针对高速目标的雷达多普勒解模糊精确测距方法与流程

本发明属于调频连续波(fmcw)雷达测距领域，具体涉及针对高速目标的雷达多普勒解模糊精确测距方法。

背景技术：

1、fmcw雷达由于具有成本低、功耗低、低截获、小型化、环境适应性强、抗干扰能力强、无距离盲区、测量精度高和易于实现等优点，广泛应用于工业、军事、交通和民用领域的测量与传感。

2、为了满足高速运动目标的速度探测要求，fmcw雷达的调制周期应尽可能短。但受限于实际信号源的扫频能力，fmcw雷达的发射信号的调制时间无法做到太窄，因此当目标高速运动时，fmcw雷达探测到的目标速度将出现混叠，称为速度模糊或者多普勒模糊现象。在极短的调制时间内如果使用vco则极易出现非线性现象，即使使用校正技术也会因为扫频点数不足而出现大量谐波。虽然利用锁相环技术可以解决上述问题，但代价是锁定时间较长，不能满足调制周期的要求。因此，在必须增加调制时间的前提下，需要从算法层面上解决多普勒模糊问题。该模糊问题可以通过优化fmcw雷达的波形，并采用试探法、中国剩余定理和一维集算法等算法搜索最优的模糊度，实现多普勒解模糊，但算法复杂度偏高、计算量较大。

3、由于fmcw雷达通过fft算法提取与目标信息相关的目标中频，因此即使经过速度补偿，fmcw雷达的测距精度仍然受到fft固有的栅栏效应的影响，当且仅当目标中频正好落在频率分辨率的整数倍附近时，测距误差才较小。为了减轻栅栏效应，可以增加fft点数来提高频域采样密度，一般有三种方法：提高采样率、延长采样总时间、采样数据补零。通过增加fft点数虽然简单有效，但同时计算量也会急剧增加。更常用的方法是在原有fft的基础上进行频谱细化，包括全相位fft、zoom-fft、chirp-z变换等算法。

4、对于线性锯齿波调制的fmcw雷达，需要执行2d-fft才能获取目标的距离、速度信息。因此，根据不同维度可以选择不同的频谱细化方法。对于距离fft，由于距离fft点数较多且重点关注测距的结果，因此可以采用chirp-z变换来细化频谱，以获得更精确的距离信息。而对于多普勒fft，由于用于多普勒测量的回波数量较少，可以采用补零操作来增加fft点数，相比于使用chirp-z变换更加经济，利用工程实现。

技术实现思路

1、针对fmcw雷达的多普勒解模糊复杂以及测距精度差的问题，本发明提供针对高速目标的雷达多普勒解模糊精确测距方法，其目的在于：降低多普勒解模糊问题的复杂度，提高fmcw雷达的作用速度和测距精度。

2、本发明采用的技术方案如下：

3、针对高速目标的雷达多普勒解模糊精确测距方法，包括以下步骤：

4、步骤1：基于最大作用速度设计信号的有效重复周期，根据硬件实际可支持的扫频时间选择合适的参差码，设计可用于fmcw雷达的fast/slow chirp波形；

5、步骤2：使用2d-fft分别计算fast chirp和slow chirp对应的距离-多普勒谱，基于目标检测算法初步获取目标距离和速度信息；

6、步骤3：基于fast chirp波形和slow chirp波形中的视在多普勒进行多普勒解模糊；

7、步骤4：根据多普勒解模糊值计算目标实际速度，并基于速度信息进行距离补偿；

8、步骤5：基于能量重心特性和设定的置信概率，针对检测到的每个目标，确定目标谱峰附近的区间并执行chirp-z变换；

9、步骤6：基于chirp-z频谱细化的结果寻找谱峰，计算目标的精确测量距离。

10、作为优选技术方案，根据最大作用速度vmax确定信号重复周期prp＝λ/4/vmax，根据参差码n0＝(n+1)/n，确定slow chirp波形的信号重复周期prpslow＝(n+1)·prp和fastchirp波形的信号重复周期prpfast＝n·prp，其中正整数n根据硬件实际可支持的扫频时间选择。

11、作为优选技术方案，2d-fft包含距离fft、速度fft，目标检测算法包含二维恒虚警检测、峰值聚合检测。

12、作为优选技术方案，目标在slow chirp波形中的视在多普勒为fd1，在fast chirp波形中的视在多普勒为fd2，基于fast/slow chirp的波形特征计算得到多普勒模糊度，包括：

13、通过fd＝mfr1+fd1和fd＝nfr2+fd2求解模糊度m和n，其中fd代表目标的真实多普勒，m表示目标在slow chirp波形中的多普勒模糊度，fr1代表slow chirp波形的信号重复频率，n表示目标在fast chirp波形中的多普勒模糊度，fr2代表fast chirp波形的信号重复频率。

14、作为优选技术方案，根据fast/slow chirp波形中的视在多普勒值，对应的多普勒解模糊表达式为：

15、

16、作为优选技术方案，根据多普勒解算值可得目标速度解模糊值vr＝λ/2·fd，并根据rreal＝rmeasured-vrf0/μ对距离-多普勒耦合进行补偿，其中f0代表发射信号载频，μ代表调制斜率。

