CN112083405A

CN112083405A - 一种基于混合波形的目标检测方法及相关装置

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Publication number: CN112083405A
Application number: CN202010953698.4A
Authority: CN
Inventors: 李光平; 冯昆
Original assignee: Guangdong University of Technology
Current assignee: Guangdong University of Technology
Priority date: 2020-09-11
Filing date: 2020-09-11
Publication date: 2020-12-15
Anticipated expiration: 2040-09-11
Also published as: CN112083405B

Abstract

本申请公开了一种基于混合波形的目标检测方法及相关装置，方法包括：对待检测目标发射预置混合波，并接受待检测目标反射回的反射混合波；将预置混合波和反射混合波进行混频处理，得到差拍信号；根据分别进行FFT变换后的上升差拍信号和下降差拍信号进行距离分析，得到待检测目标的距离信息；根据FFT变换后的恒频差拍信号进行速度分析，得到待检测目标的动态速度；根据上升差拍信号、下降差拍信号和动态速度进行距离速度匹配，得到目标检测结果。本申请解决了现有的目标检测技术的距离与速度的耦合现象导致监测效率较低，且对多目标检测适用性较差，导致虚警率较高的技术问题。

Description

一种基于混合波形的目标检测方法及相关装置

技术领域

本申请涉及目标检测技术领域，尤其涉及一种基于混合波形的目标检测时方法及相关装置。

背景技术

随着我国高速公路里程的增长，对车辆行驶安全的需求也在同步增长，毫米波雷达探测目标可以不受自然环境等影响，研究针对高速场景下的毫米波雷达具有一定的实用价值。雷达的探测距离，速度的最大值，最小值和分辨率是其最重要的性能指标；这些指标受波形制式，算法，中射频电路性能，数字信号处理能力和内存大小等因素综合影响。因此，现有技术中一般采用改变雷达发射波形和采用合适的信号处理算法来提高目标检测能力。调制波形的不同对于雷达的目标检测能力有很大的影响，传统的单一锯齿波存在距离与速度的耦合，探测高速度目标速度会产生模糊，而单一的三角调频连续波多目标时存在的严重的虚警问题。

发明内容

本申请提供了一种基于混合波形的目标检测方法及相关装置，用于解决现有的目标检测技术的距离与速度的耦合现象导致监测效率较低，且对多目标检测适用性较差，导致虚警率较高的技术问题。

有鉴于此，本申请第一方面提供了一种基于混合波形的目标检测方法，包括：

对待检测目标发射预置混合波，并接受所述待检测目标反射回的反射混合波，所述反射混合波包括反射上升锯齿波、反射下降锯齿波和反射恒频波；

将所述预置混合波和所述反射混合波进行混频处理，得到差拍信号，所述差拍信号包括上升差拍信号、下降差拍信号和恒频差拍信号；

根据分别进行FFT变换后的所述上升差拍信号和下降差拍信号进行距离分析，得到所述待检测目标的距离信息，所述距离信息包括静态距离和动态距离；

根据FFT变换后的所述恒频差拍信号进行速度分析，得到所述待检测目标的动态速度；

根据所述上升差拍信号、所述下降差拍信号和所述动态速度进行距离速度匹配，得到目标检测结果，所述目标检测结果包括所述距离信息和对应的所述动态信息。

可选的，所述根据分别进行FFT变换后的所述上升差拍信号和下降差拍信号进行距离分析，得到所述待检测目标的距离信息，所述距离信息包括静态距离和动态距离，包括：

对所述上升差拍信号和所述下降差拍信号分别进行FFT变换，然后进行距离分析，得到第一检测距离和第二检测距离；

判断所述第一检测距离与所述第二检测距离之差是否小于距离阈值，若是，则将所述第一检测距离与所述第二检测距离之和的一半作为待检测目标的静态距离量，若否，则将所述第一检测距离与所述第二检测距离之和作为所述待检测目标的动态距离。

