CN113567950A - 一种毫米波雷达距离速度谱估计方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种毫米波雷达距离速度谱估计方法及系统，方法包括：获取中频信号并对所述中频信号进行采样；对采样信号进行加窗处理并变换，以构造自相关矩阵；求取所述自相关矩阵的逆矩阵，并依据所述逆矩阵和最小方差无失真原理求解距离速度频率谱。本发明实施例提供的毫米波雷达距离速度谱估计方法及系统，利用了最小方差无失真原理，通过保证所估计距离速度频率点信号无失真输出的同时，有效地抑制噪声和频率泄漏的影响。相较于传统二维傅里叶变换法能有效提高目标信噪比，仿真显示信噪比可提升2dB左右，因此可有效提高毫米波雷达的目标检测能力。

Description

一种毫米波雷达距离速度谱估计方法及系统

技术领域

本发明涉及无线电波测距测速技术领域，更具体地，涉及一种毫米波雷达距离速度谱估计方法及系统。

背景技术

随着毫米波集成电路的快速发展和智慧城市、智慧交通、自动驾驶等领域需求的快速增长，毫米波雷达传感器得到越来越广泛的应用。现行的毫米波雷达传感器主要分为连续波雷达、调频连续波雷达两种，而调频连续波雷达因其既能测速又能测距的优点得到了广泛应用。采用调频连续波技术对特定区域内的多个目标进行距离和速度测量的雷达是目前广泛使用的毫米波雷达。

这种毫米波雷的基本工作原理是：雷达通过发射天线向外发射一组线性调频（FMCW）的毫米波，接收天线接收多个目标的反射信号，经过混频、采样、模数转换后进行信号处理，快速准确地获取每个目标的距离、速度、运动方向等信息。

在现有技术中，毫米波雷达是通过对多个啁啾（Chirp）的采集数据进行二维傅里叶变换来构建距离速度谱，再利用峰值搜索算法检测目标，该方法虽具有实现方便、计算简单的优点，但其对噪声及干扰信号的抑制效果较差，致使得到的距离速度谱信噪比较低，对于距离较远或小的目标易导致目标漏检、错检等现象，影响了毫米波雷达检测远距离或小目标的能力。为解决这一问题，需要增加雷达的发射功率，但这又带来功耗高、电磁波污染大等弊端。

因此，现在亟需一种毫米波雷达距离速度谱估计方法及系统来解决上述问题。

发明内容

本发明提供一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的一种毫米波雷达距离速度谱估计方法及系统，根据本发明提供的第一方面，本发明提供一种毫米波雷达距离速度谱估计方法，包括：

