一種汽車防撞雷達多目標識別方法

蔣留兵，許騰飛，楊昌昱，韋洪浪，白云浩

(桂林電子科技大學信息與通信學院， 廣西桂林541004)

0 引言

線性調頻連續(xù)波(LFMCW)雷達具有結構簡單、體積小、重量輕和良好的低截獲概率性能等特點，特別適用于雷達成像、目標特性研究等領域［1］。在單目標情況下傳統(tǒng)LFMCW雷達簡單可行，而多目標環(huán)境下長常常由于錯誤的目標配對導致虛假目標的出現(xiàn)。

在雷達接收機產(chǎn)生的雷達中頻信號中，不僅含有目標的回波信號，還含有雷達噪聲信號和干擾信號，如鄰近車道上的車輛、車道間的護攔 、路旁的樹木以及空中和遠處的建筑物等，這些都會對雷達系統(tǒng)形成干擾，導致雷達做出錯誤判斷。如何實現(xiàn)在復雜環(huán)境下的多目標識別是制約其應用和普及的關鍵問題。為了解決虛假目標問題，國際上的學者通過大量的實驗研究，已經(jīng)逐漸達成共識，即:(1)要求防撞雷達必須具備測角能力，目標的方位角信息對于去除虛警是必不可少的;(2)設計出易于產(chǎn)生、抗干擾性能強的復雜雷達發(fā)射信號，配合以實時高效的信號處理和目標檢測方法，以去除虛警。只有以上兩點緊密結合起來，才能保證汽車防撞雷達的工作可靠［2］。

本文采用一種抗干擾能力強的改進型變周期三角波調頻信號，配合以實時高效的信號處理算法以及目標檢測算法，可有效剔除虛假目標，提高了多目標識別的準確性。

1 傳統(tǒng)LFMCW防撞雷達原理和存在的問題

傳統(tǒng)LFMCW雷達調頻三角波波形如圖1所示。

圖1 線性調頻連續(xù)波信號的頻率和時間的關系

第n+1個周期的發(fā)射信號上掃頻段可表示為

上面兩式忽略了發(fā)射信號的初相。B為調頻帶寬;f0為發(fā)射信號在t=nT時的瞬時頻率;A為發(fā)射信號的振幅;T為掃頻周期。

假設在t=0時刻有一個距離為R0、速度為v的點目標正靠近雷達，則雷達的發(fā)射信號與目標的反射信號的差即差拍信號表示為:

如果在單目標環(huán)境下傳統(tǒng)LFMCW雷達完全可以完成目標信息的探測與識別。但是在多目標環(huán)境下，假設有n個目標，那么對上掃頻的差拍信號進行頻譜分析可以得到n個譜峰，可分別表示為fa1，fa2，… ，fan，同理由下掃頻的差拍信號可以得到n個譜峰:fb1，fb2，…，fbn。因為不知道上、下掃頻譜峰的配對信息，所以共有n2種配對可能，其中只有n個真實目標，也就是說還有n2-n個虛假目標，如何排除虛假目標是我們需要面對的難題。

2 改進型變周期LFMCW防撞雷達

改進型變周期三角波波形如圖2所示。

一個周期發(fā)射信號由兩段具有相同帶寬不同調頻斜率的信號組成。這里設置t1、t2的作用是留給系統(tǒng)足夠的時間進行信號調制發(fā)射，也便于后續(xù)的信號處理。

圖2 改進型變周期三角波調頻信號波形

根據(jù)上面推導出的fbb、fab表達式，在T1調頻周期內(nèi)，上掃頻段第i個目標的頻譜峰值的頻率為

式中:i為整數(shù)，且 i∈［1，n］;同理下掃頻段第 j個目標的頻譜峰值頻率為

式中:j為整數(shù)，且 j∈［1，n］。將式(7)、式(8)代入式(5)、式(6)可得

由式(9)、式(10)可以看出，真實目標距離和速度與調頻周期無關，而虛假目標距離和速度計算值與調頻周期有關系。對于不同調頻周期T1和T2虛假目標計算所得的目標距離和速度值不同，真實目標計算所得的目標距離和速度值相同。這就為變周期LFMCW雷達可以排除虛假目標提供了理論依據(jù)。