可选的，所述根据所述上升差拍信号、所述下降差拍信号和所述动态速度进行距离速度匹配，得到目标检测结果，包括：

根据所述上升差拍信号和所述下降差拍信号计算动态速度参数；

将所述动态速度与所述动态速度参数进行对比，若是对比结果在预置差值范围内，则完成距离速度匹配，得到目标检测结果。

可选的，所述根据所述上升差拍信号、所述下降差拍信号和所述动态速度进行距离速度匹配，得到目标检测结果，之后还包括：

根据所述目标检测结果和预置门限进行恒虚警检测，得到恒虚警检测结果。

本申请第二方面提供了一种基于混合波形的目标检测装置，包括：

波形检测模块，用于对待检测目标发射预置混合波，并接受所述待检测目标反射回的反射混合波，所述反射混合波包括反射上升锯齿波、反射下降锯齿波和反射恒频波；

混频模块，用于将所述预置混合波和所述反射混合波进行混频处理，得到差拍信号，所述差拍信号包括上升差拍信号、下降差拍信号和恒频差拍信号；

第一分析模块，用于根据分别进行FFT变换后的所述上升差拍信号和下降差拍信号进行距离分析，得到所述待检测目标的距离信息，所述距离信息包括静态距离和动态距离；

第二分析模块，用于根据FFT变换后的所述恒频差拍信号进行速度分析，得到所述待检测目标的动态速度；

匹配模块，用于根据所述上升差拍信号、所述下降差拍信号和所述动态速度进行距离速度匹配，得到目标检测结果，所述目标检测结果包括所述距离信息和对应的所述动态信息。

可选的，所述第一分析模块，包括：

变换分析子模块，用于对所述上升差拍信号和所述下降差拍信号分别进行FFT变换，然后进行距离分析，得到第一检测距离和第二检测距离；

判断子模块，用于判断所述第一检测距离与所述第二检测距离之差是否小于距离阈值，若是，则将所述第一检测距离与所述第二检测距离之和的一半作为待检测目标的静态距离量，若否，则将所述第一检测距离与所述第二检测距离之和作为所述待检测目标的动态距离。

可选的，所述匹配模块，包括：

计算子模块，用于根据所述上升差拍信号和所述下降差拍信号计算动态速度参数；

对比子模块，用于将所述动态速度与所述动态速度参数进行对比，若是对比结果在预置差值范围内，则完成距离速度匹配，得到目标检测结果。

可选的，还包括：

恒虚警检测模块，用于根据所述目标检测结果和预置门限进行恒虚警检测，得到恒虚警检测结果。

本申请第三方面提供了一种基于混合波形的目标检测设备，其特征在于，所述设备包括处理器以及存储器：

所述存储器用于存储程序代码，并将所述程序代码传输给所述处理器；

所述处理器用于根据所述程序代码中的指令执行第一方面所述的基于混合波形的目标检测方法。

本申请第四方面提供了一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质用于存储程序代码，所述程序代码用于执行第一方面所述的基于混合波形的目标检测方法。

从以上技术方案可以看出，本申请实施例具有以下优点：

本申请中，提供了一种基于混合波形的目标检测方法，包括：对待检测目标发射预置混合波，并接受待检测目标反射回的反射混合波，反射混合波包括反射上升锯齿波、反射下降锯齿波和反射恒频波；将预置混合波和反射混合波进行混频处理，得到差拍信号，差拍信号包括上升差拍信号、下降差拍信号和恒频差拍信号；根据分别进行FFT变换后的上升差拍信号和下降差拍信号进行距离分析，得到待检测目标的距离信息，距离信息包括静态距离和动态距离；根据FFT变换后的恒频差拍信号进行速度分析，得到待检测目标的动态速度；根据上升差拍信号、下降差拍信号和动态速度进行距离速度匹配，得到目标检测结果，目标检测结果包括距离信息和对应的动态信息。

本申请提供的基于混合波形的目标检测方法，采用混合波形进行目标检测，经待检测目标反射回的波形也是混合波形；而根据不同的波形分别进行距离和速度分析，通过不同的方法获取待检测目标的距离和速度则可以实现对同一目标的距离和速度的解耦，将距离与速度进行匹配即可得到目标检测结果，不仅解决了距离与速度耦合的问题，还能提高多目标检测的距离速度求解准确度，从而减少虚假目标。因此，本申请能够解决现有的目标检测技术的距离与速度的耦合现象导致监测效率较低，且对多目标检测适用性较差，导致虚警率较高的技术问题。

附图说明

图1为本申请实施例提供的一种基于混合波形的目标检测方法的一个流程示意图；

图2为本申请实施例提供的一种基于混合波形的目标检测方法的另一个流程示意图；

图3为本申请实施例提供的一种基于混合波形的目标检测装置的结构示意图；

图4为本申请实施例提供的三角调频连续波与回波示意图；

图5为本申请实施例提供的预置混合波形图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

单一三角调频连续波的检测原理：

三角调频连续波是毫米波雷达常用的波形之一，首先雷达发射机产生三角调频连续波，然后经发射天线将电磁波辐射出去，三角调频连续波由两个对称的调频连续波组成，分别为上、下扫频，雷达发射天线将波形发射出去，接收天线收到回波信号，如图4所示，两者会产生一个时间上的延迟并且回波信号与本振信号经过混频形成差拍信号，利用上、下扫频差拍信号频谱对称的性质，可以很快得到检测目标的距离和速度信息。在三角波上升部分t∈[0,T]中，发射信号为：

