CN115825884A - 一种fmcw雷达干扰检测和抑制方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种FMCW雷达干扰检测和抑制方法及系统，属于雷达信号处理领域。包括：将被干扰雷达接收到的干扰信号、目标的反射信号及被干扰雷达的发射信号进行混频；将混频信号采样之后，进行快时间维1DFFT处理，得到所述中频信号的1DFFT结果；在快时间维上，对所述1DFFT结果进行峰值检测和第一阈值选择，得到可疑目标矩阵；对所述可疑目标矩阵逐列检测，得到所述干扰信号的位置；依次遍历所述干扰信号的位置，重构时域干扰信号；在时域依次剔除各脉冲周期内的干扰信号，得到干扰抑制后的时域混频信号，将其进行2DFFT处理，以识别目标。本发明的干扰检测和抑制方法，能够降低FMCW雷达干扰检测和抑制的复杂度及硬件实现复杂度。

Description

一种FMCW雷达干扰检测和抑制方法及系统

技术领域

本发明属于雷达信号处理领域，更具体地，涉及一种FMCW雷达干扰检测和抑制方法及系统。

背景技术

调频连续波(Frequency Modulated Continuous Wave，FMCW)雷达由于其容易实现、结构相对简单、尺寸小、重量轻以及成本低等优点在许多领域都得到了广泛的应用。FMCW雷达识别目标主要通过目标反射回来的信号与发射信号之间的混频，根据混频后的中频信号来判断是否有目标存在。

随着雷达数量越来越多以及频谱资源的有限，雷达之间的相互干扰问题变得更加突出。当多个雷达在同一个频带内或者在同一频带的某一部分同时工作时，一个雷达的接收天线会接收到另一个雷达的发射信号，造成FMCW雷达间的相互干扰，若直接进行2DFFT处理，根据2DFFT结果进行目标检测，将会带来本地噪声增加或产生虚假目标等影响。

目前针对于解决调频连续波雷达干扰的方法主要可分为两种。一种是更改发射端的雷达工作方式或发射信号的样式，如双极性相位码、随机子带谱等，这些方法复杂度较高，难以实现；另一种方法是直接采用2DFFT的结果结合算法或策略，如快速正交匹配追踪算法、机器学习等，这些方法计算量大，硬件实现复杂度高。

发明内容

针对现有技术的缺陷和改进需求，本发明提供了一种FMCW雷达干扰检测和抑制方法及系统，其目的在于降低FMCW雷达干扰检测和抑制的复杂度及硬件实现复杂度。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种FMCW雷达干扰检测和抑制方法，包括：

步骤S1、将被干扰雷达接收到的干扰信号、目标的反射信号及被干扰雷达的发射信号进行混频，其中，所述干扰信号来自于干扰雷达的发射信号，且所述干扰雷达的发射信号与所述被干扰雷达的发射信号相同；

