毫米波汽車防撞雷達多目標識別算法仿真

王俊喜, 司偉建，周烱賽

哈爾濱工程大學 信息與通信工程學院 黑龍江 哈爾濱 150001

?

毫米波汽車防撞雷達多目標識別算法仿真

王俊喜, 司偉建，周烱賽

哈爾濱工程大學 信息與通信工程學院 黑龍江 哈爾濱 150001

摘要：毫米波汽車防撞雷達系統一般工作在24、77 GHz頻段，以高精度測速、測距為目標，旨在提高行車安全系數、提供更加舒適的駕駛環境，避免嚴重交通事故發生。汽車防撞雷達一般采用調頻連續波(frequency modulated continuous wave ，FMCW)體制，傳統的FMCW雷達難以解決多目標準確檢測問題，在此基礎上提出了一種新的調制波形和多目標檢測算法，仿真結果表明該方法可以在多目標環境下剔除虛假目標，進而準確識別目標，提高了防撞雷達系統的可靠性。

關鍵詞：信息處理技術；防撞雷達；調頻連續波；多目標檢測；虛假目標

司偉建 (1971-),男，研究員，博士生導師.

近年來我國交通事業高速發展，截至2014年底，高速公路的通車總里程達11.195×104km，到2015年公路總里程將達到450×104km，國家高速公路網基本建成。現代交通給我國經濟帶來飛速發展的同時，也帶了不少問題。交通帶來的問題已經是世界性的問題，為了解決這個世界性的問題，各國把目光紛紛投向智能交通系統(intelligent transportation system，ITS)[1]，ITS是未來交通系統的發展方向。毫米波汽車防撞雷達具有重量輕、體積小、分辨率高、易于高度集成化的特點，相比于攝像頭、激光等光學傳感器具有較好的全天候工作能力，受到了國內外汽車電子行業的重視，自適應巡航控制(adaptive cruise control，ACC)、變車道輔助(lane change warning，LCW)、盲區監控(blind spot detection，BSD)等作為汽車主動安全系統都離不開毫米波雷達，在主動安全技術中汽車防撞雷達是目前最重要的研究方向之一，它是ACC以及ITS的基礎。國際上美國、日本、德國等先進的汽車生產國，早有汽車防撞雷達產品進入市場，并已經開始裝配大型貨車和高檔轎車[2-8]。德國的汽車防撞雷達產品有Smartmicro(s.m.s)、博世、海拉等，日本和美國等汽車大國，在汽車主動安全技術均有研究，尤其是汽車防撞雷達在美國的實用化程度較好。國內在汽車防撞雷達方面的研究主要集中在研究所、高校以及一些汽車廠商，如上海微系統所、武漢汽車研究所、清華大學汽車系、上海大眾、長春一汽等[3]，在研究中取得了一定成果。汽車防撞雷達系統多采用FMCW體制，毫米波FMCW雷達相比脈沖雷達更適于近距離測距、測速，適于裝配汽車。文中對采用鋸齒波、三角波調制FMCW雷達進行分析，針對多目標識別問題，在原來波形的基礎上改進波形，從理論分析和仿真結果兩方面可以看出，利用該波形和算法能準確識別多目標。

1汽車防撞雷達雷達系統結構原理

汽車防撞雷達系統一般包括射頻前段、信號處理模塊、接口3部分組成 ：1) 射頻前端。一般包括發射天線、接收天線、低噪聲放大器(low noise amplifier,LNA)、功分器、以及混頻器等。目前，毫米波基礎元器件和系統已具備工程應用的技術條件，特別是毫米波器件的模塊化、毫米波單片集成電路(monolithic microwave integrated circuit,MMIC)工藝上的進展和突破，使毫米波器件能以被接受的價格提供批量產品[4]。2)信號處理系統。信號處理系統接收到由射頻前端發送過來的經混頻之后的中頻信號，首先進行中頻信號調理，包括放大、濾波等經A/D轉換后送入DSP中進行加窗、FFT、恒虛警處理、峰值檢測、目標參數檢測等一系列的數字信號處理，并將處理結果通過接口發送到汽車控制系統；同時，信號處理系統會產生調制三角波、鋸齒波，用來控制射頻前端的天線發送。3)接口電路。常用于汽車的通信接口電路CAN、LIN總線等通過接口電路與汽車ECU交換數據。

