一种FMCW雷达超分辨率距离成像方法和装置制造方法及图纸

本发明专利技术提供了一种FMCW雷达超分辨率距离成像方法和装置，涉及FMCW雷达距离成像技术领域，该距离成像方法，包括：谱峰粗估计、兴趣区间频率细化、兴趣区间频谱初始化、滤波器权值优化更新、兴趣区间频谱更新、迭代结束条件判决和频率距离转换；通过构建兴趣区间频域的流形矩阵，采用迭代自适应的超分辨算法进行FMCW雷达差频信号的频率估计，可以获得更高分辨率的距离像，并且通过频谱粗估计缩小了兴趣区间频域的大小，简化了算法模型，极大降低了运算量。量。量。

【技术实现步骤摘要】
一种FMCW雷达超分辨率距离成像方法和装置


[0001]本专利技术属于FMCW雷达距离成像
，适用于FMCW体制的车载雷达、雷达液位计等，尤其涉及一种FMCW雷达超分辨率距离成像方法和装置。

技术介绍

[0002]FMCW雷达由于其高集成、低成本、全天候、全天时工作等优势，在自动驾驶车载毫米波雷达、雷达液位计等领域具有广泛的应用。FMCW雷达发射线性调频的连续波信号，将目标回波与发射信号混频后可以得到差拍信号。差拍信号是和目标距离、速度有关的单频信号，根据差拍信号的频率可以解算出目标的距离。
[0003]FMCW雷达的距离分辨率和发射信号带宽有关，具体为c/2B，c为电磁波传播速度，B为发射信号带宽。FMCW雷达的带宽越宽，距离分辨能力越好，更容易分辨紧密相邻的目标。但是由于电磁频谱资源紧张，雷达的可用带宽往往有限。美国出台的FCC认证和CE认证，都规定了24G毫米波雷达额可用频率范围为24GHz～24.25GHz，极限分辨率只有0.6m，并不能满足ADAS和自动驾驶中对相邻目标的分辨需要。虽然对采样序列进行补零可以细化频谱，一定程度上提高了距离测量精度，但这种方法还是基于传统的傅里叶变换进行的频谱估计，并不能提高分辨率。
[0004]文献1《IEEE Transactions on Aerospace and Electronic System》的《Adaptive pulse compression via MMSE estimation》和文献2公开号为CN106371095A的中国专利《基于脉冲压缩技术的距离向成像方法和距离向成像系统》都描述了一种基于迭代自适应方法的距离超分辨方法，但这些方法都是针对脉冲体制雷达的，成像时的滤波器权矢量为发射信号样本，由于FMCW雷达并不直接采集、存储发射波形，而是将发射信号和回波信号混频产生差拍信号，所以上述方法不适用于FMCW雷达。
[0005]文献3提出了RISR，可以获得空间谱的超分辨结果，但是尚未有文献将该方法应用到频谱分析，并且传统RISR方法超分辨的基础是谱线足够细，这势必增加了极大运算量。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的在于提供一种FMCW雷达超分辨率距离成像方法和装置，以解决上述
技术介绍
中提出的问题。
[0007]为了解决上述技术问题，本专利技术提供如下技术方案：一种FMCW雷达超分辨率距离成像方法，包括以下步骤：
[0008]步骤1：谱峰粗估计，获得差拍信号采样序列的频谱谱峰位置；所述差拍信号为FMCW雷达目标回波与发射信号混频后得到的信号，差拍信号采样序列用s表示，N为采样数，表示N
×
1维的复矩阵，为表示矩阵维度和类型的数学符号；
[0009]步骤2：兴趣区间频率细化，对谱峰粗估计得到的谱峰位置周围一定范围内的频率进行细化，细化后的兴趣区间频率频点为L为细化后的兴趣区间频率频点数，并形成兴趣区间频域的流行矩阵如下式所示：
[0010]A＝exp(j2πf
xhT
t)
T
ꢀꢀꢀꢀ
(1)
[0011]公式(1)中，t为采样时刻序列，为1
×
N的向量，j为复数符号，T表示矩阵转置操作符；
[0012]步骤3：兴趣区间频谱初始化，利用步骤2中流行矩阵A作为滤波器权矩阵初值，得到细化后的频谱初始化结果如下式所示：
[0013]y0＝A
H
s
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
[0014]公式(2)中，H表示矩阵共轭转置操作符；
[0015]兴趣区间频率即为感兴趣的频率。经过谱峰粗估计后大约可以得知目标在什么频率/距离(距离和频率是一一对应的)，这些潜在的有目标的频率/距离范围就是需要重点关注的，所以针对这些频率细化精细成像。这一步同时舍弃了不感兴趣的频率，即无目标的频率/距离，节省了算力。
[0016]步骤4：滤波器权值优化更新，基于MMSE准则更新滤波器权值，采用MMSE准则的代价函数为
[0017]J＝E{||y
‑
W
H
s||2}
ꢀꢀ
(3)
[0018]公式(3)中，E{}表示期望运算符，y为差拍信号的频谱，利用公式(3)对W求导，并另W等于零，得到最优权矢量，如下式所示：
[0019]W＝(APA
H
+R
v
)AP
ꢀꢀꢀꢀ
(4)
[0020]公式(4)中，P＝[yy
H
]⊙
I
L
×
L
，
⊙
表示Hadamard积，I
LxL
表示L
×
L的单位矩阵，P由初始化或上一次迭代得到的频谱y求得，R
v
为噪声协方差矩阵；
[0021]步骤5：兴趣区间频谱更新，利用更新了的滤波器权值更新频谱估计结果，如下式所示：
[0022]y＝W
H
s
ꢀꢀꢀꢀ
(5)
[0023]步骤6：迭代结束条件判决，重复迭代步骤6～7，直至满足迭代次数或结束条件为止；
[0024]每迭代一次成像效果会变好一点，设置迭代结束条件是折衷考虑效果和实时性，如果觉得迭代几次就差不多了可以设置固定的迭代次数，也可以根据迭代后的改善情况判断是否终止循环迭代，如果这次迭代和上一次比只改善了很小一点，那么就认为性能基本已经收敛了，不需要再迭代循环了。