步骤S2、将混频信号采样后，进行快时间维1DFFT处理，得到所述混频信号的1DFFT结果；

步骤S3、在快时间维上，对所述1DFFT结果进行峰值检测和第一阈值选择，得到可疑目标矩阵；

步骤S4、对所述可疑目标矩阵逐列检测，得到所述干扰信号的位置。

进一步地，步骤S4中，若当前列上的目标数小于设定的第二阈值，判定所述当前列为干扰列，逐列检测后得到所述干扰信号的位置。

进一步地，针对所述可疑目标矩阵的当前列，在慢时间维上进行遍历求和得到所述当前列上的目标数。

进一步地，步骤S3中，所述可疑目标矩阵B(m,n′)为：

其中，当|X(m,n′)|满足如下条件时即为可疑目标：

式中，|X(m,n′)|为所述混频信号的1DFFT结果X(m,n′)的振幅，m＝0,1,…M-1,n’＝0,1,N-1，M×N为采样点数，G为第一阈值。

进一步地，步骤S1中，所述干扰信号为一个或多个，所述目标的反射信号为一个或多个。

进一步地，还包括：

步骤S5、依次遍历所述干扰信号的位置，根据所述干扰信号所在脉冲周期的快时间维1DFFT结果重构时域中的干扰信号；

步骤S6、在时域中依次剔除各脉冲周期内的干扰信号，得到干扰抑制后的混频信号。

进一步地，还包括：

步骤S7、将所述干扰抑制后的混频信号进行2DFFT处理，以识别目标。

按照本发明的第二方面，提供了一种FMCW雷达干扰检测和抑制系统，包括：

混频处理单元，用于将被干扰雷达接收到的干扰信号、目标的反射信号及被干扰雷达的发射信号进行混频，其中，所述干扰信号来自于干扰雷达的发射信号，且所述干扰雷达的发射信号与所述被干扰雷达的发射信号相同；

1DFFT处理单元，用于将混频信号采样后，进行快时间维1DFFT处理，得到所述混频信号的1DFFT结果；

可疑目标矩阵构建单元，用于在快时间维上，对所述1DFFT结果进行峰值检测和第一阈值选择，得到可疑目标矩阵；

干扰信号判断单元，用于对所述可疑目标矩阵逐列检测，得到所述干扰信号的位置。

进一步地，还包括：

干扰信号重构单元，用于依次遍历所述干扰信号的位置，根据所述干扰信号所在脉冲周期的快时间维1DFFT结果重构时域中的干扰信号；

时域混频信号重构单元，用于在时域中依次剔除各个脉冲周期内的干扰信号，得到干扰抑制后的混频信号。

按照本发明的第三方面，提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述程序被处理器执行时实现如第一方面任意一项所述的FMCW雷达干扰检测和抑制方法。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案，能够取得以下有益效果：

(1)本发明的干扰检测和抑制方法，创新性地直接对混频处理后信号进行快时间维1DFFT处理，利用干扰雷达的发射信号到达被干扰雷达的延时和时间漂移在脉冲周期间产生的差异，通过峰值检测和第一阈值选择，在快时间维上，对1DFFT结果检测得到可疑目标矩阵，对可疑目标矩阵进行逐列检测得到所有与被干扰雷达的发射信号相同的干扰雷达发射的信号，进而确定干扰信号的位置，本发明的这种检测方法无需更改雷达的工作方式，无需复杂的发射信号样式，更不需要再后续结合其它算法，大大降低了干扰检测的复杂度。

(2)本发明通过直接利用快时间维1DFFT结果获取干扰信号的时域参数实现干扰信号的时域重构，在时域中进行干扰抑制，降低了硬件实现复杂度。

总而言之，本发明创新性地利用了快时间维1DFFT结果，提供了一种简洁有效的干扰解决方案，利用重构的干扰信号在时域完成干扰抑制，降低了硬件实现复杂度，为FMCW雷达干扰检测和抑制提供了一种简易便捷的方法。

附图说明

图1是本发明实施例提供的FMCW雷达干扰检测流程图；

图2是本发明实施例提供的FMCW雷达干扰检测和抑制方法框图；

图3是本发明实施例提供的FMCW雷达干扰检测和抑制方法流程图；

图4是被干扰雷达发射信号和接收信号的示意图；

图5是被干扰雷达接收的干扰信号和目标信号的2DFFT结果图；

图6是被干扰雷达接收的干扰信号和目标信号的快时间维1DFFT结果图；

图7是被干扰雷达接收的干扰信号和目标信号的可疑目标检测结果图；

图8是抑制干扰后被干扰雷达接收信号的2DFFT结果图。

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。

在本发明中，本发明及附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。

如图1-图3所示，本发明提供的一种FMCW雷达干扰检测和抑制方法，主要包括如下步骤：

步骤S1、将被干扰雷达接收到的干扰信号、被干扰雷达的发射信号遇到目标的反射信号及被干扰雷达的发射信号进行混频处理，得到混频处理后的中频信号；其中，干扰信号来自于干扰雷达的发射信号，且该干扰雷达的发射信号与被干扰雷达的发射信号相同；

