CN105487060B - 一种双通道四斜率调制的多目标提取方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双通道四斜率调制的多目标提取方法，包含：S1，雷达信号处理单元控制频率产生器产生调制信号经过辐射、接收并处理得到回波信号频谱；S2，通过恒虚警方法从回波信号频谱中提取目标；S3，产生一四斜率调制波形，去除所述目标中的虚假目标得出真实目标，并得出所述真实目标的实际距离和实际速度；S4，对不同周期探测的结果进行目标匹配、数据融合，利用卡尔曼滤波对多目标进行跟踪滤波。本发明有效解决了多目标识别、探测问题，多目标跟踪问题，并具有测距、测速精度高，稳定性好，低成本，处理简单，易于实现。

Description

一种双通道四斜率调制的多目标提取方法

技术领域

本发明涉及多目标提取方法，特别涉及一种双通道四斜率调制的多目标提取方法。

背景技术

随着科学技术的发展，雷达技术在民用领域的应用日益广泛，如交通测速雷达、交通流量监控雷达、汽车防撞雷达、船用防撞雷达、安防雷达等等。雷达探测相对于视频检测具有全天候、不受天气环境影响等优点，具有很好的市场前景。目前，国内使用比较广泛的是基于多普勒效应的连续波多普勒雷达，多普勒效应是指当发射源和接收者之间有相对运动时，接收到的信号频率将发生变化，通过测量发射信号与接收信号的频率差可以计算出目标的运动速度，传统的多普勒雷达只能测量物体的运动速度信息，不能测量物体的距离、位置信息，大大限制了应用范围。

在专利方面，深圳市华儒科技有限公司的王钟鸣、杜劲申请了专利-一种交通测速方法及装置(公布号CN 102798862 A)，该专利介绍了一种对测速范围内所有车辆的最大速度进行测量的方法，该方法只适用于单目标的情况，当测速范围内有多辆车时，无法区分车辆与速度的对应关系。成都中远信电子科技有限公司的龙宁申请了专利-一种连续波测速雷达(公布号CN 104251992 A)，该专利介绍了一种线性调频连续波雷达，该雷达主要应用于道路交通测速领域，可实时检测每个过往车辆的真实速度，只适用于单目标的情况。徐成琦申请了专利-闯红灯检测雷达(公布号CN 103366559 A)，该专利提供了一种以FMCW原理为基础的雷达闯红灯抓拍系统，当车辆进入或驶离雷达阴影时，雷达触发高清相机抓拍违章车辆的行驶图片。丰田自动车株式会社申请了专利-防碰撞控制装置(公布号CN104816697 A)，该专利介绍了一种使用图像传感器和雷达传感器对车辆附件物体进行探测的方法。北京大学深圳研究生院的唐玲、王正鑫、黄利君、徐峰、孟繁宇、李燕红、王新安、张兴申请了专利-一种调频连续波汽车防撞雷达系统(公布号CN 102788980 A),该专利通过对雷达中频信号进行频谱分析，将测量结果转换为距离和速度信息，最大作用距离150米，距离分辨率1米，速度分辨率1米/秒。安徽蓝盾光电子股份有限公司的陈建设、王飞、贺德溪申请了专利-一种具有车辆方向辨别功能的测速雷达系统(公布号CN 102445689 A)，该专利提供了一种高性能、低成本、便于使用、能够辨别车辆方向的具有车辆方向辨别功能的测速雷达系统。中国科学院上海光学精密机械研究所的杨馥、陈卫标、贺岩申请了专利-高精度测速测距激光雷达系统及测速测距方法(公布号CN 101236253 B),该专利提供了一种测量目标距离和速度的方法，但是多目标处理能力不佳，且激光容易受环境因素影响。上海泓视通信技术有限公司的杨立成、王凯、吕晓明、杨志伟、潘今一申请了专利-单雷达多车道智能测速方法及其系统(公布号CN 104424804 A)，该专利提供了一种单雷达多车道智能测速方法及其系统，使用一台雷达对多个车道进行探测并触发对应车道的相机拍照。中国科学院电子学研究所的李和平申请了专利-基于对称三角LFMCW雷达的高精度实时微波测速测距装置(公布号CN 103630888 A)，该专利实现了对运动目标速度和距离的高精度测量，但是对于多目标的情况该方法处理效果欠佳。

线性调频连续波雷达具有发射功率低、距离分辨率高、抗干扰能力强、体积小、重量轻、结构简单等优点，在众多场合得到了广泛应用。传统的线性调频连续波雷达一般采用锯齿波或对称三角波调制，通过发射信号和回波信号的频率差对目标速度和距离进行解算。

