CN114217301B - 一种高精度边坡监测雷达目标检测及测距方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高精度边坡监测雷达目标检测及测距方法，该方法将所述边坡反射的接收信号输入混频器，所述混频器的输出端连接低通滤波器的输入端，所述低通滤波器的输出端连接A/D采样模块的输入端，对于所述A/D采样模块的输出端的数字信号，先利用全相位FFT算法无泄漏地得到信号频谱，通过二级检测算法准确地检测出频谱峰点，并在频谱峰点附近运用CZT算法进行频谱细化，以测出波峰频点的高精确值，根据线性调频连续波差频信号频率与距离的关系，可由波峰频点的精确值求得目标距离。本发明的方法能避免镜频干扰，优化频率估计，降低目标检测的虚警概率，提高近距离边坡雷达的测量精度，并且降低系统复杂度和硬件成本。

Description

一种高精度边坡监测雷达目标检测及测距方法

技术领域

本发明属于雷达监测技术领域，特别是涉及一种高精度边坡监测雷达目标检测及测距方法。

背景技术

我国是地质灾害多发区域，据不完全统计，我国有地质灾害隐患点中，50％以上为滑坡隐患点。而边坡滑坡作为地质灾害的一种，具有形成缓慢、发生突然、破坏性强等特点，因此，造成群众对地质灾害滑坡监测手段预测困难。于是，高精度边坡监测雷达对于监测滑坡具有重要意义，因此，在国内地质灾害监测预防领域，该产品具有广阔的应用前景。

一般的边坡监测雷达采用线性调频连续波雷达进行测量，其线性调频连续波雷达收发同时进行，不存在近距盲距，适合于近距监测应用。线性调频连续波雷达接收机测距流程如图1所示：接收机接收到目标回波信号及噪声和杂波，与发射信号经混频器下变频，得到差频信号。差频信号经前置放大器把差频中的高频部分滤除后，与可变频本振经混频器下变频，通过调节可变频本振的频率，设计恰当的雷达监测带距离范围。中频放大器起距离选通作用。经过中频放大器后，距离范围之外的信号被滤除，进行零中频IQ处理，将信号分为两路信号I路和Q路进行数字化IQ解调，之后进行A/D(模数转换)采样，采样后进行FFT(快速傅里叶变换)处理得到信号频谱，取信号振幅平方输出，进行目标检测，设定阈值，若信号功率高于阈值，则判断为目标，信号功率低于阈值，则判断为噪声。此外，当测量值确定为目标回波时，还可根据频率与距离的关系，测算出目标距离。

图1的边坡雷达中，需要第二次混频及中频放大器来完成中频信号的处理，其根据选通的距离段设置本振信号的频率和中频放大器的带宽。当回波信号经过中频放大器之后，需要监测的距离段的距离范围外的信号则被滤除。如此降低了采样率，进行IQ解调后可以分成两路信号进行低采样，得到复信号，对复信号作快速傅里叶变换FFT，得到信号频谱，在频谱峰值出现的处，即可求得目标距离R的值。

由此可知，一般的线性调频连续波雷达中还需要对中频信号进行处理，导致系统复杂且硬件较多，还使用了数字化IQ解调，可能造成IQ两通道幅相不一致性，从而产生镜频干扰；另外，有限FFT变换会产生频谱泄露，对于高精度的边坡测距，FFT算法提取出的频率值容易偏离真实的频率值，会存在较大误差，造成较大虚警；此外，常规的恒虚警检测方式中需要对信号功率设定阈值进行目标检测，阈值需要根据每次测量的信杂比的改变而修改，导致边坡监测工作比较繁琐。

因此，急需设计一种高精度边坡监测雷达目标检测及测距方法，以完成更低成本和更高精度的边坡雷达监测工作。

发明内容

(一)要解决的技术问题

基于此，本发明公开了一种高精度边坡监测雷达目标检测及测距方法，该方法能避免镜频干扰，优化频率估计，降低目标检测的虚警率，提高近距离边坡雷达的测量精度，并且降低系统复杂度和硬件成本，并且还可以通过目标二级检测算法来避免频繁设置阈值。

