处理；

所述排列模块，用于将数字脉冲压缩处理后的数据按1个CPI周期顺序存储，并将相同时间单元排为1列，进行离散傅氏变换；

所述第一离散傅氏变换模块，用于将I支路同一时间单元的M列N个数据分别进行N点离散傅氏变换,得到N行M列数据矩阵并存储；

所述第二离散傅氏变换模块，用于将Q支路同一时间单元的M列N个数据分别进行N点离散傅氏变换,得到N行M列数据矩阵并存储；

所述获取单元包括求模模块、建立模块、移动检测模块、连续检测模块以及合并模块；

所述求模模块，用于对N行M列数据矩阵求模后形成N行M列检测数据矩阵，其中，行为速度通道，列为距离通道；

所述建立模块，用于建立恒虚警率检测门限；

所述移动检测模块，用于对每一个速度通道的每一个距离单元进行移动检测，并与恒虚警率检测门限进行比较，高于恒虚警率检测门限的距离单元即为目标单元；

所述连续检测模块，用于连续检测通过恒虚警率检测门限的目标单元；

所述合并模块，用于将相连的目标单元进行合并，找出最大值对应的目标单元，并以此为中心，提取并输出该目标单元3行7列目标数据矩阵，以形成目标体数据矩阵；

所述算法单元包括叠加模块、寻找模块、分界线设定模块、梯形法计算模块、比较模块、插值参数计算模块以及解算模块；

所述叠加模块，用于采用时域或者频域相同目标单元进行叠加，使数据矩阵变换为频域或者时域线阵；

所述寻找模块，用于在线阵中找出幅度最大单元和次大单元；

所述分界线设定模块，用于在最大单元和次大单元中间设起分界线；

所述梯形法计算模块，用于采用梯形法分别计算起始点至分界线之前的总面积和分界线至截止点之后的总面积；

所述比较模块，比较以上两者面积，并按照面积大小控制分界线向大面积方向移动，其中，移动步长为回波多普勒频率单元或回波时间单元宽度的1/100，当移动量化误差小于或等于最小步长时移动结束；

所述插值参数计算模块，用于计算积分插值后距离单元、速度单元对应多普勒频率插值参数和回波时间插值参数；

所述解算模块，用于解算目标体径向速度以及目标体距离。

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