CN110133630A - 一种雷达目标检测方法及应用其的雷达 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种雷达目标检测方法。本发明提供了一种运行速度快、探测精度高的雷达目标检测方法，本发明中，雷达的一帧检测中第二发射波的发射次数可与第一发射波不同，可通过设置较少的第二发射波的发射次数来缩短雷达的检测帧周期；本发明中第二发射波只需要进行一次一维FFT而无需进行二维FFT，降低了计算复杂度，提高了数据处理速度。

Description

一种雷达目标检测方法及应用其的雷达
技术领域
本发明涉及雷达技术领域，具体涉及一种雷达目标检测方法及应用其的雷达。
背景技术
雷达目标检测方法的运行速度及检测精度极其重要，如防撞雷达系统往往被应用于多目标的复杂环境中，为实现对驾驶人起到预警提醒的功能，防撞系统必须具备快速且准确地提取目标信息的能力。因此，在工程实现中，检测方法的计算量不能过于复杂，否则系统整体运行时间过长，导致系统无法在驾驶人反应时间内实现预警。因此，目标检测算法的运行速度和精度成为防撞雷达的主要问题。
锯齿波雷达具有结构简单，体积小，重量轻和良好的低截获概率性，但存在距离速度耦合问题。传统锯齿波目标检测算法用二维 FFT(Fast Fourier Transform，快速傅立叶变换)算法求解距离和模糊速度，然后用余数定理解速度模糊，计算出的距离和速度精度高，但该算法需要相同周期数的不同周期回波，一帧处理时间长，且计算复杂度高导致系统处理时间过长；同时角度FFT算法计算角度的精度不高。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供了一种雷达目标检测方法。
本发明采用如下方案实现：
一种雷达目标检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、发射K1次周期为T1、的第一发射波，所述第一发射波被目标反射后被天线接收得到第一回波；
步骤二、对每个周期的第一回波进行N点采样一维FFT变换得到第一回波一维FFT结果；
步骤三、对所述第一回波一维FFT结果进行二维FFT变换得到坐标对应第一距离单元号、第一模糊速度号的距离多普勒谱，其中第一距离单元号为对单个周期的第一回波进行一维FFT采样的序号，第一模糊速度号为所述第一发射波的发射周期的序号；根据第一回波的目标检测距离、目标检测模糊速度与所述距离多普勒谱的峰值的对应关系求第一回波的目标检测距离及目标检测模糊速度；
步骤四、发射K2次与所述第一发射波频率互质的周期为T2的第二发射波，所述第二发射波被目标发射后被所述天线接收得到第二回波，对每个周期的第二回波进行N点采样一维FFT变换得到对应不同第二距离单元号、第二模糊速度号的第二回波一维FFT结果，其中第二距离单元号为对单个周期的第二回波进行一维FFT采样的序号，第二模糊速度号为所述第二发射波的发射周期的序号；
步骤五、根据步骤三得到的第一回波的目标检测模糊速度与目标真实速度可能值之间的关系求目标真实速度可能值的速度旋转因子，并将该速度旋转因子与步骤四得到的第二回波一维FFT结果形成关联，然后对该关联结果进行解模糊，再根据解模糊的结果对步骤2求得的第一回波的目标检测距离、目标检测模糊速度进行修正从而求得目标真实速度及目标真实距离；以及
步骤六、输出步骤四获得的目标真实速度及目标真实距离。
进一步的，步骤三中求第一回波的目标检测距离及目标检测模糊速度方法为：
在所述距离多普勒中寻找峰值，该峰值对应的距离单元号、模糊速度号即为目标所处的第一距离单元号第一模糊速度号
再根据目标所处的第一距离单元号电磁波的传播速度C、第一发射波的射频带宽B1计算第一回波的目标检测距离以及
根据目标所处的第一模糊速度号所述天线中心频率对应的波长λ、步骤1中所述第一发射波的发射次数K1及周期T1计算第一回波的目标检测模糊速度
