一种基于步进频雷达的多运动目标信号处理方法

摘要

本发明提供一种基于步进频雷达的多运动目标信号处理方法，针对常规的FMCW雷达难以应用于多目标场合，而经典的SFCW雷达无法实现对运动目标探测的问题，本发明基于传统的SFCW波形，采用了独特的信号处理方案：首先，对接收机中频信号过采样。其次，对采样后数据进行了等间隔的抽取。最后，采用特有的计算方法，不仅可以同时获得目标的距离和速度信息，同样也避免了常规FMCW在多目标上、下扫频之间的配对难题，进而将该方法的应用扩展到了多目标场合，特别适用于智能交通、安全防护、汽车辅助安全驾驶等相关领域。

说明书

技术领域

本发明涉及运动目标信号探测领域，尤其涉及一种基于步进频雷达的多运动目标 信号处理方法。

背景技术

近年来，以近程目标探测为代表的雷达技术在民用领域应用的范围越来越广。例 如，在汽车安全辅助驾驶系统中，需要毫米波防撞雷达来对车辆的前、后向以及盲区和侧向 的车辆目标进行探测。在智能交通领域，微波测速雷达不仅可以用来测量车辆的速度，同时 还可以获得车道的车流量、占用率、甚至车辆的大小和尺寸等信息。在智能安防体系中，近 程雷达可应用于监狱、银行等关键场所，预见和防止非法行为的发生。

传统的近程雷达通常采用调频连续波（FMCW）的发射波形，通过发射三角波扫频信 号，并对接收到的回波信号进行差拍来完成对目标距离和速度参数信息的解算。其优点在 于发射波形易于产生，但其也存在一个严重的缺点，即只能适用于探测单一目标的场景。在 多目标场景中，三角波扫频信号在上扫频和下扫频之间的准确配对是一个技术难题。为此， 许多专家学者进行了相关研究，试图将其推广到多目标的场景中，并得到了相关成果。但这 些研究成果一来大都基于诸如系统不存在虚警和漏警的理想条件，在工程实践中很难达到 这种预期效果。二来为了解决多目标问题，其对应的发射波形和处理算法也都随之变得较 为复杂。

传统的频率步进连续波信号（SFCW）由一串载频线性跳变的雷达波形组成，通过对 回波的IFFT处理可获得距离高分辨率的效果。由于这种信号可以在获得距离高分辨率的同 时降低对数字信号处理机瞬时带宽的要求，因此受到了较为广泛的应用。SFCW技术广泛应 用于探地雷达中，它一般要求被观测目标相对雷达处于静止状态，否则将会出现由于相对 运动而形成的距离-速度耦合，从而无法准确获得目标的距离信息。因而，其一般不具备测 量运动目标速度的能力。一些专家学者针对此问题提出了相关解决方案，但存在计算量大、 复杂度高，不利于工程应用的特点。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于步进频雷达的多运动目标信号处理方法，针对常规 的FMCW雷达难以应用于多目标场合，而经典的SFCW雷达无法实现对运动目标探测的问题， 本发明基于传统的SFCW波形，采用了独特的信号处理方案：首先，对接收机中频信号过采 样。其次，对采样后数据进行了等间隔的抽取。最后，采用特有的计算方法，不仅可以同时获 得目标的距离和速度信息，同样也避免了常规FMCW在多目标上、下扫频之间的配对难题，进 而将该方法的应用扩展到了多目标场合，特别适用于智能交通、安全防护、汽车辅助安全驾 驶等相关领域。

本发明提供一种基于步进频雷达的多运动目标信号处理方法，处理方法包括发射 端和接收端，所述发射端通过雷达发射SFCW信号，发射端进行发射信号时，为发射初始频 率，代表步进频率间隔，代表每个频率的时间宽度，为步进频的频点个数，发射信 号总频带宽度，相参处理时间；所述接收端的处理步骤如下：