获取中频信号并对所述中频信号进行采样；

对采样信号进行加窗处理并变换，以构造自相关矩阵；

求取所述自相关矩阵的逆矩阵，并依据所述逆矩阵和最小方差无失真原理求解距离速度频率谱。

其中，所述获取中频信号并对所述中频信号进行采样，包括：

将雷达配置为调频连续波模式，并按照预设波形配置扫频波形，采样中频信号，得到雷达回波信号。

其中，所述对采样信号进行加窗处理并变换，以构造自相关矩阵，包括：

对所述雷达回波信号进行加窗处理，得到加窗后的采集矩阵X；

对所述采集矩阵X进行重排，得到列向量L；

构造所述列向量L的自相关矩阵。

其中，所述对所述采集矩阵X进行重排，得到列向量L，包括：

其中，x _i，j对应加窗后的数据中的第j个啁啾中的第i个采样点。

其中，所述求取所述自相关矩阵的逆矩阵，并依据所述逆矩阵和最小方差无失真原理求解距离速度频率谱，包括：

对所述自相关矩阵进行对角加载补偿，得到R；

利用最小二乘递推方法求解自相关矩阵的逆矩阵R ^-1 ；

构造二维傅里叶变换列向量v(a, b)，并利用最小方差无失真原理求解距离速度谱矩阵D；

利用峰值搜索算法对所述距离速度谱矩阵D进行搜索，得到检测目标的距离和速度参数。

其中，所述对所述自相关矩阵进行对角加载补偿，得到R，包括：

其中，L ^H 为向量L的共轭转置，I为单位矩阵，

为对角加载量，

tr(*)表示取矩阵的迹，std(*)表示取标准差，mean(*)表示取平均。

其中，所述利用最小二乘递推方法求解自相关矩阵的逆矩阵R ^-1 ，包括：

其中，所述构造二维傅里叶变换列向量v(a, b)，包括：

其中，所述利用最小方差无失真原理求解距离速度谱矩阵D，包括：

根据本发明提供的第二方面，本发明提供一种毫米波雷达距离速度谱估计系统，包括：

采样模块，用于获取中频信号并对所述中频信号进行采样；

自相关矩阵构造模块，用于对采样信号进行加窗处理并变换，以构造自相关矩阵；

求解模块，用于求取所述自相关矩阵的逆矩阵，并依据所述逆矩阵和最小方差无失真原理求解距离速度频率谱。

本发明实施例提供的毫米波雷达距离速度谱估计方法及系统，利用了最小方差无失真原理，通过保证所估计距离速度频率点信号无失真输出的同时，有效地抑制噪声和频率泄漏的影响。相较于传统二维傅里叶变换法能有效提高目标信噪比，仿真显示信噪比可提升2dB左右，因此可有效提高毫米波雷达的目标检测能力。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种毫米波雷达距离速度谱估计方法流程示意图；

图2是本发明实施例提供的毫米波雷达的发射波形；

图3是 2DFFT方法构建的距离速度谱与本专利方法构建的距离速度谱对比图；

图4是本发明实施例提供的一种毫米波雷达距离速度谱估计系统示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

图1是本发明实施例提供的一种毫米波雷达距离速度谱估计方法流程示意图，如图1所示，包括：

101、获取中频信号并对所述中频信号进行采样；

102、对采样信号进行加窗处理并变换，以构造自相关矩阵；

103、求取所述自相关矩阵的逆矩阵，并依据所述逆矩阵和最小方差无失真原理求解距离速度频率谱。

具体的，在步骤101中将采样矩阵变换为一个列向量L，构造该列向量的自相关矩阵R，利用最小二乘递推方法求出其逆矩阵R ^-1；再构造一个二维傅里叶变换的列向量v(a,b)；利用最小无失真原理通过L, R ^-1，v(a, b)解出距离速度谱矩阵D；然后对D进行峰值搜索等操作检出目标的距离和速度等信息。

本发明实施例提供的毫米波雷达距离速度谱估计方法及系统，利用了最小方差无失真原理，通过保证所估计距离速度频率点信号无失真输出的同时，有效地抑制噪声和频率泄漏的影响。相较于传统二维傅里叶变换法能有效提高目标信噪比，仿真显示信噪比可提升2dB左右，因此可有效提高毫米波雷达的目标检测能力。

在上述实施例的基础上，所述获取中频信号并对所述中频信号进行采样，包括：

将雷达配置为调频连续波模式，并按照预设波形配置扫频波形，采样中频信号，得到雷达回波信号。

图2是本发明实施例提供的毫米波雷达的发射波形，其具体配置参数及模拟目标如表1所示；

表1 毫米波雷达具体参数配置

依据模拟信号，获得32×32的采样矩阵X ₁。

在上述实施例的基础上，所述对采样信号进行加窗处理并变换，以构造自相关矩阵，包括：

对所述雷达回波信号进行加窗处理，得到加窗后的采集矩阵X；

对所述采集矩阵X进行重排，得到列向量L；

构造所述列向量L的自相关矩阵。

对采样矩阵X ₁进行二维汉宁加窗处理，其中W窗矩阵中元素构建如下：

w _ij 表示W矩阵第i行第j列元素；

进而得到加窗后的矩阵X：

其中.*表示矩阵之间进行点乘运算。

在上述实施例的基础上，所述对所述采集矩阵X进行重排，得到列向量L，包括：

其中，x _{i, j} 对应加窗后的数据中的第j个啁啾中的第i个采样点。

在上述实施例的基础上，所述求取所述自相关矩阵的逆矩阵，并依据所述逆矩阵和最小方差无失真原理求解距离速度频率谱，包括：

对所述自相关矩阵进行对角加载补偿，得到R；

利用最小二乘递推方法求解自相关矩阵的逆矩阵R ^-1 ；

构造二维傅里叶变换列向量v(a, b)，并利用最小方差无失真原理求解距离速度谱矩阵D；

利用峰值搜索算法对所述距离速度谱矩阵D进行搜索，得到检测目标的距离和速度参数。

在上述实施例的基础上，所述对所述自相关矩阵进行对角加载补偿，得到R，包括：

其中，L ^H 为向量L的共轭转置，I为单位矩阵，

为对角加载量，

tr(*)表示取矩阵的迹，std(*)表示取标准差，mean(*)表示取平均。

在上述实施例的基础上，所述利用最小二乘递推方法求解自相关矩阵的逆矩阵R ^-1 ，包括：

在上述实施例的基础上，所述构造二维傅里叶变换列向量v(a, b)，包括：

最后利用最小方差无失真原理对距离速度谱矩阵D进行求解，具体如下式：

对X进行2DFFT运算，求解得到矩阵M，其中矩阵D与矩阵M的模值取分贝单位绘图如图3所示，图3是 2DFFT方法构建的距离速度谱与本专利方法构建的距离速度谱对比图。

