针对高速目标的雷达多普勒解模糊精确测距方法技术

本发明专利技术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

【技术实现步骤摘要】
针对高速目标的雷达多普勒解模糊精确测距方法


[0001]本专利技术属于调频连续波(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。

技术介绍

[0002]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。
[0003]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。
[0004]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。
[0005]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

[0006]针对FMCW雷达的多普勒解模糊复杂以及测距精度差的问题，本专利技术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。
[0007]本专利技术采用的技术方案如下：
[0008]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：
[0009]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；
[0010]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；
[0011]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；
[0012]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；
[0013]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；
[0014]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。
[0015]作为优选技术方案，根据最大作用速度v
max
确定信号重复周期PRP＝λ/4/v
max
，根据参差码N0＝(N+1)/N，确定Slow Chirp波形的信号重复周期PRP
slow
＝(N+1)
·
PRP和Fast Chirp波形的信号重复周期PRP
fast
＝N
·
PRP，其中正整数N根据硬件实际可支持的扫频时间选择。
[0016]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。
[0017]作为优选技术方案，目标在Slow Chirp波形中的视在多普勒为f
d1
，在Fast Chirp波形中的视在多普勒为f
d2
，基于Fast/Slow Chirp的波形特征计算得到多普勒模糊度，包括：
[0018]通过f
d
＝mf
r1
+f
d1
和f
d
＝nf
r2
+f
d2
求解模糊度m和n，其中f
d
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，f
r1
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，f
r2
代表Fast Chirp波形的信号重复频率。
[0019]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：
[0020][0021]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v
r
＝λ/2
·
f
d
，并根据R
real
＝R
measured
‑
v
r
f0/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。
[0022]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f
start
为f
peak
‑
p
·
Δf，终止频率f
end
为f
peak
+(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f
start
为f
peak
‑
(1
‑
p)
·
Δf，终止频率f
end
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
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：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；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；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；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；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。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v
max
确定信号重复周期PRP＝λ/4/v
max
，根据参差码N0＝(N+1)/N，确定Slow Chirp波形的信号重复周期PRP
slow
＝(N+1)
·
PRP和Fast Chirp波形的信号重复周期PRP
fast
＝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：通过f
d
＝mf
r1
+f
d1
和f
d
＝nf
r2
+f
d2
求解模糊度m和n，其中f
d
代表目标的真实多普勒，m表示目标在S...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙旭，刘劭扬，吴鹏，于文卓，陈琴，
申请(专利权)人：成都尼晟科技有限公司，
类型：发明
国别省市：