[0025]步骤7：频率距离转换，根据频率和距离的对应关系，得到FMCW雷达距离超分辨结果，如下式所示：
[0026][0027]公式(6)中，c为电磁波传播速度，f
r
为FMCW雷达的调频率，f1，f2，...，f
L
为不同的细化频点。
[0028]FMCW雷达频率和距离是一一对应的，对应关系为，差拍信号频率f对应目标距离为经过前面的迭代，得到了频谱，就是不同f(细化频点f1，f2，
…
，f
L
)的频谱幅度y，相当于距离处的目标大小。
[0029]进一步地，步骤1中采用快速傅里叶变换FFT进行谱峰粗估计。
[0030]本专利技术提供一种FMCW雷达超分辨率距离成像装置，包括谱峰粗估计模块、兴趣区间频率细化模块、兴趣区间频谱初始化模块、滤波器权值优化更新模块、兴趣区间频谱更新模块、迭代结束条件判决模块和频率距离转换模块；
[0031]谱峰粗估计模块，用于获得差拍信号采样序列的频谱谱峰位置；所述差拍信号为FMCW雷达目标回波与发射信号混频后得到的信号，差拍信号采样序列用s表示，N为采样数，表示N
×
1维的复矩阵，为表示矩阵维度和类型的数学符号；
[0032]兴趣区间频率细化模块，用于对谱峰粗估计得到的谱峰位置周围一定范围内的频率进行细化，细化后的兴趣区间频率频点为L为细化后的兴本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种FMCW雷达超分辨率距离成像方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：谱峰粗估计，获得差拍信号采样序列的频谱谱峰位置；所述差拍信号为FMCW雷达目标回波与发射信号混频后得到的信号，差拍信号采样序列用s表示，N为采样数，表示N
×
1维的复矩阵；步骤2：兴趣区间频率细化，对谱峰粗估计得到的谱峰位置周围一定范围内的频率进行细化，细化后的兴趣区间频率频点为L为细化后的兴趣区间频率频点数，并形成兴趣区间频域的流行矩阵如下式所示：A＝exp(j2πf
xhT
t)
T
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)公式(1)中，t为采样时刻序列，为1
×
N的向量，j为复数符号，T表示矩阵转置操作符；步骤3：兴趣区间频谱初始化，利用步骤2中流行矩阵A作为滤波器权矩阵初值，得到细化后的频谱初始化结果如下式所示：y0＝A
H
s
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)公式(2)中，H表示矩阵共轭转置操作符；步骤4：滤波器权值优化更新，基于MMSE准则更新滤波器权值，采用MMSE准则的代价函数为J＝E{||y
‑
W
H
s||2}
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)公式(3)中，E{}表示期望运算符，y为差拍信号的频谱，利用公式(3)对W求导，并另W等于零，得到最优权矢量，如下式所示：W＝(ApA
H
+R
v
)AP
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)公式(4)中，P＝[yy
H
]
⊙
I
L
×
L
，
⊙
表示Hadamard积，I
L
×
L
表示L
×
L的单位矩阵，P由初始化或上一次迭代得到的频谱y求得，R
v
为噪声协方差矩阵；步骤5：兴趣区间频谱更新，利用更新了的滤波器权值更新频谱估计结果，如下式所示：y＝W
H
s
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(5)步骤6：迭代结束条件判决，重复迭代步骤6～7，直至满足迭代次数或结束条件为止；步骤7：频率距离转换，根据频率和距离的对应关系，得到FMCW雷达距离超分辨结果，如下式所示：公式(6)中，c为电磁波传播速度，f
r
为FMCW雷达的调频率，f1，f2，...，f
L
为不同的细化频点。2.如权利要求1所述的FMCW雷达超分辨率距离成像方法，其特征在于，步骤1中采用快速傅里叶变换FFT进行谱峰粗估计。3.如权利要求1所述的FMCW雷达超分辨率距离成像方法，其特征在于，差拍信号采样序列用s表示如下：s＝Ay+v
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(8)公式(8)中，v是N
×
1的噪声序列。4.如权利要求3所述的FMCW雷达超分辨率距离成像方法，其特征在于，步骤4中，利用公式(3)对W求导，并另W等于零，得到最优权矢量，如下式所示：W＝(E{ss
H
})
‑1E{sy
H
}
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(9)
将式(8)s＝Ay+v带入式(9)，化简后得到W＝(APA
H
+R
v
)AP
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)R
v
为噪声协方差矩阵，R
v
＝var
·
I
N
×
N
。5.一种FMCW雷达超分辨率距离成像装置，其特征在于，包括谱峰粗估计模块、兴趣区间频率细化模块、兴趣区间频谱初始化模块、滤波器权值优化更新模块、兴趣区间频谱更...

【专利技术属性】
技术研发人员：马跃华，
申请(专利权)人：上海九鹿领驾科技有限公司，
类型：发明
国别省市：