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CN115436903A - 一种基于毫米波雷达提高方位向分辨率的运动目标检测方法 - Google Patents

一种基于毫米波雷达提高方位向分辨率的运动目标检测方法 Download PDF

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CN115436903A
CN115436903A CN202211174754.XA CN202211174754A CN115436903A CN 115436903 A CN115436903 A CN 115436903A CN 202211174754 A CN202211174754 A CN 202211174754A CN 115436903 A CN115436903 A CN 115436903A
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陈蕊蕊
姚成龙
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Beijing University of Technology
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Beijing University of Technology
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Abstract

本发明公开了一种基于毫米波雷达提高方位向分辨率的运动目标检测方法,该方法包括对雷达回波信号的预处理以及利用扫描方式的波束形成技术扫描扇形检测区域;然后,获取扫描同一方位对应的多个主波束信号进行方位向处理;最后,将多个处理的不同方位目标的方位信息子分布图拼接为目标的方位信息总分布图的方式。其中,扫描方式的波束形成技术是采用偏移波束角度方式从‑60°到60°扫描检测区域,扫描间隔为1°,使在不同的方位形成多个波束;然后,取同一方位的多个主波束进行方位向FFT处理;最后,将多个处理的不同方位目标的方位信息子分布图拼接为目标的方位信息总分布图,提高雷达方位向目标分辨率至2°。

