CN110208788A - 一种基于滑窗的连续帧联合速度解模糊方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于滑窗的连续帧联合速度解模糊方法，该方法步骤为：首先在固定帧长的雷达体制内，为奇数帧和偶数帧分别设置不同扫频重复周期；其次，对当前检测帧接收的中频信号做目标检测和参数估计，得到当前帧的距离估计值和模糊速度估计值；随后，利用两个连续帧分别检测的距离估计值和模糊速度估计值进行联合目标匹配，再通过多重脉冲重复频率原理找到使得目标函数最大条件下的速度估计值；最后，做二次匹配，匹配成功则说明本次解速度模糊成功。该方法能够在不降低数据刷新率的前提下，提高系统在低信噪比的情况下解速度模糊的准确度。

Description

一种基于滑窗的连续帧联合速度解模糊方法

技术领域

本发明属于雷达信号处理和汽车电子技术领域，尤其涉及一种基于滑窗的连续帧联合速度解模糊方法。

背景技术

雷达的研究起始于20世纪30年代中后期，早期受到元器件的限制发展较慢，随着近年来集成电路的进步，雷达信号处理的研究变得活跃。雷达最为基本的问题是对一种物体进行检测，对其位置和速度进行跟踪，通过对目标的位置和径向速度的测量推断目标在三维空间中的运动情况。

毫米波雷达具有体积小、重量轻、成本低、分辨率高以及全天气适应性等独特优点，相比激光雷达、超声波雷达以及摄像头等传感器有着明显的优势和难以替代的地位。近年来对毫米波汽车防撞雷达的研究逐渐受到重视。毫米波汽车雷达运用在主动式安全驾驶和自动泊车等辅助装置中，对提高交通安全、降低恶性交通事故起到重要的作用。

在汽车雷达场景下，目标与雷达的相对速度较大且低成本芯片的采样速率较低。而根据复信号奈奎斯特采样定理，当扫频重复频率应小于目标运动产生的多普勒频移时，会产生频谱混叠，引起速度模糊，严重影响了系统对目标速度参数的估计。

目前针对毫米波汽车雷达解速度模糊算法的研究中，通常是采用在一帧内发射多重脉冲重复频率信号或者多载频信号，再根据余数定理进行速度解模糊处理。然而，发射的连续波的个数受到一帧时间的限制，导致发射信号积累的能量有限，对于远距目标的信号信噪比衰落严重。低信噪比的情况使得目标在远距情况下，运用常规方法在一帧内解速度模糊错误率很高。

通常的改进方法是，通过增加时间积累来提高远距信号处理的信噪比，从而提高解速度模糊的正确率。然而这种方法需要增加一帧内的发射信号的个数，从而增加了一帧的长度。增加帧长导致整个雷达系统的数据刷新频率下降，这对系统性能有一定的影响。额外地增加发射信号的个数也导致系统复杂度的提高。

因此，对于毫米波汽车雷达，在远距低信噪比的情况下，急需找到一种能够保证解速度模糊精度可靠的同时保持数据刷新频率的速度解模糊方法。

发明内容

发明目的：针对车载毫米波雷达解速度模糊方案中，低信噪比下解速度模糊准确度低的问题，提出一种低复杂度、精度可靠的基于滑窗的连续帧联合速度解模糊方法。

技术方案：为实现本发明的目的，本发明所采用的技术方案是：一种基于滑窗的连续帧联合速度解模糊方法，所述的方法步骤包括：

(1)已知在固定一帧长度为T_F的汽车雷达体制中，根据每一帧在总帧中的排列顺序，分为奇数帧和偶数帧。分别设置远距检测模式下奇数帧中的扫频重复周期为T₁，偶数帧中的扫频重复周期为T₂，且T₁≠T₂。

(2)在每帧中的目标检测长度内，发射天线发出多个线性调频连续波信号，信号经过K个目标的反射后被接收天线接收，每根接收天线接收信号并混频得到中频信号，对中频信号进行目标检测和参数估计，得到目标的距离估计值和模糊速度估计值。

(3)利用当前帧和前一帧连续两帧得到的距离估计值，进行连续帧联合目标匹配，匹配得到同一目标在两帧检测中的距离估计值和对应的模糊速度估计值。

(4)根据得到的同一目标在两帧检测中对应的模糊速度估计值，利用多重脉冲重复频率原理，遍历可能的速度值，得到使得目标函数最大条件下的速度估计值，并做二次匹配认证，满足二次匹配条件得到目标的真实速度值。

进一步的，所述步骤(1)中，帧长T_F决定系统的数据刷新频率1/T_F，即每T_F时间需要返回一次检测目标的参数值。易知，连续两帧一定为一个奇数帧和一个偶数帧。

进一步的，所述步骤(2)中，在一帧中，对中频信号进行目标检测和参数估计，检测得到K个目标对应的K组距离估计值和对应的模糊速度估计值其中，上标相同的和对应第k个目标的参数。在一帧中得到的距离估计值和对应的模糊速度估计值需要传递到后一帧，k＝1,2,…,K。

