一种多目标雷达探测方法
【专利摘要】本发明公开了一种多目标雷达探测方法，包括：发射雷达电磁波，所述电磁波采用的调制信号是单频连续波CW信号和调频连续波FMCW三角波信号；通过反射回来的雷达电磁波得到接收信号；将接收信号与所述调制信号进行混频后得到中频信号；将所述中频信号进行正交解调后得到I/Q信号；对I/Q信号进行复数快速傅立叶变换FFT运算后进行的目标检测中，将根据CW信号检测出的各目标的速度信息，和，根据FMCW三角波信号检测出的各目标的距离信息和速度信息，进行匹配，得到最终的各目标的距离信息和速度信息。因此，采用本方案可以达到成本低、实现简单、可靠性高的目的。
【专利说明】
一种多目标雷达探测方法
技术领域
[0001 ]本发明涉及雷达技术领域，特别涉及一种多目标雷达探测方法。
【背景技术】
[0002] 传统的FMCW(Frequency Modulated Continuous Wave，调频连续波）体制雷达存 在着严重的距离和速度耦合，多目标环境下无法准确检测出每个目标的速度和距离信息。 现有的雷达多目标检测方案中，主要有以下两种：
[0003] 一种方案为:发射信号采用变周期的FMCW三角波调制信号和变调频斜率的FMCW三 角波调制信号，例如，图1为变调频斜率的FMCW三角波信号图，该方案中的变调频斜率的 FMCW三角波调制信号如图1所示。该方案算法较复杂，实现的条件较苛刻，要求每个调制信 号的上下频段都准确检测到目标信息，且最终测得的目标信息误差较大。实际上，不管是靠 近雷达的目标还是远离雷达的目标，回波信号中总有一个频段的信号不太理想，两种调制 信号共四个频段同时都检测到可靠的目标信息的概率不高，即使检测出来误差也较大。
[0004] 另一种方案为:雷达调制信号采用CW(Continuous Wave，单频连续波)和FMCW锯齿 波信号混频后的信号，在接收端对雷达回波信号采用二次混频技术得到所需要的中频信 号，处理中频信号时对I、Q信号分别进行FFT运算再进行目标检测，该方案成本高，算法复 杂，工程实现难度较大，且无法区分靠近和远离雷达的目标。
[0005] 因此，现有技术的不足在于:成本高、实现复杂、可靠性差。
【发明内容】
[0006] 本发明提供了一种多目标雷达探测方法，用以达到成本低、实现简单、可靠性高的 目的。
[0007] 本发明实施例中提供一种多目标雷达探测方法，包括：
[0008] 发射雷达电磁波，所述电磁波采用的调制信号是CW信号和FMCW三角波信号；
[0009] 通过反射回来的雷达电磁波得到接收信号；
[0010] 将接收信号与所述调制信号进行混频后得到中频信号；
[0011] 将所述中频信号进行正交解调后得到I/Q信号；
[0012] 对I/Q信号进行复数FFT(fast Fourier transform，快速傅立叶变换）运算后进行 的目标检测中，将根据CW信号检测出的各目标的速度信息，和，根据FMCW三角波信号检测出 的各目标的距离信息和速度信息，进行匹配，得到最终的各目标的距离信息和速度信息。
[0013] 较佳地，对I/Q信号进行复数FFT运算后进行的目标检测中，将根据CW信号检测出 的各目标的速度信息，和，根据FMCW三角波信号检测出的各目标的距离信息和速度信息，进 行匹配，得到最终的各目标的距离信息和速度信息，包括：
[0014] 分别对CW信号和FMCW三角波信号的I/Q信号进行复数FFT运算；
[0015] 对CW信号和FMCW三角波信号经过FFT后的信号分别进行CFAR检测和目标聚类，得 到两组目标的信息，其中，根据CW信号检测出的各目标的信息是速度信息，根据FMCW三角波 信号检测出的各目标的信息是距离信息和速度信息；
[0016]将得到的两组目标的信息进行匹配，得到一组目标的信息，其中，这组目标的信息 是最终的各目标的距离信息和速度信息。
[00?7]较佳地，在进行CFAR处理前，进一步包括：
[0018] 对经过复数FFT运算后的信号进行杂波抑制。
[0019] 较佳地，所述CFAR处理包括：
[0020] 利用CFAR检测器在被检测单元中取相隔一个保护单元的前后两个长度为η的滑窗 内的单元的信号；
[0021 ]将这两个单元的信号分别去掉部分极大值后取平均；
[0022]将取平均后的信号选大后乘以门限因子作为检测阈值；
[0023] 将被检测单元与检测阈值相比较后作为恒虚警输出。
[0024] 较佳地，所述CFAR处理为OS-CFAR处理。
