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LFMCW雷達簡單可行，而多目標環境下長常常由于錯誤的目標配對導致虛假目標的出現。

在雷達接收機產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形成干擾，導致雷達做出錯誤判斷。如何實現在復雜環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)設計出易于產生、抗干擾性能強的復雜雷達發射信號，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LFMCW防撞雷達原理和存在的問題

傳統LFMCW雷達調頻三角波波形如圖1所示。

圖1 線性調頻連續波信號的頻率和時間的關系

第n+1個周期的發射信號上掃頻段可表示為

上面兩式忽略了發射信號的初相。B為調頻帶寬;f0為發射信號在t=nT時的瞬時頻率;A為發射信號的振幅;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:

如果在單目標環境下傳統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的作用是留給系統足夠的時間進行信號調制發射，也便于后續的信號處理。

圖2 改進型變周期三角波調頻信號波形

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

式中:i為整數，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，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。

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重疊時，提取的頻譜特征參數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，在理想環境下該方法非常有效，但是沒有考慮復雜環境下的多目標識別問題。

綜合以上的多目標識別方法，為了提高在復雜環境下多目標識別的準確度，同時考慮算法實現的復雜度。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，簡化目標環境，并進行恒虛警處理。根據同一目標在上、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的距離速度則認為距離速度相等。這里需要考慮容差函數的建立，根據文獻［7］中關于容差函數的建立，結合本文的特點，容差函數的推導過程如下:

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，若不滿足則可省略距離容差函數判斷，若滿足則接著判斷距離是否滿足容差函數，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據先進行距離維FFT處理，然后進行速度維FFT處理。回波1數據的實部、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，簡化了目標環境。回波2的處理過程和回波1基本相同，最后經過容差函數判斷出真實目標。

4 硬件平臺結構

圖4為汽車防撞雷達系統硬件平臺總體結構。汽車防撞雷達系統硬件平臺包括射頻發射接收部分、數據處理部分和電源部分。

圖4 汽車防撞雷達系統硬件平臺總體結構

射頻發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，減小送入數據處理部分的信號動態范圍，包括頻域動態壓縮電路和中頻放大電路。

數據處理部分是系統的核心部分，包括模數、數模轉換模塊和中心控制處理模塊。

圖5為現場可編程門陣列(FPGA)中心控制模塊，包括調制信號產生子模塊、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 實測數據分析

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

圖6～圖7為實測數據分析圖。在進行速度維FFT處理之前，16個周期信號進行了數據重組，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 回波信號經過CFAR處理后頻譜

經過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(速度通道的計算是用頻點除以16，如果余數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，經過容差函數判斷后有兩個組合滿足容差函數，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。從圖中對比可以發現傳統LFMCW有虛假目標出現，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

實測數據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境中保留真實目標，排除虛假目標，準確實現多目標的識別。

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了該方法。該方法綜合了上述方法的優點，在復雜環境下，采用MTD結合CFAR簡化目標環境，摒棄了頻域配對法的計算量大和容易出現虛假目標的缺點，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，采用了更容易實現的波形。實測數據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。

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