CN113552541B - 多普勒估计方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明揭示了一种多普勒估计方法及系统，所述方法包括：S1、将射频发射信号与射频回波信号进行混频，得到I、Q信号；S2、以预设的采样率fs对I、Q信号进行模数转换；S3、获取I、Q信号中M×N点长度的采样数据t_D_MN，并进行快时间维度的N点FFT处理及慢时间维度的M点FFT处理，得到二维FFT矩阵；S4、在二维FFT矩阵中获取符合检测要求的目标及旁侧单元；S5、根据目标及旁侧单元的强度获取目标的多普勒频率fd。本发明的多普勒估计方法及系统将一维FFT计算分解为二维FFT计算，大大降低了时间复杂度，在保证多普勒范围和多普勒估计精度的前提下，降低了计算资源需求，能够低成本地实现目标速度估计。

Description

多普勒估计方法及系统
技术领域
本发明属于目标技术领域，具体涉及一种多普勒估计方法及系统，适用于交通卡口或者机动车行进监控等场景，特别是低成本产品兼顾大测速范围和高测速精度的场合。
背景技术
通过测量目标的多普勒频率是获取目标速度的最直接方式。现有技术中通常通过雷达处理单元对模数转换后的回波数据进行FFT变换以获取频率谱，超过检测门限的频谱位置即对应目标多普勒频率，可以根据公式计算出目标径向速度。
为了测量目标的多普勒，雷达可以发射单点频脉冲或连续波信号，采用脉冲多普勒(Pulse Doppler)体制或CW(Continuous Wave)体制，或者是带有频率调制的脉冲多普勒雷达体制和FMCW体制。无论采用哪种工作体制，目标多普勒的获取都是对回波数据进行频率变换得到，本质是对信号频率的估计。
目标多普勒频率估计主要考虑两个指标，多普勒范围和多普勒估计精度。多普勒范围由雷达处理单元的采样频率决定，采样频率越高，多普勒范围越大。而估计精度由目标信噪比和信号积累时间决定，在多普勒频率不发生变化的情况下，积累时间越长，信噪比和多普勒分辨率越高。因此，雷达通常的处理方法是保证采样频率满足速度范围的需求，对满足多普勒分辨率的采样长度数据进行FFT处理。当速度范围比较大时，需要的处理点数就比较多，计算量就比较大，甚至有可能超过处理器能够承受的最大FFT点数。
因此，针对上述技术问题，有必要提供一种多普勒估计方法及系统。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种多普勒估计方法及系统。
为了实现上述目的，本发明一实施例提供的技术方案如下：
一种多普勒估计方法，所述方法包括：
S1、将射频发射信号与射频回波信号进行混频，得到I、Q信号；
S2、以预设的采样率fs对I、Q信号进行模数转换；
S3、获取I、Q信号中M×N点长度的采样数据t_D_MN，并进行快时间维度的N点FFT处理及慢时间维度的M点FFT处理，得到二维FFT矩阵；
S4、在二维FFT矩阵中获取符合检测要求的目标及旁侧单元；
S5、根据目标及旁侧单元的强度获取目标的多普勒频率fd。
一实施例中，所述步骤S1具体为：
根据调制波形产生确定频率的射频发射信号，并发射至探测区域；
接收探测区域返回的射频回波信号；
将射频发射信号与射频回波信号进行混频，得到I、Q信号。
一实施例中，所述步骤S1还包括：
对I、Q信号进行低通滤波；和/或，
对I、Q信号进行带通放大。
一实施例中，所述采样率fs和最大多普勒频率fd_max满足：fs>1.2×fd_max。
一实施例中，所述步骤S3具体为：
获取I、Q信号中M×N点长度的采样数据t_D_MN，将采样数据t_D_MN等间隔地分成连续M个N点长度的数据t_D_N_m，m＝1～M；
对数据t_D_N_m进行N点数据加窗，然后进行快时间维度的N点FFT处理，得到快时间维度频率数据f_D_N_m，其中，快时间对应fs采样间隔；
顺序取出第n个频率的M点数据进行M点数据加窗，然后进行慢时间维度的M点FFT处理，得到二维FFT矩阵f_D_N_M，其中，慢时间对应fs/N采样间隔。
一实施例中，所述步骤S3还包括：
将快时间维度频率数据f_D_N_m转置后进行存储。
一实施例中，所述步骤S4具体为：
在二维FFT矩阵中获取符合检测要求的目标及旁侧单元，其中目标索引号为(nt，mt)，旁侧单元索引号为(nt，mt-1)和(nt，mt+1)。
一实施例中，所述步骤S5具体为：