简化表达可以得到：

其中，A为发射信号振幅，φ为初始相位，f₀为初始发射频率，带宽B为f₁与f₀之差，k＝B/T为调频斜率。回波信号为：

其中，A'为回波信号振幅，τ为关于运动时间的函数，φ'为相位噪声，且数值很小，可以忽略。发射信号与回波信号进行混频得到的差拍信号为：

其中，P为差拍信号幅值，关于τ，可以表示为：

其中，假设目标运动速度为v，运动时间为t，目标距离为d，c为电磁波传播速度默认为光速。将运动时间函数τ代入差拍信号公式中，化简可以得到：

其中，

项和

项很小，可忽略；对于含有t²的项，由于在频域分析时，频率变化量很小，属于低频部分可以被带通滤波器滤除，因此也是可以直接忽略的项，可以得到处理后的差拍信号：

对于三角波上升部分而言，差拍信号是一个单频信号，由此可以得到对应的中心频率；同理可以得到三角波下降部分的差拍信号，同样也为单频信号，然后得到相应的中心频率，根据上下两部分的中心频率可以推得检测目标的距离和速度，表达为：

根据以上分析可以发现，三角调频连续波探测单个目标时，只需要获取上升和下降部分的差拍信号频率值，就可以得到目标的距离和速度信息，但是对于多个目标的情况，三角波上升和下降的差拍信号频率值配对是一个难题，这会导致大量的假目标，造成极高的虚警。

在此基础上，本申请提出采用混合波进行目标检测，并且将目标距离和速度的求解进行拆分，消除二者可能产生的影响。选择的混合波包括上升锯齿波、下降锯齿波和恒频波。通过上升锯齿波和下降锯齿波求目标距离，通过恒频波求解目标速度，从波形设计层面解开距离与速度的耦合。

为了便于理解，请参阅图1，本申请提供的一种基于混合波形的目标检测方法的实施例一，包括：

步骤101、对待检测目标发射预置混合波，并接受待检测目标反射回的反射混合波，反射混合波包括反射上升锯齿波、反射下降锯齿波和反射恒频波。

待检测目标数量可以是单个，也可以是多个，不受限制，预置混合波包括上升锯齿波、下降锯齿波和恒频波。由于在实际操作中接收的回波能量会相当弱，所以，针对高速度远距离目标，需要在发射的预置混合波中使用多个上升锯齿波和下降锯齿波，从而增强反射混合波的信号能量，提高雷达对高速度远距离目标的探测能力，具体的预置混合波如图5所示，其中B为频率，T₁、T₂均为时间段或者时间周期。

步骤102、将预置混合波和反射混合波进行混频处理，得到差拍信号，差拍信号包括上升差拍信号、下降差拍信号和恒频差拍信号。

预置混合波中的三种波形同时发射出去，并接收回波，但是，预置混合波与反射混合波的混频处理则是不同波形各自混频，也就是，上升锯齿波与反射上升锯齿波混频得到上升差拍信号，下降锯齿波与反射下降锯齿波混频得到下降差拍信号，同理可以得到恒频差拍信号。

步骤103、根据分别进行FFT变换后的上升差拍信号和下降差拍信号进行距离分析，得到待检测目标的距离信息，距离信息包括静态距离和动态距离。

将上升差拍信号和下降差拍信号分别进行FFT变换(快速傅里叶变换)后可以提取到各自对应的中心频率表达，根据两种信号的中心频率可以进行联合距离分析，计算出待检测目标的距离信息。若待检测目标为静止状态，则得到的距离信息为静态距离，若待检测目标处于运动状态，则得到的距离信息为动态距离。静态距离和动态距离的计算中不同之处在于，静态目标的距离差不会改变，而动态距离会因为运动产生多普勒频移，从而产生距离差。

步骤104、根据FFT变换后的恒频差拍信号进行速度分析，得到待检测目标的动态速度。

现有技术是直接根据上升差拍信号和下降差拍信号进行联合速度分析，直接得到目标速度，但是易出现距离速度耦合现象，所以，本实施例中引入恒频波，采用恒频波的回波得到的恒频差拍信号进行速度分析，计算得到待检测目标的动态速度。恒频波的引入不仅解开了距离和速度的耦合，还可以充分发挥其在速度测量方面的良好特性。