进一步的，所述步骤五具体包括：
定义目标真实速度可能值的速度旋转因子VDFT：
式中Vr为目标真实速度可能值；z为所述第二模糊速度号；
将第一回波的目标检测模糊速度与目标真实速度可能值Vr之间的关系代入步骤4.1中目标真实速度可能值的速度旋转因子VDFT的定义公式中，式中m为取值范围为[-d，d]的模糊数单元号，其中d为正整数，从而求得目标真实速度可能值的速度旋转因子；由所述第二回波一维FFT结果中第二距离单元号与所述目标所处的第一距离单元号相同的K2个数据组成复矢量，然后由步骤4.2求得的目标真实速度可能值的速度旋转因子乘上该复矢量得到一组长度为2d+1的数组，对该数组进行求模处理后求最大值，该最大值对应模糊数单元号即为解模糊得到的模糊数单元号p；
计算目标真实速度计算目标真实距离
进一步的，所述天线由多个组成阵列。
进一步的，所述雷达目标检测方法还包括角度检测步骤：
对步骤一中多个天线接收得到的第一回波数据进行累加，然后通过 MUSIC求角算法对累加后的第一回波数据进行求角运算从而求得目标角度。
进一步的，步骤二中得到的第一回波一维FFT结果及步骤四中得到的第二回波一维FFT结果均在一维FFT变换后经过了非相干累加。
本发明还提供了一种雷达，包括：
第一波形发生器，用于发射周期为T1、射频带宽为B1、波形为锯齿波的第一发射波；
第二波形发生器，用于发射与所述第一发射波频率互质的周期为T2、射频带宽为B2、波形为锯齿波的第二发射波；
天线，用于接收所述第一发射波和第二发射波的回波；以及
数据处理模块，用于执行所述雷达目标检测方法，以获得目标真实速度及目标真实距离。
对照现有的技术，本发明具有以下有益效果：
本发明中，雷达的一帧检测中第二发射波的发射次数可与第一发射波不同，可通过设置较少的第二发射波的发射次数来缩短雷达的检测帧周期；本发明中第二发射波的回波数据只需要进行一次一维FFT而无需进行二维FFT，降低了计算复杂度，提高了数据处理速度。
附图说明
图1为本发明一实施例中发射波的发射方法示意图。
图2为本发明一实施例的流程示意图。
图3为本发明一实施例中得到的目标距离谱。
图4为本发明一实施例中得到的目标速度谱。
图5为本发明一实施例中得到的MUSIC伪谱。
具体实施方式
为便于本领域技术人员理解本发明，下面将结合具体实施例和附图1、附图2、附图3、附图4及附图5对本发明作进一步详细描述。
一种雷达目标检测方法，包括以下步骤：
步骤S001、发射K1次周期为T1、射频带宽为B1波形为锯齿波的第一发射波，所述第一发射波被目标反射后被天线接收得到第一回波，所述天线由多个组成阵列，所述天线中心频率对应的波长为λ；
步骤S002、对每个周期的第一回波进行N点采样一维FFT变换得到对应不同第一距离单元号、第一模糊速度号的第一回波一维FFT结果，第一距离单元号与对单个周期的第一回波进行一维FFT采样的序号相同，第一距离单元号的取值范围为1-N，第一模糊速度号与所述第一发射波的发射周期的序号相同，第一模糊速度单元号的取值范围为1-K1；
步骤S003、对所述第一回波一维FFT结果进行非相干累加；
步骤S004、经过了非相干累加的第一回波一维FFT结果中，处于相同第一距离单元的K1个数据点构成第一距离复矢量；
步骤S005、分别对对应不同第一距离单元的第一距离复矢量进行二维FFT变换从而得到坐标对应第一距离单元号、第一模糊速度号的距离多普勒谱；
步骤S006、求第一回波的目标检测距离及目标检测模糊速度：在所述距离距离多普勒谱中寻找峰值，所述峰值对应的第一距离单元号、第一模糊速度号即为目标所处的第一距离单元号第一模糊速度号第一回波的目标检测距离计算公式为rres1为第一回波的距离分辨力，而rres1＝C/2B1，式中C为电磁波的传播速度，因此可根据目标所处的第一距离单元号电磁波的传播速度C、第一发射波的射频带宽B1计算第一回波的目标检测距离第一回波的目标检测距离计算公式为Vres1为第一回波的速度分辨力，而vres1＝λ/2K1T1，因此可根据目标所处的第一模糊速度号所述天线中心频率对应的波长λ、步骤1中所述第一发射波的发射次数K1及周期T1计算第一回波的目标检测模糊速度