(二)技术方案

本发明公开了一种高精度边坡监测雷达目标检测及测距方法，线性调频连续波雷达设置较大的脉冲宽度发射信号至边坡，并将所述边坡反射的接收信号输入混频器，所述混频器的输出端连接低通滤波器的输入端，所述低通滤波器的输出端连接A/D采样模块的输入端，对于所述A/D采样模块的输出端的数字信号，先利用全相位FFT算法无泄漏地得到信号频谱，通过二级检测算法准确地检测出频谱峰点，并在频谱峰点附近运用CZT算法进行频谱细化，以测出波峰频点的高精确值，根据差频信号频率与距离的关系，可由波峰频点的精确值求得目标距离。

进一步的，线性调频连续波雷达的发射信号表达式s(t)为：

其中t为起点的时间变量，T_p为脉冲重复周期，A₁表示发射信号幅值，f₀表示起始频率，B为信号带宽，

表示初始相位，c为光速；

设相对静止的目标的距离为R，则回波信号r(t)为

其中A₂为接收信号幅值，混频后得到的差频信号为：

经过所述低通滤波器后，滤除了高频部分，信号为：

经A/D采样模块的模数转换A/D采样后得：

其中k为采样点序号，Δt为采样点，ε(k)表示杂波和噪声信号的采样；

所述A/D采样模块输出的y_T(k)依次经过全相位FFT算法、谱分析目标检测和CZT频谱细化算法的处理后，确定频谱峰值出现在

处，由于

即可求得目标距离R的值为：

进一步的，所述线性调频连续波雷达设置在距离边坡的5km范围以内。

进一步的，为准确地找出所述波峰频点，对目标进行检测时采用了目标二级检测算法，所述目标二级检测算法包括：

第一级检测方法：设定阈值Flag1为一固定值，Flag1＞Ama，Ama为噪声幅度在一定时间内的归一化平均值。找出大于阈值Flag 1的信号点，且该点的信号幅值是邻域中的最大值。并进入第二级检测方法。

第二级检测方法：设定阈值为变动值Flag2，设滑动数目为N，Flag2为当前检测信号点周围N个数的信号幅值的平均，当第i个信号点的幅值大于阈值Flag2时，判定信号点i为波峰，并取i对应的频率f(i)作为目标检测的输出结果。进一步的，所述″当第i个信号点的幅值大于阈值Flag1，且是邻域中的最大值″具体包括：依次对所有的信号点i进行检测，即i从1循环到L，L表示信号长度；找到满足Sig(i)＞Flag1且Sig(i)＞Sig(i-1)且Sig(i)＞Sig(i+1)的i，则进入第二级检测，否则对i加1，以循环进行下一信号点i+1的判断，其中Sig表示信号幅值。

进一步的，第二级检测方法中具体包括：

Flag2＝sum(Sig(i-N/2：i与N/2-1))/N

sum表示相加，Sig(i-N/2：i+N/2-1)表示信号幅值从i-N/2点到i+N/2-1点，

若i＜N/2时，Flag2＝sum(Sig(i：i+N-1))/N；若i＞L-N/2时，Flag2＝sum(Sig(i-N+1∶i))/N，

若Sig(i)＞Flag2，则判定信号点i为波峰并取频率f(i)值作为输出，否则对i加1，以回到第一级检测方法中循环进行下一信号点i+1的判断。

进一步的，输出频率f(i)值后，判断i＝L是否成立，若否，则表明还有信号点未检测完毕，并对i加1，以回到第一级检测方法中循环进行下一信号点i+1的判断；若是，则表明信号长度内的信号点检测完毕，结束所述目标二级检测算法。