步骤105、根据上升差拍信号、下降差拍信号和动态速度进行距离速度匹配，得到目标检测结果，目标检测结果包括距离信息和对应的动态信息。

在待检测目标较多时，需要对求得的目标距离和目标速度进行匹配，某一个目标对应一组目标信息，即距离和速度。匹配的过程主要是速度匹配，将本实施例中采用恒频波测得的目标速度与根据上升差拍信号、下降差拍信号进行联合速度分析后得到的速度参数进行对比，相近则认为是同一个目标的数据，从而得到准确的目标检测结果。具体相近程度度根据实际需要设定阈值即可。

本申请实施例提供的基于混合波形的目标检测方法，采用混合波形进行目标检测，经待检测目标反射回的波形也是混合波形；而根据不同的波形分别进行距离和速度分析，通过不同的方法获取待检测目标的距离和速度则可以实现对同一目标的距离和速度的解耦，将距离与速度进行匹配即可得到目标检测结果，不仅解决了距离与速度耦合的问题，还能提高多目标检测的距离速度求解准确度，从而减少虚假目标。因此，本申请实施例能够解决现有的目标检测技术的距离与速度的耦合现象导致监测效率较低，且对多目标检测适用性较差，导致虚警率较高的技术问题。

为了便于理解，请参阅图2，本申请提供了一种基于混合波形的目标检测方法的实施例二，包括：

步骤201、对待检测目标发射预置混合波，并接受待检测目标反射回的反射混合波，反射混合波包括反射上升锯齿波、反射下降锯齿波和反射恒频波。

步骤202、将预置混合波和反射混合波进行混频处理，得到差拍信号，差拍信号包括上升差拍信号、下降差拍信号和恒频差拍信号。

步骤203、对上升差拍信号和下降差拍信号分别进行FFT变换，然后进行距离分析，得到第一检测距离和第二检测距离。

步骤204、判断第一检测距离与第二检测距离之差是否小于距离阈值，若是，则将第一检测距离与第二检测距离之和的一半作为待检测目标的静态距离量，若否，则将第一检测距离与第二检测距离之和作为待检测目标的动态距离。

对上升差拍信号和下降差拍信号分别进行FFT变换后可以得到：

根据这两个公式可以求得两个距离，即第一检测距离d₁和第二检测距离d₂。若是第一检测距离与第二检测距离相等或者相近，则说明待检测目标处于静止状态，用两个距离的均值作为该目标的静态距离(d₁+d₂)/2；若是两个距离不相近，则说明待检测目标处于运动状态，而两个距离的不同是由运动带来的多普勒频移造成的，即2f₀v/c；为了消除运动造成的影响，求解动态距离，分析上述两公式发现，可以通过求和得到抵消影响，计算得到动态距离d₁+d₂，求得的动态距离就是第一检测距离与第二检测距离之和。

步骤205、根据FFT变换后的恒频差拍信号进行速度分析，得到待检测目标的动态速度。

恒频波是为了进行速度分析添加的波形，假设发射出去的恒频波为：

其中，f_t为发射频率，A_T为恒频波的振幅，

为恒频波的初始相位。接收的反射恒频波为：

其中，A_R为反射恒频波的振幅，

为反射恒频波的相位，τ(t)为关于运动时间的函数：

其中，假设距离为d，速度为v，运动时间为t。

将反射恒频波与恒频波进行混频处理，可以得到恒频差拍信号：

整理为：

其中，λ为波长，

为恒频差拍信号对应相位，通过FFT变换后就可以提取出速度信息

也就是可以得到：

由上公式可以求得待检测目标的动态速度。

步骤206、根据上升差拍信号和下降差拍信号计算动态速度参数。

步骤207、将动态速度与动态速度参数进行对比，若是对比结果在预置差值范围内，则完成距离速度匹配，得到目标检测结果。

上升差拍信号和下降差拍信号需要经过FFT变换，提取其中的关键频率信息，即：

联合公式分析就可以得到动态速度参数。将采用恒频波求解的动态速度与动态速度参数进行对比，如果相差较小，在预置差值范围内，则说明对应的根据上升差拍信号和下降差拍信号联合求解的动态距离与此处的动态速度是同一个目标的参数，即可完成距离速度的匹配，得到目标检测结果，输出检测目标对应的距离和速度值。

