CN113009439A - 一种基于调频连续波毫米波雷达的多目标探测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于调频连续波毫米波雷达的多目标探测方法，方法包括设置FMCW波形，包括慢上升段、慢下降段、恒频波段和快上升段共四段波形；毫米波雷达产生所述FMCW波形，由天线发射，遇到探测目标后返回回波，本振与回波信号混频得差拍信号；信号采样并获取若干目标；通过第一段数据和第二段数据计算距离‑速度对对进行初次筛选匹配；对第三段数据得到的频率信息求得若干目标的速度信息再次筛除虚假目标，利用速度信息筛除距离‑速度对信息中不符合所有目标速度信息的虚假目标；探测出准确的真实目标，解决多目标探测场景下虚假目标多及虚警率高的问题。

Description

一种基于调频连续波毫米波雷达的多目标探测方法

技术领域

本发明涉及毫米波雷达技术领域，尤其涉及一种基于调频连续波毫米波雷达的多目标探测方法。

背景技术

毫米波雷达技术从最早的应用在军事领域渐发展到了被广泛应用于安防监测，非接触式医疗护理，自动驾驶技术等领域。毫米波雷达有多种调制方式，脉冲调制是其中的一种，但由于脉冲调制用来测量短距离的时候，要求VCO(压控振荡器)产生大功率的窄脉冲信号，而这要求发射信号在很短的时间内实现低频与高频之间的切换，所以会对硬件结构有更高的需求，从而带来更高的成本。所以当前毫米波雷达采用的更多的是连续波的调制方式。连续波雷达对物理的测量，是利用连续变化的调制信号来控制连续变化的发射波信号的产生来实现的。连续波调制方式主要可以分为频移键控(FSK)、恒频连续波(CFCW)和调频连续波(FMCW)等几种方式。采用恒频连续波调制方式的毫米波雷达是利用多普勒效应完成对需要探测的目标速度的测量，但也因为其恒频的特性，它无法测量目标的距离；采用频移键控(FSK)调制技术的毫米波雷达即可以测量目标的速度又可以测量目标的距离，但是对于静止的物体，它不能很好地完成目标探测的任务，同时在多目标场景下，它也不能很好地完成探测任务；调频连续波(FMCW)雷达的基本思想是利用发射信号和接收信号的差拍信号频率信息得到目标的速度和距离信息，其成本相对低，开发也比较容易，同时测量精度也相对较高，因此是毫米波雷达技术开发的首选项。但是由于存在传输延时和多普勒效应，因此在多目标环境中，传统的FMCW雷达还存在速度距离耦合、虚警率高等问题。对于这些问题，常见的解决方案有：锯齿波调制方式测量多目标、三角波调制方式测量多目标、梯形波调制方式测量多目标和变周期三角波调制方式测量多目标，但以上解决方案中仍然会存在较多的虚目标。

发明内容

发明目的：针对现有技术中的缺陷，本发明公开了一种基于调频连续波毫米波雷达的多目标探测方法，通过在FMCW波形中设置慢上升段、慢下降段、恒频波段和快上升段，通过慢上升段、慢下降段的频率筛除超过最大范围的距离、速度对应的目标，完成距离-速度的初步匹配，再通过恒频波段计算出准确的速度，剔除之前匹配结果的大部分虚假目标，最后通过快上升段获取近似距离，从而进一步消除虚假目标，解决多目标探测场景下虚目标多及虚警率高的问题。

技术方案：为实现上述技术目的，本发明采用以下技术方案。

一种基于调频连续波毫米波雷达的多目标探测方法，包括以下步骤：

S1、设置FMCW波形：设计一种调频连续波波形，即FMCW波形，所述FMCW波形的一个完整调制周期中包括慢上升段、慢下降段、恒频波段和快上升段共四段波形；毫米波雷达产生所述FMCW波形，由天线发射，遇到探测目标后返回回波，本振与回波信号混频得到差拍信号；

