CN113820668B - 毫米波调频连续波雷达的强干扰抑制系统及其抑制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种毫米波调频连续波雷达的强干扰抑制系统及其抑制方法，涉及新能源汽车及新一代信息技术领域，其技术方案在于：包括干扰包络检测单元及干扰抑制单元，所述干扰包络检测单元包括低通滤波单元、信号统计分析单元及干扰信号定位单元，所述低通滤波单元用于处理雷达回波，所述信号统计分析单元用于统计并判断雷达回波中是否存在强干扰，所述干扰信号定位单元用于对雷达回波中的干扰位置进行定位，所述干扰抑制信号单元用于形成干扰信号区域带有缺失数据的回波信号，并通过回波恢复算法恢复缺失数据。通过干扰包络检测单元判断当前雷达回波是否存在干扰，没有干扰时将不处理，减少了抑制方法的计算复杂度和提高了实时信号处理信息效率。

Description

毫米波调频连续波雷达的强干扰抑制系统及其抑制方法
技术领域
本发明涉及新能源汽车及新一代信息技术领域，尤其涉及一种毫米波调频连续波雷达的强干扰抑制系统及其抑制方法。
背景技术
因毫米波调频连续波雷达的工作带宽大，测距测速及测角度的精度高，体积小，成本低，尤其可在夜晚以及恶劣天气条件可靠稳定工作等等优点，该类型的雷达已广泛应用于车辆的主动防撞、辅助驾驶系统以及无人驾驶系统中。广泛的市场应用使得雷达在同时工作在同一区域的密度增高，雷达发射信号将对另一邻近雷达都是强干扰来源。虽然国内外已有部分研究，有的研究集中在非调频连续波雷达的方法，与当前主流调频连续波雷达芯片背道而驰，无法抑制毫米波调频连续波雷达间的干扰。另外已有对干扰区域简单置零的方法，虽然降低了干扰强度，但丢失了雷达目标信息，在雷达后续的距离、速度及角度压缩中产生了许多强的旁瓣。其他传统的信号处理方法，比如基于小波分析的方法也未能有效地抑制强干扰。
汽车毫米波雷达之间的干扰对汽车雷达对可靠性提出了颠覆性的挑战，目前欧美发达国家仍然没有解决汽车雷达间的干扰难题。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有汽车雷达抗干扰能力不足的技术瓶颈问题。
为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
一种毫米波调频连续波雷达的强干扰抑制系统，包括干扰包络检测单元及干扰抑制单元，其中所述干扰包络检测单元包括低通滤波单元、信号统计分析单元及干扰信号定位单元，所述低通滤波单元用于处理雷达回波，所述信号统计分析单元用于统计并判断雷达回波中是否存在强干扰，所述干扰信号定位单元用于对雷达回波中的干扰位置进行定位，所述干扰抑制单元用于形成干扰信号区域带有缺失数据的回波信号，并通过回波恢复算法恢复缺失数据。
优选的，所述低通滤波单元用于对回波信号进行滤波得到回波包络，所述低通滤波单元的通带截止数字归一化频率为0.05-0.1，阻带的上边带开始归一化数字频率为0.1-0.25，所述低通滤波单元的阶数为10-30阶。
优选的，所述信号统计分析单元用于对干扰包络信号进行平均统计得到当前的包络均值，并统计得到包络信号的最大幅度峰值。
优选的，所述干扰信号定位单元用于对干扰位置进行定位，当包络信号的最大幅度峰值小于干扰包络信号的均值的三倍，则判定为当前回波不存在强干扰区域，反之，则判定为存在强干扰区域，且干扰发生的位置为高于包络信号均值的区域标记定位为干扰发生的位置。
本申请还提供了一种毫米波调频连续波雷达的强干扰抑制方法，使用上述所述的一种毫米波调频连续波雷达的强干扰抑制系统，其步骤在于：
S1：通过干扰包括检测单元对雷达信号进行取模，并对信号进行处理和分析，
S2：根据干扰包络的统计结果对相应的干扰区域形成缺失数据，并基于L1范数正则化稀疏方法，进而对干扰所在的回波数据进行恢复。
优选的，所述S1中具体步骤为：
假设回波信号为y以及设计得到的滤波器为h，则回波包络为