步骤208、根据目标检测结果和预置门限进行恒虚警检测，得到恒虚警检测结果。

恒虚警检测是指雷达系统在保持虚警概率恒定条件下对接收机输出的信号与噪声作判别以确定目标信号是否存在的技术。具体的，需要对输入的噪声进行处理后确定一个门限，将此门限与输入端信号相比，如输入端信号超过了此门限，则判为有目标，否则，判为无目标。虚警是指雷达探测到虚假目标，就是将干扰杂波信号判定为真实目标；恒虚警是设置门限值，使虚警概率恒定，然后进行目标检测。本实施例中为了减少虚警，在得到目标检测结果后需要进行数据积累，增强信号的信噪比，当积累的信号强度超过门限值，则判定存在真实目标，从而实现恒虚警检测。

为了便于理解，请参阅图3，本申请还提供了一种基于混合波形的目标检测装置的实施例，包括：

波形检测模块301，用于对待检测目标发射预置混合波，并接受待检测目标反射回的反射混合波，反射混合波包括反射上升锯齿波、反射下降锯齿波和反射恒频波；

混频模块302，用于将预置混合波和反射混合波进行混频处理，得到差拍信号，差拍信号包括上升差拍信号、下降差拍信号和恒频差拍信号；

第一分析模块303，用于根据分别进行FFT变换后的上升差拍信号和下降差拍信号进行距离分析，得到待检测目标的距离信息，距离信息包括静态距离和动态距离；

第二分析模块304，用于根据FFT变换后的恒频差拍信号进行速度分析，得到待检测目标的动态速度；

匹配模块305，用于根据上升差拍信号、下降差拍信号和动态速度进行距离速度匹配，得到目标检测结果，目标检测结果包括距离信息和对应的动态信息。

进一步地，第一分析模块303，包括：

变换分析子模块3031，用于对上升差拍信号和下降差拍信号分别进行FFT变换，然后进行距离分析，得到第一检测距离和第二检测距离；

判断子模块3032，用于判断第一检测距离与第二检测距离之差是否小于距离阈值，若是，则将第一检测距离与第二检测距离之和的一半作为待检测目标的静态距离量，若否，则将第一检测距离与第二检测距离之和作为待检测目标的动态距离。

进一步地，匹配模块305，包括：

计算子模块3051，用于根据上升差拍信号和下降差拍信号计算动态速度参数；

对比子模块3052，用于将动态速度与动态速度参数进行对比，若是对比结果在预置差值范围内，则完成距离速度匹配，得到目标检测结果。

进一步地，还包括：

恒虚警检测模块306，用于根据目标检测结果和预置门限进行恒虚警检测，得到恒虚警检测结果。

本申请还提供了一种基于混合波形的目标检测设备，设备包括处理器以及存储器：

存储器用于存储程序代码，并将程序代码传输给处理器；

处理器用于根据程序代码中的指令执行上述方法实施例中的基于混合波形的目标检测方法。

本申请还提供了一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质用于存储程序代码，程序代码用于执行上述方法实施例中的基于混合波形的目标检测方法。

在本申请所提供的几个实施例中，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信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，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。

另外，在本申请各个实施例中的各功能单元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。

所述集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本申请的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以通过一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本申请各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(英文全称：Read-OnlyMemory，英文缩写：ROM)、随机存取存储器(英文全称：Random Access Memory，英文缩写：RAM)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

以上所述，以上实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的精神和范围。

Claims

1.一种基于混合波形的目标检测方法，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的基于混合波形的目标检测方法，其特征在于，所述根据分别进行FFT变换后的所述上升差拍信号和下降差拍信号进行距离分析，得到所述待检测目标的距离信息，所述距离信息包括静态距离和动态距离，包括：

3.根据权利要求1所述的基于混合波形的目标检测方法，其特征在于，所述根据所述上升差拍信号、所述下降差拍信号和所述动态速度进行距离速度匹配，得到目标检测结果，包括：

4.根据权利要求1所述的基于混合波形的目标检测方法，其特征在于，所述根据所述上升差拍信号、所述下降差拍信号和所述动态速度进行距离速度匹配，得到目标检测结果，之后还包括：

5.一种基于混合波形的目标检测装置，其特征在于，包括：

6.根据权利要求5所述的基于混合波形的目标检测装置，其特征在于，所述第一分析模块，包括：

7.根据权利要求5所述的基于混合波形的目标检测装置，其特征在于，所述匹配模块，包括：

8.根据权利要求5所述的基于混合波形的目标检测装置，其特征在于，还包括：

9.一种基于混合波形的目标检测设备，其特征在于，所述设备包括处理器以及存储器：

所述处理器用于根据所述程序代码中的指令执行权利要求1-4任一项所述的基于混合波形的目标检测方法。

10.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质用于存储程序代码，所述程序代码用于执行权利要求1-4任一项所述的基于混合波形的目标检测方法。