CN110488272B

CN110488272B - 一种基于调频连续波雷达的测速测距方法及装置

Info

Publication number: CN110488272B
Application number: CN201910817328.5A
Authority: CN
Inventors: 王帅; 张伟; 张臣勇; 王雨; 李尧; 杨洁
Original assignee: Chengdu Nalei Technology Co ltd
Current assignee: Chengdu Nalei Technology Co ltd
Priority date: 2019-08-30
Filing date: 2019-08-30
Publication date: 2023-03-10
Anticipated expiration: 2039-08-30
Also published as: CN110488272A

Abstract

本发明公开一种基于调频连续波雷达的测速测距方法及装置，该方法步骤包括：S1.获取目的雷达的回波信号并执行部分点数的FFT，初步得到目标的频率；S2.获取目的雷达检测到的目标信息，使用获取的目标信息预测目标当前的速度和距离后转换为对应的频率，得到目标预测频率；S3.根据目标预测频率以及步骤S1得到的目标的频率确定频率细化段，对确定的频率细化段进行频谱细化，得到目标的真实细化频率；S4.使用目标的真实细化频率计算得到最终的目标速度、距离。本发明具有实现方法简单、运算复杂度低、检测效率以及检测精度高等优点。

Description

一种基于调频连续波雷达的测速测距方法及装置

技术领域

本发明涉及调频连续波(FMCW)雷达测量技术领域，尤其涉及一种基于调频连续波雷达的测速测距方法及装置。

背景技术

如交通测速雷达等测速雷达对目标进行测速、测距时，通常都是直接对回波信号的整段频谱进行信号处理，信号频谱表示信号能量在频域的分布，FFT(Fast FourierTransform，快速傅里叶变换)即是提取频谱信息的主要方法，但是FFT变换后得到的信号频谱只能表示各个等分点的幅度值，而不能表示各个等分点之间的频谱信息，也就是说不能得到等分点之间的频率、幅值、相位信息，这会影响对信号频谱的分析。

采用频谱细化技术，可以提高频谱分辨率，获得等分点虹之间的频谱信息，上述FFT变换后得到的是整个频域范围内的频谱信息，但有时所需要的只是其中某一个频率范围的频谱信息，通过信号频谱细化技术可以将需要的频率范围内的频谱信息提取出来单独分析，放大观察，可以得到频谱分辨率更高的频谱，从而得到更精确的信息。而若直接通过加大FFT点数来实现频谱的细化得到等分点之间的频率、幅值、相位信息，会大大增加计算复杂度，提高运算时间。

针对频谱细化，目前常见的经典方法主要包括：复调制细化法、Chirp-Z变换(CZT)、FFT+FT细化法、DFT(离散傅里叶变换)补零等，但是上述各类方法均具有一定的局限性，如其中DFT方法是均匀分布在Z平面单位圆上N点处的频谱，存在如果需要取样点不均匀时则难以实现，且只研究信号的某一频段，要求对该频段取样密集等问题；CZT(Chirp-Z变换)是对Z变换采用螺线抽样，CZT变换具体流程如图1所示，CZT螺线等分角抽样如图2所示，通过直接固定频率范围内某一段频率，对其进行CZT频谱细分即能够实现细化频谱，基于CZT可以便于实现窄带高分辨率分析，但是直接采用CZT频谱细化则只能固定对频率范围中某一段频谱细化，通常这个频率范围较大，细化点数较少时，频谱细化效果不明显，细化点数过多时，又会大大增加计算复杂度，大量增加运算时间。

综上，传统测速雷达采用FFT进行整段频谱信号处理时，在相同的计算复杂度情况下，每个频域点代表的频率较高，得到的目标距离和速度信息的精度相对较低，不能精确的得到目标的距离和速度信息，通过频谱细化技术虽然可得到较为精确的目标信息，但是直接采用传统频谱细化技术是选取一段相对宽度范围的频谱进行细化，由于考虑测量误差，该范围通常会设置的较大，频谱细化效果有限，也不能确保目标检测的精确性。

