CN117554944A - 一种实现毫米波雷达高分辨高精度距离谱形成方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明属于雷达探测距离谱技术领域，公开了一种实现毫米波雷达高分辨高精度距离谱形成方法及系统，将发射波形对应的每组波形中相同编号的脉冲分辨提取出来，得到2组多脉冲回波数据；分别计算2组数据的二维FFT变换，得到2组距离‑多普勒矩阵F1和F2；由发射波形得到高分辨距离谱，利用目标速度在2组RD矩阵中导致的相位差，采样搜索法估计目标速度，从而得到目标距离的精确估计。本发明采用捷变频的发射波形，能够在不改变雷达最大测距范围的前提下，且不明显增加雷达运算量的情况下，极大地提高雷达距离分辨率和距离精度，得到雷达的高分辨高精度距离谱。

Description

一种实现毫米波雷达高分辨高精度距离谱形成方法及系统
技术领域
本发明属于雷达探测距离谱技术领域，尤其涉及一种实现毫米波雷达高分辨高精度距离谱形成方法及系统。
背景技术
毫米波雷达通过发射多个周期的频率调制连续波(FMCW，Frequency ModulationContinuous Wave)信号，每一个扫频周期为Tchirp，可以对于多目标场景中的每个目标同时进行距离和径向速度测量。
发射信号经目标反射得到回波信号，回波信号与发射信号进行混频后，可以得到包含fB基带信号，通过二维FFT处理可以得到距离差频信号频率fB和多普勒频率fD。目标距离R和目标速度V可以分别由式和式计算得到：
其中c表示光速，Tchirp表示重复周期，B表示信号带宽，λ表示波长。
距离分辨率公式：
车载毫米波雷达尤其是中远距离雷达一般探测距离为200-300米，其距离谱分辨率、距离谱精度通常比较低，其主要原因是当雷达处理资源一定的情况下，即采样率不变且采样时间T一定，则雷达最大回波频率fmax一定，此时雷达探测距离Rmax越远，则其信号带宽需要越小，如下式：
则根据距离分辨率公式，此时雷达距离分辨率越差。
现有技术得到高分辨距离谱的方法使提高信号带宽B。根据距离分辨率公式，要得到高分辨距离谱，最常用的方式是提高信号带宽，信号带宽每提高一倍，则距离分辨率增加一倍。
通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：雷达处理资源一定的情况下，即采样率不变且采样时间T一定，则雷达最大回波频率fmax一定，根据式当提高信号带宽后，最大探测距离随之下降。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种实现毫米波雷达高分辨高精度距离谱形成方法及系统。
本发明是这样实现的，一种实现毫米波雷达高分辨高精度距离谱形成方法，本发明通过发射多组捷变频波来实现
所述实现毫米波雷达高分辨高精度距离谱形成方法包括：发射n多组调频连续波波形,n为任意整数；每组波形由2个chirp组成，2个chirp的调制周期均为组内2个chirp波形参数完全相同，各组间的发射信号除起始频率以ΔF为步进依次递增外，其余参数完全相同。
进一步，在对各个chirp进行混频后得到基带信号后，所述实现毫米波雷达高分辨高精度距离谱形成方法具体包括以下步骤：
步骤一，将发射波形对应的每组波形中相同编号的脉冲分辨提取出来，得到2组多脉冲回波数据；
步骤二，分别计算2组数据的二维FFT变换，得到2组距离-多普勒矩阵F1和F2；
步骤三，由发射波形得到高分辨距离谱。
进一步，在上述发射波形前提下，对于在同一个ΔR范围内的多个目标，会在R-D矩阵的多个速度单元上得到区分，所述步骤三得到高分辨距离谱的方法包括：
当信号载频为f0时，通过在空间的双程传播，得到的相位可如下式计算：
其中c为光速，λ0为频率f0对应的波长；
同理，可以得到当下一个脉冲采用载频f0+Δf时，即增大频率后，得到的相位为：
当脉冲时间间隔为T时，在脉冲维进行FFT处理，连续的相位差产生了速度值：
上式中进行FFT处理时第一个起始脉冲是以f0开始的，若起始频率为fstart，则对应的速度值应为：
假设目标运动速度为v，则多普勒速度可以表示为：
当前波形体制下，多普勒分量中包含了目标速度分量和频移导致的距离分量，以上步骤完成了距离的高分辨。
进一步，准确测量目标距离的方法包括：对目标峰值a1、a2构成的目标向量A＝[a1,a2]补偿相位差向量后求和，当v＝vt时，求和得到最大值；
