一種多目標雷達探測系統的設計與實現

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(1.廣西無線寬帶通信與信號處理重點實驗室， 廣西桂林 541004； 2.桂林電子科技大學計算機與信息安全學院，廣西桂林 541004； 3.桂林電子科技大學信息與通信學院， 廣西桂林 541004)

0 引言

近年來智能駕駛已經成為各個汽車行業互相競爭的領域，而毫米波雷達作為其中一種具有全天候工作性能的傳感器[1-2]，無疑成為當前研發的熱門主題，毫米波雷達能夠在不良天氣環境下實現目標探測[3-4]，并能夠根據發射波波形體制設計對應的信息提取算法，完成距離速度的計算。LFMCW體制的毫米波雷達具有結構簡單、質量輕、體積小的優點[5-7]，因此在毫米波雷達探測系統中應用十分廣泛。但在多目標復雜背景環境下，容易出現多目標配對問題[8]，從而導致虛假目標的存在。針對這一問題，文獻[9]提出了動目標檢測(MTD)頻域配對法，文獻[10]提出了變周期容差配對法。但MTD頻域配對需要對回波數據進行多周期積累，然后通過計算MTD后目標上下掃頻的峰值幅度、能量等特征對多目標進行配對，該方法導致計算量增加且容易出現相似目標配對失效問題。變周期容差配對法需要發射至少兩組斜率不同的發射波，并對斜率不同的幾種發射波回波進行同樣的算法處理，然后再對兩種波形提取的目標信息進行容差處理實現目標匹配，該方法導致后續信號處理過于復雜。

本文針對多目標配對問題，基于單發雙收射頻前端采用角度容差和峰值能量相近原則對多目標進行配對，該方法通過FPGA進行算法實現，主要原理為：在確定雙天線回波中目標頻譜峰值坐標的前提下通過坐標旋轉算法對目標信號頻域復矢量求相位差，基于該相位差計算出目標上掃頻角度和下掃頻角度，根據同一目標具有相同的上掃頻角度和下掃頻角度這一原則進行容差配對，并在角度容差的基礎上進一步根據目標上下掃頻峰值能量是否相近確認目標是否匹配，該步驟主要用于區分同角度不同距離和速度的目標，最后對配對后的目標峰值坐標進行距離、速度計算，從而最終得出目標的3種信息。測試結果表明該方法能夠有效解決多目標配對問題并能夠實現較高精度的距離、速度和角度的測量。

1 系統測量原理

1.1 系統測距測速原理

圖1為LFMCW發射波和接收波示意圖，其中B為射頻帶寬，T為發射波調制周期，τ為接收信號和發射信號之間的時延，fb+為接收信號和發射信號的上掃頻差拍頻率，fb-為接收信號和發射信號的下掃頻差拍頻率。

圖1 發射波和接收波示意圖

對接收信號和發射信號進行下變頻處理后可以得到包含目標距離速度信息的差頻回波信號，回波信號模型如下所示：

Su=Aexp(j2π(fb+t+μbt2)

(1)

Sd=Aexp(j2π(fb-t-0.5μbt2))

(2)

式中，μb為差頻信號調制斜率，fb+和fb-為包含目標距離和速度信息的上下掃頻差拍頻率，且和距離速度滿足下述關系：

fb+=4BR/CT+2V/λ

(3)

fb-=-4BR/CT+2V/λ

(4)

式中，R為目標距離，V為目標速度。因此結合式(3)和式(4)可得目標距離和速度計算公式：

(5)

(6)

由上述推導可知，只要求出差拍信號頻率中的fb+和fb-便可間接求出目標距離和速度信息。

1.2 系統測角原理

本系統角度測量是基于單發雙收射頻前端進行實現的，實現原理如圖2所示。

圖2 相位干涉法測角

圖2中TX為發射天線，RX1和RX2為兩個接收天線，由于接收天線之間間距d較小，而目標距離射頻前端較遠，因此目標接收波信號在兩個接收天線上近似平行，此時波程差r和目標方位角θ、接收天線間距d滿足

r=dsinθ

(7)

波程差對應到差頻回波信號中的相位差Δφ可表示為

(8)

因此方位角θ可表示為

(9)

一維FFT變換后通過虛警算法和譜峰搜索找到目標對應峰值的下標，然后根據下標取出雙接收天線在頻域對應的目標復矢量，求出雙天線相位差Δφ，代入式(9)便可求得目標方位角θ。