毫米波汽車防撞雷達電路結構框圖如圖1。

圖1　毫米波汽車防撞雷達電路結構框圖

圖1中雷達天線為收發分離天線(1T/2R)VCO(壓控振蕩器)模塊根據調制信號相應地產生調頻信號，調制信號一般選擇三角波、鋸齒波等；VCO 輸出的已調信號一分為二：一部分作為發射信號由發射天線發射；另一部分作為解調的本振信號。電磁波由目標反射后，返回到雷達天線前端由接收天線接收，對該接收信號低噪聲放大(LNA)處理后，與發射信號進行混頻，得到二者的中頻信號，再經中頻放大器進行放大后至A/D進行轉換后送至信號處理模塊進行處理。其信號處理框圖如圖2。

圖2　汽車防撞雷達信號處理流程

2傳統FMCW雷達測距測速原理以及存在問題

2.1鋸齒波調制波形FMCW

如圖3所示,受鋸齒波調制的發射信號[5]其波形是幅度恒定正弦波,而其頻率按照鋸齒波線性變化,回波信號是一個與發射信號有延時的相似波形。

圖3　鋸齒波調制FMCW發射波形與接收波形

圖中：tτ=2R/C表示電磁波在空中傳播2R距離所產延時；c為電磁波在真空傳播的速度；R為雷達與目標之間的距離，時間延遲所產生的拍頻為fIF，fIF包含目標的距離信息，根據幾何相似原理：

(1)

從式(1)可以發現，fIF的大小取決于調制斜率κ和時間延時tτ。當目標為靜止時fIF僅僅包含目標的距離信息，此時可得到目標的距離R，R與fIF成正比：

現實環境中目標往往是運動的，由于多普勒效應，此時fIF不僅包含距離所產生的拍頻信號而且還疊加了多普勒頻移。此時中頻信號為fIF=fR±fD，fR取決于調制斜率κ和距離R，fD取決于速度v，一般距離所產生的fR遠大于速度所產的的多普勒頻偏fD，設置較大適中的調制斜率κ，可以忽略速度對中頻信號的影響，進而實現鋸齒波測距，對于獲取目標速度參數，鋸齒波無法滿足要求。

2.2三角波調制波形FMCW

圖4為調頻連續波(FMCW)三角波[6]調制發射和接受的頻率-時間關系圖。

圖4　三角波FMCW雷達發射和接收信號頻率-時間圖

圖中在正斜率段fIF+=fR-fD，負斜率段fIF-=fR+fD，兩式相加消去多普勒頻移得

兩式相減消去fIF得到多普勒偏移

得到距離、速度：

(2)

(3)

假如在單目標環境下FMCW 雷達完全可以進行對目標的距離、速度進行探測與識別。但是在多目標環境下，如果有n個目標，那么對上掃頻的中頻信號進行頻譜分析可以得到n個譜峰，可分別表示為[fIF+1，fIF+2，fIF+3，… ，fIF+n]，同理由下掃頻的差拍信號可以得到n個譜峰：[fIF-1，fIF-2，fIF-3，… ，fIF-n]。因為上、下掃頻譜峰沒有直接相關的配對信息，所以共有n2種配對可能，其中n個是真實目標，其他n2-n個虛假目標，如何有效識別出n個真正的目標并且排除n2-n虛假目標是需要面對的難題[7]。

3改進傳統FMCW調制波形

鋸齒波可以解決多目標測距，但是不能同時解決測速；在單目標情況下三角波FMCW可以滿足測速、測距，而多目標情況下由于錯誤的目標配對導致虛假目標出現。為了解決因配對產生的虛假目標，文獻[9]提出了頻域配對法，原理是利用同一目標在上、下掃頻段回波頻譜具有相同的形狀的特點實現配對，但當多個目標的回波信號具有頻譜和幅度相似形狀特點時，目標配對就會出現問題，文獻[10]提出了一種改進傳統的三角波的波形，采用不同的調制斜率的三角波作為調制信號，用于去除虛假目標，但是這將導致延長了測量時間，實時性降低；文獻[11] 提出了動目標檢測( MTD) 頻域配對法來頻譜配對，需要計算上、下掃頻段得到的頻譜峰值、信號能量以及頻譜的相似度等，所以計算量很大，對整個系統要求較高。綜上所述，為了解決多目標識別的問題，同時不降低整個系統實時性以及算法的可實現性，文中結合傳統的鋸齒波和三角波FMCW各自優點，對傳統的調制波形進行改進，改進的波形如圖5所示。