步骤S2、将混频处理后的中频信号经过ADC采样之后，进行快时间维1DFFT处理，得到该中频信号的1DFFT结果；

步骤S3、在快时间维上，对1DFFT结果进行峰值检测和第一阈值选择，得到可疑目标矩阵；

步骤S4、对可疑目标矩阵进行逐列检测，若当前列上的目标数小于设定的第二阈值，判定该列为干扰列，逐列检测后得到所有干扰信号的位置。

基于上述步骤S1-S4检测到所有干扰信号的位置后，进一步对干扰进行抑制，具体包括如下步骤S5-S6：

步骤S5、依次遍历所有干扰信号的位置，根据干扰信号所在脉冲周期的快时间维1DFFT结果重构时域中的干扰信号；

步骤S6、在时域中依次剔除各个脉冲周期内的干扰信号，得到干扰抑制后的时域混频信号。

基于上述对干扰抑制后的时域混频信号，再进行步骤S7，可以进行目标检测：

步骤S7、将时域混频信号进行2DFFT以识别目标信号。

一般情况下，一个雷达可能受到多个雷达的干扰。如果干扰雷达与被干扰雷达参数相同(即发射信号相同)时，干扰雷达信号与被干扰雷达发射信号的混频信号做2DFFT之后的检测结果与目标一致，产生虚假目标，难以区分真正的目标。本发明通过利用干扰雷达的发射信号到达被干扰雷达的时钟差以及时间漂移使得干扰雷达的发射信号和真实目标的反射信号在脉冲周期间产生差异进行干扰检测。

具体地，如图4所示，本实施例中，被干扰雷达A一帧发送128个信号重复周期T_c＝70μs的锯齿波信号，一个脉冲周期T_c＝70μs，一帧时间T_f＝50ms，干扰雷达B延迟时间τ＝2T_c＝140μs，时间漂移率Δt＝0.1μs/s。通过快时间维1DFFT结果获取干扰信号的时域参数(幅度、频率和相位)实现干扰信号的时域重构，然后在时域中进行干扰抑制。

步骤S1中，干扰雷达的发射信号至少为一个，目标的反射信号至少为一个，本实施例选择一个干扰信号s′_B(t)，该干扰信号来自于干扰雷达B的发射信号s_B(t)，以及两个目标的反射信号s′_A1(t)、s′_A2(t)，将s′_A1(t)、s′_A2(t)、s′_B(t)及被干扰雷达A的发射信号s_A(t)混频处理，其中，干扰雷达B的发射信号s_B(t)与被干扰雷达A的发射信号s_A(t)相同。在本实施例中雷达一帧发送128个信号重复周期T_c＝70μs的锯齿波信号。

在实施例中，被干扰雷达A的发射信号在一个脉冲周期T_c内的表达式x_A(t)为

其中，f₀为被干扰雷达A发射信号的起始频率，本实施例为77GHz，S为调频信号的斜率(即调制斜率)，本实施例中为15MHz/μs，

为被干扰雷达A的起始相位，本实施例为0°。

故一帧内被干扰雷达A的发射信号的表达式s_A(t)为：

其中，M为一帧内的脉冲周期数，本实施例中为128，m为脉冲周期数。

被干扰雷达A的发射信号遇到目标以后反射信号s′_A(t)为

其中，真实目标的反射延迟

本实施例中选取了两个真实目标，真实目标1离被干扰雷达的距离R₁＝30m，速度V₁＝0m/s，真实目标2离被干扰雷达的距离R₂＝10m，速度V₂＝10m/s，光速c＝3×10⁸m/s，α为目标回波信号的衰减系数，本实施例中目标1的衰减系数α₁＝0.95，目标2的衰减系数α₂＝0.98，目标1的反射信号为s′_A1(t)，目标2的反射信号为s′_A2(t)。

干扰雷达B的发射信号和被干扰雷达A的发射信号相同，也即干扰雷达B的发射信号s_B(t)＝s_A(t)，考虑到干扰雷达B的发射信号到达被干扰雷达A时的延时和时间漂移，被干扰雷达A接收到的干扰雷达B的发射信号s′_B(t)为

