CN115561728A

CN115561728A - 一种fmcw雷达的单帧速度解模糊方法和装置

Info

Publication number: CN115561728A
Application number: CN202211218799.2A
Authority: CN
Inventors: 徐争光; 陈雅玲
Original assignee: Huazhong University of Science and Technology
Current assignee: Huazhong University of Science and Technology
Priority date: 2022-10-07
Filing date: 2022-10-07
Publication date: 2023-01-03

Abstract

本发明公开了一种FMCW雷达的单帧速度解模糊方法和装置，属于雷达信号处理技术领域，所述方法包括：选取发射天线发射连续线性的调频信号；对接收到回波信号进行2DFFT处理计算出模糊速度估计值；对回波信号进行快速时间维1DFFT处理计算出多个距离估计值；将所有距离估计值进行线性拟合求出曲线斜率，即对应目标速度估计值；利用曲线斜率得到的目标速度估计值、2DFFT的处理得到的模糊速度估计值以及最大不模糊速度计算模糊倍数；利用模糊倍数、最大不模糊速度以及模糊速度估计值计算目标的真实速度，以实现速度解模糊。本发明利用了快时间维DFFT进行速度解模糊，无需更改雷达的工作方式，系统运算量小、计算复杂度低。

Description

一种FMCW雷达的单帧速度解模糊方法和装置

技术领域

本发明属于雷达信号处理技术领域，更具体地，涉及一种FMCW雷达的单帧速度解模糊方法和装置。

背景技术

线性调频连续波(Linear Frequency Modulated Continuous Wave,LFMCW)雷达以其体积小、重量轻、结构简单、分辨力高和无距离盲区等特点在近距离﹑高分辨场合得到越来越广泛的应用。LFMCW雷达系统中，发射波形大多采用多周期LFMCW信号，信号处理采用二维FFT，获得目标的距离速度谱。

速度模糊是指在脉冲多普勒雷达工作在中低重复频率(PRF)下，观测运动目标的多普勒响应超出一个PRF范围而产生模糊，利用模糊的多普勒解析的目标速度不正确，从而难以分辨目标真实速度的现象。

目前常用于线性调频连续波(FMCW)调制方式的速度解模糊方法较多。其中，关于多重频PRF解速度模糊的算法，都是根据发射多个互质的扫频频率线性调频波形，估计出多组距离、速度参数数据；然后根据孙子定理算法、CRT算法和聚类算法等进行匹配解模糊。还有一种速度解模糊算法是在原发射的调频信号的基础上，插入一个带时延的波形序列，通过得到的同一个目标的两个模糊速度估计值，进而解出目标的速度真值。在这过程中，多次估计速度、距离参数以及速度匹配导致系统运算量大，复杂度高。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了FMCW雷达的单帧速度解模糊方法和装置，其目的在于利用了快时间维FFT进行速度解模糊，无需更改雷达的工作方式，无需复杂的发射的调频信号样式，由此解决现有速度解模糊方法系统运算量大、计算复杂度高的技术问题。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种FMCW雷达的单帧速度解模糊方法，包括：