发明内容

本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种实现方法简单、运算复杂度低、检测效率以及检测精度高的基于调频连续波雷达的测速测距方法及装置。

为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：

一种基于调频连续波雷达的测速测距方法，步骤包括：

S1.初步测量：获取目的雷达的回波信号并执行部分点数的FFT，初步得到目标的频率；

S2.目标预测：获取目的雷达检测到的目标信息，使用获取的所述目标信息预测目标当前的速度和距离后转换为对应的频率，得到目标预测频率；

S3.频谱细化：根据所述目标预测频率以及所述步骤S1得到的目标的频率确定频率细化段，对确定的所述频率细化段进行频谱细化，得到目标的真实细化频率；

S4.目标检测：使用所述目标的真实细化频率计算得到最终的目标速度、距离。

作为本发明方法的进一步改进：所述步骤S3中，具体通过对所述频率细化段执行多点的CZT变换以进行频谱细化。

作为本发明方法的进一步改进：所述步骤S3中，具体根据所述预测的目标频率将所述步骤S1得到的目标的频率分别左、右扩展指定范围，得到一个起始频率和一个终止频率，由所述起始频率、终止频率确定得到所述频率细化段，根据所述频率细化段的所述起始频率、终止频率执行所述CZT变换。

作为本发明方法的进一步改进：所述步骤S3中，具体获取所述CZT变换后的频谱中幅值最大峰值所对应的频率，得到所述目标的真实细化频率。

作为本发明方法的进一步改进：所述步骤S2中预测目标当前的速度和距离的具体步骤包括：使用目的雷达对目标上一次检测到的距离、速度，按照下式预测得到目标当前的距离和速度：

R_当前＝R_上-V_上*T，V_上＝V_当前

其中，R_当前为预测的目标当前的距离，R_上、V_上分别为目标上一次检测到的距离、速度，T为目的雷达的检测周期，V_当前为预测的目标当前的速度。

作为本发明方法的进一步改进：所述步骤S1中，具体将回波信号执行512点的FFT。

作为本发明方法的进一步改进：所述目的雷达为三角波调频雷达，所述步骤S1中执行FFT变换后，具体分别得到目标初步的上、下调频频率，所述步骤S2中具体根据预测的目标当前的距离、速度分别转换得到目标预测上、下调频频率，所述步骤S3中具体根据得到的目标初步的上调频频率将目标预测上调频频率分别左右扩展一定范围，得到包括一个起始频率和一个终止频率的上调频频率范围，根据得到的目标初步的下调频频率将目标预测下调频频率分别左右扩展一定范围，得到包括一个起始频率和一个终止频率的下调频频率范围，由所述上调频频率范围、下调频频率范围确定得到所述频率细化段。

一种基于调频连续波雷达的测速测距装置，包括：

初步测量模块，用于获取目的雷达的回波信号并执行部分点数的FFT，得到目标初步的频率；

目标预测模块，用于获取目的雷达检测到的目标信息，使用获取的所述目标信息预测目标当前的速度和距离后转换为对应的频率，得到目标预测频率；

频谱细化模块，用于根据所述目标预测频率以及所述目标初步的频率确定频率细化段，对确定的所述频率细化段进行频谱细化，得到目标的真实细化频率；

目标检测模块，用于使用所述目标的真实细化频率计算得到最终的目标速度、距离。

作为本发明装置的进一步改进：所述频谱细化模块具体通过对所述频率细化段执行多点的CZT变换以进行频谱细化。

一种存储有计算机程序的计算机可读存储介质，所述计算机程序执行时实现如上述基于调频连续波雷达的测速测距的方法。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1、本发明基于调频连续波测速雷达，通过综合FFT以及频谱细化方法，同时结合目标已有运动信息来实现目标的测速、测距，先对雷达回波信号进行初步测量，对回波信号执行较少点数的FFT来初步得到目标的频率，仅需少量的运算复杂度即可得到目标的大致频率范围，再利用目标已有检测信息来预测目标的频率，由目标已有信息预测的目标预测频率以及FFT得到的目标的频率来确定频率细化段，可以确保频率范围精确的同时有效缩小频率细化范围，使得在精确的小范围频率段内可以进行细致的频谱细化，在相同的细化点数条件下，能够大大提高频谱分辨率、频谱细化精度，从而能够精确、实时的得到目标的距离、速度信息，同时大幅度降低整体所需的运算复杂度。