(三)有益效果

相对于现有技术，本发明具备如下的有益效果：

1、本发明的方法简化了线性调频连续波雷达接收机的结构，属于软硬件综合改进方法，雷达发射脉冲宽度较大的线性调频信号与接收信号在一次混频后通过一个低通滤波器后能直接降到中频，并进行A/D采样，配合全相位FFT算法和CZT算法综合进行频谱细化，使得系统在保证雷达满足边坡检测精度的同时，减少了第二混频器和中频放大器及数据采集通道的使用，采用了单通道接收机结构，从而降低了设备复杂度和成本。

2、此外，系统还消除了IQ通道幅相不一致性造成的镜频干扰，避免了镜频干扰对雷达监测精度的影响，通过全相位FFT和CZT频谱细化直接对低通滤波器的输出信号进行处理，获得了比FFT算法具有更好的抑制频谱泄露的性能，提高了雷达的测距精度。

3、本发明中还设计了目标二级检测算法，该算法可对信号幅值或功率设定阈值进行目标检测，能准确的找到信号波峰，降低虚警率。并且对信号功率设定的阈值无需根据每次测量的信杂比的改变而修改，避免了频繁设置阈值。

附图说明

通过参考附图会更加清楚的理解本发明的特征和优点，附图是示意性的而不应理解为对本发明进行任何限制，在附图中：

图1为现有技术中的线性调频连续波雷达接收机结构；

图2为本发明测距方法的线性调频连续波雷达的接收机结构；

图3为回波信号频率与发射信号的差频关系；

图4为本发明中目标二级检测算法流程图；

图5-图11依次为实施例1中的发射信号频谱图、回波信号频谱图、差频信号频谱图、低通滤波器输出信号频谱图、传统FFT与全相位FFT频谱对比图、目标一维距离像图、CZT频谱细化结果图；

图12-图18依次为实施例2中的发射信号频谱图、回波信号频谱图、差频信号频谱图、低通滤波器输出信号频谱图、采样输出信号频谱、目标一维距离像图、CZT频谱细化结果图。

图19-图25依次为实施例3中的发射信号频谱图、回波信号频谱图、差频信号频谱图、低通滤波器输出信号频谱图、传统FFT与全相位FFT频谱对比图、采样输出信号频谱图、目标一维距离像图。

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明进行清楚、完整地描述，同时也叙述了本发明技术方案解决的技术问题及有益效果，需要指出的是，所描述的实施例仅旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。

针对滑坡近距监测工作中应用于高精度边坡监测雷达接收机结构，本发明做了如下的改进：

如图2所示，在线性调频连续波雷达的接收机中，将边坡回射的接收信号输入混频器，混频器的输出端连接低通滤波器的输入端，低通滤波器的输出端连接A/D采样模块的输入端，对于A/D采样模块的输出端的数字信号，先利用全相位FFT算法(即全相位快速傅里叶变换算法)无泄漏地得到信号频谱，通过二级检测算法准确地检测出频谱峰值，并在频谱峰点附近运用CZT算法进行频谱细化(即线性调频Z变换算法)，以测出波峰频点的高精确值，根据差频信号频率与距离的关系，可由波峰频点的精确值求得目标距离。该方法能解决传统FFT固有的频谱泄露和相位测量精度不高的缺点，能降低目标检测中的虚警概率，在减少中频选通处理器件的同时，保证系统能够达到要求的边坡近距离监测的测量精度。

