一種基于多頻連續波體制的3D交通雷達檢測方法

吳 俊

(安徽四創電子股份有限公司 合肥 230031)

0 引言

多頻連續波體制很早就用在大地勘探和導彈制導雷達中來進行精確測距，隨著數字處理理論和器件的飛速發展，使得基于FFT頻譜分析技術的多頻連續波雷達通過數字比相技術能夠同時獲得高多普勒分辨力和高距離分辨力[1]。多頻連續波雷達得到了巨大的發展，并且廣泛應用于測速、測距和低空監視。國際上比較有代表性的產品有丹麥Weibel公司連續波雷達系列，其中有W-700/SL-52M0短距測量雷達，W700/W68i中距測速雷達，MVRS-700測速單脈沖雷達和RR-2100測距雷達，Weibel公司的連續波雷達系統無論在技術還是在性能上，在世界上都是領先的[2-3]。但是由于技術秘密和商業上的利益，國內很少了解其技術細節。針對于多頻連續波，許多文章[4-5]做了相關的理論分析和仿真，但仍然沒有一個實際的原理樣機。文獻[6]提出利用多載頻MIMO 雷達發射頻率分集信號，通過MIMO 雷達多發多收的特性產生虛擬陣列以此擴大天線孔徑，利用LFMCW 上下掃頻的數據進行精準的測距測速，進行譜峰搜索精確估計目標方向。姜春磊等人[7]推導了多頻連續波體制下的信號模型與距離、速度參數估計的克拉美羅下限，并提出了一種基于傅里葉系數插值的二維聯合距離-速度估計方法。隨著交通工業對于測速和測距的需求，多頻連續波也擴展到這個領域[8-9]。

基于深刻的理論分析和分析相關實物，本雷達系統設計十分復雜、精巧。本雷達系統采用特殊的波形在頻域進行高分辨率測速和高精度測距，順序發射多個頻率波形，使用參差多頻進行測距。精細選擇的參數可以簡化計算，同時通過比較雙天線的相位精確測量目標角度。本雷達系統對于現有交通雷達系統有很大的優勢，速度測量精度可以達到0.1 m/s，距離精度0.25 m。基于實際的原理機數據，有效地驗證了前期的理論分析。最終研制的雷達通過頻域測速具有很高的速度分辨率，并且選擇多頻點避免距離模糊獲得高的測距精度。

1 多頻連續波

1.1 時域模型

多頻連續波時域模型同時存在多個連續波，雙頻連續波時域模型如圖1所示。

發射兩個頻率信號，可表示為

s1(t)=A1sin(2πf1t)

(1)

s2(t)=A2sin(2πf2t)

(2)

相應的對于一個動目標的接收信號如式(3)、式(4)

s1r(t)=Ar1sin(2πf1t-φ1)

(3)

s2r(t)=Ar2sin(2πf2t-φ2)

(4)

其中，φ1=2πf1(2R/c)，φ2=2πf2(2R/c)，因此角度差為

φ2-φ1=Δφ=4πR/c×(f2-f1)=4π(R/c)Δf

(5)

當Δφ=2π，不模糊距離是

R=c/(2Δf)

(6)

根據文獻[10]，其測量精度為

(7)

根據式(6)、式(7)可以看出，Δf越小，不模糊距離越大，但精度越低。

上述分析是在時域分析的，但時域信號一般有收發泄露，并且包含的地雜波較強，很難通過時域來測得精準的相位并求取距離。不過通過FFT在頻域處理可以提高功率信噪比N倍(N是FFT點數)，另外動目標頻譜不在零頻，因此地雜波可以有效去除。