获取目标及旁侧单元的强度A(nt，mt-1)、A(nt，mt)及A(nt，mt+1)；
根据二次曲线拟合求极点方法获取慢时间维度的频率位置为：
fd_midx_modify＝mt+[A(nt，mt+1)-A(nt，mt-1)]÷2
÷[A(nt，mt+1)+A(nt，mt-1)-2×A(nt，mt)]；
获取目标的多普勒频率为：
fd＝fd_midx_modify×fs÷M÷N+nt×fs÷N。
本发明另一实施例提供的技术方案如下：
一种多普勒估计系统，所述系统包括：
微波收发单元，用于将射频发射信号与射频回波信号进行混频，得到I、Q信号；
信号处理单元，用于根据I、Q信号获取目标的多普勒频率fd；
其中，所述信号处理单元包括：
模数转换单元，用于以预设的采样率fs对I、Q信号进行模数转换；
FFT处理单元，用于获取I、Q信号中M×N点长度的采样数据t_D_MN，并进行快时间维度的N点FFT处理及慢时间维度的M点FFT处理，得到二维FFT矩阵；
数据暂存单元，用于储存FFT处理单元处理后的数据；
检测单元，用于在二维FFT矩阵中获取符合检测要求的目标及旁侧单元；
多普勒频率获取单元，用于根据目标及旁侧单元的强度获取目标的多普勒频率fd。
一实施例中，所述微波收发单元包括：
微波收发传感器，包括射频端、调制端及中频端；
数字处理控制单元，与微波收发传感器的调制端相连，用于产生调制波形；
收发天线，与微波收发传感器的射频端相连，用于发射射频发射信号并接收射频回波信号；
滤波单元和/或中频放大单元，与微波收发传感器的中频端相连，用于对I、Q信号进行低通滤波和/或带通放大。
本发明具有以下有益效果：
本发明的多普勒估计方法及系统将一维FFT计算分解为二维FFT计算，大大降低了时间复杂度，在保证多普勒范围和多普勒估计精度的前提下，降低了计算资源需求，能够低成本地实现目标速度估计。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明中多普勒估计方法的流程示意图；
图2为本发明中多普勒估计系统的模块示意图；
图3为本发明一具体实施例中多普勒估计系统的模块示意图；
图4为本发明一具体实施例中射频发射信号与射频回波信号的波形图；
图5为本发明一具体实施例中经过中频放大后I、Q信号的波形图；
图6为本发明一具体实施例中信号处理单元的流程图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都应当属于本发明保护的范围。
参图1所示，本发明公开了一种多普勒估计方法，包括：
S1、将射频发射信号与射频回波信号进行混频，得到I、Q信号；
S2、以预设的采样率fs对I、Q信号进行模数转换；
S3、获取I、Q信号中M×N点长度的采样数据t_D_MN，并进行快时间维度的N点FFT处理及慢时间维度的M点FFT处理，得到二维FFT矩阵；
S4、在二维FFT矩阵中获取符合检测要求的目标及旁侧单元；
S5、根据目标及旁侧单元的强度获取目标的多普勒频率fd。
参图2所示，本发明还公开了一种多普勒估计系统，包括：
微波收发单元10，用于将射频发射信号与射频回波信号进行混频，得到I、Q信号；
信号处理单元20，用于根据I、Q信号获取目标的多普勒频率fd。
以下结合具体实施例对本发明作进一步说明。
参图3所示，本发明一具体实施例中的多普勒估计系统，包括：
微波收发单元10，用于将射频发射信号与射频回波信号进行混频，得到I、Q信号；
信号处理单元20，用于根据I、Q信号获取目标的多普勒频率fd。
其中，微波收发单元10包括：
微波收发传感器11，包括射频端、调制端及中频端。微波收发传感器采用固定频点的连续波波形；
数字处理控制单元12，与微波收发传感器的调制端相连，用于产生调制波形；
收发天线13，与微波收发传感器的射频端相连，用于发射射频发射信号并接收射频回波信号。其中，收发天线方向图覆盖相同探测区域，以保证对区域内目标的有效感知。
优选地，本实施例中的微波收发单元还包括中频放大单元14，中频放大单元为2通道放大电路，与微波收发传感器的中频端相连，用于对I、Q信号进行带通放大。
进一步地，在其他实施例中微波收发单元还可包括滤波单元，滤波单元可以为低通滤波器，连接于微波收发传感器的中频端和中频放大单元之间，用于对I、Q信号进行低通滤波。
信号处理单元20包括：
模数转换单元21，用于以预设的采样率fs对I、Q信号进行模数转换；