锯齿波在速度和距离上存在模糊，不能准确测量运动目标的速度和距离。

当接收机回波信号中存在n目标信号时，上升段和下降段回波信号与发射信号的差频信号经快速傅里叶变换后各有n根谱线，对上升段和下降段数据进行两两匹配共有n²组数据，n²组数据中只有n组为真实目标，其余n²-n组为虚假目标，因此对称三角波调频雷达在多目标情况下存在频谱配对问题，只适用于单目标的情况。

发明内容

本发明的目的是提供一种双通道四斜率调制的多目标提取方法，有效解决了多目标识别、探测问题，多目标跟踪问题，并具有测距、测速精度高，稳定性好，低成本，处理简单，易于实现等优点，能够满足众多场合的应用需求，市场前景良好。

为了实现以上目的，本发明是通过以下技术方案实现的：

一种双通道四斜率调制的多目标提取方法，其特点是，该方法包含：

S1，雷达信号处理单元控制频率产生器产生调制信号经过辐射、接收并处理得到回波信号频谱；

S2，通过恒虚警方法从回波信号频谱中提取目标；

S3，产生一四斜率调制波形，去除所述目标中的虚假目标得出真实目标，并得出所述真实目标的实际距离和实际速度；

S4，对不同周期探测的结果进行目标匹配、数据融合，利用卡尔曼滤波对多目标进行跟踪滤波。

所述的步骤S1包含：

S1.1，雷达信号处理单元控制频率产生器产生调制信号，经过功率放大器放大后输出到发射天线，发射天线将发射信号辐射出去；

S1.2，所述的发射信号由一个或多个目标反射回两个接收天线；

S1.3，回波信号经过低噪音放大器放大、混频、低通滤波后得到中频信号；

S1.4，雷达信号处理单元控制模数转换器对中频信号进行采样得到信号频谱。

所述的步骤S3包含：

S3.1，产生一四斜率调制波形，所述的四斜率调制波形由两个梯形波形构成，每个梯形波形均由上升段、水平段、下降段构成；一个梯形波形的调制带宽为B1，另一个梯形波形的调制带宽为B2，梯形波形的调制时间和斜率K1、K2、K3、K4，以及调制带宽B1、B2均可由雷达信号处理单元根据当前目标数量、目标类型进行实时控制；

S3.2，当测量单目标时通过式(1)，计算目标的相对雷达的径向距离R和径向速度V；

其中，T为调制时间，B为调制带宽，f_r ⁺为上升段回波信号与发射信号的差频频率，f_r ^-为下降段回波信号与发射信号的差频频率；

当测量n个目标时，n＞1，将两个梯形上升段、下升段和水平段的距离和速度值与目标的距离和速度值是否重合，若是，则为真实目标，若否则为虚拟目标；

S3.3，利用双通道回波信号的相位差计算目标与雷达的夹角，并求出目标的实际距离和实际速度。

所述的步骤S4包含：

S4.1，设置一个目标堆存放历史目标信息，所述目标堆中的每个历史目标包含ID、距离因子、速度因子、角度因子和系统因子；

S4.2，根据公式(2)对每次解算后的目标的实际距离和实际速度计算目标属性：

其中，α为距离因子，β为速度因子，χ为角度因子，κ为系统因子，为目标属性。

S4.3，判断目标属性是否与目标堆中某个ID的目标属性匹配，若是，则为同一个目标，并使用当前目标属性的计算值对所述的ID进行更新；若否，则为所述的目标重新分配一ID，并加入到目标堆中；

S4.4，若目标堆中的某个ID连续Z次没有得到更新，则从目标堆中删除对应的目标信息；

S4.5，利用卡尔曼滤波对多目标进行递归跟踪和滤波。

本发明与现有技术相比，具有以下优点：

1、一种新的四斜率线性调频连续波雷达波形，在一个调制周期内由两个上升段、两个下降段、两个水平段构成一种双梯形调制波形，通过实时控制上升段、下降段的斜率、调制带宽和调制时间，能够有效剔除虚假目标。