步骤S007、发射K2次与所述第一发射波频率互质的周期为T2、射频带宽为B2、波形为锯齿波的第二发射波，所述第二发射波被目标发射后被所述天线接收得到第二回波；
步骤S008对每个周期的第二回波进行N点采样一维FFT变换得到对应不同第二距离单元号、第二模糊速度号的第二回波一维FFT结果，其中第二距离单元号为对单个周期的第二回波进行一维FFT采样的序号，第二距离单元号的取值范围为1-N，第二模糊速度号为所述第二发射波的发射周期的序号，第二模糊速度号的取值范围为1-K2；步骤S009、对所述第二回波一维FFT结果进行非相干累加；
S010、计算旋转因子：
定义目标真实速度可能值的速度旋转因子VDFT：
式中Vr为目标真实速度可能值；z为所述第二模糊速度号；目标真实速度可能值Vr的计算公式为式中 Vmax为第一回波的最大无模糊速度，m为取值范围为[-d，d]的模糊数单元号，其中d为正整数，代入Vmax＝λ/2T1得到将第一回波的目标检测模糊速度与目标真实速度可能值Vr之间的关系代入步骤4.1中目标真实速度可能值的速度旋转因子VDFT的定义公式中，从而求得目标真实速度可能值的速度旋转因子；步骤S011、解模糊：由所述第二回波一维FFT结果中第二距离单元号与所述目标所处的第一距离单元号相同的K2个数据组成复矢量，然后由步骤4.2求得的目标真实速度可能值的速度旋转因子乘上该复矢量得到一组长度为2d+1的数组，对该数组进行求模处理后求最大值，该最大值对应模糊数单元号即为解模糊得到的模糊数单元号 p：
步骤S012、计算目标真实速度计算目标真实距离
步骤S100、对步骤S001中多个天线接收得到的第一回波数据进行累加，然后通过MUSIC求角算法对累加后的第一回波数据进行求角运算从而求得目标真实角度。
步骤S200输出目标真实速度、目标真实距离或目标真实角度。
步骤S002至S003的实质是根据恒虚警率检测算法(CFAR)求得第一回波的目标距离谱。
步骤S004至S005的实质是根据恒虚警率检测算法(CFAR)求得包括第一回波的目标速度谱信息的距离多普勒谱。
步骤S006的实质是根据第一回波的目标检测距离、目标检测模糊速度与所述距离多普勒谱的峰值的对应关系求第一回波的目标检测距离及目标检测模糊速度。
步骤S008至S009的实质是根据恒虚警率检测算法(CFAR)求得第二回波的目标距离谱。
步骤S009至S011的实质是根据得到的第一回波的目标检测模糊速度与目标真实速度可能值之间的关系求目标真实速度可能值的速度旋转因子，并将该速度旋转因子与第二回波一维FFT结果形成关联，然后对该关联结果进行解模糊，再根据解模糊的结果对第一回波的目标检测距离、目标检测模糊速度进行修正从而求得目标真实速度及目标真实距离。
步骤S100的执行顺序并不受限于步骤S002至S011的执行，在其他实施例中，该步骤的执行顺序可以按需要灵活调整。
综上，本发明的雷达目标检测方法主要包括步骤：
发射K1次周期为T1、的第一发射波，所述第一发射波被目标反射后被天线接收得到第一回波；
对第一回波进行一维FFT变换后再进行二维FFT变换，得到坐标对应第一距离单元号、第一模糊速度号的距离多普勒谱，最终求得第一回波的目标检测距离及目标检测模糊速度；
发射K2次与所述第一发射波频率互质的周期为T2的第二发射波所述第二发射波被目标发射后被所述天线接收得到第二回波；
对第二回波进行一维FFT变换；