其中，τ_B为干扰雷达B的固定延迟，本实施例中τ_B＝2T_C，T′_C为s_B(t)到达被干扰雷达A产生时间漂移后的脉冲周期时间，本实施例中T′_c＝T_c(1+mΔt)，Δt为时间漂移率，本实施例中选取Δt＝0.1μs/s，

为干扰雷达B的起始相位，本实施例为0°，β为干扰雷达信号的衰减系数，本实施例β＝0.97。

同时考虑两个真实目标的反射信号s′_A1(t)、s′_A2(t)以及干扰目标，即被干扰雷达A接收到的干扰雷达的发射信号s′_B(t)，被干扰雷达A接收到的中频可表示为：

x(t)＝s_A(t)(s′_A1(t)+s′_A2(t)+s′_B(t))^*0≤t＜T_f (5)

其中*表示共轭。

直接将混频后的信号进行2DFFT处理，其2DFFT结果如图5所示。在图5的2DFFT结果中我们可以看到干扰信号与目标的回波信号表现形式几乎一致，对于目标检测来说，这样的虚假目标极其容易被判定为目标，危害极大。

具体地，步骤S2中，将混频处理后的中频信号x(t)经过ADC采样之后进行快时间维1DFFT处理，得到中频信号x(t)对应的1DFFT结果X(m,n′)；

在中频信号中添加高斯白噪声来模拟环境噪声，然后将含有环境噪声的中频信号在[0,MT_C]的时间范围内以f_s＝10MHz为采样率进行采样，可得M×N个采样点，这里N＝256，于是可得采样的信号为x(m,n)，其中m＝0,1,…M-1,n＝0,1,…N-1。

将x(m,n)做快时间维1DFFT，快时间维1DFFT结果X(m,n′)表达式如下所示：

其中m＝0,1,...M-1,n′＝0,1,...N-1。

快时间维1DFFT结果如图6所示，可以看出索引为27、40和78处存在疑似目标信号。

具体地，步骤S3中，将快时间维1DFFT结果通过峰值检测和第一阈值选择，得到可疑目标矩阵，也即能够表征真实目标的反射信号s_A′₁(t)、s_A′₂(t)以及被干扰雷达A接收到的干扰雷达的发射信号s′_B(t)的可疑目标矩阵B(m,n′)。

经过快时间维1DFFT得到频域信号中混杂着噪声和可疑目标，为了将环境噪声与可疑目标进行分离，在每个脉冲周期中搜索目标，对于m＝0,1,…M-1,n’＝0,1,N-1，若满足式(7)，则表示|X(m,n′)|存在着一个可疑目标：

其中，|X(m,n′)|为中频信号的1DFFT结果X(m,n′)的振幅，G为目标检测的第一阈值，本实施例中G＝40dB。

于是可以定义由目标的反射信号和干扰信号构成的可疑目标矩阵B(m,n′)如下：

本实施例中二值检测结果如图7所示，可以看到索引为27，78处的可疑目标表现为一条笔直的直线，索引为40处的可疑目标表现近似为一条直线。

具体地，步骤S4中，对可疑目标矩阵进行逐列检测，针对当前列，若检测到该列上目标数小于设定的第二阈值K，则判定该列为干扰列，否则为真实目标列，逐列检测后得到所有干扰列，进而得到所有干扰目标的位置；

本实施例中，对B(m,n′)的每一列，在慢时间维上，进行遍历求和得到该列对应的目标数，即n′＝0,1...N-1，若满足式(9)，则该列存在干扰目标，否则该列存在真实目标。

其中K＝Mα，α为置信水平，本实施例中选取98％，故可得K＝125。

根据目标矩阵B(m,n′)，即可以获取干扰列中所有干扰点的具体位置，也就得到了所有干扰点的具体位置。

通过上述步骤检测到干扰点的所有位置后，进一步对干扰点进行抑制，进而检测目标信号，具体地，步骤S5中，依次遍历所有干扰点，根据干扰点所在脉冲周期的快时间1DFFT结果重构时域中的干扰信号x_i(m₀,n)；