1.3 多目標角度配對法

通過上述測量原理可以獲取目標的距離、速度和角度信息，在單目標環境下，只需求出一組目標上下差拍頻率即可，但在多目標復雜背景環境下，回波信號經算法處理后存在多組上下掃頻差拍頻率，假設雷達探測到n個目標，則存在n2種上下掃頻組合，為了濾除n2-n種虛假目標，此時需要對不同目標的信息進行匹配處理才能得到目標正確的信息，因此本文針對多目標匹配困難問題，采用如圖3所示的多目標角度配對算法對多目標信息進行匹配，實現原理為對雙接收天線RX1和RX2的回波數據分別進行FFT處理，通過虛警和譜峰搜索算法提取目標峰值在頻譜中的上掃頻坐標和下掃頻坐標，然后根據雙天線上下掃頻坐標取出各自對應的頻域目標復矢量，通過1.2節中的測角方法求出目標上掃頻角度θu和下掃頻角度θd，同一目標在上下掃頻中求得的角度理論上應該相等，但實際探測時存在一定誤差，因此需要對上下掃頻進行角度容差處理，由于實際探測中會存在同角度目標，角度容差處理后需要對滿足角度誤差的上下掃頻峰值能量進行容差判斷，判斷方式為當峰值能量相近時判為同一目標。由于雙接收天線接收的目標距離速度信息是相同的，因此多目標配對時只需對一個接收天線的目標進行配對即可，多目標配對后便可進行距離、速度的計算，此時可以得到目標的距離、速度和角度信息。

圖3 多目標角度配對算法流程圖

2 系統硬件結構設計

LFMCW雷達多目標探測系統硬件構成主要由電源模塊、射頻模塊、信號處理、目標信息顯示四部分組成，其結構框圖如圖4所示。電源模塊主要用于信號處理和射頻模塊供電。射頻模塊由PLL電路，VCO壓控振蕩器，發射天線TX1和接收陣列天線RX1,RX2,以及正交混頻器組成，主要用于實現信號調制、發射以及回波信號的接收和解調。信號處理部分包括AD采樣、FPGA數據處理、USB數據發送、目標信息顯示等，主要用于對模擬回波信號進行數字化采樣、數字信號存儲、傳輸及信號處理。最后將檢測到的目標信息通過USB發送到上位機進行目標信息顯示。

圖4 多目標探測系統硬件結構圖

本系統射頻前端加入PLL電路提高系統射頻頻率穩定度以及調制信號的線性度，LFMCW發射信號的產生主要通過FPGA 的SPI串行口進行編程控制，正交混頻器輸出的四路IQ信號分別對應兩路接收天線的實部和虛部，即I1，Q1對應RX1，I2，Q2對應RX2,正交混頻后便于回波信號相位的求取。

3 FPGA數據處理算法設計

射頻前端接收的回波數據經混頻處理后輸出I1，Q1，I2，Q2四路正交模擬信號到AD采樣模塊，經AD采樣后輸出到FPGA芯片進行信號處理，信號處理流程如圖5所示。

圖5 FPGA信號處理流程

流程圖詳解如下：

1) 數據乒乓緩存。以RX1天線為例，在第一個緩存周期，通過RX1數據輸入選擇將第一周期回波數據緩存至FIFO1，在第二個緩存周期，通過RX1數據輸入選擇進行切換，將第二周期回波數據緩存至FIFO2，同時需要將第一周期緩存至FIFO1中的數據通過RX1數據輸出選擇模塊輸入到FFT處理模塊進行處理，在第三個緩存周期通過數據輸入選擇再次切換將第三周期回波數據緩存至FIFO1，同時將第二周期緩存至FIFO2中的數據通過數據輸出選擇進行切換輸入到FFT模塊進行處理，如此循環下去。由于FPGA實現并行操作，因此RX2天線回波數據按同樣方法緩存至FIFO3和FIFO4。

2) 回波數據FFT變換和虛警處理。以RX1為例進行說明，數據從FIFO1或FIFO2中輸出到FFT模塊進行時頻域轉換后，分兩路處理，一路存入隨機讀寫存儲器RAM1，另一路進行數據求模，對數據求模后的頻域數據進行恒虛警處理和譜峰搜索，從而在保證較高的目標檢測概率的情況下尋找目標峰值所在的頻率單元。本系統恒虛警采用OS恒虛警算法(有序統計恒虛警算法)對雜波功率進行估計[11]，該虛警算法通過對參考單元進行排序比較的方法確定雜波門限，進而將雜波門限與檢測單元進行比較，判別目標的方式為當檢測單元功率值大于雜波門限即判斷為目標，否則不是目標。該虛警算法能夠有效解決傳統虛警算法中存在的目標自遮蔽效應和無法區分距離較近目標的缺陷，而且適合多目標復雜背景的探測環境，具有工程實用性。