2、本方法能够有效的解决距离速度耦合问题和多目标频谱配对问题，能够准确获得多目标情况下各个目标的距离、速度和方位信息。

附图说明

图1为本发明一种双通道四斜率调制的多目标提取方法的流程图；

图2为本发明采用的雷达系统的结构图；

图3为恒虚警处理系统示意图；

图4为恒虚警处理效果图；

图5为本发明中四斜率调制波形的示意图；

图6为本发明目标多斜率交汇图；

图7为本发明相位测角示意图；

图8为卡尔曼滤波效果图。

具体实施方式

以下结合附图，通过详细说明一个较佳的具体实施例，对本发明做进一步阐述。

如图1所示，一种双通道四斜率调制的多目标提取方法，包含：

S1，雷达信号处理单元控制频率产生器产生调制信号经过辐射、接收并处理得到回波信号频谱；

S2，通过恒虚警方法从回波信号频谱中提取目标；

S3，产生一四斜率调制波形，去除所述目标中的虚假目标得出真实目标，并得出所述真实目标的实际距离和实际速度；

S4，对不同周期探测的结果进行目标匹配、数据融合，利用卡尔曼滤波对多目标进行跟踪滤波。

如图2所示，上述的步骤S1包含：

S1.1，雷达信号处理单元控制频率产生器产生调制信号，经过功率放大器(PA)放大后输出到发射天线，发射天线将发射信号辐射出去；

S1.2，所述的发射信号由一个或多个目标反射回两个接收天线(1、2)；

S1.3，回波信号经过低噪音放大器(LNA)放大、混频器3混频、滤波器4低通滤波后得到中频信号；

S1.4，雷达信号处理单元控制模数转换器对中频信号进行采样得到信号频谱。

雷达探测要求在存在干扰的背景中提取有用目标，干扰包括地物、雨雪、海浪等杂波干扰，接收机内部噪声，人工有源干扰和无源干扰，以及和有用目标混杂在一起的邻近目标干扰等，如图3所示，上述的步骤S2使用恒虚警处理系统(OS-CFAR)对雷达回波信号进行处理，具体为：D为被检测单元，前窗和后窗是被检测单元D的参考样本，每个窗中包含i个样本，对前窗和后窗中的2i个样本按从小到大的顺序进行排序：

X(1)≤X(2)≤X(3)≤X(4)≤……≤X(2i)

选取第k个样本x(k)作为检测器对杂波功率水平的估计Z，T为调整系数，将检测单元D与阈值S＝TZ进行比较可得到对当前检测单元的判决，即D>S时，当前检测单元D被判决为有效目标，否则为杂波干扰。在图4中，实线为回波信号频谱，虚线为通过排序计算得到的阈值，圆点即为经恒虚警处理后得到的目标。

上述的步骤S3包含：

S3.1，产生一四斜率调制波形(参见图5)，所述的四斜率调制波形由两个梯形波形构成，每个梯形波形均由上升段、水平段、下降段构成；一个梯形波形的调制带宽为B1，另一个梯形波形的调制带宽为B2，梯形波形的调制时间和斜率K1、K2、K3、K4，以及调制带宽B1、B2均可由雷达信号处理单元根据当前目标数量、目标类型进行实时控制，图5中实现为发射信号，虚线为回波信号；

S3.2，当测量单目标时通过式(1)，计算目标的相对雷达的径向距离R和径向速度V；

其中，T为调制时间，B为调制带宽，f_r ⁺为上升段回波信号与发射信号的差频频率，f_r ^-为下降段回波信号与发射信号的差频频率；

当测量n个目标时，n＞1，第一个梯形的上升段和下降段数据进行两两匹配共有n²组数据，第二个梯形的上升段和下降段数据进行两两匹配也有n²组数据，而梯形的水平段的回波信号中只存在目标的速度信息，水平段频谱中包含n个速度信息。如图6所示，真实目标的距离、速度与调制带宽、调制周期无关，上升段、下降段、水平段的距离、速度值能够重合，而虚假目标的距离和速度与调制带宽、调制周期有关，不能完全重合。将两个梯形上升段、下升段和水平段的距离和速度值与目标的距离和速度值是否重合，若是，则为真实目标，若否则为虚拟目标；

S3.3，利用双通道回波信号的相位差计算目标与雷达的夹角，并求出目标的实际距离和实际速度，参见图7，虚线为法线方向，实现为目标方向，二者夹角为θ，由于接收天线1与接收天线2之间距离为d，两天线接收到的回波信号因存在一个波程差ΔR而产生相位差根据图7中关系可知：

λ为相位波长，通过通道1和通道2快速傅里叶变换的结果可求得相位差从而确定目标方向θ。

线性调频连续波雷达在每个周期完成一次目标的探测，获得当前时刻目标的距离、速度信息，在周期间使用卡尔曼滤波器估计目标参数，实现多目标跟踪。在对目标跟踪前要先确定雷达每次探测的目标是一个新目标还是一个前面已经探测到的目标。假设在初始状态t0时刻数据解算后有3个目标，距离、速度分别为r01、v01、r02、v02、r03、v03，将三个目标的ID分别设置为ID1、ID2、ID3,在t1时刻数据解算后也存在3个目标，距离、速度分别为r11、v11、r12、v12、r13、v13，如何将t1时刻的距离、速度与ID进行配对成为关键。