S2、信号采样并获取若干目标：对差拍信号进行AD采样，按照FMCW波形一个完整调制周期中的四段波形调制阶段将采样之后的数据依次分成四段数据，对每段数据进行傅里叶变换FFT，并对FFT之后的数据做恒虚警检测CFAR，探测各个目标在每段数据中的差拍信号频率信息；

S3、计算距离-速度对进行初次筛选匹配：对第一段数据和第二段数据得到的若干目标频率采用遍历的方法进行配对，筛出明显超出可探测最大距离与速度的虚假目标，得到一组距离-速度对信息；

S4、计算若干目标的速度再次筛除虚假目标：对第三段数据得到的频率信息求得若干目标的速度信息，利用速度信息筛除步骤S3得出的该组距离-速度对信息中不符合所有目标速度信息的虚假目标；

S5、计算若干目标的距离探测出准确的真实目标：根据第四段数据得到频率信息求出粗略的目标距离信息，通过得到的粗略目标距离信息，筛除步骤S4得出的距离-速度对信息中距离超出粗略距离一定范围的虚假目标，完成多目标的距离-速度匹配，得到准确的目标距离-速度对信息，探测出准确的真实目标。

优选地，所述S3中距离-速度对的计算公式为：

其中，R_ij-V_ij为慢上升段中第i个差拍频信号频率和慢下降段中第j个差拍频信号频率匹配得到的距离-速度对，c为光速，T₁为FMCW波形一个完整调制周期中慢上升段和慢下降段对应的时间，B为FMCW波形的带宽；f_upi为FMCW波形一个完整调制周期中慢上升段由探测多个目标产生的第i个差拍频信号频率，i＝1，2，3...N，f_downj为FMCW波形一个完整调制周期中慢下降段由探测多个目标产生的第j个差拍频信号频率，j＝1，2，3...N；f₀为FMCW波形的初始频率，N为恒虚警检测CFAR后获取的目标总个数。

优选地，所述步骤S4中计算若干目标的速度再次筛除虚假目标的具体过程为：

S41、对第三段数据得到的频率信息求得若干目标的速度信息：第三段数据为恒频波段处获取的数据，该段的频率变化全部由多普勒频移构成，根据多普勒频移f_D计算目标的准确速度；

S42、计算速度差再次筛除虚假目标：通过得出的多目标准确速度结合步骤S3获得的距离-速度对进行筛选，将每个计算获取的精确速度与距离-速度对中的速度计算速度差，若所有速度差均超出阈值ΔV，则判定该目标为虚假目标，并筛除；否则，保留该目标。

优选地，所述步骤S41中根据多普勒频移f_D计算目标的准确速度的计算公式为：

其中，f_Du为第三段恒频段产生的第u个差拍信号频率，u＝1，2，3...N，N为恒虚警检测CFAR后获取的目标总个数，V_Du为f_Du对应计算出的第u个目标速度，f₀为FMCW波形的初始频率，c为光速。

优选地，所述步骤S42中速度差值的计算公式为：

|V_Du-V_ij|≤ΔV

其中，V_Du是第三段恒频段产生的第u个差拍信号频率对应计算出的第u个目标速度，V_ij是步骤S₃中慢上升段中第i个差拍频信号频率和慢下降段中第j个差拍频信号频率匹配得到的距离-速度对中的速度，f_s是采样频率，N_FFT1是第一段和第二段的快速傅里叶变换点数，N_FFT2是第三段的快速傅里叶变换点数。

优选地，所述步骤S5中，粗略目标距离信息的计算公式为：

R′＝R-fD·T₃·ΔR

其中，R为粗略目标距离，R为实际目标距离，ΔR为目标分辨率，f_D为多普勒频移，c为光速，T₃为FMCW波形一个完整调制周期中快上升段对应的时间，B为FMCW波形的带宽。

有益效果：本发明通过在FMCW波形中设置慢上升段、慢下降段、恒频波段和快上升段，通过慢上升段、慢下降段的频率筛除超过最大范围的距离、速度对应的目标，完成距离-速度的初步匹配，再通过恒频波段计算出准确的速度，剔除之前匹配结果的大部分虚目标，最后通过快上升段获取近似距离，从而进一步消除虚目标，解决多目标探测场景下虚目标多及虚警率高的问题。