圖5　改進傳統FMCW調制波形

在整個周期調制信號由T1、T2、T3三段組成，T1=T2?T3調制帶寬相等為B，經過混頻，下變頻到中頻信號,根據上面推導出的公式最終在T1、T2、T3三段，分別得到fT1、fT2、fT3：

在T1調頻周期的上掃頻段，假如出現n個目標，第i個目標的頻譜峰值頻率為：

(4)

式中：i為整數且i∈[1,n]；同理在T2下掃頻段，n個目標的第j個目標的頻譜峰值頻率為：

(5)

式中：j為整數，且j∈[1,n]。將式(4)、(5)代入式(2)可得

(6)

將式(4)、(5)代入式(3)可得

(7)

4算法設計以及MATLAB仿真

4.1算法設計

為了提高在復雜環境下，多目標識別的準確度，文中結合傳統鋸齒波和三角波的特點，對傳統的調制波形進行改進，圖6為汽車防撞雷達多目標探測信號處理流程。

圖6　汽車防撞雷達多目標探測信號處理流程

首先對n個目標回波信號頻譜在T1、T2掃頻段進行處理，按照相同目標在上、下掃頻段實際的距離單元位置相近，進行簡單配對，這樣可以減少后續目標配對的復雜度，這樣計算得到一組(Ri,vi)，i∈[1,k],n≤k≤n2。同理在T3掃頻段，得到n個目標的距離Rj，j∈n,對距離Ri，Rj進行搜索匹配，如果|Ri-Rj|?△R成立，則(Ri,vi)為一組真實距離，否則為虛假目標，式中ΔR為容差函數，容差函數的建立參考文獻[10]。由式(2)可知距離分辨率為

式中：NFFT為快速傅里葉(FFT)變換的點數；fs為采樣率，在整個調制周期T間隔的測距誤差最大為

取容差函數的值為最大測距誤差ΔR。取調制周期T=10 ms；帶寬B=150 MHz；采樣率fs=1 MHz；FFT變換的點數NFFT=102 4點；c為光速取3×108m/s；ΔR=0.5 m。

4.2MATLAB仿真

雷達依據調制方式分為脈沖和連續波，在近距離測距測速連續波相比脈沖雷達具有一定優勢，文獻[6]論述了連續波種種優勢。圖7為傳統FMCW雷達發射波形。

圖7　傳統FMCW雷達發射波形

仿真參數設計，汽車毫米波雷達發射頻率fc=77 GHz；波長λ=3.89 mm;帶寬B=150 MHz；最遠探測距離200 m；最大探測速度240 km/h；掃頻時間T1=T2=10 ms；T3=10 μs。圖8為FMCW雷達信號帶寬隨時間變化圖。

圖8　FMCW雷達信號帶寬隨時間變化圖

汽車參數設置為(10,10)，距離R=10 m，速度為10 km/h=2.78 m/s。4個目標參數設置具體如表1所示。

表1　目標參數

MATLAB仿真結果分析, 如圖9為在傳統FMCW三角波T1、T2上下掃頻段，由于缺乏相關信息直接配對產生16個目標，其中只有4個目標為真實目標，其余12個是虛假目標；圖10為在T3鋸齒波段直接對目標的距離R進行估計去除虛假目標，圖中可見檢測到4個目標的距離。

圖9　在T1、T2上下掃頻段進行配對出現的目標

圖10　T3段直接對目標的距離R進行去除虛假目標

結合文中改進FMCW調制波形，以及多目標識別算法，對虛假目標進行剔除。圖11為剔除虛假目標，保留真實目標后的距離-速度分布圖。

圖11　改進傳統FMCW雷達多目標檢測距離-速度分布

表2為MATLAB最終檢測到的4個目標，以及對應的距離R、速度V。

表2　檢測目標參數

仿真實驗結果表明，文中對傳統三角波和鋸齒波改進的FMCW雷達的多目標識別算法可以排除虛假目標、準確實現多目標識別，而且有利于提高整個毫米波汽車防撞FMCW雷達的實時性和可靠性。