进一步的，所述步骤(3)中，假设第n帧为奇数帧，在第n帧中得到的K组距离估计值记为和对应的模糊速度估计值记为前一帧为第n-1帧，是偶数帧，传递的K组距离估计值记为和对应的模糊速度估计值记为

利用第n帧中的第p个目标的距离估计值与第n-1帧传递的距离估计值进行连续帧联合目标匹配，中匹配成功的满足:

式中，V_min为雷达可检测最小速度，V_max为雷达可检测最大速度，式(1)表示第n帧检测的第p个目标与第n-1帧检测的第q个目标为同一目标，根据上标可以取出第p个目标在中对应的模糊速度值和第q个目标在中对应的进行解速度模糊运算，p＝1,2,…,K，q＝1,2,…,K。

进一步的，所述步骤(4)中，第n帧的发射信号的扫频重复频率为第n-1帧的发射信号的扫频重复频率为扫频重复频率分别为和下最大无模糊速度为

式中，c为电磁波在自由空间中的传播速度，f₀为发射信号的载波频率，B为发射信号的扫频带宽。根据多重脉冲重复频率原理，目标真实速度v_d满足

式中，为整数。集合和包括其所有可能的取值，如下

式中，和分别表示向上取整和向下取整。由于参数估计存在误差，可将误差绝对值倒数作为目标函数，并对和进行遍历，取误差绝对值倒数最大的组合：

因此，第n帧检测的第p个目标的真实速度为此时，需要对目标做二次匹配认证，若真实速度满足(8)，即认为此次解模糊成功，若不满足，需要回到步骤(3)重新进行连续帧联合目标匹配。二次匹配条件为：

式中，σ为误差阈值。

在连续帧联合目标匹配中，一般情况下第n帧检测的第p个目标的距离估计值只能匹配到一个第n-1帧传递的距离估计值，但是在检测结果有虚警时和目标距离过近时，可能会匹配到多个，这时候需要二次匹配来进行甄别。

有益效果：与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下有益技术效果：

本发明方法能够有效地解决现有毫米波汽车雷达解速度模糊方案中，低信噪比下解速度模糊准确度低的问题。其利用连续两帧信号，联合进行速度解模糊处理，提高了解速度模糊的准确度，也保持了系统的数据刷新频率。

附图说明

图1为本发明方法信号流程图；

图2为本发明方法具体实施方式中发射信号时频图；

图3为本发明方法具体实施方式中定点在不同距离下传统方法和本发明方法的速度平均误差的比较；

图4为本发明具体实施方式中不同信噪比及不同目标数量下的传统方法漏警率；

图5为本发明具体实施方式中不同信噪比及不同目标数量下的本发明方法漏警率。

具体实施方式

下面结合具体实施案例，进一步阐明本发明，应理解这些实施案例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

本发明实施案例中，毫米波雷达采用二发四收的天线阵列，在一帧内发射连续个载波频率为f₀、扫频带宽为B的锯齿波信号。毫米波汽车雷达的实际系统参数如表1所示。

表1实际系统参数

本具体实施方式中，毫米波汽车雷达在当前帧和前一帧所检测得到的参数如表2所示。当前检测帧不为第一帧，假设为奇数帧，此实例中目标个数K＝4。

表2当前帧和前一帧检测得到参数

本具体实施方式公开了一种基于信号复用的宽带车载毫米波雷达解速度模糊方法，具体包括以下步骤：

步骤1：连续两帧的发射信号时频关系如图2所示，其中，奇数帧的扫频重复周期为T₁，偶数帧的扫频重复周期为T₂。

步骤2：在当前帧内，对中频信号进行目标检测和参数估计，得到K＝4个目标的距离估计值和对应的模糊速度估计值具体数值见表2。

步骤3：由前一帧传递到当前帧的4个目标的距离估计值和对应的模糊速度估计值具体数值见表2。

对当前帧的第1个距离估计值与前一帧的依次进行目标匹配，其中满足:

因此表示，当前帧检测的第1个目标与前一帧检测的第3个目标为同一个目标。根据上标取出它们对应的模糊速度和

步骤4：扫频重复频率为第n-1帧的发射信号的扫频重复频率为根据表1的参数，由式分别计算最大无模糊速度和

计算的取值为集合和

遍历所有可能的取值，取使得误差绝对值倒数最大的组合:

得到当和时，上式成立。此次检测的第1个目标真实速度为

对目标进行二次匹配认证：

可知，满足二次匹配的阈值条件，说明当前帧的第1个目标的速度解模糊成功，第1个目标真实速度为对当前帧的每一个目标都做上述步骤的操作，直到完成当前帧中所有目标的解模糊处理。