进一步的，图2中的接收机接收到目标回波信号及噪声和杂波，与发射信号经混频器下变频，得到差频信号。通过低通滤波器选出差频为(B/Tp)(2R/c)的正弦信号，这个将线性调频形式的回波信号变换为简单正弦形式信号的过程称为″去调频″(D-Chirp)处理。对该正弦信号的频率进行估计，就可以得到目标距离的估计值。需要指出的是，本发明针对的是雷达近距离的目标测量的边坡监测工作(尤其适合5km范围内的边坡高精度测量)，不需要再通过雷达监测的距离段进行中频选通。因为减少了对应的中频选通器件，故对边坡监测的发射信号设定了较大的脉冲宽度，即脉冲宽度要求在一定宽度以上，具体受到雷达波段频率的影响(例如在K波段f＝12GHZ时，脉冲宽度设置在毫米量级)，使接收信号与发射信号混频后可直接到中频段，所以设备上舍去了现有技术中的进一步混频及中频放大器部分，简化了流程，减少了设备量。经过低通滤波器的信号滤除了高频部分，用采样控制器进行A/D采样，采样后的信号经全相位FFT分析，避免频谱泄露，得到信号频谱。

如图2-3所示，以下将从信号的处理方式上进一步对图1的接收机的高精度边坡监测雷达目标检测及测距方法进行说明：

线性调频连续波发射信号表达式s(t)为：

其中t为起点的时间变量，T_p为脉冲重复周期，A₁表示发射信号幅值，f₀表示起始频率，B为信号带宽，

表示初始相位，c为光速；

设相对静止的目标的距离为R，则回波信号r(t)为

其中A₂为接收信号幅值，参见图3可知，混频后得到的差频信号为：

经过低通滤波器后，滤除了高频部分，信号为：

经A/D采样模块的模数转换A/D采样后得：

其中k为采样点序号，Δt为采样点，ε(k)表示杂波和噪声信号的采样；

A/D采样模块输出的y_T(k)依次经过全相位FFT算法、谱分析目标检测和CZT频谱细化算法的处理后，确定频谱峰值出现在

处，由于

即可求得目标距离R的值：

全相位FFT算法可以改善″频谱泄露″问题，优化频率估计，提高相位精度。针对FFT运算的局限性，抽样点必须均匀等间隔分布，这样可能造成选取的频谱波峰点有误差，且如果两个目标间隔很小，那么测出来的频谱值可能重叠一起，只显示一个波峰，图像上区分不了。而本发明对此采用CZT频谱细化算法，在经过全相位FFT计算后的信号频谱的波峰频点周围选取一段频点进行细化，可调节细化的点数和间隔，这样既可以测出波峰频点的准确值，提高测量精度，又可以分辨间隔非常小的两个目标，信号包络更加具体。

在另外一个实施例中，在进行谱分析目标检测时，为了准确地检测到信号峰值，提高信号的检测概率，降低频繁设置阈值的缺陷，本发明还进一步采用目标二级检测算法对信号进行目标检测：第一级，将各频点的幅值归一化，使得信号检测的阈值控制在一定范围，无需因为每次测量的信杂比值的改变而修改阈值，第二级，将阈值设定为动态值，设滑动个数，以各频点的滑动平均数作为阈值。之后进行CZT(线性调频Z变换)频谱细化，截取当前最高谱线的周边频段进行细化，选出此频段的最高谱线的频点作为结果，减小误差，提高测量精度。

所述目标二级检测算法，具体如图4所示；

第一级检测方法(固定值检测)：设定阈值Flag1为一固定值，Flag1＞Ama，Ama为噪声幅度在一定时间内的归一化平均值，检测出大于阈值Flag1的信号点，且该点是邻域中的最大值。即满足大于阈值Flag1的信号点的频谱值必须是邻域中的最大值。

进一步的，在第一级检测方法中，所述″检测出大于阈值Flag1的信号点，且该点是邻域中的最大值″具体包括：依次对所有的信号点i进行检测，找到满足Sig(i)＞Flag1且Sig(i)＞Sig(i-1)且Sig(i)＞Sig(i+1)的i时，则进入第二级检测，否则对i加1，以循环进行下一信号点i+1的判断，其中Sig表示信号幅值；

