CN114002654A - 一种毫米波雷达解速度模糊方法 - Google Patents

一种毫米波雷达解速度模糊方法 Download PDF

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CN114002654A CN202110736819.4A CN202110736819A CN114002654A CN 114002654 A CN114002654 A CN 114002654A CN 202110736819 A CN202110736819 A CN 202110736819A CN 114002654 A CN114002654 A CN 114002654A
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陈惠明
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Abstract

本发明提供一种毫米波雷达解速度模糊方法,通过在每个系统周期内发射一组交错时延的波形;在接收端分别对两种波形对应的接收信号进行二维FFT处理;并根据目标检测结果计算目标距离和模糊速度;然后利用目标在两个距离‑多普勒数据中的相位差解算不模糊速度。本发明提出的交错时延波形易于实现,速度解算算法简单,占用的算力资源小;且可以在单个系统周期内获得目标的不模糊速度,极大扩展了雷达的测速范围。

Description

一种毫米波雷达解速度模糊方法
技术领域
本发明涉及毫米波雷达技术领域,尤其是涉及一种毫米波雷达解速度模糊方法。
背景技术
与摄像头和激光雷达相比,毫米波雷达可以在较低的成本下获得较高的分辨率,同时受雨,雾,雪和光线等周围环境的影响极小,可全天候、全天时工作,逐渐成为ADAS 领域不可或缺的传感器之一,并得到了广泛应用。
车载毫米波雷达一般采用调频连续波(FMCW)体制,通过周期性地发射一组包含多个线性调频波形(chirp波形)的序列,并在信号处理时采用二维快速傅里叶变换(FFT)进行距离-多普勒联合处理,实现对目标距离和速度参量的测量。这种方式可以在距离-速度两个维度上对多目标进行分辨,分辨能力更强、精度较高,但普遍存在速度模糊问题。这是因为在现实情况中,受限于汽车雷达硬件条件的限制,chirp波形的重复周期一般无法直接满足汽车雷达应用场景对速度测量范围的要求。当目标的速度超过不模糊测速范围时,就会引起多普勒模糊,导致目标速度测量错误。该问题严重限制了调频序列汽车雷达的可测速度范围。最典型的解速度模糊方法是采用多重频波形,通过发射具有不同重频周期的chirp波形,利用中国余数定理求解不模糊速度。该方法需要用到当前周期及前一周期(或前数个周期)的目标信息列表,并在两个(或多个)测量周期进行目标匹配处理,若当前周期或前一周期存在目标漏检或检测到虚警,则可能出现相邻周期内的目标匹配错误,从而引起速度测量错误;另一方面,当同一目标在两个周期之间的径向速度存在较大变化时,目标速度极易解算错误。此外,专利US 2015/0084806中,提出了一种基于交错频移的调频波形序列,利用不同波形间同一目标二维FFT处理后的相位差解速度模糊,但是由于该发射波形中包含两种不同中心频率的波形序列,对于不同的波形序列,在进行二维FFT后,同一目标可能位于不同的距离-速度单元,因此需要进行目标匹配处理,若发生目标错误匹配,会导致目标速度出现错误解算。
发明内容
针对上述问题,本发明的目的在于提供一种可用于扩展车载毫米波雷达速度测量范围的方法,通过发射一组交错时延调频波形,并在接收端通过信号处理算法消除目标的速度歧义,解决速度模糊问题,从而提高雷达的测速范围。
具体的,本发明提出了一种毫米波雷达解速度模糊方法,包括以下步骤:
包括以下步骤:
S1:在每个系统周期内发射一组交错时延的交错信号chirp波形,第一种发射波形记为A波,第二种发射波形记为B波;
S2:对雷达接收信号进行ADC采样,得到当前系统周期的ADC数据;根据A波和B波的发射顺序,对所有ADC数据进行重新整理,得到序列1和序列2对应的ADC数据;分别对序列1和序列2对应的ADC数据沿距离维进行点数为N1的加窗FFT处理,及沿速度维进行点数为N2的加窗FFT处理,得到二维FFT后的距离-多普勒二维矩阵数据,分别记为F1和F2;
S3:利用所述序列1和序列2对应的距离-多普勒二维矩阵数据进行目标检测处理,获取目标峰值所在的距离-多普勒单元,记为
Figure 708665DEST_PATH_IMAGE001
S4:根据目标峰值位置的检测结果,计算目标的模糊多普勒频率,记为
Figure 535806DEST_PATH_IMAGE002
S5:利用目标在两个距离-多普勒数据中的相位差解算不模糊速度。
其中,所述A波与所述B波的带宽,斜率和初始相位均相同;所述B波相对所述A波的初始发射时刻恒定相差T+a。
进一步的,所述序列1与序列2内均包含L个的chirp波形;所述序列1和序列2的chirp重复频率相等,记为