上述的步骤S4包含：

S4.1，设置一个目标堆存放历史目标信息，所述目标堆中的每个历史目标包含ID、距离因子、速度因子、角度因子和系统因子；

S4.2，根据公式(2)对每次解算后的目标的实际距离和实际速度计算目标属性：

其中，α为距离因子，β为速度因子，χ为角度因子，κ为系统因子，为目标属性，r、v、θ为目标的距离、速度、角度。

S4.3，判断目标属性是否与目标堆中某个ID的目标属性匹配，若是，则为同一个目标，并使用当前目标属性的计算值对所述的ID进行更新；若否，则为所述的目标重新分配一ID，并加入到目标堆中；

S4.4，若目标堆中的某个ID连续Z次没有得到更新，则从目标堆中删除对应的目标信息，从而实现了在多目标情况下对目标的跟踪、捕获、丢弃过程。

S4.5，利用卡尔曼滤波对多目标进行递归跟踪和滤波，在工程应用中，雷达测量的数据通常带有噪声干扰，不能获得所需数据的真实值，在一些情况下会使测量数据失真，甚至导致数据不可用。传统的滤波方法要求信号和噪声具有不同的频率分布，而卡尔曼滤波器可以有效降低噪声的影响，将目标数据从噪声中提取出来。对某目标距离的滤波的效果如图8所示，黑点为雷达对某目标探测得到的距离数据，黑色实线为经过卡尔曼滤波后的数据。

综上所述，本发明一种双通道四斜率调制的多目标提取方法，有效解决了多目标识别、探测问题，多目标跟踪问题，并具有测距、测速精度高，稳定性好，低成本，处理简单，易于实现等优点，能够满足众多场合的应用需求，市场前景良好。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (3)

1.一种双通道四斜率调制的多目标提取方法，其特征在于，该方法包含：

S1，雷达信号处理单元控制频率产生器产生调制信号经过辐射、接收并处理得到回波信号频谱；

S2，通过恒虚警方法从回波信号频谱中提取目标；

S3，产生一四斜率调制波形，去除所述目标中的虚假目标得出真实目标，并得出所述真实目标的实际距离和实际速度；

S4，对不同周期探测的结果进行目标匹配、数据融合，利用卡尔曼滤波对多目标进行跟踪滤波；

所述的步骤S3包含：

S3.1，产生一四斜率调制波形，所述的四斜率调制波形由两个梯形波形构成，每个梯形波形均由上升段、水平段、下降段构成；一个梯形波形的调制带宽为B1，另一个梯形波形的调制带宽为B2，梯形波形的调制时间和斜率K1、K2、K3、K4，以及调制带宽B1、B2均可由雷达信号处理单元根据当前目标数量、目标类型进行实时控制；

S3.2，当测量单目标时通过式(1)，计算目标的相对雷达的径向距离R和径向速度V；

其中，T为调制时间，B为调制带宽，f_r ⁺为上升段回波信号与发射信号的差频频率，f_r ^-为下降段回波信号与发射信号的差频频率，c为光速，f为雷达工作频率；

当测量n个目标时，n＞1，将两个梯形上升段、下升段和水平段的距离和速度值与目标的距离和速度值是否重合，若是，则为真实目标，若否则为虚拟目标；

S3.3，利用双通道回波信号的相位差计算目标与雷达的夹角，并求出目标的实际距离和实际速度。

2.如权利要求1所述的双通道四斜率调制的多目标提取方法，其特征在于，所述的步骤S1包含：

S1.1，雷达信号处理单元控制频率产生器产生调制信号，经过功率放大器放大后输出到发射天线，发射天线将发射信号辐射出去；

S1.2，所述的发射信号由一个或多个目标反射回两个接收天线；

S1.3，回波信号经过低噪音放大器放大、混频、低通滤波后得到中频信号；

S1.4，雷达信号处理单元控制模数转换器对中频信号进行采样得到信号频谱。

3.如权利要求1所述的双通道四斜率调制的多目标提取方法，其特征在于，所述的步骤S4包含：

S4.1，设置一个目标堆存放历史目标信息，所述目标堆中的每个历史目标包含ID、距离因子、速度因子、角度因子和系统因子；

S4.2，根据公式(2)对每次解算后的目标的实际距离和实际速度计算目标属性：

其中，α为距离因子，β为速度因子，χ为角度因子，κ为系统因子，为目标属性，r、v、θ分别为距离因子α、距离因子β、角度因子χ对应的目标属性系数；

S4.3，判断目标属性是否与目标堆中某个ID的目标属性匹配，若是，则为同一个目标，并使用当前目标属性的计算值对所述的ID进行更新；若否，则为所述的目标重新分配一ID，并加入到目标堆中；

S4.4，若目标堆中的某个ID连续Z次没有得到更新，则从目标堆中删除对应的目标信息；

S4.5，利用卡尔曼滤波对多目标进行递归跟踪和滤波。