本实施例中，利用干扰点和其左右两点所在脉冲周期的快时间维1DFFT结果进行干扰频率f_i重构，假设干扰点的索引为(m₀,n′₀)，本实施例中n′₀＝40，f_i表达式如式(10)所示：

其中，Δn₀′为索引偏差，表达式如式(11)所示：

干扰信号的幅度A_i和相位

分别根据表达式(12)和表达式(13)可以得到：

其中，Arg表示复数的幅角。

根据频率f_i、幅度A_i和相位

重构出该采样点在其脉冲周期内所对应的干扰信号x_i(m₀,n)，表达式为：

具体地，步骤S6中，在时域中依次剔除各个脉冲周期内的干扰信号；

通过步骤S5，可以得到所有干扰点在其脉冲周期内所对应的干扰信号x_i(m₀,n)。根据干扰信号所在的脉冲周期分别剔除相应的干扰信号，得到抑制干扰后的时域混频信号x′(m,n)，x′(m,n)表达式为：

其中m＝0,1...M-1,n＝0,1...N-1，m₀为干扰列的慢时间维索引号。

具体地，步骤S7中，将抑制干扰后的时域混频信号进行2DFFT得到2D结果以识别真实目标。

将干扰抑制后的时域混频信号x′(m,n)经进行2DFFT得到2DFFT结果X′(m′,n′)，2DFFT公式如下：

其中m′＝0,1,...M-1，n′＝0,1,...N-1。

2DFFT具体结果如图8所示。与图5进行对比，从图8中可以看出第40个采样点处的干扰信号已经被抑制，也即干扰雷达的发射信号s′_B(t)已被抑制，第27和78个采样点处的目标信号被保存了下来，在后续的目标检测时就不会受到该干扰信号的影响，抑制干扰信号的目标达成。

本发明还提供了一种FMCW雷达干扰检测和抑制系统以实现上述FMCW雷达干扰检测和抑制方法的步骤，具体包括：

混频处理单元，用于将被干扰雷达接收到的干扰信号、目标的反射信号及被干扰雷达的发射信号进行混频，得到混频信号，其中，干扰信号来自于干扰雷达的发射信号，且干扰雷达的发射信号与被干扰雷达的发射信号相同；

1DFFT处理单元，用于将混频信号采样之后，进行快时间维1DFFT处理，得到混频信号的1DFFT结果；

可疑目标矩阵构建单元，用于在快时间维上，对1DFFT结果进行峰值检测和第一阈值选择，得到可疑目标矩阵；

干扰信号判断单元，用于对可疑目标矩阵逐列检测，得到干扰信号的位置。

具体地，干扰信号判断单元对可疑目标矩阵进行逐列检测，若当前列上的目标数小于设定的第二阈值，判定该列为干扰列，逐列检测后得到所有干扰信号的位置。

检测到所有干扰信号的位置后，还包括：

干扰信号重构单元，用于依次遍历干扰信号的位置，根据干扰信号所在脉冲周期的快时间维1DFFT结果重构时域中的干扰信号；

时域混频信号重构单元，用于在时域中依次剔除各个脉冲周期内的干扰信号，得到干扰抑制后的时域混频信号。

还包括目标识别单元，用于将时域混频信号进行2DFFT以识别目标信号。

本发明还提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，程序被处理器执行时实现如上述的FMCW雷达干扰检测和抑制方法的步骤。

本发明的干扰检测和抑制方法，创新性地直接对混频处理后信号进行快时间维1DFFT处理，利用干扰雷达的发射信号到达被干扰雷达的延时和时间漂移在脉冲周期间产生的差异，通过峰值检测和第一阈值选择，在快时间维上，对1DFFT结果检测，得到能够表征目标的反射信号和干扰信号的可疑目标矩阵，对可疑目标矩阵进行逐列检测得到所有与被干扰雷达的发射信号相同的干扰雷达发射的信号，进而确定干扰信号的位置，本发明的这种检测方法无需更改雷达的工作方式，无需复杂的发射信号样式，更不需要再后续结合其它算法，大大降低了干扰检测的复杂度。