Figure 539535DEST_PATH_IMAGE003
其中,所述距离维和速度维的窗函数根据实际应用场景进行选取,所述窗函数至少为矩形窗,汉明窗,切比雪夫窗中的任一种窗函数。
进一步的,所述目标检测,还包括:若存在多个接收通道数据,则可以先对序列1或序列2对应的距离-多普勒二维矩阵数据进行数字波束形成处理后,再进行目标检测;或只选取其中一个接收通道的距离-多普勒二维矩阵数据进行目标检测;所述目标检测处理采用CA-CFAR检测或OS-CFAR检测。
所述计算目标的模糊多普勒频率,还包括:
Figure 311706DEST_PATH_IMAGE004
其中,
Figure 768095DEST_PATH_IMAGE002
为目标的模糊多普勒频率,
Figure 398928DEST_PATH_IMAGE005
为二维距离-多普勒谱中目标峰值对应的多普勒单元序号,
Figure 991583DEST_PATH_IMAGE006
为速度维FFT点数,
Figure 931726DEST_PATH_IMAGE003
为序列1和序列2的chirp重复频率。
所述S5还包括计算过程:
分别提取序列1和序列2对应的距离-多普勒二维矩阵数据中目标峰值处的信号,并提取相应的相位值,记为
Figure 875411DEST_PATH_IMAGE007
Figure 309935DEST_PATH_IMAGE008
Figure 22676DEST_PATH_IMAGE009
其中,
Figure 868141DEST_PATH_IMAGE010
Figure 299122DEST_PATH_IMAGE011
为遵循四舍五入原则的取整操作,
Figure 537337DEST_PATH_IMAGE012
为定义的残差量,
Figure 370164DEST_PATH_IMAGE013
为二维距离-多普勒谱中目标峰值对应的距离单元序号,
Figure 386530DEST_PATH_IMAGE005
为二维距离-多普勒谱中目标峰值对应的多普勒单元序号,
Figure 304807DEST_PATH_IMAGE014
为序列i对应的距离-多普勒二维矩阵数据中目标峰值所在距离-多普勒单元
Figure 81134DEST_PATH_IMAGE015
的相位值,
Figure 502888DEST_PATH_IMAGE002
为目标的模糊多普勒频率,
Figure 224244DEST_PATH_IMAGE016
为序列1的chirp时长,a为B波相对前一个A波的时延;
计算目标的多普勒不模糊数,
Figure 239604DEST_PATH_IMAGE017
计算目标的不模糊速度,
Figure 944255DEST_PATH_IMAGE018
其中,
Figure 610728DEST_PATH_IMAGE012
为权利要求7中计算得到的残差量,
Figure 375422DEST_PATH_IMAGE003
为序列1和序列2的chirp重复频率,
Figure 878079DEST_PATH_IMAGE016
为序列1的chirp重频周期,a为B波相对前一个A波的时延,
Figure 120841DEST_PATH_IMAGE019
分别为根据系统要求计算得到的多普勒不模糊数的最小和最大值,
Figure 641821DEST_PATH_IMAGE020
为雷达辐射电磁波的波长,
Figure 311837DEST_PATH_IMAGE002
为目标的模糊多普勒频率。
进一步的,将系统要求的测速范围记为
Figure 301790DEST_PATH_IMAGE021
,根据系统波形参数和测速范围要求计算目标多普勒不模糊数
Figure 82664DEST_PATH_IMAGE022
的取值范围
Figure 723730DEST_PATH_IMAGE023
进一步的,所述qmin,qmax采用以下公式计算:
Figure 564647DEST_PATH_IMAGE024
其中,
Figure 41896DEST_PATH_IMAGE025
Figure 626461DEST_PATH_IMAGE026
分别表示向下取整和向上取整,
Figure 124963DEST_PATH_IMAGE003
为序列1和序列2的chirp重复频率,
Figure 136781DEST_PATH_IMAGE020
为雷达辐射电磁波的波长。
综上所述,本发明提供一种毫米波雷达解速度模糊方法,通过在每个系统周期内发射一组交错时延的波形;在接收端分别对两种波形对应的接收信号进行二维FFT处理;并根据目标检测结果计算目标距离和模糊速度;然后利用目标在两个距离-多普勒数据中的相位差解算不模糊速度。本发明提出的交错时延波形易于实现,速度解算算法简单,占用的算力资源小;且可以在单个系统周期内获得目标的不模糊速度,极大扩展了雷达的测速范围。
附图说明
图1为本发明A波的波形示意图。
图2为本发明B波的波形示意图.