[0025]较佳地，所述聚类处理为速度的偏移聚类处理。
[0026] 较佳地，在采用速度的偏移聚类处理时，一个窗口中至多选择一个目标进行处理。 [0027]较佳地，在采用速度的偏移聚类处理时，将窗口中的初始目标中幅值最大的目标 作为最终目标。
[0028I较佳地，在得到I/Q信号后，进行复数FFT运算前，进一步包括：
[0029] 将I/Q信号进行滤波，以及放大；
[0030] 对放大后的I/Q信号进行AD采集。
[0031]较佳地，所述电磁波采用的调制信号是先后发送的CW信号和FMCW三角波信号。 [0032]本发明有益效果如下：
[0033]在本发明实施例提供的技术方案中，直接发射调制信号为CW信号和FMCW三角波信 号的雷达电磁波，可以不用将调制信号进行混频后进行发射，实现简单;将反射回来的接收 信号与所述调制信号进行混频后得到中频信号，可以只需要进行一次混频就可以得到中频 信号，降低了成本，工程实现简单;对I/Q信号合起来进行复数FFT运算后进行目标检测，可 以不用对I、Q两路信号分别进行FFT运算再进行目标检测，实现简单，且可以区分靠近和远 离雷达的目标。将根据CW信号检测出的各目标的速度信息，和，根据FMCW三角波信号检测出 的各目标的距离信息和速度信息，进行匹配，测得的目标信息误差较小，因此，采用本方案 可以达到成本低、实现简单、可靠性高的目的。
【附图说明】
[0034] 此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发 明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
[0035] 图1为本发明【背景技术】中变调频斜率的FMCW三角波信号图；
[0036] 图2为本发明实施例中一种多目标雷达探测方法实施流程示意图；
[0037] 图3为本发明实施例中多目标雷达探测装置结构示意图；
[0038] 图4为本发明实施例中多目标雷达探测方法具体实施示意图；
[0039] 图5为本发明实施例中测量静止目标时中频信号频率与目标距离关系示意图；
[0040] 图6为本发明实施例中测量运动目标时中频信号频率与目标距离、速度关系示意 图；
[0041 ]图7为本发明实施例中CW+FMCW三角波调制信号图；
[0042]图8为本发明实施例中DSP信号处理模块实施流程示意图；
[0043]图9为本发明实施例中OS-CFAR检测器的原理图。
【具体实施方式】
[0044]下面结合附图对本发明的【具体实施方式】进行说明。
[0045]图2为雷达探测方法实施流程示意图，如图所示，可以包括如下步骤：
[0046]步骤201、发射雷达电磁波，所述电磁波采用的调制信号是CW信号和FMCW三角波信 号；
[0047]步骤202、通过反射回来的雷达电磁波得到接收信号；
[0048]步骤203、将接收信号与所述调制信号进行混频后得到中频信号；
[0049]步骤204、将所述中频信号进行正交解调后得到I/Q信号；
[0050]步骤205、对I/Q信号进行复数FFT运算后进行的目标检测中，将根据CW信号检测出 的各目标的速度信息，和，根据FMCW三角波信号检测出的各目标的距离信息和速度信息，进 行匹配，得到最终的各目标的距离信息和速度信息。
[0051 ]对于步骤201的实施，由于FMCW三角波雷达有大时宽带宽积，具有很高的距离分辨 力和测距精度，而且采用一定的调制方式可以同时进行距离和速度的测量，进而实现多目 标的检测。而CW雷达无法同时进行距离和速度的测量，所以本发明实施例中采用CW和FMCW 三角波信号先后发送的方式测得多目标的距离和速度。
[0052] 对于步骤204的实施，在进行正交解调时可以采用I/Q解调器，I/Q解调器可以由一 个90°分配器、两个混频器和一个0°合成器组成。在进行正交解调时本振信号从90°分配器 的合成端输入，射频信号从0°分配器的合成端输入，在两个混频器中向下变频，输出被解 码。在硬件上，只有一个I/Q信号，但发射的调制信号是先后发送CW+FMCW三角波调制信号， 所以接收信号中CW和FMCW三角波信号是先后接收到的，因此，先后发送CW+FMCW三角波调制 信号对应得到的I/Q信号体现在时间先后顺序上(两个时间点分别得到两个I/Q信号），而不 是硬件通道上。