Description

一种基于毫米波雷达提高方位向分辨率的运动目标检测方法
技术领域
本发明涉及雷达信号处理技术领域,尤其涉及提高方位向分辨率的方法,具体涉及一种基于毫米波雷达提高方位向分辨率的运动目标检测信号处理方法。
背景技术
目前对雷达信号处理研究的一个重要方向即提高毫米波雷达方位向分辨率性能,雷达方位向分辨率是指雷达从方位上分辨处于同一波束内的两个或者多个等距目标的能力。如果同一波束内存有两个或多个等距目标,用常规的雷达信号处理只能检测到一个复合目标,往往会出现难以区分各目标的情况,所以需要提高雷达方位向角分辨率。提高方位向分辨率一般从两个方面努力,一、从硬件上提高雷达系统本身的性能,增大系统的理论分辨率。二、利用软件设计有效可行的高分辨算法,对雷达数据进行处理,得到高分辨率的雷达目标效果。从硬件上来说,增大天线孔径即增大了天线增益,天线增益越大,天线的波束宽度就越窄,天线波束越窄,方位向分辨率越好,因此增大天线孔径能有效提高分辨率。但实际操作起来会有以下几个问题:一、随着天线孔径的增大,其造价也会相应增加;二、天线孔径越大,其安装条件更难满足;三、为使大孔径天线良好运转,其驱动功率不断增大,驱动力的要求也越来越高;四、天线孔径太大,由于受到波导中脉冲信号过度特性的限制,存在着方位向分辨能力与距离分辨能力相互矛盾的问题。本发明提出对雷达信号进行预处理之后,采用扫描方式的波束形成技术扫描扇形检测区域;获取扫描同一方位对应的多个主波束信号进行方位向处理;将多个处理的不同方位目标的方位信息子分布图拼接为目标的方位信息总分布图的方式,进而提高了方位向分辨率。
发明内容
本发明的目的在于不升级系统硬件结构的前提下,提出一种复杂度更低、实现更简单且精度较高的雷达目标方位分辨率算法,该算法采用扫描方式的波束形成技术扫描扇形检测区域;获取扫描同一方位对应的多个主波束信号进行方位向处理;将多个处理的不同方位目标的方位信息子分布图拼接为目标的方位信息总分布图的方式,提高雷达方位向分辨率。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:主要采用的硬件平台为TI的IWR1642雷达传感器,其中主要包括电源模块、天线阵模块、时钟模块、IWR1642芯片,芯片主要包括DSP和ARM双处理器模块。电源模块为雷达传感器提供直流电源,保证系统正常运行;天线阵模块可以实现发射76GHz到81GHz的电磁波信号以及接收回波信号;时钟模块为雷达传感器提供基准时钟;ARM处理器模块进行毫米波雷达参数设置,控制毫米波雷达射频前端发射FMCW脉冲雷达脉冲碰到物体反射,反射波被毫米波雷达硬件模块的接收天线接收,反射波和发射波进行混频得到I、Q两路正交的零中频基带信号,接着进行A/D变换形成两路复数信号,两路信号被送到DSP处理器模块进行信号处理。
本发明所要解决的技术问题是雷达对目标进行探测时,通过扫描方式的波束形成技术扫描扇形检测区域;获取扫描同一方位对应的多个主波束信号进行方位向处理;将多个处理的不同方位目标的方位信息子分布图拼接为目标的方位信息总分布图的方式,以提高方位向分辨率。
本发明解决其技术问题所采用的算法包括以下步骤:
(1)通过两个发射天线和四个接收天线,生成虚拟天线阵列,使得一个发射脉冲可以有8个接收回波信号。
(2)对n个发射脉冲接收回波信号进行m点一维傅里叶变换,得到m个距离单元频域信号,形成M[m,n*8]矩阵,其中m为距离单元,n为脉冲数。
(3)将上一步得到的矩阵M[m,n*8]的单个发射脉冲所接收的脉冲信号M′[m,8]与权矢量h点乘,偏移波束角度,使得中心波束以扫描方式扫描-60°到+60°的整个扇形检测区域,其中扫描间隔为1°。从而在不同方位形成一组波束R′(θ),其中θ为扫描角度。如下式:
(4)
Figure BDA0003863791500000021
Figure BDA0003863791500000022
其中,单个发射脉冲所接收的脉冲信号
Figure BDA0003863791500000031
权矢量
Figure BDA0003863791500000032
扫描角度θ=-60°,……+60°。
(5)对上一步不同方位的波束R′(θ)获取主波束为R(θ),如下式:
Figure BDA0003863791500000033
扫描角度θ=-60°,……+60°。
(6)对n个发射脉冲接收脉冲信号进行(3)~(5)步骤的处理,获得同一方位角θ处n个主波束,其中
Figure BDA0003863791500000034
Ts为帧时间,PRI为单个脉冲时间。
(7)对n个主波束进行方位向FFT,获得同一方位目标的方位信息子分布图。
(8)不同方位目标的方位信息子分布图拼接为目标的方位信息总分布图,获得整个扫描检测区域的目标的方位信息总分布图,从而提高方位向分辨率。
附图说明
图1是本发明利用的硬件平台样图。
图2是本发明等效虚拟接收天线阵列。
图3是本发明的算法总体框图。
图4是本发明的算法流程图。
图5是本发明的同一方位的方位剖面图。
图6是本发明的不同方位目标的方位信息子分布图拼接为目标的方位信息总分布图示意图。
图7是未使用本发明方法的实测目标间隔5°方向图。
图8是使用了本发明方法的实测目标间隔5°方向图。
图9是使用了本发明方法的实测目标间隔5°总分布图。
图10是未使用本发明方法的实测目标间隔2°方向图。
图11是使用了本发明方法的实测目标间隔2°方向图。
图12是使用了本发明方法的实测目标间隔2°总分布图。
具体实施方式
本发明首先采用仿真实验进行验证,然后通过实际场景测试进行验证,所有步骤和结论是通过平台Code Composer Studio 10.1.0和MATLAB2018b进行验证;下面结合附图对本发明中提高方位向分辨率算法方案进行详细说明。
图4是提高雷达方位向分辨率算法的流程图,具体过程如下:
第一步:配置硬件平台:
图1是本设计所用到的硬件平台的样图,主要包括电源模块、天线阵模块、IWR1642芯片,其中主要包括DSP和ARM双处理器模块。电源模块对5V电源电压进行变换,由5V电压变换5种不同电压,分别为3.3V、2.3V、1.8V、1.3V、1.2V,经LDO模块后供给毫米波前端,用来满足各种应用中处理器的电源管理要求,其中包括4个压降型转换器内核,配置为4个单相输出;天线阵模块由两个发射天线和四个接收天线组成;分布形式采用均匀直线阵的方式,两发射天线采用时分复用的方法扩展阵列;如图2所示,上边是实际天线发射接收阵列,下边是等效虚拟合成的接收天线阵列,这种形式的天线阵在方位向具有更高的分辨率;该天线阵可实现水平方向±60°的可视角度,垂直方向可以实现±20°可视角度;IWR1642芯片主要DSP和ARM双处理系统;DSP子系统主要用于雷达信号处理,ARM系统主要负责无线电配置、控制和校准。
第二步:配置毫米波雷达参数:
中心频率为76GHz,波长为3.9mm,带宽为333.3MHz,采样点为128,脉冲数为128。
第三步:图3所示对回波数据进行预处理:
步骤1、通过两个发射天线和四个接收天线,生成虚拟天线阵列,使得一个发射脉冲可以有8个接收回波信号。
步骤2、对n个发射脉冲接收回波信号进行m点一维傅里叶变换,得到m个距离单元频域信号,形成M[m,n*8]矩阵,其中m为距离单元,n为脉冲数。
第四步:对处理数据采用扫描方式的波束形成技术。
通过获取每条天线的单个脉冲数据,为r=[r[0] r[1] … r[N-1]],其中N=8。将数据采用扫描方式的波束形成技术,扫描-60°到+60°的扇形检测区域。将上一步得到的矩阵M[m,n*8]的单个发射脉冲所接收的脉冲信号与M′[m,8]权矢量h点乘,偏移波束角度,使得中心波束以扫描方式扫描-60°到+60°的整个扇形检测区域,其中扫描间隔为1°。从而在不同方位形成一组波束R′(θ)。如下式:
Figure BDA0003863791500000051
其中,单个发射脉冲所接收的脉冲信号
Figure BDA0003863791500000052
权矢量
Figure BDA0003863791500000053
扫描角度θ=-60°,……60°。
对波束R′(θ)获取主波束为R(θ),如下式:
Figure BDA0003863791500000054
扫描角度θ=-60°,……+60°。
第五步:如图5,同一方位的方位剖面图。对n个发射脉冲接收脉冲信号进行上述步骤的处理,获得同一方位处n个主波束,其中
Figure BDA0003863791500000055
Ts为帧时间,PRI为单个脉冲时间。对n个主波束进行方位向FFT,获得同一方位目标的方位信息子分布图。如图6所示,(a)(b)(c)为不同方位目标的方位信息子分布图,(d)是通过对不同方位目标的方位信息子分布图拼接为目标的方位信息总分布图;获得整个扫描检测区域的目标的方位信息总分布图,从而提高方位向分辨率。
第六步:进行实际测试。实验一,测试环境为空旷的广场,两人在同一距离单元10m处,目标间隔5°,速度1m/s。如图7,未使用本发明方法的实测方向图。如图8、9,使用了本发明方法的实测目标间隔5°结果图。实验二,测试环境为空旷的广场,两人在同一距离单元10m处,目标间隔2°,速度1m/s。如图10,未使用本发明方法的实测方向图。如图11、12,使用了本发明方法的实测目标间隔2°结果图。综上比较,本发明方法提高了检测目标的方位向分辨率。