图3为本发明AB波交错时延发射波形示意图。
图4为本发明距离-速度二维FFT处理示意图。
图5为本发明本发明BA波交错时延发射波形示意图。
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方案,下面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,都属于本发明保护的范围。
本发明提出了一种毫米波雷达解速度模糊方法,包括以下步骤:
S1:在每个系统周期内发射一组交错时延的交错信号chirp波形,第一种发射波形记为A波,第二种发射波形记为B波;
如图1-2所示,分别为A波和B波的波形示意图。其中,A波与B波的带宽、斜率和初始相位均相同,唯一不同的是B波相对前一个A波的始终存在一个固定时延,记为a,即两个相邻发射波形的初始发射时刻恒定相差(T+a),其中T为A波的总时长,如图3所示为AB波交错时延发射波形示意图。
S2:对雷达接收信号进行ADC采样,得到当前系统周期的ADC数据;根据A波和B波的发射顺序,对所有ADC数据进行重新整理,得到序列1和序列2对应的ADC数据;分别对序列1和序列2对应的ADC数据沿距离维进行点数为N1的加窗FFT处理,及沿速度维进行点数为N2的加窗FFT处理,得到二维FFT后的距离-多普勒二维矩阵数据(如图4所示),分别记为F1和F2;
其中,在每个系统周期内,所有A波组成的调频序列记为序列1,所有B波组成的调频序列记为序列2,序列1与序列2内均包含L个的chirp波形,序列1和序列2的chirp重复频率相等,记为
Figure 835747DEST_PATH_IMAGE003
进一步的,所述距离维和速度维的窗函数根据实际应用场景进行选取,所述窗函数至少为矩形窗,汉明窗,切比雪夫窗中的任一种窗函数。
S3:利用所述序列1和序列2对应的距离-多普勒二维矩阵数据进行目标检测处理,获取目标峰值所在的距离-多普勒单元,记为
Figure 224003DEST_PATH_IMAGE001
其中,所述目标检测,还包括:若存在多个接收通道数据,则可以先对序列1或序列2对应的距离-多普勒二维矩阵数据进行数字波束形成处理后,再进行目标检测;或只选取其中一个接收通道的距离-多普勒二维矩阵数据进行目标检测;所述目标检测处理采用CA-CFAR检测或OS-CFAR检测。
S4:根据目标峰值位置的检测结果,计算目标的模糊多普勒频率,记为
Figure 574082DEST_PATH_IMAGE002
进一步的,所述计算目标的模糊多普勒频率,还包括:
Figure 756801DEST_PATH_IMAGE004
其中,
Figure 208642DEST_PATH_IMAGE002
为目标的模糊多普勒频率,
Figure 135010DEST_PATH_IMAGE005
为二维距离-多普勒谱中目标峰值对应的多普勒单元序号,
Figure 339595DEST_PATH_IMAGE006
为速度维FFT点数,
Figure 958795DEST_PATH_IMAGE003
为序列1和序列2的chirp重复频率。
S5:利用目标在两个距离-多普勒数据中的相位差解算不模糊速度。
具体的,所述S5还包括计算过程:
分别提取序列1和序列2对应的距离-多普勒二维矩阵数据中目标峰值处的信号,并提取相应的相位值,记为
Figure 897933DEST_PATH_IMAGE007
Figure 752625DEST_PATH_IMAGE008
Figure 687083DEST_PATH_IMAGE009
其中,
Figure 352551DEST_PATH_IMAGE010
Figure 638038DEST_PATH_IMAGE011
为遵循四舍五入原则的取整操作,
Figure 45491DEST_PATH_IMAGE012
为定义的残差量,
Figure 100035DEST_PATH_IMAGE013
为二维距离-多普勒谱中目标峰值对应的距离单元序号,
Figure 936404DEST_PATH_IMAGE027
为二维距离-多普勒谱中目标峰值对应的多普勒单元序号,
Figure 443608DEST_PATH_IMAGE014
为序列i对应的距离-多普勒二维矩阵数据中目标峰值所在距离-多普勒单元
Figure 640103DEST_PATH_IMAGE015
的相位值,
Figure 814733DEST_PATH_IMAGE028
为目标的模糊多普勒频率,
Figure 556424DEST_PATH_IMAGE016