附图说明

图1为本发明的总方法流程图；

图2为本发明的流程示意图；

图3为本发明的FMCW波形及对应差拍信号频率图；

图4为本发明的三角波调制方式波形及对应差拍信号频率图；

图5为实施例中通过步骤S3进行初次匹配得出的所有目标示意图；

图6为实施例中通过步骤S4进行速度筛选得出的所有目标示意图；

图7为实施例中通过步骤S5进一步筛选得出的所有真实目标示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的一种基于调频连续波毫米波雷达的多目标探测方法做进一步的说明和解释。

如附图1和附图2所示，一种基于调频连续波毫米波雷达的多目标探测方法，包括以下步骤：

S1、设置FMCW波形：设计一种调频连续波波形，即FMCW波形，所述FMCW波形包括慢上升段、慢下降段、恒频波段和快上升段，如附图3所示，附图3中的(1)给出了调频连续波频率随时间的变化图，图中给出了慢上升段(A段)和慢下降段(B段)、恒频波部分(C段)、快上升段(D段)；

FMCW波形的初始频率即慢上升段(A段)的初始频率为f₀，慢上升段(A段)的结束频率为f₀+B，该段的频率随时间上升，频率变化为Δf₁，其计算公式为：

其中，T₁为FMCW波形一个完整调制周期中慢上升段和慢下降段对应的时间，B为FMCW波形的带宽，t₁为A段初始时间到当前时间的时间长度；

慢下降段(B段)的初始频率为f₀+B，慢下降段(B段)的结束频率为f₀，频率变化为Δf₂，其计算公式为：

其中，t₂为B段初始时间到当前时间的时间长度；

恒频波部分(C段)的频率为f₀，FMCW波形一个完整调制周期中恒频波部分对应的时间为T₂；

快上升段(D段)的初始频率为f₀，快上升段(D段)的结束频率为f₀+B，该段的频率随时间上升，频率变化为Δf₃，其计算公式为：

其中，T₃为FMCW波形一个完整调制周期中快上升段对应的时间，B为FMCW波形的带宽，t₃为D段初始时间到当前时间的时间长度。本发明中两段上升段的调制带宽均为B，对硬件系统的要求较低，同时对调制带宽的利用率高。

附图3中的(2)给出了每段对应的差拍频信号频率图，其中f_up是A段差拍信号频率，f_down是B段差拍信号频率，f_D是C段差拍信号频率，f′_R是D段差拍信号频率。

A段上升段的差拍信号频率f_up由传输距离带来的频移f_R和目标速度导致的多普勒频移f_D差值导出，同理B段下降段的差拍信号频率f_down由f_R和f_D之和导出，

毫米波雷达产生所述FMCW波形，由天线发射，遇到探测目标后返回回波，本振与回波信号混频得差拍信号；

如附图4所示，慢上升段(A段)和慢下降段(B段)可参考三角波调制方式的调频连续波，毫米波雷达产生调频连续波信号，遇到需要探测的目标后反射回来，所以传输距离是两倍的目标到雷达实际距离R，从而产生了一定的时延τ。因为调频连续波波形的特征，由时延进一步产生了频率差：

其中，f_R为发射信号和回波信号之间的频率差，

μ为三角波调制方式频率变化的斜率，T为三角波一个完整调制周期的时间，B为调制带宽，c为光速。

以此类推，在本发明的FMCW波形中，慢上升段信号的斜率μ₁和慢下降段信号的斜率μ₂的计算公式为：

其中，T₁为FMCW波形一个完整调制周期中慢上升段和慢下降段对应的时间，B为调制带宽。

S2、信号采样并获取若干目标：对中频信号进行AD采样，设定A段至D段信号FFT的采样点数，按照FMCW的四种波形调制阶段将采样之后的数据分成四段数据，对每段数据进行傅里叶变换FFT，即本发明中共做了4次FFT，计算量较小，算法较精简，实现难度也较低。并对FFT之后的数据做恒虚警检测CFAR，探测各个目标在每段数据中的差拍信号频率信息；