S1：选取发射天线发射连续线性的调频信号；

S2：对接收天线接收到回波信号进行2DFFT处理；所述回波信号为所述发射天线发出的调频信号经目标反射回来的信号，

S3：对2DFFT的处理结果进行目标检测并计算出模糊速度估计值V_a；

S4：对所述回波信号进行快速时间维1DFFT处理；采用提高距离维分辨率的方法保证一帧时间内所述目标运动的距离必须至少在快时间维1DFFT处理时存在一次变化；

S5：对1DFFT的处理结果进行目标检测，并计算出各个所述调频信号对应的距离估计值R_k；

S6：将所有所述距离估计值进行线性拟合，求出曲线斜率，即对应目标速度估计值V_r；

S7：利用所述曲线斜率得到的目标速度估计值V_r、2DFFT的处理得到的模糊速度估计值V_a以及最大不模糊速度V_max计算模糊倍数K；

S8：利用模糊倍数K、最大不模糊速度V_max以及模糊速度估计值V_a计算所述目标的真实速度，以实现速度解模糊。

在其中一个实施例中，所述S5包括：

对1DFFT的处理结果进行目标检测，得到所述目标在快时间维1DFFT结果中的位置J_k；

利用公式

根据所述位置J_k、距离分辨率

以及M值计算出每个调频信号对应的距离估计值R_k；c为光速，B为所述调频信号的带宽。

在其中一个实施例中，所述S6包括：利用最小二乘法对所有所述距离估计值进行线性拟合，得到拟合曲线的斜率即为目标速度估计值V_r。

在其中一个实施例中，利用最小二乘法求解目标速度估计值V_r的公式为：

其中，N表示每一帧发射的调频信号个数，

表示所述距离估计值R_k平均值，

表示时间t_k的平均值，t_k＝kT，k为序号，T为发射的调频信号的重复周期，

在其中一个实施例中，所述S7包括：

基于公式

利用所述目标速度估计值V_r、所述模糊速度估计值V_a和所述最大不模糊速度V_max计算模糊倍数K；

其中，

ΔV表示速度分辨率，

T表示发射的调频信号的重复周期，f₀为发射的调频信号的起始频率，N表示每一帧发射的调频信号个数，c为光速。

在其中一个实施例中，所述S8包括：

利用V＝V_a+2KV_max计算所述目标的真实速度V。

在其中一个实施例中，所述S4中采用补零法提高距离分辨率，将FFT的点数设为采样点数L的M倍，M的取值为正整数；且设置

以使一帧时间内所述目标运动的距离必须至少在快时间维1DFFT处理时存在一次变化；

其中，

c为光速，B为所述调频信号的带宽；N表示每一帧发射的调频信号个数，

f₀为发射的调频信号的起始频率。

按照本发明的另一方面，提供了一种FMCW雷达的单帧速度解模糊装置，包括：

天线选取模块，用于选取发射天线发射连续线性的调频信号；

2DFFT处理模块，用于对接收天线接收到回波信号进行2DFFT处理；所述回波信号为所述发射天线发出的调频信号经目标反射回来的信号，

第一计算模块，用于对2DFFT的处理结果进行目标检测并计算出模糊速度估计值V_a；

1DFFT处理模块，用于对所述回波信号进行快速时间维1DFFT处理；采用提高距离维分辨率的方法保证一帧时间内所述目标运动的距离必须至少在快时间维1DFFT处理时存在一次变化；

第二计算模块，用于对1DFFT的处理结果进行目标检测，并计算出各个所述调频信号对应的距离估计值R_k；

线性拟合模块，用于将所有所述距离估计值进行线性拟合，求出曲线斜率，即对应目标速度估计值V_r；

第三计算模块，用于利用所述曲线斜率得到的目标速度估计值V_r、2DFFT的处理得到的模糊速度估计值V_a和最大不模糊速度V_max计算模糊倍数K；

第四计算模块，用于利用模糊倍数K、最大不模糊速度V_max以及模糊速度估计值V_a计算所述目标的真实速度，以实现速度解模糊。

按照本发明的另一方面，提供了一种FMCW雷达系统，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述的方法的步骤。

按照本发明的另一方面，提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述的方法的步骤。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，本发明创新性地利用了快时间维FFT，提供了一种更加简洁有效的速度解模糊的方案，无需更改雷达的工作方式，无需复杂的发射的调频信号样式，仅通过后续处理，提取有效特征信息用于速度解模糊，降低了硬件实现复杂度，为整个系统的参数估计与进一步运作提供了可靠的保障。

附图说明

图1是线性调频连续波雷达系统的速度解模糊算法结构图；

图2是FMCW雷达锯齿波调制信号时频图；

图3是2DFFT处理后的多普勒-距离平面示意图；

图4是1DFFT处理后的距离维示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本发明提供了一种适用于线性调频连续波雷达系统的速度解模糊方法，如图1所示，包括以下步骤：

步骤S1、选取一根发射天线发射的连续线性调频信号作为后续步骤的处理信号；

常规的FMCW调制的毫米波雷达波形是由一连串相同的线性调频信号波形组成，如果是时分的多输入多输出的虚拟孔径模式(TDM-MIMO)，则是每一根发射天线依次发射相同的线性调频信号，循环多次。如图2所示，作为举例而非限制，在三根发射天线TX1、TX2、TX3中选取发射天线TX1发射的调频信号来实现步骤S1。容易理解的，在本方法的应用中也可以选取发射天线TX2或TX3发射的调频信号，还可以引入更多的发射天线，且依照多输入多输出的虚拟孔径模式。这样，一个周期的时间T为N_TXT_c，其中N_TX为发射天线的个数，T_c为单个线性调频信号的时长。举例来说，雷达一帧发射16个信号重复周期T为105us的锯齿波信号。