为序列1的chirp时长,a为B波相对前一个A波的时延。
计算目标的多普勒不模糊数,
Figure 816504DEST_PATH_IMAGE017
计算目标的不模糊速度,
Figure 551111DEST_PATH_IMAGE018
其中,
Figure 580246DEST_PATH_IMAGE012
为权利要求7中计算得到的残差量,
Figure 492839DEST_PATH_IMAGE003
为序列1和序列2的chirp重复频率,
Figure 240215DEST_PATH_IMAGE016
为序列1的chirp重频周期,a为B波相对前一个A波的时延,
Figure 778512DEST_PATH_IMAGE019
分别为根据系统要求计算得到的多普勒不模糊数的最小和最大值,
Figure 662155DEST_PATH_IMAGE020
为雷达辐射电磁波的波长,
Figure 11228DEST_PATH_IMAGE028
为目标的模糊多普勒频率。
进一步的,将系统要求的测速范围记为
Figure 980321DEST_PATH_IMAGE021
,根据系统波形参数和测速范围要求计算目标多普勒不模糊数
Figure 59660DEST_PATH_IMAGE022
的取值范围
Figure 63388DEST_PATH_IMAGE023
.
则所述qmin,qmax采用以下公式计算:
Figure 317783DEST_PATH_IMAGE024
其中,
Figure 774172DEST_PATH_IMAGE025
Figure 654272DEST_PATH_IMAGE026
分别表示向下取整和向上取整,
Figure 512507DEST_PATH_IMAGE003
为序列1和序列2的chirp重复频率,
Figure 203382DEST_PATH_IMAGE020
为雷达辐射电磁波的波长。
如图5所示,本发明所述的毫米波雷达解速度模糊方法,还适用于所述A波和B波的发射顺序相反的场景,即BA波交错时延发射波时计算目标的不模糊速度值。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式,其描述较为具体和详细,但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是,对于本领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明构思的前提下,还可以做出若干变形和改进,这些都属于本发明的保护范围。因此,本发明专利的保护范围应以所附权利要求为主。

Claims (10)

1.一种毫米波雷达解速度模糊方法,其特征在于,包括以下步骤:
S1:在每个系统周期内发射一组交错时延的交错信号chirp波形,第一种发射波形记为A波,第二种发射波形记为B波;
S2:对雷达接收信号进行ADC采样,得到当前系统周期的ADC数据;根据A波和B波的发射顺序,对所有ADC数据进行重新整理,得到序列1和序列2对应的ADC数据;分别对序列1和序列2对应的ADC数据沿距离维进行点数为N1的加窗FFT处理,及沿速度维进行点数为N2的加窗FFT处理,得到二维FFT后的距离-多普勒二维矩阵数据,分别记为F1和F2;
S3:利用所述序列1和序列2对应的距离
Figure 386874DEST_PATH_IMAGE001
-多普勒二维矩阵数据进行目标检测处理,获取目标峰值所在的距离-多普勒单元,记为
Figure 86977DEST_PATH_IMAGE001
S4:根据目标峰值位置的检测结果,计算目标的模糊多普勒频率,记为
Figure 927282DEST_PATH_IMAGE002
S5:利用目标在两个距离-多普勒数据中的相位差解算不模糊速度。
2.根据权利要求1所述的毫米波雷达解速度模糊方法,其特征在于,所述A波与所述B波的带宽,斜率和初始相位均相同;所述B波相对所述A波的初始发射时刻恒定相差T+a。
3.根据权利要求1所述的毫米波雷达解速度模糊方法,其特征在于,所述序列1与序列2内均包含L个的chirp波形;所述序列1和序列2的chirp重复频率相等,记为
Figure 913692DEST_PATH_IMAGE003
4.根据权利要求1所述的毫米波雷达解速度模糊方法,其特征在于,所述距离维和速度维的窗函数根据实际应用场景进行选取,所述窗函数至少为矩形窗,汉明窗,切比雪夫窗中的任一种窗函数。