通过下式得到目标速度值vt：
得到vt后，可由多普勒速度式计算的目标距离ra：
进一步，当目标距离较大时，计算得到的是模糊后的目标距离，可以通过RD谱上的大致目标距离，进行距离解模糊运算，得到真实目标距离。
进一步，发射波形中，各组之间的频率变化是连续递进变化的，也可以采用不规律的变化，包括递减、非均匀变化。
进一步，每组包含2个波形，用于解出目标速度，得到目标的高精度距离，每组还可以包含2个以上的波形，同时各个波形的脉冲持续时间可以不相同。
本发明的另一目的在于提供一种实现毫米波雷达高分辨高精度距离谱形成方法的实现毫米波雷达高分辨高精度距离谱形成系统，包括：
多脉冲回波数据模块，用于提取发射波形对应的每组波形中相同编号的脉冲分辨，得到多脉冲回波数据；
距离-多普勒矩阵模块，用于计算多脉冲回波数据的二维FFT变换，得到距离-多普勒矩阵；
高分辨距离谱模块，用于由发射波形得到高分辨距离谱。
结合上述的技术方案和解决的技术问题，本发明所要保护的技术方案所具备的优点及积极效果为：
第一，本发明采用捷变频的发射波形，能够在不改变雷达最大测距范围的前提下，且不明显增加雷达运算量的情况下，极大地提高雷达距离分辨率和距离精度，得到雷达的高分辨高精度距离谱，其中，高分辨是通过频率捷变获得的，高精度是通过分离目标速度得到的。
本发明发射具有捷变频特征的调频连续波波形，各个脉冲之间具有连续的起始频率变化，使得原本无法分辨的多个范围内的目标在距离-多普勒矩阵上得到分辨。
本发明的每组波形中发射2个脉冲，经过2为FFT变换得到2个距离-多普勒矩阵，利用目标速度在2组RD矩阵中导致的相位差，采样搜索法估计目标速度，从而得到目标距离的精确估计。
第二，本发明的技术方案填补了国内外业内技术空白：本发明利用多组脉冲之间的相位差计算目标速度，从而解决了捷变频发射波形中，距离速度无法分离的问题，填补了国内外业内技术空白。
第三，使用多组调频连续波(FMCW)形成高分辨高精度距离谱的方法带来的显著技术进步主要包括以下几点：
1.高精度：这种方法通过对多组chirp进行混频和二维FFT处理，可以实现高精度的距离测量。这对于毫米波雷达应用非常重要，因为毫米波雷达的主要优势就是高精度和高分辨率。
2.高分辨率：通过使用多组调频连续波形，可以实现高分辨率的距离谱。这是因为每组波形中的chirp都可以提供独立的距离信息，通过整合这些信息，可以获得更高分辨率的距离谱。
3.多目标检测：这种方法通过对每组波形中相同编号的脉冲进行提取，可以实现对多个目标的同时检测。这对于毫米波雷达中的多目标跟踪和识别非常有用。
4.灵活性和可扩展性：这种方法的参数(如chirp的数量和参数)可以根据实际应用需求进行调整，提供了很大的灵活性。同时，随着计算能力的提高，可以处理更多的chirp，从而实现更高的精度和分辨率。
5.降低硬件要求：在某些实现方案中，如使用数字下变频技术，可以降低硬件的复杂性和成本，同时提高信号处理的速度。
因此，这种实现毫米波雷达高分辨高精度距离谱形成的方法为毫米波雷达的发展带来了显著的技术进步。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图做简单的介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例提供的发射波形序列图；
图2是本发明实施例提供的实现毫米波雷达高分辨高精度距离谱形成方法流程图；
图3是本发明实施例提供的(a)对于在同一个ΔR范围内的多个目标示意图，(b)相邻多目标在距离-多普勒谱上的映射图；
图4是本发明实施例提供的2组波形对应的距离-多普勒矩阵上的目标信息图；(a)距离-多普勒矩阵F1的目标信息，(b)距离-多普勒矩阵F2的目标信息；
图5是本发明实施例提供的实现毫米波雷达高分辨高精度距离谱形成系统结构图。
图6和图7为测试现有技术和本发明对目标的高分辨成像效果。现有技术效果如图6所示。本发明效果如图7所示。
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。
实施例1：
在实施这种毫米波雷达高分辨高精度距离谱形成方法的一个具体实例中，可以考虑采用以下步骤：