Figure GDA0003737191010000021
其中|·|为信号的取模运算，
Figure GDA0003737191010000031
表示为滤波卷积运算；
然后，进行回波包络的均值统计为信号为u＝E(ye)，最大幅度峰值为am＝max(ye)。
优选的，所述S1中，包络是否存在干扰的判断依据：如果am>3*u，则把满足|y(ni)|>u的部位全标记为干扰区域，形成干扰区域标识向量s，其中ni表示干扰所在的回波中的位置序号，即s(ni)＝1,对于没有干扰的位置n，则s(n)＝0；反之，如果am<3*u，设判定回波中不存在干扰。
优选的，所述S2中具体步骤为：
首先，对已标记为干扰区域的位置，即s(n)＝1处，对应的回波信号删除，形成缺失信号ys为
ys＝y*s (1)
假设不含干扰的回波信号在傅立叶变换域中的系数向量为c，则缺失数据信号可表示成
ys＝Ac+n (2)
其中A为离散傅立叶变换矩阵，n为系统噪声向量。
因为回波在傅立叶变换的系数c具有良好的稀疏性，可运用L1范数正则化方法得到回波恢复公式为
Figure GDA0003737191010000032
其中
Figure GDA0003737191010000033
为L2范数，|·|1为L1范数。再运用抗噪基追踪算法就可求得优化稀疏系数co，最终恢复的回波为Aco。
上述所述的一种毫米波调频连续波雷达的强干扰抑制系统，能极大地抑制干扰并可靠地检测出干扰中的目标，可把信号与干扰加噪声比从-5.2d B，提升至了20.3dB，共提升了25.5dB。恢复目标的结果与没有发生干扰时的结果非常接近。并且通过干扰包络检测单元中利用统计分析可判断当前雷达回波是否存在干扰，没有干扰时将不进行干扰抑制处理，大大减少了抑制方法的计算复杂度和提高了实时信号处理信息效率。
附图说明
图1为本发明的实施例中一种毫米波调频连续波雷达的强干扰抑制系统的工作流程示意图；
图2为本发明的实施例中一种毫米波调频连续波雷达的强干扰抑制系统在雷达信号处理器中数据处理链路顺序原理框图；
图3为本发明的实施例中一种强干扰抑制效果雷达图像。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，以下结合具体实施例，对本发明作进一步地详细说明。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明并不限于下面公开说明书的具体实施例的限制。
一种毫米波调频连续波雷达的强干扰抑制系统，应用于雷达数字中频采样接收机，其包括干扰包络检测单元及干扰抑制单元，其中所述干扰包络检测单元用于对雷达数字中频采样接收机中接收到的雷达回波进行统计并分析，并在雷达回波中存有干扰时，通过干扰抑制单元进行干扰抑制处理。
请参阅图1，在一实施方式中，所述干扰包络检测单元包括低通滤波单元、信号统计分析单元及干扰信号定位单元，其中所述低通滤波单元用于对雷达数字中频采样接收机中接收到的雷达回波进行处理，在一实施方式中，所述低通滤波机的通带截止数字归一化频率在0.05-0.1范围内，阻带的上边带开始归一化数字频率范围为0.1-0.25，所述低通滤波单元的阶数为10阶至30阶。在一实施方式中，所述低通滤波机可以根据雷达的扫描频率来确定相关数值，所述低通滤波单元的相频响应为与阶数相关的线性相位表达，具体设计可以根据窗函数及最小均方误差方法进行设计得到低通滤波单元的系数。
具体的，在一实施方式中，以最小均方误差方法举例，进行设计得到20阶数字低通滤波单元的系数为[0.46,0.88,1.59,2.53,3.68,4.96,6.26,7.47,8.44,9.08,9.30,9.08,8.44,7.47,6.26,4.96,3.68,2.53,1.59,0.88,0.46]。
所述信号统计分析单元用于对干扰包络信号进行统计及分析，在一实施方式中，雷达回波进过低通滤波单元处理后输出为包络信号，通过信号统计分析单元对包络信号进行平均统计得到当前包络均值，并统计得到包络的最大幅度峰值。