2、本发明进一步通过在先利用FFT进行初步测量简化DFT计算的基础上，利用CZT精确频谱细化的特性，综合FFT和CZT变换以及结合目标已有的运动信息，可以非常精确的得到频谱细化范围，进一步提高频谱细化精度，同时降低运算复杂度，检测到的目标距离、速度更加接近于真实目标的距离、速度。

3、本发明进一步通过由目标已有检测信息预测得到的目标频率来对FFT初步测量得到的频率大小范围进行划分，使得划分后频谱细分段都在真实目标所在频率范围区间内，不需要固定CZT的起始频率和终止频率，可以得到精确的频谱范围，同时尽可能的缩小频谱范围以提高检测效率及精度。

附图说明

图1是CZT具体实现流程示意图。

图2是CZT螺线等分角抽样的原理示意图。

图3是本实施例基于调频连续波雷达的测速测距的实现流程示意图。

图4是本发明在具体应用实施例中对回波信号执行512点FFT得到的频谱示意图。

图5是本发明在具体应用实施例中CZT细化后得到的频谱示意图。

图6是本发明在具体应用实施例中对回波信号执行16384点FFT得到的频谱示意图。

具体实施方式

以下结合说明书附图和具体优选的实施例对本发明作进一步描述，但并不因此而限制本发明的保护范围。

如图3所示，本实施例基于调频连续波雷达的测速测距方法的步骤包括：

S2.目标预测：获取目的雷达检测到的目标信息，使用获取的目标信息预测目标当前的速度和距离后转换为对应的频率，得到目标预测频率；

S3.频谱细化：根据目标预测频率以及步骤S1得到的目标的频率确定频率细化段，对确定的频率细化段进行频谱细化，得到目标的真实细化频率；

S4.目标检测：使用目标的真实细化频率计算得到最终的目标速度、距离。

本实施例基于调频连续波(FMCW)测速雷达，通过综合FFT以及频谱细化方法，同时结合目标已有运动信息来实现目标的测速、测距，先对雷达回波信号进行初步测量，对回波信号执行较少点数的FFT来初步得到目标的频率，仅需少量运算复杂度即可得到目标的大致频率范围，再利用目标已有检测信息来预测目标的频率，由目标已有信息预测的目标预测频率以及FFT得到的目标的频率来确定频率细化段，可以确保频率范围精确的同时有效缩小频率细化范围，使得在精确的小范围频率段内可以进行细致的频谱细化，在相同的细化点数条件下，能够大大提高频谱分辨率、频谱细化精度，从而能够精确、实时的得到目标的距离、速度信息，同时大幅度降低整体所需的运算复杂度。

本实施例步骤S1中，具体调频连续波交通测速雷达接收到回波信号后先进行A/D(模数)转换，再将A/D(模数)转换后的回波信号执行部分点数的FFT，找出目标点所对应的大致频率范围，初步得到目标的频率。在具体应用实施例中可以执行512点数的FFT，通过执行较少点数的FFT即可得到目标大致的频率范围，可以有效降低运算复杂度。

测速雷达检测过程中，由于连续两次检测时间间距非常小，可认为目标的速度在相邻两个检测周期内是不变的，本实施例利用上述特性，通过使用雷达对目标上一次检测的已有检测信息预测目标当前距离和速度，具体步骤包括：使用目的雷达对目标上一次检测到的距离、速度，按照下式预测得到目标当前的距离和速度：

R_当前＝R_上-V_上*T，V_上＝V_当前 (1)