由于环境影响，每次测量的噪声和杂波强度不一样，信噪比和信杂比是在变化的，所以在信号作了傅里叶变换处理后，对得到的信号幅值进行归一化处理，便于更好地阈值检测。归一化处理后的回波信号幅值最大值为1，最小为0。那么阈值的设置在[01]之间，确定了范围，无需因为每次信噪比和信杂比的变化去调节。在试验前采集杂波噪声，设噪声幅度为am，求得一定时间内am进行归一化，取平均值，设为Ama，将阈值Flag1设定为大于Ama，还需设定满足阈值Flag1的信号点的频谱值必须是邻域中的最大值，即该点信号幅值大于前一点幅值且大于后一点信号幅值，以避免当有多个目标测量时，邻域的信号频谱值大于第二个目标信号的频谱，从而判别错误。

第二级检测方法(动态值检测)：将阈值设定为变动值Flag2，设滑动数目N，阈值Flag2为当前检测信号点周围N个数的信号幅值的平均，当信号点i的幅值大于阈值Flag2时，判定信号点i为波峰，并取i对应的频率f(i)作为目标检测的输出结果。

进一步的，第二级检测方法中，具体包括：

Flag2＝sum(Sig(i-N/2：i与N/2-1))/N

Sig表示信号幅值，sum表示相加，Sig(i-N/2：i+N/2-1)表示信号幅值从i-N/2点到i+N/2-1点，L表示信号长度；

若i＜N/2时，Flag2＝sum(Sig(i：i+N-1))/N；若i＞L-N/2时，Flag2＝sum(Sig(i-N+1：i))/N。

若Sig(i)＞Flag2，则判定信号点i为波峰并取f(i)值输出，否则对i加1，以回到第一级检测方法中循环进行下一信号点i+1的判断；

输出f(i)值时，还判断i＝L是否成立，若否，则表明还有频点未检测完毕，并对i加1，以回到第一级检测方法中循环进行下一信号点i+1的判断；若是，则表明信号长度内的信号点检测完毕，结束该目标二级检测算法。

第二级检测方法中，阈值随信号幅值的变动而变动，避免强目标旁瓣高于弱目标造成虚警，检测每个频点幅值与它周围各滑动频点幅值的平均数对比。

为了说明本发明目标检测及测距方法的优点，以下将以实施例1-3的实验来对本发明方法优点进行阐述：

实施例一：

以f₀＝12GHz，τ＝1ms(发射信号脉冲宽度)，B＝500MHz，测量目标在1678.9m时，按照本发明的方法进行仿真计算，各节点结果图如图5-图11所示，：

从图9可看出：传统的FFT因信号截断，导致的频谱泄露，而全相位FFT补充了断点数据，更好地保持了信号的连续性，从而有效地抑制频谱泄露。从图11可看出，经过CZT算法细化后地频谱包络更加具体，频谱分辨力增大，能够更好地找到频谱波峰点。

实施例二：

以f₀＝12GHz，B＝500MHz，τ＝1ms，测量目标在1200m、2738m时，各节点结果图如图12-图18所示，由FFT和CZT频谱细化图比较可知，经过频谱细化后，包络更加完整，输出的一维距离像作为测距目标结果输出。

此外，从图16的左图和右图分别采样后的信号频谱与图18的上图和下图对比，可以明显看出CZT频谱细化的效果，将两个频点周围进行了细化，呈现出明显包络，频率分辨力增加。

实施例三：

以f₀＝12GHz，B＝500MHz，测量目标在125.2m、1234.5m、2678.8m时，各节点结果图如图19-图25所示，检测算法循环每个频点的幅值，将作FFT后的回波信号幅值进行归一化，进一步控制阈值范围。

图20是回波信号频谱，为各目标回波信号相加。由于有3个目标，所以各频谱图上显示3个波峰频点。从图23对比图中可明显看出全相fft抑制了频谱泄露性能。图25目标一维距离像为最终结果输出。