5.根据权利要求1所述的毫米波雷达解速度模糊方法,其特征在于,所述目标检测,还包括:若存在多个接收通道数据,则可以先对序列1或序列2对应的距离-多普勒二维矩阵数据进行数字波束形成处理后,再进行目标检测;或只选取其中一个接收通道的距离-多普勒二维矩阵数据进行目标检测;所述目标检测处理采用CA-CFAR检测或OS-CFAR检测。
6.根据权利要求1所述的毫米波雷达解速度模糊方法,其特征在于,所述计算目标的模糊多普勒频率,还包括:
Figure 485619DEST_PATH_IMAGE004
其中,
Figure 582888DEST_PATH_IMAGE005
为目标的模糊多普勒频率,
Figure 540349DEST_PATH_IMAGE006
为二维距离-多普勒谱中目标峰值对应的多普勒单元序号,
Figure 573027DEST_PATH_IMAGE007
为速度维FFT点数,
Figure 491304DEST_PATH_IMAGE003
为序列1和序列2的chirp重复频率。
7.根据权利要求1所述的毫米波雷达解速度模糊方法,其特征在于,所述S5还包括计算过程:
分别提取序列1和序列2对应的距离-多普勒二维矩阵数据中目标峰值处的信号,并提取相应的相位值,记为
Figure 251319DEST_PATH_IMAGE008
Figure 204231DEST_PATH_IMAGE009
Figure 407811DEST_PATH_IMAGE010
其中,
Figure 547805DEST_PATH_IMAGE011
Figure 377090DEST_PATH_IMAGE012
为遵循四舍五入原则的取整操作,
Figure 918929DEST_PATH_IMAGE013
为定义的残差量,
Figure 293410DEST_PATH_IMAGE014
为二维距离-多普勒谱中目标峰值对应的距离单元序号,
Figure 920700DEST_PATH_IMAGE006
为二维距离-多普勒谱中目标峰值对应的多普勒单元序号,
Figure 291026DEST_PATH_IMAGE015
为序列i对应的距离-多普勒二维矩阵数据中目标峰值所在距离-多普勒单元
Figure 828318DEST_PATH_IMAGE016
的相位值,
Figure 498334DEST_PATH_IMAGE002
为目标的模糊多普勒频率,
Figure 737554DEST_PATH_IMAGE017
为序列1的chirp时长,a为B波相对前一个A波的时延。
8.根据权利要求7所述的毫米波雷达解速度模糊方法,其特征在于,所述S5还包括计算过程:
计算目标的多普勒不模糊数,
Figure 518428DEST_PATH_IMAGE018
计算目标的不模糊速度,
Figure 910227DEST_PATH_IMAGE019
其中,
Figure 16723DEST_PATH_IMAGE013
为权利要求7中计算得到的残差量,
Figure 743239DEST_PATH_IMAGE003
为序列1和序列2的chirp重复频率,
Figure 327804DEST_PATH_IMAGE017
为序列1的chirp重频周期,a为B波相对前一个A波的时延,
Figure 574109DEST_PATH_IMAGE020
分别为根据系统要求计算得到的多普勒不模糊数的最小和最大值,
Figure 585927DEST_PATH_IMAGE021
为雷达辐射电磁波的波长,
Figure 534161DEST_PATH_IMAGE022
为目标的模糊多普勒频率。
9.根据权利要求8所述的毫米波雷达解速度模糊方法,其特征在于,将系统要求的测速范围记为
Figure 922417DEST_PATH_IMAGE023
,根据系统波形参数和测速范围要求计算目标多普勒不模糊数
Figure 23228DEST_PATH_IMAGE024
的取值范围
Figure 205948DEST_PATH_IMAGE025
10.根据权利要求9所述的毫米波雷达解速度模糊方法,其特征在于,所述qmin,qmax采用以下公式计算:
Figure 909986DEST_PATH_IMAGE026
其中,
Figure 836354DEST_PATH_IMAGE027
Figure 791671DEST_PATH_IMAGE028
分别表示向下取整和向上取整,
Figure 410871DEST_PATH_IMAGE003
为序列1和序列2的chirp重复频率,
Figure 333697DEST_PATH_IMAGE021
为雷达辐射电磁波的波长。
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