预测得到目标当前的距离和速度后，再将该预测到的距离和速度折算为对应的频率，具体可依据FMCW雷达中距离、速度与频率之间的关系式来进行折算。

本实施例步骤S3中，具体通过对频率细化段执行多点的CZT变换以进行频谱细化，即采用基于CZT变换的频谱细化。本实施例通过在先利用FFT进行初步测量简化DFT计算的基础上，进一步利用CZT精确频谱细化的特性，综合FFT和CZT变换以及结合目标已有的运动信息，可以非常精确的得到频谱细化范围，进一步提高频谱细化精度，同时降低运算复杂度，从而进一步提高目标的检测精度。

本实施例步骤S3中，具体根据预测的目标频率将步骤S1得到的目标的频率分别左、右扩展指定范围，得到一个起始频率和一个终止频率，由起始频率、终止频率确定得到频率细化段，根据得到的起始频率和终止频率执行CZT变换。具有经过FFT计算后可以初步得到一个目标的频率值，根据单点频谱精度和测量误差范围可初步确定目标的频率大小范围，通过由目标已有检测信息预测得到的目标频率来对FFT初步测量得到的频率大小范围进行划分，可以使得划分后频谱细分段都在真实目标所在频率范围区间内，因而不需要固定CZT的起始频率和终止频率，可以得到精确的频谱范围，同时尽可能的缩小频谱范围以提高检测效率及精度。

本实施例步骤S3中，具体获取CZT变换后的频谱中幅值最大峰值所对应的频率，得到目标的真实细化频率，即由CZT变换后的频谱中幅值最大峰值所对应的频率作为目标的真实细化频率，依据该真实细化频率可以精准的得到目标真实的距离、速度。

在具体应用实施例中，基于调频连续波雷达实现目标测速、测距时，先将调频连续波交通测速雷达A/D(模数)转换后的回波信号执行部分点数的FFT，找出目标点所对应的大致频率；然后根据雷达上一次检测得到的目标已有检测信息，预测出目标当前距离和速度，再将该距离和速度折算为对应的频率；然后在误差范围内，先根据目标的预测频率对FFT后检测到的目标点对应的大致频率范围进行划分，得到一个起始频率和一个终止频率，再把起始频率和终止频率用于CZT，在CZT后的频谱中，幅值最大峰值对应的频率就为目标的真实细化频率，根据FMCW距离、速度计算公式，代入目标的真实细化频率可得到目标精确的的距离、速度信息。

本发明基于调频连续波雷达，通过结合目标信息以及综合FFT和CZT来实现精准的目标测速、测距，每次单独的频谱细分区间都在真实目标所在频率范围区间内，不需要固定CZT的起始频率和终止频率，在真实目标所在频率范围内，大幅降低了计算工作量，同时频谱分辨率非常高，得到的目标信息非常准确。

以下以在具体应用实施例中基于三角波调频测速雷达利用本发明上述方法对目标进行测速、测距为例，来对本发明进行进一步说明，其中目标可以为车辆等。

首先说明三角波的距离和速度测速原理：由于雷达发射信号经过目标反射回来会有一定的延时，通过比较发射的三角波和接收的三角波的频率上下降沿的变化，可以求得目标的距离、速度，即要得到目标的距离、速度信息，需要知道三角波的上下降沿频率变化。

本实施例基于三角波调频雷达对目标进行测速、测距的详细步骤为：

步骤S1：获取目的雷达的回波信号并执行部分点数的FFT，分别得到目标初步的上、下调频频率。

本实施例具体对雷达回波信号执行512点的FFT，对回波信号执行512点FFT后得到的频谱如图4所示，其中上半部分曲线表示回波上调频FFT后频谱图，高过上调频CFAR(恒虚警检测)门限的点则被检测到，下部分曲线表示回波下调频FFT后频谱图，高过下调频CFAR(恒虚警检测)的点则被检测到。从图4中可以看出，上调频频谱对应频率Δf₁＝12210Hz的点被检测到，下调频频谱对应频率Δf₂＝16110Hz的点被检测到。