由上述可知，本发明的目标检测及测距方法在满足5KM以内的边坡监测功能的同时，能减少一个低频放大及数据采集通道，降低了设备量，且避免了IQ通道幅相不一致性造成的镜频干扰，避免了镜频干扰对雷达监测精度的影响，全相位FFT算法比FFT算法具有更好的抑制频谱泄露的性能，CZT频谱细化，提高了雷达测量的精度。

最后说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (4)

1.一种高精度边坡监测雷达目标检测及测距方法，其特征在于，线性调频连续波雷达发射脉冲信号至边坡，将所述边坡反射的接收信号输入混频器，所述混频器的输出端连接低通滤波器的输入端，所述低通滤波器的输出端连接A/D采样模块的输入端，对于所述A/D采样模块的输出端的数字信号，先利用全相位FFT算法无泄漏地得到信号频谱，通过二级检测算法准确地检测出频谱峰点，并在频谱峰点附近运用CZT算法进行频谱细化，以测出波峰频点的高精确值，根据线性调频连续波差频信号频率与距离的关系，可由波峰频点的精确值求得目标距离；所述目标二级检测算法包括：

第一级检测方法：设定阈值Flag1为一固定值，Flag1＞Ama，Ama为噪声幅度在一定时间内的归一化平均值，找出大于阈值Flag1的信号点，且该点的信号幅值是邻域中的最大值，并进入第二级检测方法；具体包括：依次对所有的信号点进行检测，即i从1循环到L，L表示信号长度，找到满足Sig(i)>Flag1且Sig(i)>Sig(i-1)且Sig(i)>Sig(i+1)的i，则进入第二级检测，否则对i加1，以循环进行下一信号点i+1的判断，其中Sig表示信号幅值；

第二级检测方法：设定阈值为变动值Flag2，设滑动数目为N，Flag2为当前检测信号点周围N个数的信号幅值的平均，当第i个信号点的幅值大于阈值Flag2时，判定信号点i为波峰，并取i对应的频率f(i)作为目标检测的输出结果；第二级检测方法中具体包括：

Flag2＝sum(Sig(i-N/2：i+N/2-1))/N

sum表示相加，Sig(i-N/2：i+N/2-1)表示信号幅值从i-N/2点到i+N/2-1点；

若i＜N/2时，Flag2＝sum(Sig(i：i+N-1))/N；若i＞L-N/2时，Flag2＝sum(Sig(i-N+1：i))/N；

若Sig(i)>Flag2，则判定信号点i为波峰并取频率f(i)值作为输出，否则对i加1，以回到第一级检测方法中循环进行下一信号点i+1的判断。

2.根据权利要求1所述的高精度边坡监测雷达目标检测及测距方法，其特征在于，线性调频连续波雷达的发射信号表达式s(t)为：

其中t为起点的时间变量，T_p为脉冲重复周期，A₁表示发射信号幅值，f₀表示起始频率，B为信号带宽，

表示初始相位，c为光速；

设相对静止的目标的距离为R，则回波信号r(t)为

其中A₂为接收信号幅值，混频后得到的差频信号为：

经过所述低通滤波器后，滤除了高频部分，信号为：

经A/D采样模块的模数转换A/D采样后得：

其中k为采样点序号，Δt为采样点，ε(k)表示杂波和噪声信号的采样；

所述A/D采样模块输出的y_T(k)依次经过全相位FFT算法、谱分析目标检测和CZT频谱细化算法的处理后，确定频谱峰值出现在

处，由于

即可求得目标距离R的值为：

3.根据权利要求1所述的高精度边坡监测雷达目标检测及测距方法，其特征在于，所述线性调频连续波雷达设置在距离边坡的5km范围以内。

4.根据权利要求1所述的高精度边坡监测雷达目标检测及测距方法，其特征在于，输出频率f(i)值后，判断i＝L是否成立，若否，则表明还有信号点未检测完毕，并对i加1，以回到第一级检测方法中循环进行下一信号点i+1的判断；若是，则表明信号长度内的信号点检测完毕，结束所述目标二级检测算法。

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