所述干扰信号定位单元用于对干扰位置进行定位，在一实施方式中，当包络信号的最大幅度峰值小于干扰包络信号的均值的三倍，则判定为当前回波不存在强干扰区域，反之，则判定为存在强干扰区域，且干扰发生的位置为高于包络信号均值的区域标记定位为干扰发生的位置。
请参阅图2，在一实施方式中，所述干扰抑制信号单元用于形成干扰信号区域带有缺失数据的回波信号，并通过回波恢复算法恢复缺失数据。在一实施方式中，所述干扰抑制信号通过对干扰区域的雷达数据进行稀疏方法处理。具体的，在一实施方式中，根据雷达回波在离散傅里叶交换中具有稀疏的特征，将含有缺失数据的回波信号投影到傅里叶交换域中，通过L1范数约束进行回波恢复。
本申请还提供了一种毫米波调频连续波雷达的强干扰抑制方法，包含以下步骤：
S1：通过干扰包括检测单元对雷达信号进行取模:，并对信号进行处理和分析，具体步骤为：
首先，假设回波信号为y以及设计得到的滤波器为h，则回波包络为
Figure GDA0003737191010000061
Figure GDA0003737191010000062
其中|·|为信号的取模运算，
Figure GDA0003737191010000063
表示为滤波卷积运算。
然后，进行回波包络的均值统计为信号为u＝E(ye)，最大幅度峰值为am＝max(ye)。
接下来，如果am>3*u，则把满足|y(ni)|>u的部位全标记为干扰区域，形成干扰区域标识向量s，其中ni表示干扰所在的回波中的位置序号，即s(ni)＝1,对于没有干扰的位置n，则s(n)＝0；反之，如果am<3*u，设判定回波中不存在干扰。
在一实施方式中，取模后通过低通滤波单元对雷达信号进行滤波从而得到干扰的包络，并根据包络的统计特性判断是否存在干扰并定位干扰所在位置，然后将干扰位置信息送达干扰抑制单元。
在一实施方式中，包络是否存在干扰的判断依据：当包络的最大幅度峰值小于包络均值的三倍时，则当前回波不存在强干扰，反之，则存在强干扰，并且幅度峰值高于包络均值的区域标记定位为干扰发生的位置。
S2：根据干扰包络的统计结果对相应的干扰区域形成缺失数据，并基于L1范数正则化稀疏方法，进而对干扰所在的回波数据进行恢复。
具体步骤为：
首先，对已标记为干扰区域的位置，即s(n)＝1处，对应的回波信号删除，形成缺失信号ys为
ys＝y*s (1)
假设不含干扰的回波信号在傅立叶变换域中的系数向量为c，则缺失数据信号可表示成
ys＝Ac+n (2)
其中A为离散傅立叶变换矩阵，n为系统噪声向量。
因为回波在傅立叶变换的系数c具有良好的稀疏性，可运用L1范数正则化方法得到回波恢复公式为
Figure GDA0003737191010000071
其中
Figure GDA0003737191010000072
为L2范数，|·|1为L1范数。再运用抗噪基追踪算法就可求得优化稀疏系数co，最终恢复的回波为Aco。
请参阅图3，图3为本申请系统装置在强干扰环境下的一个干扰抑制实验结果图。其中雷达的起始工作频率为77GHz，带宽为600MHz，相干积累脉冲数为128，主雷达的信号扫描周期为51.2us，两个干扰雷达的带宽分别为300MHz和500MHz，调频率和扫描周期都跟主雷达不同，但工作频带存在重叠部分。
图3(b)为没有使用干扰抑制的幅度示意图，可以看出强干扰把其中一个目标淹没，并产生了许多强的虚假目标。图3(c)运用现有的小波抑制方法不能有效抑制干扰恢复目标。图3(d)使用了毫米波调频连续波雷达的强干扰抑制系统，通过附图可以看出，本申请所提供的一种毫米波调频连续波雷达的强干扰抑制系统，能极大地抑制干扰并可靠地检测出干扰中的目标，可把信号与干扰加噪声比从-5.2d B，提升至了20.3dB，共提升了25.5dB。恢复目标的结果与没有发生干扰时的结果非常接近。并且通过干扰包络检测单元中利用统计分析可判断当前雷达回波是否存在干扰，没有干扰时将不进行干扰抑制处理，大大减少了抑制方法的计算复杂度和提高了实时信号处理信息效率。