运用三角波测距、测速原理，由上述上、下调频率可以求得目标的距离R_FFT为：

其中K_r为调频斜率，则R_FFT＝21.24m。

目标的速度为：

其中λ为波长，则V_FFT＝12.20m/s。

步骤S2：获取目的雷达检测到的目标信息，使用获取的目标信息预测目标当前的速度和距离后，根据预测的目标当前速度、距离分别转换得到目标预测上、下调频频率。

本实施例中，雷达上一次检测得到目标的距离具体为R_上＝20.82m，速度具体为V_上＝12.60m/s。在误差范围内，忽略雷达安装高度和角度对实际检测的影响，认为检测到的目标的距离和速度就为目标的真实距离和速度信息，以及雷达的一个周期为20ms，根据目标上一次检测到的信息，利用式(1)预测得到当前检测目标的距离为R_当前＝20.57m，速度为V_当前＝12.60m/s；根据三角波测距、测速原理，将预测得到的目标的距离、速度代入(2)、(3)式，得到目标预测的上下频率分别为f_预测上＝11697Hz和f_预测下＝15729Hz。

步骤S3：根据目标预测频率以及步骤S1得到的目标的频率确定频率细化段，具体根据得到的目标初步的上调频频率将目标预测上调频频率分别左右扩展一定范围，得到包括一个起始频率和一个终止频率的上调频频率范围，根据得到的目标初步的下调频频率将目标预测下调频频率分别左右扩展一定范围，得到包括一个起始频率和一个终止频率的下调频频率范围，由上调频频率范围、下调频频率范围确定得到所述频率细化段，对确定的频率细化段进行频谱细化，得到目标的真实细化频率。

由上述三角波雷达测速原理可知，要得到目标的距离、速度信息，需要知道三角波的上下降沿频率变化，本实施例通过综合FFT和CZT来计算得到该上下降沿频率变化。

首先步骤S1中通过512点FFT算出的大致上、下调频频率分别为Δf₁＝12210Hz、Δf₂＝16110Hz，目标预测的上下频率分别为f_预测上＝11697Hz和f_预测下＝15729Hz，根据该预测的目标频率将FFT后得到的频率左右各扩展一定范围，如上调频扩展后的频率范围为Δf_{1_起始}＝11000Hz，Δf_{1_终止}＝13000Hz，下调频扩展后的频率范围为Δf_{2_起始}＝15000Hz，Δf_{2_终止}＝17000Hz，使得频率细分区间都在真实目标所在频率范围区间内。

确定频率细化段后执行CZT变换，CZT细化后对应的频谱如图5所示，其中上部分曲线代表上调频CZT后结果，下部分曲线代表下调频CZT后结果。在扩展后的频率范围内找出峰值点对应频率，如图5所示，上调频对应频率为Δf₃＝11550Hz，下调频对应频率为Δf₄＝15570Hz。

步骤S4：使用目标的真实细化频率计算得到最终的目标速度、距离。

根据三角波测距、测速原理，如式(2)、(3)所示，使用上述得到的上调频对应频率Δf₃＝11550Hz、下调频对应频率Δf₄＝15570Hz，可以求得目标的距离为R_CZT＝20.34m，目标的速度为V_CZT＝12.56m/s。

由上述检测结果可以看出，相比于直接进行的512点FFT得到的结果，本实施例通过结合目标已有检测信息来预测目标当前信息，并用于CZT频谱细化中确定细化频率范围的方法得到的目标检测信息更加接近于真实目标信息。