结合对第一回波进行处理得到的第一回波的目标检测距离及目标检测模糊速度进行速度解模糊，并根据解模糊后的速度对距离进行补偿校正，最后目标真实速度及目标真实距离，并输出。
在本实施介绍的一种雷达目标检测方法的基础上设计了一种对其进行应用的雷达，包括：第一波形发生器，用于发射周期为T1、射频带宽为B1、波形为锯齿波的第一发射波；第二波形发生器，用于发射与所述第一发射波频率互质的周期为T2、射频带宽为B2、波形为锯齿波的第二发射波；天线，用于接收所述第一发射波和第二发射波的回波；以及数据处理模块，用于执行本实施中的雷达目标检测方法，以获得目标真实速度及目标真实距离。
下面通过仿真对本实施的雷达目标检测方法的检测效果进行验证。
首先，生成包含目标的距离、速度及角度信息的锯齿波回波信号，设定的目标的距离、速度及角度信息如表一所示，天线的射频中心频率RF＝77GHz。
表一
距离(m) 10 23 40 80
速度(m/s) -20 5 50 30
角度(°) 5 20 15 42
采用传统基于余数定理解速度模糊的锯齿波目标检测算法进行检测，发射波形采用相同周期数的双周期锯齿波，并利用三维FFT算法实现角度估计。仿真参数设置为：第一发射波及第二发射波的射频带宽分别为750MHz、800MHz，第一发射波发射周期50us，第二发射波发射周期40us，一维FFT单周期采样点数为512，第一发射波及第二发射波对应积累周期数目均为128，接收天线数目W＝12，接收天线间隔为λ/2，其中，λ为天线的射频中心频率对应的波长，系统接收信噪比 SNR＝0，电磁波传播速度C＝3×108m/s。在传统锯齿波目标检测方法中，每一帧需要分别发射128个周期为T1和T2的锯齿波，对两种回波与发射波的中频信号进行2次FFT运算，恒虚警检测后得到2组对应距离、速度的坐标为(50，67)，(116，113)，(202，93)，(402，30)；(54，54)， (124，116)，(215，126)，(428，50)，进行目标匹配并结合目标坐标、通过余数定理和角度FFT实现目标的模糊速度、真实速度及角度值求解，最终得到的检测结果如表2所示。
表2
采用本实施中的雷达目标检测方法进行检测，仿真参数设置为： B1＝750MHz，B2＝800MHz，T1＝50us，T2＝40us，N1＝512，K1＝128， K2＝16，接收天线数目W＝12，接收天线间隔为λ/2，系统接收信噪比SNR＝0，电磁波传播速度C＝3×108m/s。
在上述系统设定下系统探测分别率指标分别为：距离分辨力 rres＝C/2B1＝0.2m，速度分辨力vres＝λ/2K1T1＝0.2858m/s。
在执行步骤S003后得到的第一回波的目标距离谱如图3所示；执行步骤S005后，根据获取到的距离多普勒谱得到的第一回波的目标速度谱如图4所示；执行步骤S100得到的MUSIC伪谱如图5所示。
采用本实施中的雷达目标检测方法进行检测的结果如表3所示。
表三
从仿真结果中可以看出，本实施距离、速度的探测精度与传统方法的探测精度相近，但本实施与传统方法相比，第二发射波由每一帧发射128次降为发射16次，大大缩短了检测周期；本实施中第二发射波只需要进行一次一维FFT而无需进行二维FFT，降低了计算复杂度，提高数据处理速度，从而进一步提高检测速度。同时，本实施可以实现更高的角度探测精度。
虽然对本发明的描述是结合以上具体实施例进行的，但是熟悉本技术领域的人员能够根据上述的内容进行许多替换、修改和变化，是显而易见的。因此，所有这样的替代、改进和变化都包括在附后的权利要求的范围内。

Claims (7)

1.一种雷达目标检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、发射K1次周期为T1、的第一发射波，所述第一发射波被目标反射后被天线接收得到第一回波；
步骤二、对每个周期的第一回波进行N点采样一维FFT变换得到第一回波一维FFT结果；