3 算法設計

為排除虛假目標，提高多目標識別能力，文獻［3］提出了頻域配對法，該方法是根據(jù)同一目標在上/下掃頻段得到的頻譜具有相同形狀特點實現(xiàn)目標的配對。當多個不同目標回波信號具有相似幅度和頻譜形狀時，目標配對就會出現(xiàn)問題。為了減少雜波干擾，文獻［4］提出了動目標檢測(MTD)-頻域配對法來實現(xiàn)配對。因為需要計算上/下掃頻段得到的頻譜峰值、寬度、信號能量以及頻譜的相似程度等，所以計算量很大。上述兩種方法配對的準則是回波的頻譜特征相同，但基于頻譜特征的多目標配對存在難以消除的多義性，當目標回波頻譜出現(xiàn)重疊時，提取的頻譜特征參數(shù)已不能反映目標的特征，導致多目標配對失敗［5］。文獻［6］提出采用變周期LFMCW雷達排除虛假目標，在理想環(huán)境下該方法非常有效，但是沒有考慮復雜環(huán)境下的多目標識別問題。

綜合以上的多目標識別方法，為了提高在復雜環(huán)境下多目標識別的準確度，同時考慮算法實現(xiàn)的復雜度。本文采用了改進型變周期LFMCW雷達進行目標識別。先采用MTD抑制雜波，簡化目標環(huán)境，并進行恒虛警處理。根據(jù)同一目標在上、下掃頻段的頻譜以實際位置為對稱軸的偏離，首先按多普勒通道是否相同對目標進行分組，這樣可以減少后續(xù)目標配對的復雜度。代入式(5)、式(6)計算目標的距離速度組合。

如果滿足一定誤差范圍內(nèi)的距離速度則認為距離速度相等。這里需要考慮容差函數(shù)的建立，根據(jù)文獻［7］中關于容差函數(shù)的建立，結合本文的特點，容差函數(shù)的推導過程如下:

如果計算出的v1k和v2k滿足式(14)，則認為相等。

對于多普勒通道相同的目標組合，先判斷速度是否滿足容差函數(shù)，若不滿足則可省略距離容差函數(shù)判斷，若滿足則接著判斷距離是否滿足容差函數(shù)，只有都滿足的情況下則能判斷為真實目標。

圖3為防撞雷達多目標探測信號處理流程圖。

圖3 汽車防撞雷達多目標探測信號處理流程圖

若發(fā)射調頻三角波周期為T1，則對采集的回波1的實部和虛部分別進行加窗處理，需要采集16個周期的回波1，對每個周期的回波數(shù)據(jù)先進行距離維FFT處理，然后進行速度維FFT處理?；夭?數(shù)據(jù)的實部、虛部進行上述處理后取模得到模糊多普勒頻率，這就相當于完成了一次 MTD，并進行恒虛警檢測(CFAR)處理，簡化了目標環(huán)境。回波2的處理過程和回波1基本相同，最后經(jīng)過容差函數(shù)判斷出真實目標。

4 硬件平臺結構

圖4為汽車防撞雷達系統(tǒng)硬件平臺總體結構。汽車防撞雷達系統(tǒng)硬件平臺包括射頻發(fā)射接收部分、數(shù)據(jù)處理部分和電源部分。

圖4 汽車防撞雷達系統(tǒng)硬件平臺總體結構

射頻發(fā)射接收部分包括雷達傳感器和中頻信號處理模塊。雷達傳感器是一種平面微帶結構的K波段帶VCO的雷達收發(fā)器。中頻信號處理模塊作用是放大接收的回波信號的功率，減小送入數(shù)據(jù)處理部分的信號動態(tài)范圍，包括頻域動態(tài)壓縮電路和中頻放大電路。

數(shù)據(jù)處理部分是系統(tǒng)的核心部分，包括模數(shù)、數(shù)模轉換模塊和中心控制處理模塊。

圖5為現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)中心控制模塊，包括調制信號產(chǎn)生子模塊、回波信號采集子模塊、算法子模塊以及控制子模塊。

圖5 FPGA中心控制模塊結構

5 實測數(shù)據(jù)分析

實驗環(huán)境為:將汽車防撞雷達系統(tǒng)固定在靜止的實驗平臺上，與前方3輛目標車進行實驗。本實驗所有數(shù)據(jù)均通過QuartusⅡ自帶的邏輯分析儀Signal Tap采集到的數(shù)據(jù)。

圖6～圖7為實測數(shù)據(jù)分析圖。在進行速度維FFT處理之前，16個周期信號進行了數(shù)據(jù)重組，故MTD后的圖為二維圖。

圖6 a)為回波1差拍信號MTD后的頻譜圖，圖6 b)為回波2差拍信號MTD后的頻譜圖。

圖6 回波信號經(jīng)過MTD處理后頻譜

圖7 a)為回波1差拍信號CFAR后的頻譜圖，圖7 b)為回波2差拍信號CFAR后的頻譜圖。

圖7 回波信號經(jīng)過CFAR處理后頻譜

經(jīng)過CFAR后，從圖7可以看出有兩個目標距離很接近而且都在一個多普勒速度通道內(nèi)(速度通道的計算是用頻點除以16，如果余數(shù)相等則為同一多普勒速度通道)。對于多普勒通道不同的那個目標進入容差函數(shù)計算后判斷為真實目標，距離3為88 m，速度3為3.7 m/s。多普勒通道相同的兩個目標有4種距離速度組合，經(jīng)過容差函數(shù)判斷后有兩個組合滿足容差函數(shù)，距離1為49.6 m，速度1為6.4 m/s，距離2為59.2 m，速度2 為6.4 m/s。