Claims (6)

1.一种基于毫米波雷达提高方位向分辨率的运动目标检测方法,其特征在与:包括以下步骤:
S1:由A/D转换模块对中频信号直接采样,获取用于检测运动目标雷达各个天线阵列的基带信号,当完整的一串脉冲的回波信号采样完成后存入DSP存储的单元。
S2:对上述S1基带信号进行距离维FFT,将基带信号距离维度的时域信号转换到频域上。
S3:对上述S2频域信号利用扫描方式的波束形成技术,从-60°到60°扫描整个扇形检测区域,从而使在不同方位形成多个波束。
S4:对上述S3获取同一方位n个主波束,其中
Figure FDA0003863791490000011
Ts为帧时间,PRI为单个脉冲时间。
S5:对上述S4对这一组主波束进行方位向FFT。
S6:对上述S5不同方位目标的方位信息子分布图拼接为目标的方位信息总分布图。
2.根据权利要求1所述的一种基于毫米波雷达提高方位向分辨率的运动目标检测方法,其特征在与:所述毫米波雷达为多天线收发模式,通过两个发射天线和四个接收天线,发射天线采用分时复用的工作模式,充分利用天线收发孔径,生成虚拟天线阵列,使得雷达形成一发八收的单输入多输出系统。
3.根据权利要求1所述的一种基于毫米波雷达提高方位向分辨率的运动目标检测方法,其特征在与:所述的扫描方式的波束形成技术是采用偏移波束角度方式从-60°到60°,扫描间隔为1°扫描整个扇形检测区域,使在不同方位形成多个波束。
4.根据权利要求1所述的一种基于毫米波雷达提高方位向分辨率的运动目标检测方法,其特征在与:获取同一方位n个主波束,其中
Figure FDA0003863791490000012
Ts为帧时间,PRI为单个脉冲时间。
5.根据权利要求1所述的一种基于毫米波雷达提高方位向分辨率的运动目标检测方法,其特征在与:对n个主波束进行方位向FFT,获得同一方位角目标的方位信息子分布图。
6.根据权利要求1所述的一种基于毫米波雷达提高方位向分辨率的运动目标检测方法,其特征在与:通过不同方位目标的方位信息子分布图拼接为目标的方位信息总分布图,展现了目标方位的分布信息。
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