[0053]对于步骤205的实施，雷达测速的原理就是通过检测运动目标的多普勒频率来进 行目标检测，因而雷达检测目标必须在频域检测，而雷达接收到的回波信号是在时域，所以 需要将时域信号转化为频域信号，而FFT处理可以将时域信号转化为频域信号。采用复数 FFT可以实现目标方向性检测，比如目标是靠近(来向）还是远离雷达(去向），如果采用实数 FFT就只能检测出目标速度的大小，不能区分目标的运动方向。
[0054]对I/Q信号进行复数FFT运算后进行的目标检测中，假设测量两个目标，根据FMCW 三角波信号得到两组目标的速度和距离信息(VI、R1、V2、R2与VI'、R1'、V2'、R2'），根据CW信 号得到一组目标的速度信息(V1、V2)，此时可以进行信息匹配，如例中所示，根据CW信号得 到的信息中并不包含VI'与V2'，因此可以匹配得到一组目标的速度和距离信息(V1、R1、V2、 R2 )，然后即可进行目标信息输出。
[0055]实施中，对I/Q信号进行复数FFT运算后进行的目标检测中，将根据CW信号检测出 的各目标的速度信息，和，根据FMCW三角波信号检测出的各目标的距离信息和速度信息，进 行匹配，得到最终的各目标的距离信息和速度信息，包括：
[0056]分别对CW信号和FMCW三角波信号的I/Q信号进行复数FFT运算；
[0057] 对CW信号和FMCW三角波信号经过FFT后的信号分别进行CFAR检测和目标聚类，得 到两组目标的信息，其中，根据CW信号检测出的各目标的信息是速度信息，根据FMCW三角波 信号检测出的各目标的信息是距离信息和速度信息；
[0058]将得到的两组目标的信息进行匹配，得到一组目标的信息，其中，这组目标的信息 是最终的各目标的距离信息和速度信息。
[0059] 具体的，在雷达自动检测中，CFAR(Constant False-Alarm Rate，恒虚警)检测不 受外界干扰强度变化的影响，能自动调整其灵敏度，使雷达的虚警概率保持不变。通过聚 类，区分目标，可以进行测距和测速，进而能够区分车道，并得到各个目标的速度。
[0060] 实施中，在进行CFAR处理前，进一步包括：
[0061 ]对经过复数FFT运算后的信号进行杂波抑制。
[0062]具体的，由于静止或低速杂波的频率均处在零频附近，而运动目标在频谱图上会 有一个频移，因而，将零频附近的值置〇,可以抑制静止和低速杂波，使得不影响到目标的检 测。
[0063] 实施中，所述CFAR处理包括：
[0064] 利用CFAR检测器在被检测单元中取相隔一个保护单元的前后两个长度为η的滑窗 内的单元的信号；
[0065] 将这两个单元的信号分别去掉部分极大值后取平均；
[0066] 将取平均后的信号选大后乘以门限因子作为检测阈值；
[0067] 将被检测单元与检测阈值相比较后作为恒虚警输出。
[0068] 具体的，检测器取相隔一个保护单元的前后两个长度为η的滑窗内的单元分别去 掉部分极大值再取平均，选大后乘以门限因子作为检测阈值，最后将被检测单元与检测阈 值相比较作为恒虚警输出。保护单元不参与背景估值，以防止被检测信号进入背景单元。
[0069] 实施中，所述CFAR处理为0S_CFAR(0rder Statistics Constant False-Alarm Rate，有序统计恒虚警率)处理。
[0070] 具体的，CFAR种类很多，但原理基本相同，不同的CFAR只是在检测阈值的选取上有 所区别。可以采用检测效果较好的OS-CFAR检测器。
[0071] 实施中，所述聚类处理为速度的偏移聚类处理。
[0072] 具体的，目前有两种聚类的算法，一种是采用能量的聚类，另外一种采用的是速度 的偏移。现采用后一种方式。通过聚类，区分目标，可以进行测距和测速，进而能够区分车 道，并得到各个目标的速度。
[0073] 实施中，在采用速度的偏移聚类处理时，一个窗口中至多选择一个目标进行处理。
[0074] 实施中，在采用速度的偏移聚类处理时，将窗口中的初始目标中幅值最大的目标 作为最终目标。
[0075] 具体的，在距离-速度关系图中，若一个比较小的窗内存在多个初始目标，意味着 这些初始目标的速度和距离比较接近。以防多拍，在一个小的窗内按最多一个目标的原则 来处理，在若干个初始目标中选取一个幅值最大的作为最终目标。当然，窗口大小的选取， 关系到检测精度和检测性能，要根据实际测试效果进行调整。
[0076]实施中，在得到I/Q彳目号后，进行复数FFT运算前，进一步包括：
[0077]将I/Q信号进行滤波，以及放大；