同时，通过直接利用快时间维1DFFT结果获取干扰信号的时域参数实现干扰信号的时域重构，在时域中进行干扰抑制，降低了硬件实现复杂度。

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。

Claims (10)

1.一种FMCW雷达干扰检测和抑制方法，其特征在于，包括：

步骤S1、将被干扰雷达接收到的干扰信号、目标的反射信号及被干扰雷达的发射信号进行混频，其中，所述干扰信号来自于干扰雷达的发射信号，且所述干扰雷达的发射信号与所述被干扰雷达的发射信号相同；

步骤S2、将混频信号采样后，进行快时间维1DFFT处理，得到所述混频信号的1DFFT结果；

步骤S3、在快时间维上，对所述1DFFT结果进行峰值检测和第一阈值选择，得到可疑目标矩阵；

步骤S4、对所述可疑目标矩阵逐列检测，得到所述干扰信号的位置。

2.根据权利要求1所述的FMCW雷达干扰检测和抑制方法，其特征在于，步骤S4中，若当前列上的目标数小于设定的第二阈值，判定所述当前列为干扰列，逐列检测后得到所述干扰信号的位置。

3.根据权利要求2所述的FMCW雷达干扰检测和抑制方法，其特征在于，针对所述可疑目标矩阵的当前列，在慢时间维上进行遍历求和得到所述当前列上的目标数。

4.根据权利要求1所述的FMCW雷达干扰检测和抑制方法，其特征在于，步骤S3中，所述可疑目标矩阵B(m,n′)为：

其中，当|X(m,n′)|满足如下条件时即为可疑目标：

式中，|X(m,n′)|为所述混频信号的1DFFT结果X(m,n′)的振幅，m＝0,1,…M-1,n’＝0,1,N-1，M×N为采样点数，G为第一阈值。

5.根据权利要求1所述的FMCW雷达干扰检测和抑制方法，其特征在于，步骤S1中，所述干扰信号为一个或多个，所述目标的反射信号为一个或多个。

6.根据权利要求1-5任意一项所述的FMCW雷达干扰检测和抑制方法，其特征在于，还包括：

步骤S5、依次遍历所述干扰信号的位置，根据所述干扰信号所在脉冲周期的快时间维1DFFT结果重构时域中的干扰信号；

步骤S6、在时域中依次剔除各脉冲周期内的干扰信号，得到干扰抑制后的混频信号。

7.根据权利要求6所述的FMCW雷达干扰检测和抑制方法，其特征在于，还包括：

步骤S7、将所述干扰抑制后的混频信号进行2DFFT处理，以识别目标。

8.一种FMCW雷达干扰检测和抑制系统，其特征在于，包括：

混频处理单元，用于将被干扰雷达接收到的干扰信号、目标的反射信号及被干扰雷达的发射信号进行混频，其中，所述干扰信号来自于干扰雷达的发射信号，且所述干扰雷达的发射信号与所述被干扰雷达的发射信号相同；

1DFFT处理单元，用于将混频信号采样后，进行快时间维1DFFT处理，得到所述混频信号的1DFFT结果；

可疑目标矩阵构建单元，用于在快时间维上，对所述1DFFT结果进行峰值检测和第一阈值选择，得到可疑目标矩阵；

干扰信号判断单元，用于对所述可疑目标矩阵逐列检测，得到所述干扰信号的位置。

9.根据权利要求8所述的FMCW雷达干扰检测和抑制系统，其特征在于，还包括：

干扰信号重构单元，用于依次遍历所述干扰信号的位置，根据所述干扰信号所在脉冲周期的快时间维1DFFT结果重构时域中的干扰信号；

时域混频信号重构单元，用于在时域中依次剔除各个脉冲周期内的干扰信号，得到干扰抑制后的混频信号。

10.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述程序被处理器执行时实现如权利要求1-7任意一项所述的FMCW雷达干扰检测和抑制方法。

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