5結束語

文中分析了傳統的鋸齒波、三角波FMCW雷達測距、測速原理以及優缺點，并對現實行車環境中，多目標識別問題進行了研究，分析頻域配對法和變周期FMCW雷達等多目標識別算法，并結合三角波和鋸齒調制波形的優點并進行了改進，采用了更加容易實現的波形和更加有效的多目標識別算法。仿真結果表明：該方法可以有效剔除虛假目標保留真實目標、不影響整個系統實時性，能夠探測前方目標車輛的相對速度和距離R。因此該方法對簡化毫米波汽車防撞雷達設備、降低硬件成本有著重要的參考價值。

參考文獻:

[1]LIANG Han, KE Wu. Radar and radio data fusion platform for future intelligent transportation system[C]//Proceedings of the 2010 European Radar Conference. Paris, France, 2010: 65-68.

[2]JOSEF W. Automotive radar-status and perspectives[C]//Proceedings of the 2005 IEEE Compound Semiconductor Integrated Circuit Symposium. Palm Springs, USA, 2005: 21-23.

[3]張昱, 宋驪平, 虎小龍. 基于概率假設密度的汽車防撞雷達多目標跟蹤[J]. 現代雷達, 2014, 36(6): 82-87.

[4]SAUNDERS D, BINGHAM S, MENON G, et al. A single-chip 24 GHz siGe BiCMOS transceiver for low cost FMCW airborne radars[C]//Proceedings of the IEEE 2009 National Aerospace & Electronics Conference. Dayton, USA, 2009: 244-247.

[5]KRONAUGE M, ROHLING H. New chirp sequence radar waveform[J]. IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems, 2014, 50(4): 2870-2877.

[6]RONLING H, MOLLER C. Radar waveform for automotive radar systems and applications[C]//Proceedings of the 2008 IEEE Radar Conference. Rome, Italy, 2008: 1-4.

[7]屈飛園, 曹寧. 車載FMCW雷達準確檢測多目標的一種有效方法[J]. 科學技術與工程, 2012, 12(6): 1263-1266.

[8]FISCHER J, MENON A, GORJESTANI A, et al. Range sensor evaluation for use in cooperative intersection collision avoidance systems[C]//Proceedings of the 2009 IEEE Vehicular Networking Conference. Tokyo, Japan, 2009: 1-8.

[9]史林, 張琳. 調頻連續波雷達頻譜配對信號處理方法[J]. 西安電子科技大學學報, 2003, 30(4): 534-538.

[10]蔣留兵, 許騰飛, 楊昌昱, 等. 一種汽車防撞雷達多目標識別方法[J]. 現代雷達, 2014, 36(6): 54-58.

[11]楊建宇, 凌太兵, 賀峻. LFMCW雷達運動目標檢測與距離速度去耦合[J]. 電子與信息學報, 2004, 26(2): 169-173.

網絡出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/23.1191.U.20151206.1014.010.html

Simulation of multi-target recognition algorithm of

millimeter-wave automotive anti-collision radar

WANG Junxi，SI Weijian，ZHOU Jiongsai

College of Information and Communication Engineering, Harbin Engineering University, Harbin 150001, China

Abstract：Millimeter-wave automotive anti-collision radar systems, which generally work in 24,77 GHz frequency band, aim at measuring speed and distance with high precision, so as to enhance the safety factor of driving. It provides more comfortable driving environment, and prevents serious traffic accidents. Automotive anti-collision radar generally adopts frequency-modulated continuous wave (FMCW) system. However, it is hard for the traditional FMCW radar to accurately detect multiple targets. On this basis, this paper proposes a new modulation waveform and multi-target detecting algorithm. The simulation result shows this method can remove false targets in the multi-target situation and accurately detect the target and enhance the reliability of anti-collision radar.

Keywords：information processing technology; anti-collision radar; frequency-modulated continuous wave; multi-target detection; false targets

通信作者：王俊喜，E-mail：610774608@qq.com.

作者簡介：王俊喜 (1987-),男，碩士研究生；

基金項目：航空科學基金資助項目(201401P6001).

收稿日期：2015-03-23.網絡出版日期：2015-12-06.

中圖分類號：TN958.94

文獻標志碼：A

文章編號：1009-671X(2015)06-052-06

doi:10.11991/yykj.201503021