S3、计算距离-速度对进行初次筛选匹配：对第一段数据和第二段数据得到的若干目标频率采用遍历的方法进行配对，筛出明显超出可探测最大距离与速度的虚目标，得到一组距离-速度对信息；这里的一组距离-速度对信息指的是所有通过频率匹配得到的距离-速度对的集合，包含所有真实目标的距离-速度信息和所有因为频率匹配出现的虚假目标的距离-速度信息。

当探测的目标为静止或者垂直于雷达运动时(也即相对雷达的径向速度为0)，本振信号和回波信号的频率差只由传输距离带来的频率差f_R构成。但是，当目标对雷达的径向速度不为0时，会产生多普勒频移f_D，所以有：

其中正数v表示目标正在接近毫米波雷达，而负数v则表示目标正在远离毫米波雷达，也即目标靠近时频率整体上升，远离时频率整体下降，所以有：

f_up＝f_R-f_D (9)

f_down＝f_R+f_D (10)

其中f_up为FMCW波形一个完整调制周期中三角波上升段的差拍频信号频率，f_down为FMCW波形一个完整调制周期中三角波下降段的差拍频信号频率；由式(1)-(10)推导出距离-速度对的计算公式为：

其中，R_ij-V_ij为慢上升段中第i个差拍频信号频率和慢下降段中第j个差拍频信号频率匹配得到的距离-速度对，c为光速，T₁为FMCW波形一个完整调制周期中慢上升段和慢下降段对应的时间，B为FMCW波形的带宽；f_upi为FMCW波形一个完整调制周期中慢上升段由探测多个目标产生的第i个差拍频信号频率，i＝1，2，3...N，f_downj为FMCW波形一个完整调制周期中慢下降段由探测多个目标产生的第j个差拍频信号频率，j＝1，2，3...N；f₀为FMCW波形的初始频率，N为恒虚警检测CFAR后获取的目标总个数。

S4、计算若干目标的速度再次筛除虚假目标：对第三段数据得到的频率信息求得若干目标的速度信息，利用速度信息筛除步骤S3得出的该组距离-速度对信息中不符合所有目标速度信息的虚目标；具体包括：

S41、对第三段数据得到的频率信息求得若干目标的速度信息：第三段数据为恒频波段处获取的数据，该段的频率变化全部由多普勒频移构成，根据多普勒频移fD计算目标的准确速度：

其中，f_Du为第三段恒频段产生的第u个差拍信号频率，u＝1，2，3...N，N为恒虚警检测CFAR后获取的目标总个数，V_Du为f_Du对应计算出的第u个目标速度，f₀为FMCW波形的初始频率，c为光速。

S42、计算速度差再次筛除虚目标：通过得出的多目标准确速度结合步骤S3获得的距离-速度对进行筛选，将每个计算获取的精确速度与距离-速度对中的速度计算速度差，若所有速度差均超出阈值ΔV，则判定该目标为虚目标，并筛除；否则，保留该目标。

速度差值的计算公式为：

|V_Du-V_ij|≤ΔV (14)

其中，V_Du是第三段恒频段产生的第u个差拍信号频率对应计算出的第u个目标速度，V_ij是步骤S₃中慢上升段中第i个差拍频信号频率和慢下降段中第j个差拍频信号频率匹配得到的距离-速度对中的速度，f_s是采样频率，N_FFT1是A段与B段的快速傅里叶变换点数之和，N_FFT2是C段的快速傅里叶变换点数。

S5、计算若干目标的距离探测出准确的真实目标：根据第四段数据得到频率信息求出粗略的目标距离信息，通过得到的粗略目标距离信息，筛除步骤S4得出的距离-速度对信息中距离超出粗略距离一定范围的虚假目标，完成多目标的距离-速度匹配，得到准确的目标距离-速度对信息，探测出准确的真实目标。本发明的算法时间复杂度低，且实现难度较低。