另外同時傳輸兩個頻率，f1的回波能夠被f1的接收機接收，也可被f2的接收機接收，反之亦然。這樣會造成虛假目標，如圖2所示。

圖2 同時傳輸兩頻率模型

如果同時發射并采用一個接收機，混頻后的濾波器只有幾十kHz的帶寬，而不同頻點之間差MHz量級，會將另一個頻點回波濾掉。因此必須采用單個接收機，并巧妙設計波形。

1.2 頻域模型

時域方法中，信噪比要求較高。在實際使用中，除了微波暗室，基本沒有符合使用條件的場所。因為地雜波完全可以掩蓋目標回波，或使信雜比下降到無法測量目標的程度。在頻域，由于信號有相干積累得益，并且收發泄露、地雜波基本在FFT濾波器的零頻道附近，因此可以有效檢測雜波中目標。

對信號做2N次冪的FFT進行頻域變換，當一個目標以徑向速度V飛向雷達，則中頻信號可以表示為

x0(n)=exp(j·(ωd0n-2πf0·2R/c))

(8)

x1(n)=exp(j·(ωd1n-2πf1·2R/c))

(9)

做FFT后，最大點的相位分別為

φ0=-2πf0·2R0/c

(10)

φ1=-2πf1·2R1/c

(11)

式(10)、(11)相減得

Δφ=4π(f1-f0)/cR0

(12)

其中f0、f1是兩個發射頻點，R0是目標距離。

1.3 測距模糊

由前述可知，雙頻連續波測距中，Δf越小，不模糊距離越大，但測距精度越低。根據文獻[11]有兩種方法可以二次差頻和參差多頻。二次差頻是逐級解模糊的方式，每次測量均可得到無模糊距離，測距精度是逐級提高的。參差多頻是多次雙頻測量得到多個模糊距離，外推至最后一次測量距離，最后利用中國余數定理完成多頻解模糊測距。

本系統采用的是文獻[12]方法。即發多組頻點，對應不同模糊距離。第一組為最大頻差，決定最大不模糊距離，目標距離在最大不模糊距離內。這樣第一次測距目標距離是不模糊的，但距離精度不高。然后第二組比第一組頻差小，測距精度提高，但對目標距離是模糊的，如式(13)所示

Rreal=m·R+4π(R/c)Δf

(13)

Rreal為目標真實距離，R為不模糊距離，m為倍數。其中倍數m是由上一級解算距離來確定。這樣測距也是不模糊的，同時測距精度比上一級高。

再根據第三組更小的頻差，解算距離，同在式(13)確定解算倍數和精細距離，距離也是不模糊的，測距精度進一步提高。

1.4 測速模糊

根據fd=2v/λ，由目標速度可以確定最大多普勒速度。這樣可以確定采樣頻率，和采樣持續時間。根據本系統目標最大速度55 m/s，最大fd=9.1 kHz，采樣頻率fs=21 kHz，這樣能夠避免速度模糊。而不同頻點之間fd，由于頻點相差不大，fd實際是相同的。

2 系統設計

2.1 雙天線測角

為了實現小型化，天線采用微帶天線。同時為了實現和差測角，采用一個發射，兩個接收天線形式。如圖 3所示，設在θ方向有一遠區目標，則到達接收點的目標所反射的電磁波近似為平面波。由于兩天線間距為d，它們收到的信號由于存在波程差ΔR而產生一個相位差φ，其中λ為波長

(14)

天線采用低副瓣設計，主副瓣相差20 dB，雙程差40 dB。這樣保證主波束內目標不受副瓣目標干擾。并通過后臺點跡、航跡濾波去除虛假目標。

圖3 比相法測角示意圖

2.2 多頻波形設計

為了結構簡單，系統采用順序發射4頻點跳頻波形，頻率范圍在24.0～24.25 GHz，形成3組頻差信號進行解模糊。實際波形設計圖4所示，順序發f0、f1、f2、f34個頻率，每個持續鎖相環切換時間為12 μs，4個頻率47 μs，持續發1000組共47 ms，這樣構成一組處理數據。由于各個頻率切換時間很短，目標速度基本不變，而且相差不大，同一目標求得多普勒頻率是一致的。