图3展示了在不同距离下传统方法和本发明方法检测目标的速度平均误差的比较。图中可以看出，当目标的距离增大时，传统方法检测速度的平均误差急剧增加，而本发明的连续帧联合方法的平均误差均为稳定。本发明的连续帧联合解速度模糊方法的目标平均速度误差比传统方法小很多，说明本发明方法在目标距离较远的情况下也有较好的解模糊能力。

图4、图5分别为不同信噪下的不同目标数量下传统方法和本发明方法的漏警率的比较。传统方法采用在一帧内发送两个不同扫频重复周期的信号进行解模糊处理，它保证了一帧内的数据刷新率和本发明方法的数据刷新率一致。由图可见，当信噪比低于-5dB时，使用传统方法的系统漏警率急剧恶化，而使用本发明方法的系统在-8dB时才逐步恶化。说明本发明方法相对于传统方法在低信噪比下能保持较好的检测准确度。在信噪比较高的情况下，本发明方法的系统比传统方法的漏警率较小，说明本发明方法的系统解模糊处理的鲁棒性较好。

Claims (5)

1.一种基于滑窗的连续帧联合速度解模糊方法，其特征在于，所述方法的步骤包括：

(1)已知在固定一帧长度为T_F的汽车雷达体制中，根据每一帧在所有的帧中的排列顺序，分为奇数帧和偶数帧，分别设置目标检测模式下奇数帧中的扫频重复周期为T₁，偶数帧中的扫频重复周期为T₂，且T₁≠T₂；

(2)在每帧中的目标检测长度内，发射天线发出多个线性调频连续波信号，信号经过K个目标的反射后被接收天线接收，每根接收天线接收信号并混频得到中频信号，对中频信号进行目标检测和参数估计，得到目标的距离估计值和模糊速度估计值；

(3)利用当前帧和前一帧连续两帧得到的距离估计值，进行连续帧联合目标匹配，匹配得到同一目标在两帧检测中的距离估计值和对应的模糊速度估计值；

(4)根据得到的同一目标在两帧检测中对应的模糊速度估计值，利用多重脉冲重复频率原理，遍历可能的速度值，得到使得目标函数最大条件下的速度估计值，并做二次匹配认证，满足二次匹配条件得到目标的真实速度值。

2.根据权利要求1所述的一种基于滑窗的连续帧联合速度解模糊方法，其特征在于，所述步骤(1)中，帧长T_F决定系统的数据刷新频率1/T_F，即每T_F时间需要返回一次检测目标的参数值，并且连续两帧为一个奇数帧和一个偶数帧。

3.根据权利要求1或2所述的一种基于滑窗的连续帧联合速度解模糊方法，其特征在于，所述步骤(2)中，在一帧中，对中频信号进行目标检测和参数估计，检测得到K个目标对应的K组距离估计值和对应的模糊速度估计值其中，上标相同的和对应第k个目标的参数，在一帧中得到的距离估计值和对应的模糊速度估计值需要传递到后一帧，k＝1,2,…,K。

4.根据权利要求3所述的一种基于滑窗的连续帧联合速度解模糊方法，其特征在于，所述步骤(3)中，假设第n帧为奇数帧，在第n帧中得到的K组距离估计值记为和对应的模糊速度估计值记为前一帧为第n-1帧，是偶数帧，传递的K组距离估计值记为和对应的模糊速度估计值记为

利用第n帧中的第p个目标的距离估计值与第n-1帧传递的距离估计值进行连续帧联合目标匹配，中匹配成功的满足：

式中，V_min为雷达可检测最小速度，V_max为雷达可检测最大速度，式(1)表示第n帧检测的第p个目标与第n-1帧检测的第q个目标为同一目标，根据上标可以取出第p个目标在中对应的模糊速度值和第q个目标在中对应的进行解速度模糊运算，p＝1,2,…,K，q＝1,2,…,K。

5.根据权利要求4所述的一种基于滑窗的连续帧联合速度解模糊方法，其特征在于，所述步骤(4)中，第n帧的发射信号的扫频重复频率为第n-1帧的发射信号的扫频重复频率为扫频重复频率分别为和下最大无模糊速度为：

式中，c为电磁波在自由空间中的传播速度，f₀为发射信号的载波频率，B为发射信号的扫频带宽，根据多重脉冲重复频率原理，目标真实速度v_d满足：

式中，为整数，集合和包括其所有可能的取值，如下：

式中，和分别表示向上取整和向下取整，由于参数估计存在误差，可将误差绝对值倒数作为目标函数，并对和进行遍历，取使得目标函数最大的组合：

因此，认为第n帧检测的第p个目标的解模糊速度为此时，需要对目标做二次匹配认证，若真实速度满足(8)，即认为此次解模糊成功；若不满足，需要回到步骤(3)重新进行连续帧联合目标匹配，寻找第n-1帧中满足式(1)的目标距离估计值的第p个目标对应的其它第q个目标，再进行重新解模糊处理；

其中，σ为误差阈值。