FFT处理单元22，用于获取I、Q信号中M×N点长度的采样数据t_D_MN，并进行快时间维度的N点FFT处理及慢时间维度的M点FFT处理，得到二维FFT矩阵；
数据暂存单元23，用于储存FFT处理单元处理后的数据；
检测单元24，用于在二维FFT矩阵中获取符合检测要求的目标及旁侧单元；
多普勒频率获取单元25，用于根据目标及旁侧单元的强度获取目标的多普勒频率fd。
结合图4～6所示，本实施例中的多普勒估计方法具体步骤如下：
S1、将射频发射信号与射频回波信号进行混频，得到I、Q信号。
数字处理控制单元12产生调制波形，根据调制波形产生确定频率的射频发射信号，并通过发射条线发射至探测区域；
通过接收天线接收探测区域返回的射频回波信号；
将射频发射信号与射频回波信号进行混频，得到I、Q信号。
进一步地，得到I、Q信号后先通过低通滤波器对I、Q信号进行低通滤波，再通过中频放大单元对I、Q信号进行带通放大，而后将放大后的I、Q信号发送至信号处理单元。
参图4所示为本实施例中射频发射信号与射频回波信号的波形图，图5所示为本实施例中经过中频放大后I、Q信号的波形图。
S2、以预设的采样率fs对I、Q信号进行模数转换。
模数转换单元21以预设的采样率fs对I、Q信号进行模数转换，并生成I、Q信号送至FFT处理单元22。
本实施例中采样率fs和最大多普勒频率fd_max满足：fs>1.2×fd_max。
S3、获取I、Q信号中M×N点长度的采样数据t_D_MN，并进行快时间维度的N点FFT处理及慢时间维度的M点FFT处理，得到二维FFT矩阵。结合图6所示，该步骤具体为：
FFT处理单元22首先获取I、Q信号中M×N点长度的采样数据t_D_MN，然后将采样数据t_D_MN等间隔地分成连续M个N点长度的数据t_D_N_m，m＝1～M，称为快时间采样序列，快时间对应fs采样间隔。
对数据t_D_N_m进行N点数据加窗，然后I、Q合成后进行快时间维度的N点FFT处理，得到快时间维度频率数据f_D_N_m，存储至数据暂存单元23中。优选地，为了方便后面的M点FFT处理，将快时间维度频率数据f_D_N_m转置后进行存储。
当所有的数据f_D_N_m完成快时间维度的N点FFT处理后，顺序取出第n个频率的M点数据进行M点数据加窗，然后进行慢时间维度的M点FFT处理，称为慢时间FFT，慢时间对应fs/N采样间隔。完成所有N个快时间单元的M点慢时间FFT处理后，得到二维FFT矩阵f_D_N_M，维数为N×M。
S4、在二维FFT矩阵中获取符合检测要求的目标及旁侧单元。
检测单元24在二维FFT矩阵中获取符合信噪比等检测要求的目标及旁侧单元，标记目标在二维FFT矩阵中的索引号为(nt，mt)，对应旁侧单元索引号为(nt，mt-1)和(nt，mt+1)。
S5、根据目标及旁侧单元的强度获取目标的多普勒频率fd。
多普勒频率获取单元25根据目标索引号(nt，mt)及旁侧单元索引号(nt，mt-1)和(nt，mt+1)，获取目标及旁侧单元的强度A(nt，mt-1)、A(nt，mt)及A(nt，mt+1)；
结合图6所示，根据二次曲线拟合求极点方法获取慢时间维度更准确的频率位置为：
fd_midx_modify＝mt+[A(nt，mt+1)-A(nt，mt-1)]÷2
÷[A(nt，mt+1)+A(nt，mt-1)-2×A(nt，mt)]；
获取目标的多普勒频率为：
fd＝fd_midx_modify×fs÷M÷N+nt×fs÷N。
针对采用连续波工作模式的传感器或雷达，本发明提出一种降低运算量的多普勒估计方法及系统。通过将常规的M×N点一维FFT计算方式，分解为M次N点的二维FFT计算方式，可以将时间复杂度由原来的M×N×log2(M×N)降至M×N×log2(N)。对于通常采用低成本方案的连续波系统来讲，同时保证了多普勒范围和分辨率，而又不增加额外的计算资源需求。
由以上技术方案可以看出，本发明具有以下优点：
本发明的多普勒估计方法及系统将一维FFT计算分解为二维FFT计算，大大降低了时间复杂度，在保证多普勒范围和多普勒估计精度的前提下，降低了计算资源需求，能够低成本地实现目标速度估计。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (8)

1.一种多普勒估计方法，其特征在于，所述方法包括：
S1、将射频发射信号与射频回波信号进行混频，得到I、Q信号；