为了验证本发明的准确性，进一步将雷达的回波信号直接做16384点FFT，可以得到非常精准的目标信息，由于FFT点数过多，频率细化的很小，可认为得到的目标信息就为目标的真实信息。如图6所示为得到的回波信号16384点FFT频谱，其中实线为回波信号上调频16384点FFT对应频谱，可以看出，上调频对应频率Δf₅＝11550Hz，下调频对应频率为Δf₆＝15580Hz，运用三角波测距、测速原理，可以求得目标的距离为R_真实＝20.35m，目标的速度为V_真实＝12.59m/s，将该结果与上述采用本发明方法检测得到的目标距离、速度相比较可知，本发明的检测结果与真实目标信息非常接近，即本发明通过结合目标信息以及综合FFT和CZT可以实现精准的目标测速、测距，能够得到非常精确的测距、测速结果。

本实施例进一步包括基于调频连续波雷达的测速测距装置，该装置包括：

本实施例中，频谱细化模块具体通过对所述频率细化段执行多点的CZT变换以进行频谱细化。

本实施例基于调频连续波雷达的测速测距装置与上述基于调频连续波雷达的测速测距方法为一一对应，在此不再一一赘述。

本实施例进一步包括一种存储有计算机程序的计算机可读存储介质，计算机程序执行时实现如上述基于调频连续波雷达的测速测距的方法。

上述只是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何形式上的限制。虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均应落在本发明技术方案保护的范围内。

Claims

1.一种基于调频连续波雷达的测速测距方法，其特征在于，步骤包括：

S4.目标检测：使用所述目标的真实细化频率计算得到最终的目标速度、距离；

所述步骤S3中，具体通过对所述频率细化段执行多点的CZT变换以进行频谱细化；

所述步骤S3中，具体根据所述目标预测频率将所述步骤S1得到的目标的频率分别左、右扩展指定范围，得到一个起始频率和一个终止频率，由所述起始频率、终止频率确定得到所述频率细化段，根据所述频率细化段的所述起始频率、终止频率执行所述CZT变换。

2.根据权利要求1所述的基于调频连续波雷达的测速测距方法，其特征在于，所述步骤S3中，具体获取所述CZT变换后的频谱中幅值最大峰值所对应的频率，得到所述目标的真实细化频率。

3.根据权利要求1～2中任意一项所述的基于调频连续波雷达的测速测距方法，其特征在于，所述步骤S2中预测目标当前的速度和距离的具体步骤包括：使用目的雷达对目标上一次检测到的距离、速度，按照下式预测得到目标当前的距离和速度：

R_当前＝R_上-V_上*T，V_上＝V_当前

4.根据权利要求1～2中任意一项所述的基于调频连续波雷达的测速测距方法，其特征在于，所述步骤S1中，具体将回波信号执行512点的FFT。

5.根据权利要求1～2中任意一项所述的基于调频连续波雷达的测速测距方法，其特征在于，所述目的雷达为三角波调频雷达，所述步骤S1中执行FFT变换后，具体分别得到目标初步的上、下调频频率，所述步骤S2中具体根据预测的目标当前的距离、速度分别转换得到目标预测上、下调频频率，所述步骤S3中具体根据得到的目标初步的上调频频率将目标预测上调频频率分别左右扩展一定范围，得到包括一个起始频率和一个终止频率的上调频频率范围，根据得到的目标初步的下调频频率将目标预测下调频频率分别左右扩展一定范围，得到包括一个起始频率和一个终止频率的下调频频率范围，由所述上调频频率范围、下调频频率范围确定得到所述频率细化段。

6.一种基于调频连续波雷达的测速测距装置，其特征在于，包括：

目标检测模块，用于使用所述目标的真实细化频率计算得到最终的目标速度、距离；

所述频谱细化模块具体通过对所述频率细化段执行多点的CZT变换以进行频谱细化；

所述频谱细化模块中，具体根据所述目标预测频率将所述步骤S1得到的目标的频率分别左、右扩展指定范围，得到一个起始频率和一个终止频率，由所述起始频率、终止频率确定得到所述频率细化段，根据所述频率细化段的所述起始频率、终止频率执行所述CZT变换。

7.一种存储有计算机程序的计算机可读存储介质，所述计算机程序执行时实现如权利要求1～5中任意一项所述的方法。