步骤三、对所述第一回波一维FFT结果进行二维FFT变换得到坐标对应第一距离单元号、第一模糊速度号的距离多普勒谱，其中第一距离单元号为对单个周期的第一回波进行一维FFT采样的序号，第一模糊速度号为所述第一发射波的发射周期的序号；根据第一回波的目标检测距离、目标检测模糊速度与所述距离多普勒谱的峰值的对应关系求第一回波的目标检测距离及目标检测模糊速度；
步骤四、发射K2次与所述第一发射波频率互质的周期为T2的第二发射波，所述第二发射波被目标发射后被所述天线接收得到第二回波，对每个周期的第二回波进行N点采样一维FFT变换得到对应不同第二距离单元号、第二模糊速度号的第二回波一维FFT结果，其中第二距离单元号为对单个周期的第二回波进行一维FFT采样的序号，第二模糊速度号为所述第二发射波的发射周期的序号；
步骤五、根据步骤三得到的第一回波的目标检测模糊速度与目标真实速度可能值之间的关系求目标真实速度可能值的速度旋转因子，并将该速度旋转因子与步骤四得到的第二回波一维FFT结果形成关联，然后对该关联结果进行解模糊，再根据解模糊的结果对步骤2求得的第一回波的目标检测距离、目标检测模糊速度进行修正从而求得目标真实速度及目标真实距离；以及
步骤六、输出步骤四获得的目标真实速度及目标真实距离。
2.根据权利要求1所述的一种雷达目标检测方法，其特征在于，步骤三中求第一回波的目标检测距离及目标检测模糊速度方法为：
在所述距离多普勒中寻找峰值，该峰值对应的距离单元号、模糊速度号即为目标所处的第一距离单元号第一模糊速度号
再根据目标所处的第一距离单元号电磁波的传播速度C、第一发射波的射频带宽B1计算第一回波的目标检测距离以及
根据目标所处的第一模糊速度号所述天线中心频率对应的波长λ、步骤1中所述第一发射波的发射次数K1及周期T1计算第一回波的目标检测模糊速度
3.根据权利要求2所述的一种雷达目标检测方法，其特征在于，所述步骤五具体包括：
定义目标真实速度可能值的速度旋转因子VDFT：
式中Vr为目标真实速度可能值；z为所述第二模糊速度号；
将第一回波的目标检测模糊速度与目标真实速度可能值Vr之间的关系代入步骤4.1中目标真实速度可能值的速度旋转因子VDFT的定义公式中，式中m为取值范围为[-d，d]的模糊数单元号，其中d为正整数，从而求得目标真实速度可能值的速度旋转因子；
由所述第二回波一维FFT结果中第二距离单元号与所述目标所处的第一距离单元号相同的K2个数据组成复矢量，然后由步骤4.2求得的目标真实速度可能值的速度旋转因子乘上该复矢量得到一组长度为2d+1的数组，对该数组进行求模处理后求最大值，该最大值对应模糊数单元号即为解模糊得到的模糊数单元号p；
计算目标真实速度计算目标真实距离
4.根据权利要求1所述的雷达目标检测方法，其特征在于，所述天线由多个组成阵列。
5.根据权利要求4所述的雷达目标检测方法，其特征在于，所述雷达目标检测方法还包括角度检测步骤：
对步骤一中多个天线接收得到的第一回波数据进行累加，然后通过MUSIC求角算法对累加后的第一回波数据进行求角运算从而求得目标角度。
6.根据权利要求4所述的雷达目标检测方法，其特征在于，步骤二中得到的第一回波一维FFT结果及步骤四中得到的第二回波一维FFT结果均在一维FFT变换后经过了非相干累加。
7.一种雷达，其特征在于包括：
第一波形发生器，用于发射周期为T1、射频带宽为B1、波形为锯齿波的第一发射波；
第二波形发生器，用于发射与所述第一发射波频率互质的周期为T2、射频带宽为B2、波形为锯齿波的第二发射波；
天线，用于接收所述第一发射波和第二发射波的回波；以及
数据处理模块，用于执行如权利要求1至6项中任一项所述的雷达目标检测方法，以获得目标真实速度及目标真实距离。
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