S2、以预设的采样率fs对I、Q信号进行模数转换；
S3、获取I、Q信号中M×N点长度的采样数据t_D_MN，并进行快时间维度的N点FFT处理及慢时间维度的M点FFT处理，得到二维FFT矩阵；
S4、在二维FFT矩阵中获取符合检测要求的目标及旁侧单元；
S5、根据目标及旁侧单元的强度获取目标的多普勒频率fd；
所述步骤S4具体为：
在二维FFT矩阵中获取符合检测要求的目标及旁侧单元，其中目标索引号为(nt，mt)，旁侧单元索引号为(nt，mt-1)和(nt，mt+1)；
所述步骤S5具体为：
获取目标及旁侧单元的强度A(nt，mt-1)、A(nt，mt)及A(nt，mt+1)；
根据二次曲线拟合求极点方法获取慢时间维度的频率位置为：
fd_midx_modify＝mt+[A(nt，mt+1)-A(nt，mt-1)]÷2÷
[A(nt，mt+1)+A(nt，mt-1)-2×A(nt，mt)]；
获取目标的多普勒频率为：
fd＝fd_midx_modify×fs÷M÷N+nt×fs÷N。
2.根据权利要求1所述的多普勒估计方法，其特征在于，所述步骤S1具体为：
根据调制波形产生确定频率的射频发射信号，并发射至探测区域；
接收探测区域返回的射频回波信号；
将射频发射信号与射频回波信号进行混频，得到I、Q信号。
3.根据权利要求2所述的多普勒估计方法，其特征在于，所述步骤S1还包括：
对I、Q信号进行低通滤波；和/或，
对I、Q信号进行带通放大。
4.根据权利要求1所述的多普勒估计方法，其特征在于，所述采样率fs和最大多普勒频率fd_max满足：fs>1.2×fd_max。
5.根据权利要求1所述的多普勒估计方法，其特征在于，所述步骤S3具体为：
获取I、Q信号中M×N点长度的采样数据t_D_MN，将采样数据t_D_MN等间隔地分成连续M个N点长度的数据t_D_N_m，m＝1～M；
对数据t_D_N_m进行N点数据加窗，然后进行快时间维度的N点FFT处理，得到快时间维度频率数据f_D_N_m，其中，快时间对应fs采样间隔；
顺序取出第n个频率的M点数据进行M点数据加窗，然后进行慢时间维度的M点FFT处理，得到二维FFT矩阵f_D_N_M，其中，慢时间对应fs/N采样间隔。
6.根据权利要求5所述的多普勒估计方法，其特征在于，所述步骤S3还包括：
将快时间维度频率数据f_D_N_m转置后进行存储。
7.一种多普勒估计系统，其特征在于，所述系统包括：
微波收发单元，用于将射频发射信号与射频回波信号进行混频，得到I、Q信号；
信号处理单元，用于根据I、Q信号获取目标的多普勒频率fd；
其中，所述信号处理单元包括：
模数转换单元，用于以预设的采样率fs对I、Q信号进行模数转换；
FFT处理单元，用于获取I、Q信号中M×N点长度的采样数据t_D_MN，并进行快时间维度的N点FFT处理及慢时间维度的M点FFT处理，得到二维FFT矩阵；
数据暂存单元，用于储存FFT处理单元处理后的数据；
检测单元，用于在二维FFT矩阵中获取符合检测要求的目标及旁侧单元；
多普勒频率获取单元，用于根据目标及旁侧单元的强度获取目标的多普勒频率fd；
检测单元还用于：
在二维FFT矩阵中获取符合检测要求的目标及旁侧单元，其中目标索引号为(nt，mt)，旁侧单元索引号为(nt，mt-1)和(nt，mt+1)；
多普勒频率获取单元还用于：
获取目标及旁侧单元的强度A(nt，mt-1)、A(nt，mt)及A(nt，mt+1)；
根据二次曲线拟合求极点方法获取慢时间维度的频率位置为：
fd_midx_modify＝mt+[A(nt，mt+1)-A(nt，mt-1)]÷2÷
[A(nt，mt+1)+A(nt，mt-1)-2×A(nt，mt)]；
获取目标的多普勒频率为：
fd＝fd_midx_modify×fs÷M÷N+nt×fs÷N。
8.根据权利要求7所述的多普勒估计系统，其特征在于，所述微波收发单元包括：
微波收发传感器，包括射频端、调制端及中频端；
数字处理控制单元，与微波收发传感器的调制端相连，用于产生调制波形；
收发天线，与微波收发传感器的射频端相连，用于发射射频发射信号并接收射频回波信号；
滤波单元和/或中频放大单元，与微波收发传感器的中频端相连，用于对I、Q信号进行低通滤波和/或带通放大。
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