[0078]对放大后的I/Q信号进行AD采集。
[0079] 实施中，所述电磁波采用的调制信号是先后发送的CW信号和FMCW三角波信号。
[0080] 为了更清楚地理解本发明，下面以具体实施例进行说明。
[0081] 首先介绍本发明应用的装置的结构组成。
[0082] 图3为多目标雷达探测装置结构示意图，如图所示，装置中可以包括：发射天线 301、接收天线302、CW+FMCW三角波调制信号生成模块303、混频器304、正交解调模块305、滤 波放大模块306、AD采集模块307、DSP信号处理模块308以及目标输出模块309。
[0083] 下面对如何采用上述装置实施雷达探测方法进行具体说明。
[0084] 图4为雷达探测方法具体实施示意图，如图所示，可以包括如下步骤：
[0085] 步骤401、CW+FMCW三角波调制信号生成模块生成CW信号和FMCW三角波信号；
[0086]步骤402、发射天线发射雷达电磁波，雷达电磁波采用的调制信号是CW信号和FMCW 三角波信号；
[0087]步骤403、接收天线接收反射回来的电磁波，并根据电磁波得到接收信号；
[0088]步骤404、混频器将从CW+FMCW三角波调制信号生成模块直接耦合的信号与接收到 的信号进行混频，得到中频信号；
[0089]步骤405、正交解调模块将中频信号进行正交解调后得到I/Q信号；
[0090]步骤406、I/Q信号通过滤波放大模块和AD采集模块进行滤波放大和AD采集；
[0091] 步骤407、DSP信号处理模块将处理后的I/Q信号进行处理，并将处理后的信息送到 目标输出模块；
[0092]步骤408、目标输出模块进行目标输出。
[0093] 图5为测量静止目标时中频信号频率与目标距离关系示意图，当测量静止目标的 距离时，也即径向速度为0,可以根据图5得到中频与距离的关系
其中，fIF为中 频信号的频率，B为调制信号带宽，c为光速，R为目标距离，Tm为调制周期，根据步骤404中得 到的中频信号的数据就可以计算出目标的距离，从目标输出模块输出目标的距离信息。
[0094] 图6为测量运动目标时中频信号频率与目标距离、速度关系示意图，当测量运动目 标的速度和距离时，也即径向速度不为〇,可以根据图6得到距离和速度的表达式：
其中，R为目标距离，c为光速，Tm为调制周期，B为调制 信亏带苋，fb+为三角汲上频段友射信号频率与接收信号频率的差频，fb-为三角波下频段发 射信号频率与接收信号频率的差频，Vd为目标速度，λ为波长，根据步骤404中得到的中频信 号的数据就可以计算出目标的距离和速度，从目标输出模块输出目标的距离和速度信息。 [0095] 对于步骤40 2的实施，采用如图7所示的CW+FMCW三角波调制信号，由于FMCW三角波 雷达有大的时宽带宽积，具有很高的距离分辨力和测距精度，而且采用一定的调制方式可 以同时进行距离和速度的测量，进而实现多目标的检测;而单频连续波(CW)雷达，无法同时 进行距离和速度的测量，因而提出运用CW和FMCW三角波信号结合的方式测得多目标的距离 和速度。
[0096]下面对步骤407中DSP信号处理模块的工作原理进行具体说明。
[0097]图8为DSP信号处理模块实施流程示意图，如图所示，可以包括如下步骤：
[0098]步骤801、对AD采集模块采集到的I/Q信号进行复数FFT运算；
[0099]步骤802、对经过复数FFT运算后的信号进行杂波抑制；
[0100] 步骤803、0S-CFAR检测器对经过杂波抑制后的信号进行处理；
[0101]步骤804、采用速度的偏移聚类处理方式对目标进行检测；
[0102]步骤805、根据CW信号检测出的各目标的速度信息，根据FMCW三角波信号检测出的 各目标的距离信息和速度信息；
[0103]步骤806、对检测出的信息进行匹配，得到最终的目标的距离信息和速度信。
[0104]下面对步骤803中的OS-CFAR检测器的工作原理进行说明。
[0105] 图9为OS-CFAR检测器的原理图，如图所示，OS-CFAR检测器取相隔一个保护单元的 前后两个长度为η的滑窗内的单元，将这两个单元分别去掉部分极大值再取平均，选大后乘 以门限因子作为检测阈值，最后将被检测单元与检测阈值相比较作为恒虚警输出。保护单 元不参与背景估值，以防止被检测信号进入背景单元。