D段上升段是斜率相比于A段更大的上升段，这段类似A段，而f_up＝f_R-f_D，所以这段有：

其中，f′_R为D段差拍信号频率，f_R2为在D段由目标距离导致的时延产生的频率变化，T₃为FMCW波形一个完整调制周期中快上升段对应的时间；

当目标静止时也即v＝0时，多普勒平移为0，则f_D＝0，有：

从而有以下公式：

当速度不为0时，由D段差拍信号频率f′_R直接用式(18)计算可得到一个十分接近真实距离地粗略距离：

进一步推出：

R′＝R-f_D·T₃·ΔR (20)

其中，R′为粗略目标距离，R为实际目标距离，ΔR为目标分辨率，f_D为多普勒频移。当T₂较大时，这里的f_D·T₃·ΔR很难忽略不计，而当T₃较小时，f_D·T₃·ΔR的数量级相比前半段小很多，R′十分接近实际目标距离R，所以可以利用R对目标距离进行筛选从而去除虚假目标，即人工控制T₃的值，调小T₃，使得R′十分接近实际目标距离R。

本发明通过在FMCW波形中设置慢上升段、慢下降段、恒频波段和快上升段，通过慢上升段、慢下降段的频率筛除超过最大范围的距离、速度对应的目标，完成距离-速度的初步匹配，再通过恒频波段计算出准确的速度，剔除之前匹配结果的大部分虚假目标，最后通过快上升段获取近似距离，从而进一步消除虚假目标，解决多目标探测场景下虚假目标多及虚警率高的问题。

一种基于调频连续波毫米波雷达的多目标探测系统，用于实现以上任一所述的一种基于调频连续波毫米波雷达的多目标探测方法，包括：毫米波雷达和天线；所示毫米波雷达用于生成调频连续波波形；所述天线用于发射毫米波雷达生成的调频连续波波形，并接收回波信号。

实施例：

以有广泛应用的毫米波雷达工作频率24GHz为例，设定A段至D段FFT采样的点数均为1024，设置A段、B段、C段周期时间相同，具体调制参数如下表1所示：

表1

设定十个运动或静止的目标在毫米波雷达前方一定范围内，本实施例中10个实际目标距离和速度如下表2所示：

表2

目标	距离/m	速度/(m/s)
			1	52	-11
2	38	-25
			3	82	-45
4	25	58
			5	10	30
6	60	20
			7	110	0
8	45	55
			9	19	0
10	100	41

经过对雷达中频信号处理后，对A段B段差拍信号频率一一匹配，即经过步骤S3初步得到了匹配的所有目标，如附图5所示。

然后通过对C段差拍信号频率处理后，得出目标的准确速度集合，即经过步骤S4对匹配出的所有目标进行速度筛选，如附图6所示。

从附图6看出，所有筛选出的符合速度要求的目标，同时将原有的虚目标去除，但可以看出仍然有虚假目标混杂在其中。所以再对D段的快上升段差拍信号频率进行处理得出粗略的距离，通过这个距离集合一一框定一个距离范围，终于消除了所有虚假目标，即通过步骤S5得到了正确的十个真实目标如附图7所示，消除的虚假目标也在图中标出。

从实施例可以明显看出，本发明能很好地去除所有虚假目标，完成多目标场景下的对各个目标的准确探测。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种基于调频连续波毫米波雷达的多目标探测方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、设置FMCW波形：设计一种调频连续波波形，即FMCW波形，所述FMCW波形的一个完整调制周期中包括慢上升段、慢下降段、恒频波段和快上升段共四段波形；毫米波雷达产生所述FMCW波形，由天线发射，遇到探测目标后返回回波，本振与回波信号混频得到差拍信号；

S2、信号采样并获取若干目标：对差拍信号进行AD采样，按照FMCW波形一个完整调制周期中的四段波形调制阶段将采样之后的数据依次分成四段数据，对每段数据进行傅里叶变换FFT，并对FFT之后的数据做恒虚警检测CFAR，探测各个目标在每段数据中的差拍信号频率信息；

