一种基于峰值比较的FMCW雷达恒虚警目标检测方法

一种基于峰值比较的fmcw雷达恒虚警目标检测方法
技术领域
1.本发明雷达检测技术领域，特别涉及一种基于峰值比较法的fmcw雷达恒虚警目标检测方法。


背景技术：

2.随着自动驾驶及高级驾驶辅助系统(adas)的发展，调频连续波(frequency modulated continuous wave，fmcw)雷达由于具备高精度、高集成、低成本和能全天候、全天时工作的特性，已被广泛应用到安防监控、智慧消防、医疗看护等领域。目标检测是雷达的核心功能，良好的目标检测效果是决定雷达应用发展前景的关键因素；而雷达系统的目标检测功能主要由恒虚警概率(cfar)检测算法实现。但目前的恒虚警检测算法均过于重视检测门限值的计算方法，而忽略后续处理，导致检测效果不佳；因此，研究恒虚警目标检测算法对于提高毫米波雷达目标检测能力具有重要意义。
3.目前在fmcw雷达目标检测过程中，常用的恒虚警检测算法主要有以下几类。
4.一是均值类恒虚警检测算法(mean level cfar，ml-cfar)。该方法是通过滑动固定长度的检测窗口，依次计算每个待检测单元的滑动窗口内的背景噪声功率平均值作为本次检测门限的估计值，如果当前估计值大于待检测单元，则表示目标存在；否则目标不存在，此方法称为单元平均恒虚警检测算法(ca-cfar)。但是该方法仅在均匀高斯背景噪声的情况下具备良好的检测性能，但是在多目标检测环境下，由于目标或者杂波会出现在滑动窗口中，导致对于背景噪声的计算出错，从而检测门限确定错误，致使ca-cfar检测性能下降。针对该情况，又陆续提出了单元选大平均恒虚警检测算法(go-cfar)和单元选小平均恒虚警检测算法(so-cfar)，但是前者能够剔除大部分杂波，但容易漏检目标；后者则会导致出现更多的误检现象，虚警控制能力较弱，降低算法的整体检测性能。
5.二是有序类恒虚警检测算法(os-cafr)。该算法来自于数字信号处理中的中值滤波概念。其主要原理是同样是滑动固定长度的检测窗口，对每个待检测单元的所有参考单元进行有序的排列，并依据一定的原则选取其中序列中的一个参考单元作为检测门限的估计值。与ca-cfar相比，有序类恒虚警检测算法具备较强的鲁棒性，提高检测效果。但是该算法由于需要排序，复杂度远远高于均值类恒虚警检测算法。
6.如前所述，当前cfar算法的一些特点：
7.(1)均是以待检测单元周围的参考单位作为背景噪声功率估计的对象；
8.(2)均是通过滑动固定长度的检测窗口来遍历所有检测区域；
9.(3)在数据量上升的时候，算法复杂度和计算量和增加；
10.上述特点容易造成恒虚警检测算法只注重检测门限计算，而不考虑后续处理，且检测门限的计算方法往往过于复杂，导致fmcw雷达的目标检测方法检测性能较低，适应性不够，在不增加算法复杂度的情况下很难保证较好的检测效果，不利于算法的工程实现和实际应用。