[0106] 综上所述，在本发明实施例提供的技术方案中，直接发射调制信号为CW信号和 FMCW三角波信号的雷达电磁波，可以不用将调制信号进行混频后进行发射，实现简单;将反 射回来的接收信号与所述调制信号进行混频后得到中频信号，可以只需要进行一次混频就 可以得到中频信号，降低了成本，工程实现简单;对I/Q信号合起来进行复数FFT运算后进行 目标检测，可以不用对I、Q两路信号分别进行FFT运算再进行目标检测，实现简单，且可以区 分靠近和远离雷达的目标。将根据CW信号检测出的各目标的速度信息，和，根据FMCW三角波 信号检测出的各目标的距离信息和速度信息，进行匹配，测得的目标信息误差较小，因此， 采用本方案可以达到成本低、实现简单、可靠性高的目的。
[0107] 显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精 神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围 之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
【主权项】
1. 一种多目标雷达探测方法，其特征在于，包括： 发射雷达电磁波，所述电磁波采用的调制信号是单频连续波CW信号和调频连续波FMCW 三角波信号； 通过反射回来的雷达电磁波得到接收信号； 将接收信号与所述调制信号进行混频后得到中频信号； 将所述中频信号进行正交解调后得到I/Q信号； 对I/Q信号进行复数快速傅立叶变换FFT运算后进行的目标检测中，将根据CW信号检测 出的各目标的速度信息，和，根据FMCW三角波信号检测出的各目标的距离信息和速度信息， 进行匹配，得到最终的各目标的距离信息和速度信息。2. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，对I/Q信号进行复数FFT运算后进行的目标 检测中，将根据CW信号检测出的各目标的速度信息，和，根据FMCW三角波信号检测出的各目 标的距离信息和速度信息，进行匹配，得到最终的各目标的距离信息和速度信息，包括： 分别对CW信号和FMCW三角波信号的I/Q信号进行复数FFT运算； 对CW信号和FMCW三角波信号经过FFT后的信号分别进行CFAR检测和目标聚类，得到两 组目标的信息，其中，根据CW信号检测出的各目标的信息是速度信息，根据FMCW三角波信号 检测出的各目标的信息是距离信息和速度信息； 将得到的两组目标的信息进行匹配，得到一组目标的信息，其中，这组目标的信息是最 终的各目标的距离信息和速度信息。3. 根据权利要求2所述的方法，其特征在于，在进行CFAR处理前，进一步包括： 对经过复数FFT运算后的信号进行杂波抑制。4. 根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述CFAR处理包括： 利用CFAR检测器在被检测单元中取相隔一个保护单元的前后两个长度为η的滑窗内的 单元的信号； 将这两个单元的信号分别去掉部分极大值后取平均； 将取平均后的信号选大后乘以门限因子作为检测阈值； 将被检测单元与检测阈值相比较后作为恒虚警输出。5. 根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述CFAR处理为OS-CFAR处理。6. 根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述聚类处理为速度的偏移聚类处理。7. 根据权利要求6所述的方法，其特征在于，在采用速度的偏移聚类处理时，一个窗口 中至多选择一个目标进行处理。8. 根据权利要求6所述的方法，其特征在于，在采用速度的偏移聚类处理时，将窗口中 的初始目标中幅值最大的目标作为最终目标。9. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在得到I/Q信号后，进行复数FFT运算前，进 一步包括： 将I/Q信号进行滤波，以及放大； 对放大后的I/Q信号进行AD采集。10. 根据权利要求1至9任一所述的方法，其特征在于，所述电磁波采用的调制信号是先 后发送的CW信号和FMCW三角波信号。
【文档编号】G01S13/58GK105842685SQ201610157958
【公开日】2016年8月10日
【申请日】2016年3月18日
【发明人】李巧艳, 郑皓洲, 黄超, 孙文峰
【申请人】浙江大华技术股份有限公司