通过发射器发射多组调频连续波(Frequency-Modulated Continuous Wave,FMCW)波形，每组波形包含两个chirp，每个chirp的调制周期相同，且组内两个chirp的波形参数完全相同。各组之间的发射信号，除了起始频率以外，其余参数完全相同。
对于每一个chirp：1.通过混频器(Mixer)将射频信号混频为基带信号。
2.提取每组波形中相同编号的脉冲，得到两组多脉冲回波数据。
3.对这两组数据分别进行二维快速傅里叶变换(2D FFT)处理，得到两组距离-多普勒矩阵F1和F2。
4.根据发射波形得到高分辨距离谱。
实施例2：
在另一个实例中，可以采用相似的步骤，但是在混频之前使用数字下变频(Digital Down-Conversion,DDC)技术将射频信号转换为中频信号。这可以在某些情况下提高处理速度和减少硬件成本。
对于每一个chirp：
1.使用DDC技术将射频信号转换为中频信号。
2.通过混频器将中频信号混频为基带信号。
3.提取每组波形中相同编号的脉冲，得到两组多脉冲回波数据。
4.对这两组数据分别进行二维快速傅里叶变换(2D FFT)处理，得到两组距离-多普勒矩阵F1和F2。
5.根据发射波形得到高分辨距离谱。
在这两个例子中，都是通过对多组调频连续波进行处理，然后利用二维FFT得到高分辨的距离-多普勒矩阵，最后通过发射波形得到高分辨距离谱。这种方法可以实现毫米波雷达高分辨高精度距离谱的形成。
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种实现毫米波雷达高分辨高精度距离谱形成方法及系统。
如图1所示，本发明实施例提供的一种实现毫米波雷达高分辨高精度距离谱形成方法，所述实现毫米波雷达高分辨高精度距离谱形成方法包括：发射n多组调频连续波波形,n为任意整数；每组波形由2个chirp组成，2个chirp的调制周期均为组内2个chirp波形参数完全相同，各组间的发射信号除起始频率以ΔF为步进依次递增外，其余参数完全相同。
如图2所示，在对各个chirp进行混频后得到基带信号后，所述实现毫米波雷达高分辨高精度距离谱形成方法具体包括以下步骤：
S101，将发射波形对应的每组波形中相同编号的脉冲分辨提取出来，得到2组多脉冲回波数据；
S102，分别计算2组数据的二维FFT变换，得到2组距离-多普勒矩阵F1和F2；
S103，由发射波形得到高分辨距离谱。
如图3所示，在上述发射波形前提下，对于在同一个ΔR范围内的多个目标，会在R-D矩阵的多个速度单元上得到区分，所述S103得到高分辨距离谱的方法包括：
当信号载频为f0时，通过在空间的双程传播，得到的相位可计算如下式：
其中c为光速，λ0为频率f0对应的波长。
同理，可以得到当下一个脉冲采用载频f0+Δf时，即增大频率后，得到的相位为：
当脉冲时间间隔为T时，在脉冲维进行FFT处理，连续的相位差产生了速度值；
上式中进行FFT处理时第一个起始脉冲是以f0开始的，若起始频率为fstart，则对应的速度值应为：
假设目标运动速度为v，则多普勒速度可以表示为：
因此，当前波形体制下，多普勒分量中包含了目标速度分量和频移导致的距离分量，以上步骤完成了距离的高分辨。
由于同时包含目标速度和距分量，无法得到目标的准确距离，下面阐述如何准确测量目标距离ra。
进一步，准确测量目标距离ra的方法包括：
如图4所示，同一目标在2组距离-多普勒矩阵F1、F2中的位置是相同的，都是由目标距离ra和目标速度vt决定。但是，由于2组波形发射间隔时间为T，则2组目标点直接具有由目标运动速度vt导致的相位差
因此，对目标峰值a1、a2构成的目标向量A＝[a1,a2]补偿相位差向量后求和，当v＝vt时，求和得到最大值。因此，可以通过下式得到目标速度值vt：
得到vt后，可由多普勒速度式计算的目标距离ra：
进一步，当目标距离较大时，计算得到的是模糊后的目标距离，可以通过RD谱上的大致目标距离，进行距离解模糊运算，得到真实目标距离。
进一步，发射波形中，各组之间的频率变化是连续递进变化的，也可以采用不规律的变化，如递减、非均匀变化等方式。
进一步，每组包含2个波形，用于解出目标速度，得到目标的高精度距离。每组可以包含2个以上的波形，同时各个波形的脉冲持续时间可以不相同。
如图5所示，本发明实施例提供一种实现毫米波雷达高分辨高精度距离谱形成方法的实现毫米波雷达高分辨高精度距离谱形成系统，包括：