圖8為本文所采用的改進型變周期LFMCW所識別出的目標位置、虛假目標位置和傳統(tǒng)LFMCW雷達采用MTD-頻域配對法所識別出的目標位置圖。圖中的虛假目標是經(jīng)過MTD、CFAR和多普勒通道判斷等處理后的識別結果，實際上還會更多。從圖中對比可以發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)LFMCW有虛假目標出現(xiàn)，而本文所采用的多目標識別算法則剔除了虛假目標，保留了真實目標。

圖8 目標位置對比圖

圖9 采用改進型變周期三角波調頻的上位機顯示

實測數(shù)據(jù)分析和實驗結果表明，改進型變周期LFMCW多目標識別方法可以在復雜環(huán)境中保留真實目標，排除虛假目標，準確實現(xiàn)多目標的識別。

6 結束語

本文在分析了頻域配對法、MTD-頻域配對法和變周期LFMCW雷達等多目標識別方法的基礎上提出了一種改進型變周期LFMCW汽車防撞雷達多目標識別方法并在汽車防撞雷達硬件平臺上實現(xiàn)了該方法。該方法綜合了上述方法的優(yōu)點，在復雜環(huán)境下，采用MTD結合CFAR簡化目標環(huán)境，摒棄了頻域配對法的計算量大和容易出現(xiàn)虛假目標的缺點，采用了可以去除虛假目標的變周期LFMCW雷達，并對掃頻波形做了改進，采用了更容易實現(xiàn)的波形。實測數(shù)據(jù)分析和實驗結果表明:該方法可以有效排除虛假目標保留真實目標，能夠準確的探測前方目標車輛相對距離和速度信息。

［1］ 張立志，汪學剛，向敬成.LFM-CW雷達的MTI技術［J］. 電子科學學刊，2000，(1):118-123.Zhang Lizhi，Wang Xuegang，Xiang Jingcheng.MTI technique in LFMCW radar［J］.Journal of Electronics，2000，(1):118-123.

［2］ 張建輝，劉國歲，顧 紅，等.多斜率步進調頻連續(xù)波信號在汽車防撞雷達中的應用［J］.電子與信息學報，2002，24(2):232-237.Zhang Jianhui，Liu Guosui，Gu Hong，et al.Multi-slope stepped-FMCW waveform applied for automotive collision warning radar［J］.Journal of Electronics ＆ Information Technology，2002，24(2):232-237.

［3］ 史 林，張 琳.調頻連續(xù)波雷達頻譜配對信號處理方法［J］.西安電子科技大學學報，2003，30(4):534-538.Shi Lin，Zhang Lin.The signal processing based on the partner for frequency modulation continuous wave radar［J］.Journal of Xidian University，2003，30(4):534-538.

［4］ 楊建宇，凌太兵，賀 峻.LFMCW雷達運動目標檢測與距離速度去耦合［J］.電子信息學報，2004，26(2):169-173.Yang Jianyu，Ling Taibing，He Jun.MTD and range-velocity decoupling of LFMCW radar［J］.Journal of Electronics ＆Information Technology，2004，26(2):169-173.

［5］ 丁順寶，劉 明.一種LFMCW雷達多目標距離-速度配對新方法［J］. 現(xiàn)代雷達，2011，33(5):9-11，16.Ding Shunbao，Liu Ming.A new method of joint range-velocity paring for LFMCW radar multi-targets［J］.Modern Radar，2011，33(5):9-11，16.

［6］ 徐 濤，金昶明，孫曉瑋，等.一種采用變周期調頻連續(xù)波雷達的多目標識別方法［J］.電子學報，2002，30(6):861-863.Xu Tao，Jin Changming，Sun Xiaowei，et al.A novel method to identify multitarget by FMCW radar［J］.Acta Electronica Sinica，2002，30(6):861-863.

［7］ 吳 禮.近程毫米波LFMCW雷達多目標信號分析與處理方法研究［D］.南京:南京理工大學，2008.Wu Li.Research on multi-target signal analysis and processing method for short-range millimeter wave LFMCW radar［D］.Nanjing:Nanjing University of Science＆ Technology，2008.