以上所述仅为本发明的实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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权利要求范围。

Claims (7)

1.一种毫米波调频连续波雷达的强干扰抑制系统，其特征在于：包括干扰包络检测单元及干扰抑制单元，其中所述干扰包络检测单元包括低通滤波单元、信号统计分析单元及干扰信号定位单元，所述低通滤波单元用于处理雷达回波，所述信号统计分析单元用于统计并判断雷达回波中是否存在强干扰，所述干扰信号定位单元用于对雷达回波中的干扰位置进行定位，当包络信号的最大幅度峰值小于干扰包络信号的均值的三倍，则判定为当前回波不存在强干扰区域，反之，则判定为存在强干扰区域，且干扰发生的位置为高于包络信号均值的区域标记定位为干扰发生的位置，所述干扰抑制单元用于形成干扰信号区域带有缺失数据的回波信号，并通过回波恢复算法恢复缺失数据。
2.根据权利要求1所述的毫米波调频连续波雷达的强干扰抑制系统，其特征在于：所述低通滤波单元用于对回波信号进行滤波得到回波包络，低通滤波单元的通带截止数字归一化频率为0.05-0.1，阻带的上边带开始归一化数字频率为0.1-0.25，所述低通滤波单元的阶数为10-30阶。
3.根据权利要求1所述的毫米波调频连续波雷达的强干扰抑制系统，其特征在于：所述信号统计分析单元用于对干扰包络信号进行平均统计得到当前的包络均值，并统计得到包络信号的最大幅度峰值。
4.一种毫米波调频连续波雷达的强干扰抑制方法，其特征在于：使用权利要求1-3所述的一种毫米波调频连续波雷达的强干扰抑制系统，其步骤在于：
S1：通过干扰包括检测单元对雷达信号进行取模，并对信号进行处理和分析，
S2：根据干扰包络的统计结果对相应的干扰区域形成缺失数据，并基于L1范数正则化稀疏方法，进而对干扰所在的回波数据进行恢复。
5.根据权利要求4所述的毫米波调频连续波雷达的强干扰抑制方法，其特征在于：所述S1中具体步骤为：
首先，假设回波信号为y以及设计得到的滤波器为h，则回波包络为
Figure FDA0003737189000000021
Figure FDA0003737189000000022
其中|·|为信号的取模运算，
Figure FDA0003737189000000023
表示为滤波卷积运算；
然后，进行回波包络的均值统计为信号为u＝E(ye)，最大幅度峰值为am＝max(ye)。
6.根据权利要求5所述的毫米波调频连续波雷达的强干扰抑制方法，其特征在于：所述S1中，包络是否存在干扰的判断依据：如果am>3*u，则把满足|y(ni)|>u的部位全标记为干扰区域，形成干扰区域标识向量s，其中ni表示干扰所在的回波中的位置序号，即s(ni)＝1,对于没有干扰的位置n，则s(n)＝0；反之，如果am<3*u，设判定回波中不存在干扰。
7.根据权利要求6所述的毫米波调频连续波雷达的强干扰抑制方法，其特征在于：所述S2中具体步骤为：
首先，对已标记为干扰区域的位置，即s(n)＝1处，对应的回波信号删除，形成缺失信号ys为
ys＝y*s (1)
假设不含干扰的回波信号在傅立叶变换域中的系数向量为c，则缺失数据信号可表示成
ys＝Ac+n (2)
其中A为离散傅立叶变换矩阵，n为系统噪声向量；
因为回波在傅立叶变换的系数c具有良好的稀疏性，可运用L1范数正则化方法得到回波恢复公式为
Figure FDA0003737189000000024
其中
Figure FDA0003737189000000031
为L2范数，|-|1为L1范数，再运用抗噪基追踪算法就可求得优化稀疏系数co，最终恢复的回波为Aco。
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