技术实现要素：

11.针对上述现有技术存在的问题，本发明提供了一种基于峰值比较法的fmcw雷达恒虚警目标检测方法，所述基于峰值比较法的fmcw雷达恒虚警目标检测方法包括：
12.对fmcw雷达的采样数据进行一维fft变换，得到一维fft频谱；
13.进一步，所述fmcw雷达的采样数据指由fmcw雷达系统的射频前端硬件使用ad采样得到的数字信号，对该数字信号进行一维fft变换，得到一维fft频谱。
14.进一步，所述采取随机选取的os-cfar有序类恒虚警算法对一维fft频谱进行目标检测包括：对一维fft频谱使用os-cfar检测算法，得到目标检测的初步判断结果。
15.进一步，所述对一维fft频谱和恒虚警检测结果，使用峰值比较法，具体包括以下步骤：
16.提取一维fft结果中的峰值数据，包括中心频率及对应的距离索引值，对峰值数据进行降序排序，记为p1；
17.提取os-cfar检测后的比较器的检测结果；包括其峰值数据及对应的距离索引值，对峰值数据进行降序排序，记为p2；
18.利用p1的结果，对p2序列进行匹配检测。匹配原则：判断p2的距离索引值和峰值数据是否与p1中的相等，若相等则匹配正确；若不相等，则匹配错误，并用p1中的峰值数据代替p2中匹配错误的结果；得到匹配结果序列p3；
19.杂波比较：提取p3中的最高峰值数据和距离索引值，将该峰值数据与处于其距离索引下标滑动窗口之外的峰值数据进行比较，若小于最高峰值数据的二分之一，则进行杂波消除；若大于，则为正常目标数据；得到杂波比较序列p4；
20.目标比较：对p4中的所有峰值数据进行相互比较，比较方法：第一，先判断两个峰值数据是否互为参考单元；第二，再比较两个峰值数据大小；第三，最后判断两个峰值数据距离索引值是否在规定滑窗之内。
21.本发明提出了一种基于峰值比较法的fmcw雷达恒虚警目标检测方法。与常规恒虚警检测算法的不同在于，本算法不侧重于恒虚警检测门限的计算，而是选取一个效果较好的有序类恒虚警检测算法先做一次判断，再根据之前的一维fft变换得到的fft频谱与当前判断结果结合，利用峰值数据，做二次比较进行判断，剔除杂波干扰和多目标的遮蔽效应，而该比较只要一次循环即可，可以在不增加恒虚警算法复杂度的情况下，提高fmcw雷达的目标检测性能，且可以在原有恒虚警检测算法的基础上直接增加一个峰值比较器即可，更加易于工程实现。
附图说明
22.图1为本发明所涉一种基于峰值比较法的fmcw雷达恒虚警目标检测方法的fmcw雷达系统结构图
23.图2为一维fft变换过程的示意图
24.图3为基于峰值比较法的恒虚警检测方法流程图
25.图4为峰值比较法的具体步骤图
具体实施方式
26.本发明用于提供一种基于峰值比较法的fmcw雷达恒虚警目标检测方法，为了使本发明的目的、技术方案及效果更佳清楚、明确，下面现结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细描述。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。
27.本发明通过fmcw雷达ad采样得到原始数字信号的数据，对该数据进行一维fft变换，将数据从时间域变换到频域进行分析，然后对一维fft变换的频谱先使用os-cfar检测算法进行一次判别，得到判断结果，最后联合一维fft变换的频谱和一次判断结果使用峰值比较法，剔除相关杂波干扰和多目标检测情况下的遮蔽效应问题，得到真实的目标检测结果。
28.本发明实施例提供的提供一种基于峰值比较法的fmcw雷达恒虚警目标检测方法包括以下步骤：
29.s101，对fmcw雷达的采样数据进行一维fft变换，得到一维fft频谱；
30.s102，采用随机选取的有序类恒虚警算法对一维fft频谱进行目标检测，得到恒虚警检测结果；
31.s103，对一维fft频谱和恒虚警检测结果，使用峰值比较法，进行二次判别最终得到真实的目标检测结果。
30.如图1所示，本发明实施例提供的fmcw雷达系统主要包括以下器件：
31.波形发生器用于产生调频连续波，功分器用于分离出两路同样的发射信号，一路用于发射，一路送至混频器，发射天线用于向外辐射调制过的电磁波信号，接收天线用于接收经目标反射的电磁波信号，混频器用于将接收信号和功分的本振信号进行混频处理，得到中频信号，再经过低通滤波和ad采样，得到低频基带处理信号。
32.如图2所示，本发明实施例提供的一维fft变换包括以下步骤：
31.将每一个chirp信号的ad采样数据按照采样点顺序从小到大进行排序，得到该chirp信号的整体采样数据；对该chirp信号的数据进行fft变换，得到该chirp信号的fft变换频谱；将每一帧(即一个发射周期发射的chirp数)的chirp的fft频谱按照发射时间顺序从小到大排成一列。
32.如图3所示，本发明实施例提供的基于有序类恒虚警检测算法包括以下步骤：
33.选取固定长度为2n的滑动检测窗口，对一维fft变换的频谱单元进行滑动检测；对每个待检测单元(cut)左右个选取一个保护单元，防止周围背景数据信息进行干扰；在左右选取长度为n的参考单元，按照背景噪声功率大小进行排序；在序列中选取第k个单元作为检测门限的功率估计值，乘以缩放因子t就得到最终的比较器门限值。
34.若cut的功率值大于门限值，则暂时认定该cut单元有目标存在；若cut的功率值小于门限值，则暂时认定该cut单元无目标存在，得到os-cfar检测算法的判断结果。
35.本发明实施例提供的峰值比较法具体包括以下步骤：
36.s401，提取一维fft结果中的峰值数据，包括中心频率及对应的距离索引值，对峰值数据进行降序排序，记为p1；
37.s402，提取os-cfar检测后的比较器的检测结果；包括其峰值数据及对应的距离索引值，对峰值数据进行降序排序，记为p2；
38.s403，利用p1的结果，对p2序列进行匹配检测。匹配原则：判断p2的距离索引值和峰值数据是否与p1中的相等，若相等则匹配正确；若不相等，则匹配错误，并用p1中的峰值数据代替p2中匹配错误的结果；得到匹配结果序列p3；
39.s404，杂波比较：提取p3中的最高峰值数据和距离索引值，将该峰值数据与处于其距离索引下标滑动窗口之外的峰值数据进行比较，若小于最高峰值数据的二分之一，则进行杂波消除；若大于，则为正常目标数据；得到杂波比较序列p4；
40.s405，目标比较：对p4中的所有峰值数据进行相互比较。
41.如图4所示，本发明实施例提供的峰值比较法中的目标比较具体包括以下步骤：
42.比较方法：第一，先判断两个峰值数据是否互为参考单元，若不存在，则表示不存在目标遮蔽效应；第二，再比较两个峰值数据大小，若较低峰值数据大于较高峰值数据的二分之一，继续步骤，否则存在杂波，剔除较低数据，进行下一轮判断；第三，最后判断两个峰值数据距离索引值是否在规定滑窗之内，若是，则表面存在两个目标，判断结束，若否，则回到步骤一进行下一轮判断。
43.本发明实施例提供了一种基于峰值比较法的fmcw雷达恒虚警目标检测方法，对ad采样数据进行一维fft变换得到一维fft频谱，对该结果采取os-cfar检测算法实现多目标检测的第一次判别，再通过峰值比较法，联合比较一维fft结果和恒虚警检测算法的一次判别结果，对目标周围的杂波干扰和多目标检测情况下的相互干扰进行消除，提升目标检测的准确度。同时避免增加恒虚警检测算法的门限计算复杂度，且可以在不同的恒虚警检测算法后面增加峰值比较器，应用本发明实施例中的峰值比较法，提升目标检测方法的适应性。