步骤一：雷达发射的信号经过目标反射形成回波，假设雷达工作场景中存在个目 标,对接收的回波进行下变频，得到中频信号；

步骤二：对中频信号进行采样，在每个频率的时间宽度内采个点，即采样频率 （），为采样时间，则中频信号总的采样点数为；

步骤三：将中频信号总共个采样点每个点为一组分成如下组：、 、……；

步骤四：依次选取步骤三中每个组内的第个采样点（），并将其构成序列 ，；

步骤五：对步骤四的序列进行点的FFT变换，并记变换后的信号为，其中 ；

步骤六：依次选取步骤三中每个组内的第个采样点（），并将其构成序 列，；

步骤七：对步骤六的序列进行点的FFT变换，并记变换后的信号为，其中 ；

步骤八：对由步骤五、步骤七得到的与利用恒虚警检测算法（CFAR）进行目 标检测，步骤一中已假设场景中存在个目标，将中这个目标经过CFAR后的位置 索引号分别记为、、…，将中这个目标经过CFAR后的位置索引号分别记为 、、…。通常，由于雷达中发射信号频率远远大于步进频频率间隔，所以目标 检测后出现在与中的索引号是相等的，即、、…总能成 立，于是在这里忽略、、…，将CFAR检测到的目标索引号统一记为、、…；

步骤九：计算在索引号处，信号与信号的相位差，计算公式如下：

其中，表示信号的虚部，表示信号实部，表示反正切；

步骤十：根据如下公式可计算得到位置索引处的目标距离和速度值：

其中,为发射信号波长,，为光速；

步骤十一：将位置索引号依次替换为、…、，重复步骤九至步骤十，可完成对场景 内设定的个目标同时的距离、速度解算，完成处理。

本发明的有益效果是：本发明在传统的SFCW雷达波形基础上提出一种全新的适用 于近程目标探测的雷达波形以及与之相对应的信号处理方法，可同时获得多个目标的距离 和速度信息。解决了传统的SFCW雷达不能对运动目标进行测量的问题，同时也避免了传统 的FMCW雷达在处理多目标时的难题，该发明在近程雷达探测中具有很高的应用价值，特别 适用于智能交通、安全防护、汽车辅助安全驾驶等相关领域。

附图说明

图1是本发明的雷达系统模型框图。

图2是本发明的雷达发射的SFCW发射波形。

图3是本发明的中频取样过程示意图。

图4是本发明的信号处理流程示意图。

具体实施方式

为了加深对本发明的理解，下面将结合实施例对本发明作进一步详述，该实施例 仅用于解释本发明，并不构成对本发明保护范围的限定。

实施例：

（1）发射端

步骤一、雷达发射图2所示的SFCW信号。其中，为发射初始频率，代表步进频率间 隔，代表每个频率的时间宽度，为步进频的频点个数，发射信号总频带宽度 ，相参处理时间。且对于常规雷达，一般都满足。

（2）接收端

步骤一、雷达发射的信号经过目标反射形成回波，假设雷达工作场景中存在个目 标,对接收的回波进行下变频，得到中频信号（雷达系统模型框图如图1）。

步骤二、对中频信号进行采样，在每个频率的时间宽度内采个点，即采样频率 （），为采样时间；则中频信号总的采样点数为。

步骤三、将中频信号总共个采样点每个点为一组分成如下组：、 、……。

步骤四、依次选取步骤三中每个组内的第个采样点（），并将其构成序 列，。具体过程见图3。

步骤五、对步骤四的序列进行点的FFT变换，并记变换后的信号为， 其中。

步骤六、依次选取步骤三中每个组内的第个采样点（），并将其构 成序列，。具体过程见图3。

步骤七、对步骤六的序列进行点的FFT变换，并记变换后的信号为， 其中。

步骤八、对由步骤五、步骤七得到的与利用恒虚警检测算法（CFAR）进 行目标检测。在本节的步骤一中已假设场景中存在个目标，不妨将中这个目标 经过CFAR后的位置索引号分别记为、、…，将中这个目标经过CFAR后的位 置索引号分别记为、、…；通常，由于雷达中发射信号频率远远大于步进频频率 间隔（通常至少在1000倍以上），所以目标检测后出现在与中的索引号是相 等的，即、、…总能成立，于是在这里忽略、、…，将CFAR检 测到的目标索引号统一记为、、…。

步骤九、计算在索引号处，信号与信号的相位差，计算公式如 下：

其中，表示信号的虚部，表示信号实部，表示反正切。

步骤十、根据如下公式可计算得到位置索引处的目标距离和速度值：

其中,为发射信号波长,，为光速。

步骤十一、将位置索引号依次替换为、…、，重复步骤九至步骤十，可完成对 场景内设定的个目标同时的距离、速度解算；具体的步骤示意图如图4所示。