本发明实施例利用CFAR（恒虚警检测）算法对矩阵M及矩阵D进行峰值搜索，并求解目标信噪比，检测所得的目标与预设目标如表2所示。

表2

从表2中可以看出，本专利方法相较于2DFFT方法对目标的信噪比有2dB左右的提升，该实例进一步说明了本专利方法的优异性能。

图4是本发明实施例提供的一种毫米波雷达距离速度谱估计系统示意图，如图4所示，包括：采样模块401、自相关矩阵构造模块402以及求解模块403。

采样模块401用于获取中频信号并对所述中频信号进行采样；

自相关矩阵构造模块402用于对采样信号进行加窗处理并变换，以构造自相关矩阵；

求解模块403用于求取所述自相关矩阵的逆矩阵，并依据所述逆矩阵和最小方差无失真原理求解距离速度频率谱。

本实施例提供一种非暂态计算机可读存储介质，所述非暂态计算机可读存储介质存储计算机指令，所述计算机指令使所述计算机执行上述各方法实施例所提供的方法，例如包括：获取中频信号并对所述中频信号进行采样；对采样信号进行加窗处理并变换，以构造自相关矩阵；求取所述自相关矩阵的逆矩阵，并依据所述逆矩阵和最小方差无失真原理求解距离速度频率谱。

以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中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模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。

通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备（可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等）执行各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。

最后，本申请的方法仅为较佳的实施方案，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种毫米波雷达距离速度谱估计方法，其特征在于，包括：

获取中频信号并对所述中频信号进行采样；

对采样信号进行加窗处理并变换，以构造自相关矩阵；

求取所述自相关矩阵的逆矩阵，并依据所述逆矩阵和最小方差无失真原理求解距离速度频率谱。

2.根据权利要求1所述的毫米波雷达距离速度谱估计方法，其特征在于，所述获取中频信号并对所述中频信号进行采样，包括：

将雷达配置为调频连续波模式，并按照预设波形配置扫频波形，采样中频信号，得到雷达回波信号。

3.根据权利要求2所述的毫米波雷达距离速度谱估计方法，其特征在于，所述对采样信号进行加窗处理并变换，以构造自相关矩阵，包括：

对所述雷达回波信号进行加窗处理，得到加窗后的采集矩阵X；

对所述采集矩阵X进行重排，得到列向量L；

构造所述列向量L的自相关矩阵。

4.根据权利要求3所述的毫米波雷达距离速度谱估计方法，其特征在于，所述对所述采集矩阵X进行重排，得到列向量L，包括：

其中，x _{i, j} 对应加窗后的数据中的第j个啁啾中的第i个采样点。

5.根据权利要求3所述的毫米波雷达距离速度谱估计方法，其特征在于，所述求取所述自相关矩阵的逆矩阵，并依据所述逆矩阵和最小方差无失真原理求解距离速度频率谱，包括：

对所述自相关矩阵进行对角加载补偿，得到R；

利用最小二乘递推方法求解自相关矩阵的逆矩阵R ^-1 ；

构造二维傅里叶变换列向量v(a, b)，并利用最小方差无失真原理求解距离速度谱矩阵D。

6.根据权利要求5所述的毫米波雷达距离速度谱估计方法，其特征在于，所述对所述自相关矩阵进行对角加载补偿，得到R，包括：

其中，L ^H 为向量L的共轭转置，I为单位矩阵，

为对角加载量，

tr(*)表示取矩阵的迹，std(*)表示取标准差，mean(*)表示取平均。

7.根据权利要求6所述的毫米波雷达距离速度谱估计方法，其特征在于，所述利用最小二乘递推方法求解自相关矩阵的逆矩阵R ^-1 ，包括：

。

8.根据权利要求7所述的毫米波雷达距离速度谱估计方法，其特征在于，所述构造二维傅里叶变换列向量v(a, b)，包括：

。

9.根据权利要求8所述的毫米波雷达距离速度谱估计方法，其特征在于，所述利用最小方差无失真原理求解距离速度谱矩阵D，包括：

。

10.一种毫米波雷达距离速度谱估计系统，其特征在于，包括：

采样模块，用于获取中频信号并对所述中频信号进行采样；

自相关矩阵构造模块，用于对采样信号进行加窗处理并变换，以构造自相关矩阵；

求解模块，用于求取所述自相关矩阵的逆矩阵，并依据所述逆矩阵和最小方差无失真原理求解距离速度频率谱。

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