蔣留兵，許騰飛，楊昌昱，韋洪浪，白云浩

(桂林電子科技大學(xué)信息與通信學(xué)院， 廣西桂林541004)

0 引言

線性調(diào)頻連續(xù)波(LFMCW)雷達具有結(jié)構(gòu)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(biāo)特性研究等領(lǐng)域［1］。在單目標(biāo)情況下傳統(tǒng)LFMCW雷達簡單可行，而多目標(biāo)環(huán)境下長常常由于錯誤的目標(biāo)配對導(dǎo)致虛假目標(biāo)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(biāo)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(yuǎn)處的建筑物等，這些都會對雷達系統(tǒng)形成干擾，導(dǎo)致雷達做出錯誤判斷。如何實現(xiàn)在復(fù)雜環(huán)境下的多目標(biāo)識別是制約其應(yīng)用和普及的關(guān)鍵問題。為了解決虛假目標(biāo)問題，國際上的學(xué)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(biāo)的方位角信息對于去除虛警是必不可少的;(2)設(shè)計出易于產(chǎn)生、抗干擾性能強的復(fù)雜雷達發(fā)射信號，配合以實時高效的信號處理和目標(biāo)檢測方法，以去除虛警。只有以上兩點緊密結(jié)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(diào)頻信號，配合以實時高效的信號處理算法以及目標(biāo)檢測算法，可有效剔除虛假目標(biāo)，提高了多目標(biāo)識別的準(zhǔn)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(diào)頻三角波波形如圖1所示。

圖1 線性調(diào)頻連續(xù)波信號的頻率和時間的關(guān)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(diào)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(shè)在t=0時刻有一個距離為R0、速度為v的點目標(biāo)正靠近雷達，則雷達的發(fā)射信號與目標(biāo)的反射信號的差即差拍信號表示為:

如果在單目標(biāo)環(huán)境下傳統(tǒng)LFMCW雷達完全可以完成目標(biāo)信息的探測與識別。但是在多目標(biāo)環(huán)境下，假設(shè)有n個目標(biāo)，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(biāo)，也就是說還有n2-n個虛假目標(biāo)，如何排除虛假目標(biāo)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(diào)頻斜率的信號組成。這里設(shè)置t1、t2的作用是留給系統(tǒng)足夠的時間進行信號調(diào)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(diào)頻信號波形

根據(jù)上面推導(dǎo)出的fbb、fab表達式，在T1調(diào)頻周期內(nèi)，上掃頻段第i個目標(biāo)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(biāo)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(biāo)距離和速度與調(diào)頻周期無關(guān)，而虛假目標(biāo)距離和速度計算值與調(diào)頻周期有關(guān)系。對于不同調(diào)頻周期T1和T2虛假目標(biāo)計算所得的目標(biāo)距離和速度值不同，真實目標(biāo)計算所得的目標(biāo)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(biāo)提供了理論依據(jù)。

3 算法設(shè)計

為排除虛假目標(biāo)，提高多目標(biāo)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(biāo)在上/下掃頻段得到的頻譜具有相同形狀特點實現(xiàn)目標(biāo)的配對。當(dāng)多個不同目標(biāo)回波信號具有相似幅度和頻譜形狀時，目標(biāo)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(biāo)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(zhǔn)則是回波的頻譜特征相同，但基于頻譜特征的多目標(biāo)配對存在難以消除的多義性，當(dāng)目標(biāo)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(biāo)的特征，導(dǎo)致多目標(biāo)配對失敗［5］。文獻［6］提出采用變周期LFMCW雷達排除虛假目標(biāo)，在理想環(huán)境下該方法非常有效，但是沒有考慮復(fù)雜環(huán)境下的多目標(biāo)識別問題。

綜合以上的多目標(biāo)識別方法，為了提高在復(fù)雜環(huán)境下多目標(biāo)識別的準(zhǔn)確度，同時考慮算法實現(xiàn)的復(fù)雜度。本文采用了改進型變周期LFMCW雷達進行目標(biāo)識別。先采用MTD抑制雜波，簡化目標(biāo)環(huán)境，并進行恒虛警處理。根據(jù)同一目標(biāo)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(biāo)進行分組，這樣可以減少后續(xù)目標(biāo)配對的復(fù)雜度。代入式(5)、式(6)計算目標(biāo)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(rèn)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(guān)于容差函數(shù)的建立，結(jié)合本文的特點，容差函數(shù)的推導(dǎo)過程如下:

如果計算出的v1k和v2k滿足式(14)，則認(rèn)為相等。

對于多普勒通道相同的目標(biāo)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(biāo)。

圖3為防撞雷達多目標(biāo)探測信號處理流程圖。

圖3 汽車防撞雷達多目標(biāo)探測信號處理流程圖

若發(fā)射調(diào)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(dāng)于完成了一次 MTD，并進行恒虛警檢測(CFAR)處理，簡化了目標(biāo)環(huán)境?；夭?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(biāo)。

4 硬件平臺結(jié)構(gòu)

圖4為汽車防撞雷達系統(tǒng)硬件平臺總體結(jié)構(gòu)。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(jié)構(gòu)

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(jié)構(gòu)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(zhuǎn)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(diào)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(jié)構(gòu)

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(biāo)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(biāo)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(biāo)進入容差函數(shù)計算后判斷為真實目標(biāo)，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(biāo)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(biāo)位置、虛假目標(biāo)位置和傳統(tǒng)LFMCW雷達采用MTD-頻域配對法所識別出的目標(biāo)位置圖。圖中的虛假目標(biāo)是經(jīng)過MTD、CFAR和多普勒通道判斷等處理后的識別結(jié)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(biāo)出現(xiàn)，而本文所采用的多目標(biāo)識別算法則剔除了虛假目標(biāo)，保留了真實目標(biāo)。

圖8 目標(biāo)位置對比圖

圖9 采用改進型變周期三角波調(diào)頻的上位機顯示

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

6 結(jié)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(biāo)識別方法的基礎(chǔ)上提出了一種改進型變周期LFMCW汽車防撞雷達多目標(biāo)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(fù)雜環(huán)境下，采用MTD結(jié)合CFAR簡化目標(biāo)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(biāo)的缺點，采用了可以去除虛假目標(biāo)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(jié)果表明:該方法可以有效排除虛假目標(biāo)保留真實目標(biāo)，能夠準(zhǔn)確的探測前方目標(biāo)車輛相對距離和速度信息。

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