圖4 系統波形設計

2.3 信號處理流程

后端信號處理接收兩路中頻模擬I/Q信號，對兩路I/Q信號進行放大、采樣，再經過處理形成和差信號。首先對和差信號進行高精度地測角，得出目標方位信息；然后利用FFT算法得出多普勒頻移，計算出速度、譜寬信息；并且根據1.3節描述得出目標距離信息，最后進行虛假目標剔除、多散射點凝聚、目標識別。

圖5 信號處理流程圖

2.4 自動標校

本雷達具有較完善的標校功能，可以對天線的和差波束進行標校、修正。同時為了對不同目標進行分類，可以對不同距離、不同強度的目標進行基準標校。同時系統還能根據自身存儲信息或由終端軟件輸入的雷達安裝位置信息完成天線坐標數據與道路車道信息數據的坐標系計算。此外所計算的數據按照一定的協議傳輸至軟件終端，實現軟件的后期開發，并用多個3D雷達可以聯網，實現聯合跟蹤，充分發揮3D交通管理雷達的性能。

3 仿真分析

仿真(噪聲均值為0.5，標準方差為1，時域SNR=6 dB，M=1000點，順序發射連續波，1000次仿真)如圖6(a)、圖6(b)、圖6(c)為目標速度30 m/s，目標距離120 m的仿真情況；圖6(d)為距離相同、速度不同雙目標檢測情況(目標1速度30 m/s，目標2速度110 m/s，目標距離均為120 m)。

從圖6(a)中可以看出，兩個頻點的最大點序號k處于同一位置。經Matlab仿真，測量距離為120.1617 m，圖6(b)中測量距離為25.4213m，距離接模糊后為119.8792 m；圖6(c)中測量距離為15.3506 m，距離解模糊后120.2253 m；圖6(d)中可以得出，兩目標能分辨，距離分別為121.7915 m，120.1918 m。經多次仿真得到不同信噪比測距誤差如表1所示。

圖6 FFT頻譜圖

表1 不同信噪比測距誤差

4 應用與分析

本雷達整個系統相對緊湊，僅有信號處理和射頻兩個部分。射頻信號產生、混頻、接收僅由一個微波芯片組成。時序波形控制和信號處理由單個DSP芯片完成。由DSP產生相參波形、控制發射時序和信號采樣。同時信號處理匹配目標、計算目標距離，形成目標參數，并傳輸到后臺計算機。消除虛假目標、目標起始、目標跟蹤、目標終止、目標分類、目標統計、數據存儲、網絡互連，均由后臺計算機完成。系統同時具有校準和錯誤診斷功能。

實際原理樣機照片如圖7所示，上半部分是雷達，前面是微帶板天線，后面是信號處理部分；下半部分是攝像機，共同整合進前端系統。

圖7 工程樣機照片

利用實際的樣機大量數據采集并驗證，如圖8、圖9所示分別為單人和雙人跨越波束的點跡圖，結果驗證了本文提出的目標檢測方法的有效性；圖10為系統界面，雷達和攝像機的點跡完好匹配。

圖8 單個人跨越波束的點跡

圖9 兩人跨越波束的點跡

圖10 3D交通雷達終端界面

5 結束語

本文設計一種基于參差多頻連續波同時測速測距的3D交通雷達，采用寬波束發射，并采用兩個接收天線，獲得高角度精度。順序發射4頻點跳頻波形獲得較大的不模糊距離覆蓋測量距離內所有目標，并且擁有高測距精度。本雷達系統對于現有交通雷達系統有很大的優勢，對于行人的探測距離達到50 m，車輛的探測距離為160 m，速度測量精度可以達到0.1 m/s，距離精度0.25 m。針對3D交通管理雷達的特殊要求和自身特點，跳出原有雷達各分機分系統的界限，將天線與射頻部分集成化、芯片化，信號處理小型化、集成化，數據處理部分開放式軟件化，從而實現雷達體積的小型化。