步骤S2、对接收天线接收到的经目标反射的所述发射天线的信号，进行2DFFT处理；

在一实施例中，将所接收的信号混频得到中频信号，中频信号经过ADC采样后再对该信号做2DFFT处理。

中频信号y(t)表达式如下：

t_k＝kT#(2)

其中，T为信号重复周期，举例来说，设为105us，f₀为发射的调频信号的起始频率，假设为77GHz，_s表示调频信号的斜率，假设为12*10¹³Hz/s，τ_k表示第k(0≤k≤15)个发射的调频信号所造成的时延，其表达式为：

接着中频信号经过ADC采样，设为采样频率f_s＝12.5MHz，采样点数L＝256。

步骤S3、对2DFFT的处理结果进行目标检测，得到目标在多普勒-距离的2DFFT结果中的位置，根据所述位置与速度分辨率计算出模糊速度估计值V_a；

V_a的表达式如下：

V_a＝IΔV#(4)

其中，I表示目标在多普勒-距离的2DFFT结果中的位置索引，如图3所示，ΔV表示速度分辨率，其表达式如下：

其中，T为信号重复周期，设为105us，f₀为发射的调频信号的起始频率，设为77GHz，N表示每一帧发射的调频信号个数，设N为16，c为光速。

步骤S4、对接收天线接收到的经目标反射的所述发射天线的信号，采用提高距离维分辨率的方法保证一帧时间内所述目标运动的距离必须至少在快时间维1DFFT处理时存在一次变化；

在其中一个实施例中，将所接收的信号混频得到中频信号，中频信号经过ADC采样后再对该信号做1DFFT处理，FFT的点数设为采样点数的M倍。M的取值需使得一帧时间内目标运动的距离必须至少在快时间维1DFFT处理时存在一次变化。需要说明的是，此处采用补零法提高距离分辨率，也可以采用其它提高距离分辨率的方法，如CZT变换等，但所选方法需使回波信号对应的采样点数保证一帧时间内目标运动的距离至少在快时间维1DFFT处理时存在一次变化。

步骤S5、对1DFFT的处理结果进行目标检测，得到目标在快时间维1DFFT结果中的位置，根据所述位置、距离分辨率以及M值计算出每个距离估计值R_k；

距离估计值R_k的表达式如下：

其中，J_k表示目标在快时间维1DFFT结果中的位置索引，如图4所示，ΔR表示距离分辨率，其表达式如下：

步骤S6、将所有得到的距离估计值进行线性拟合，求出曲线斜率即对应目标速度估计值V_r；

在其中一个实施例中得到16个距离估计值，利用最小二乘法进行线性拟合，得到拟合曲线的斜率即目标速度估计值V_r。

利用最小二乘法求解目标速度估计值V_r的公式如下：

其中，N表示每一帧发射的调频信号个数，举例来说，N为16，

表示所述距离估计值R_k平均值，

表示时间t_k的平均值：

步骤S7、在其中一个实施例中，将所述曲线斜率得到的目标速度估计值V_r减去步骤S3中所述由2DFFT计算出的模糊速度估计值V_a后，除以最大不模糊速度V_max(有正负)的两倍，并四舍五入取整，得到模糊倍数K，其表达式如下：

最大不模糊速度的表达式如下：

步骤S8、将模糊倍数K乘以最大不模糊速度V_max的两倍并加上步骤S3中所述由2DFFT计算出的模糊速度估计值V_a即可解速度模糊，得到目标的真实速度V，其表达式如下：

V＝V_a+2KV_max#(13)

以利用FFT的点数扩大来提高距离分辨率进行描述，M的取值不能太小，当目标真实速度恰好为最大不模糊速度V_max时，一帧时间内目标运动的距离必须至少在快时间维1DFFT处理时有一次变化，否则无法准确计算出目标速度，即M必须满足以下公式：

化简可得：

其中，举例来说，ΔR＝0.061m，N＝16，

同时M的取值为整数，计算可得M的最小取值为4。

在其中一个实施例中，目标初始距离设为0.15m，目标真实速度设为45m/s，M取小值4，最大不模糊速度V_max为9.276m/s，根据本方法计算出的模糊速度估计值V_a为8.117m/s，模糊倍数K为2，目标速度V为45.221m/s，与设置的目标真实速度相比误差很小，说明了该方法的正确性。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。