17、作为优选技术方案，预设置信概率(取值范围是0.5到1)，寻找检测到的目标中频谱峰谱线q。当谱线q-1的能量大于等于谱线q+1的能量时，信号中心频率点在峰值谱线q左侧的概率更大，chirp-z变换的起始频率fstart为fpeak-p·δf，终止频率fend为fpeak+(1-p)·δf；当谱线q-1的能量小于谱线q+1的能量时，信号中心频率点在峰值谱线q右侧的概率更大，chirp-z变换的起始频率fstart为fpeak-(1-p)·δf，终止频率fend为fpeak+p·δf。

18、作为优选技术方案，对频谱细化的结果使用谱峰搜索，求得细化区间内的峰值频率计算目标精确距离

19、由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

20、(1)本发明方法通过精心设计的fmcw雷达波形，降低了多普勒解模糊的难度，解模糊方法简单有效，计算量不大且有利于工程实现；

21、(2)本发明方法适用于采用单发单收天线体制的fmcw雷达，降低了天线设计难度；

22、(3)本发明方法针对每种波形的信号处理流程相同，降低了信号处理的复杂性；

23、(4)本发明方法利用基于能量重心特性的改进fft和chirp-z变换算法对进行频谱细化。为了达到相同的频率分辨率，相比于直接fft算法，该改进算法能够有效减少计算量；在计算量相同的情况下，该算法的频率分辨率显著高于直接fft；

24、(5)本发明方法适用于提高fmcw雷达的作用速度和测距精度。

技术特征：

1.针对高速目标的雷达多普勒解模糊精确测距方法，其特征在于：包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的针对高速目标的雷达多普勒解模糊精确测距方法，其特征在于：根据最大作用速度vmax确定信号重复周期prp＝λ/4/vmax，根据参差码n0＝(n+1)/n，确定slow chirp波形的信号重复周期prpslow＝(n+1)·prp和fast chirp波形的信号重复周期prpfast＝n·prp，其中正整数n根据硬件实际可支持的扫频时间选择。

3.根据权利要求1所述的针对高速目标的雷达多普勒解模糊精确测距方法，其特征在于：2d-fft包含距离fft、速度fft，目标检测算法包含二维恒虚警检测、峰值聚合检测。

4.根据权利要求1所述的针对高速目标的雷达多普勒解模糊精确测距方法，其特征在于：目标在slow chirp波形中的视在多普勒为，在fast chirp波形中的视在多普勒为，基于fast/slow chirp的波形特征计算得到多普勒模糊度，包括：

5.根据权利要求4所述的针对高速目标的雷达多普勒解模糊精确测距方法，其特征在于：根据fast/slow chirp波形中的视在多普勒值，对应的多普勒解模糊表达式为：

6.根据权利要求1所述的针对高速目标的雷达多普勒解模糊精确测距方法，其特征在于：根据多普勒解算值可得目标速度解模糊值vr＝λ/2·fd，并根据rreal＝rmeasured-vrf0/μ对距离-多普勒耦合进行补偿，其中f0代表发射信号载频，μ代表调制斜率。

7.根据权利要求1所述的针对高速目标的雷达多普勒解模糊精确测距方法，其特征在于：预设置信概率p，寻找检测到的目标中频谱峰谱线q；当谱线q-1的能量大于等于谱线q+1的能量时，信号中心频率点在峰值谱线q左侧的概率更大，chirp-z变换的起始频率fstart为fpeak-p·δf，终止频率fend为fpeak+(1-p)·δf；当谱线q-1的能量小于谱线q+1的能量时，信号中心频率点在峰值谱线q右侧的概率更大，chirp-z变换的起始频率fstart为fpeak-(1-p)·δf，终止频率fend为fpeak+p·δf。

8.根据权利要求1所述的针对高速目标的雷达多普勒解模糊精确测距方法，其特征在于：对频谱细化的结果使用谱峰搜索，求得细化区间内的峰值频率计算目标精确距离

技术总结
本发明公开了针对高速目标的雷达多普勒解模糊精确测距方法，包括以下步骤：步骤1：基于最大作用速度设计信号的有效重复周期，根据硬件实际可支持的扫频时间选择合适的参差码，设计可用于FMCW雷达的Fast/Slow Chirp波形；步骤2：使用2D‑FFT分别计算FastChirp和SlowChirp对应的距离‑多普勒谱，基于目标检测算法初步获取目标距离和速度信息；步骤3：基于FastChirp波形和SlowChirp波形中的视在多普勒进行多普勒解模糊；步骤4：根据多普勒解模糊值计算目标实际速度，并基于速度信息进行距离补偿。本发明可用于解决FMCW雷达在极短时间内的硬件扫频困难问题；提高雷达的作用速度，解决高速运动目标引起的多普勒耦合与模糊问题；提高雷达的测距精度，实现对高速运动目标距离的精确测。

技术研发人员：孙旭,刘劭扬,吴鹏,于文卓,陈琴
受保护的技术使用者：成都尼晟科技有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15