S3、计算距离-速度对进行初次筛选匹配：对第一段数据和第二段数据得到的若干目标频率采用遍历的方法进行配对，筛出明显超出可探测最大距离与速度的虚假目标，得到一组距离-速度对信息；

S4、计算若干目标的速度再次筛除虚假目标：对第三段数据得到的频率信息求得若干目标的速度信息，利用速度信息筛除步骤S3得出的该组距离-速度对信息中不符合所有目标速度信息的虚假目标；

S5、计算若干目标的距离探测出准确的真实目标：根据第四段数据得到频率信息求出粗略的目标距离信息，通过得到的粗略目标距离信息，筛除步骤S4得出的距离-速度对信息中距离超出粗略距离一定范围的虚假目标，完成多目标的距离-速度匹配，得到准确的目标距离-速度对信息，探测出准确的真实目标。

2.根据权利要求1所述的一种基于调频连续波毫米波雷达的多目标探测方法，其特征在于，所述S3中距离-速度对的计算公式为：

其中，R_ij-V_ij为慢上升段中第i个差拍频信号频率和慢下降段中第j个差拍频信号频率匹配得到的距离-速度对，c为光速，T₁为FMCW波形一个完整调制周期中慢上升段和慢下降段对应的时间，B为FMCW波形的带宽；f_upi为FMCW波形一个完整调制周期中慢上升段由探测多个目标产生的第i个差拍频信号频率，i＝1，2，3...N，f_downj为FMCW波形一个完整调制周期中慢下降段由探测多个目标产生的第j个差拍频信号频率，j＝1，2，3...N；f₀为FMCW波形的初始频率，N为恒虚警检测CFAR后获取的目标总个数。

3.根据权利要求1所述的一种基于调频连续波毫米波雷达的多目标探测方法，其特征在于，所述步骤S4中计算若干目标的速度再次筛除虚假目标的具体过程为：

S41、对第三段数据得到的频率信息求得若干目标的速度信息：第三段数据为恒频波段处获取的数据，该段的频率变化全部由多普勒频移构成，根据多普勒频移f_D计算目标的准确速度；

S42、计算速度差再次筛除虚假目标：通过得出的多目标准确速度结合步骤S3获得的距离-速度对进行筛选，将每个计算获取的精确速度与距离-速度对中的速度计算速度差，若所有速度差均超出阈值ΔV，则判定该目标为虚假目标，并筛除；否则，保留该目标。

4.根据权利要求3所述的一种基于调频连续波毫米波雷达的多目标探测方法，其特征在于，所述步骤S41中根据多普勒频移f_D计算目标的准确速度的计算公式为：

其中，f_Du为第三段恒频段产生的第u个差拍信号频率，u＝1，2，3...N，N为恒虚警检测CFAR后获取的目标总个数，V_Du为f_Du对应计算出的第u个目标速度，f₀为FMCW波形的初始频率，c为光速。

5.根据权利要求4所述的一种基于调频连续波毫米波雷达的多目标探测方法，其特征在于，所述步骤S42中速度差值的计算公式为：

|V_Du-V_ij|≤ΔV

其中，V_Du是第三段恒频段产生的第u个差拍信号频率对应计算出的第u个目标速度，V_ij是步骤S3中慢上升段中第i个差拍频信号频率和慢下降段中第j个差拍频信号频率匹配得到的距离-速度对中的速度，f_s是采样频率，N_FFT1是第一段和第二段的快速傅里叶变换点数，N_FFT2是第三段的快速傅里叶变换点数。

6.根据权利要求1所述的一种基于调频连续波毫米波雷达的多目标探测方法，其特征在于，所述步骤S5中，粗略目标距离信息的计算公式为：

R′＝R-f_D·T₃·ΔR

其中，R′为粗略目标距离，R为实际目标距离，Δ尺为目标分辨率，f_D为多普勒频移，c为光速，T₃为FMCW波形一个完整调制周期中快上升段对应的时间，B为FMCW波形的带宽。

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