多脉冲回波数据模块，用于提取发射波形对应的每组波形中相同编号的脉冲分辨，得到多脉冲回波数据；
距离-多普勒矩阵模块，用于计算多脉冲回波数据的二维FFT变换，得到距离-多普勒矩阵；
高分辨距离谱模块，用于由发射波形得到高分辨距离谱。
依据本发明，进行车载毫米波雷达的波形设计，采用如图1所示的波形，接收到回波信号后，按照本发明提供的技术方案进行信号处理，最终可以分离目标的距离速度，得到高分辨距离谱。
对本发明所示的技术方案进行测试，测试场景如下图所示，选用2辆车作为被测目标，测试现有技术和本发明对目标的高分辨成像效果。
现有技术效果如图6所示。本发明效果如图7所示。圆圈内的目标为被测运动车辆目标，可以看到，利用本发明的技术方案，可以分离高分辨的动目标效果，达到成像效果。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，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，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种实现毫米波雷达高分辨高精度距离谱形成方法，其特征在于，所述实现毫米波雷达高分辨高精度距离谱形成方法包括：发射n多组调频连续波波形,n为任意整数；每组波形由2个chirp组成，2个chirp的调制周期均为组内2个chirp波形参数完全相同，各组间的发射信号除起始频率以ΔF为步进依次递增外，其余参数完全相同。
2.如权利要求1所述的实现毫米波雷达高分辨高精度距离谱形成方法，其特征在于，在对各个chirp进行混频后得到基带信号后，所述实现毫米波雷达高分辨高精度距离谱形成方法具体包括以下步骤：
步骤一，将发射波形对应的每组波形中相同编号的脉冲分辨提取出来，得到2组多脉冲回波数据；
步骤二，分别计算2组数据的二维FFT变换，得到2组距离-多普勒矩阵F1和F2；
步骤三，由发射波形得到高分辨距离谱。
3.如权利要求2所述的实现毫米波雷达高分辨高精度距离谱形成方法，其特征在于，在上述发射波形前提下，对于在同一个ΔR范围内的多个目标，会在R-D矩阵的多个速度单元上得到区分，所述步骤三得到高分辨距离谱的方法包括：
当信号载频为f0时，通过在空间的双程传播，得到的相位可如下式计算：
其中c为光速，λ0为频率f0对应的波长；
同理，可以得到当下一个脉冲采用载频f0+Δf时，即增大频率后，得到的相位为：
当脉冲时间间隔为T时，在脉冲维进行FFT处理，连续的相位差产生了速度值：
上式中进行FFT处理时第一个起始脉冲是以f0开始的，若起始频率为fstart，则对应的速度值应为：
假设目标运动速度为v，则多普勒速度可以表示为：
当前波形体制下，多普勒分量中包含了目标速度分量和频移导致的距离分量，以上步骤完成了距离的高分辨。
4.如权利要求1所述的实现毫米波雷达高分辨高精度距离谱形成方法，其特征在于，准确测量目标距离的方法包括：对目标峰值a1、a2构成的目标向量A＝[a1,a2]补偿相位差向量后求和，当v＝vt时，求和得到最大值；
通过下式得到目标速度值vt：
得到vt后，可由多普勒速度式计算的目标距离ra：
5.如权利要求4所述的实现毫米波雷达高分辨高精度距离谱形成方法，其特征在于，当目标距离较大时，计算得到的是模糊后的目标距离，可以通过RD谱上的大致目标距离，进行距离解模糊运算，得到真实目标距离。
6.如权利要求1所述的实现毫米波雷达高分辨高精度距离谱形成方法，其特征在于，发射波形中，各组之间的频率变化是连续递进变化的，也可以采用不规律的变化，包括递减、非均匀变化。
7.如权利要求1所述的实现毫米波雷达高分辨高精度距离谱形成方法，其特征在于，每组包含2个波形，用于解出目标速度，得到目标的高精度距离，每组还可以包含2个以上的波形，同时各个波形的脉冲持续时间可以不相同。
8.一种如权利要求1～7任一项所述的实现毫米波雷达高分辨高精度距离谱形成方法的实现毫米波雷达高分辨高精度距离谱形成系统，其特征在于，包括：
多脉冲回波数据模块，用于提取发射波形对应的每组波形中相同编号的脉冲分辨，得到多脉冲回波数据；
距离-多普勒矩阵模块，用于计算多脉冲回波数据的二维FFT变换，得到距离-多普勒矩阵；
高分辨距离谱模块，用于由发射波形得到高分辨距离谱。
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