3) 峰值搜索進一步確定目標。當對求模后的數據進行虛警處理后仍避免不了虛警目標的混入，因此需要進一步進行峰值搜索處理，具體方法為：首先對虛警后輸出的數據進行歸一化處理(先求虛警后數據最大值，然后將所有數據除以最大值)，對歸一化的數據進行門限設定，本系統設定門限值為0.5，即當輸入的數值小于等于0.5時即判為虛假目標，不作處理，當輸入數值大于0.5時，判斷其是否大于左右相鄰數據，若是大于則為目標此時輸出該目標對應的上掃頻或下掃頻距離單元號，依次操作，直至輸出所有目標距離單元號。

4) 多目標角度容差配對。根據RX1對應的目標上下掃頻譜峰坐標和RX2對應的目標上下掃頻譜峰坐標取出RAM1和RAM2中對應的目標復矢量，取該復矢量的虛部和實部輸入到Cordic算法模塊分別求出RX1上下掃頻相位值和RX2上下掃頻相位值，然后對RX1和RX2的上下掃頻相位作差處理求出相位差Δφ，將Δφ代入式(9)求出目標角度，將上掃頻角度和下掃頻角度進行容差判斷后對Cordic模塊輸出的對應該角度的目標上下頻峰值能量進行容差判斷，若差值角度差值Δθ≤0.02 rad，且上下掃頻峰值能量小于等于2 dB時則對上下掃頻目標進行配對，否則不進行配對，最后將配對后的目標上下掃頻差拍頻率代入式(5)和式(6)計算出目標距離速度。

以上所述為FPGA數據處理整體流程。

4 系統測試

本系統射頻中心頻率為24 GHz，射頻帶寬為180 MHz，LFMCW調制周期為0.02 s，上下掃頻各采樣1 024點，本次測試主要對視野范圍內運動狀態不同的4輛汽車進行測量，測試環境選擇相對空曠的平坦地區。通過在線邏輯分析儀截取不同時間段FPGA處理后的數據，將數據導入Matlab進行譜圖觀察分析，圖6是RX1和RX2采樣后輸出的數字化中頻回波數據，圖7和圖8為FPGA進行FFT變換后的頻譜圖，頻譜圖中峰值幅度為目標信號功率，單位為dB，峰值橫坐標代表目標信號差拍頻率，通過后續虛警算法和譜峰搜索鎖定目標峰值，進行求角和距離速度匹配便可得到目標最終信息，表1為未配對前的目標頻率和角度信息，表2為角度容差配對后得到的目標頻率信息對比圖，表3為實際目標信息和測量目標信息對比圖。

(a) RX1中頻時域采樣信號

(b) RX2中頻時域采樣信號圖6 中頻回波采樣信號

(a) RX1上掃頻中頻頻譜圖

(b) RX1下掃頻中頻頻譜圖圖7 RX1上下掃頻FFT后頻譜圖

(a) RX2上掃頻中頻頻譜圖

(b) RX2下掃頻中頻頻譜圖圖8 RX2上下掃頻FFT后頻譜圖

未匹配前序號上掃頻頻率/Hz下掃頻頻率/Hz上掃頻角度/(°)下掃頻角度/(°)124002080057.09.4276001000010.130.6314800440032.711.342720024009.858.1

表2 角度容差匹配后

表3 實際數據與測量結果對比

通過大量現場實測證明，目標正確匹配概率達到95%，且測距均方根誤差能夠保持在3%左右，測速均方根誤差保持在4.2%左右，測角均方根誤差保持在7.2%左右，系統實時性強，數據刷新率保持在20 Hz，能夠滿足實際探測需求。

5 結束語

本文基于單發雙收射頻前端設計了一種LFMCW多目標雷達探測系統，該系統基于上下掃頻角度一致性和峰值能量相近原則實現單周期多目標配對，并能夠區分同一方位角不同距離速度的目標，有效克服了傳統配對算法的缺陷，在保證系統實時性和目標探測精度的前提下減少了算法復雜度和時間復雜度。但本文設計系統是在相對空曠地區進行實測，干擾相對較少，而實際道路環境相對復雜，因此后續工作仍需對本系統進一步改進從而提高系統的實用性和抗干擾能力。