車載毫米波雷達(dá)多徑假目標(biāo)分析與消除方法

鄭晶月, 吳佩侖, 陳家輝, 郭世盛, 崔國龍,*

(1. 電子科技大學(xué)信息與通信工程學(xué)院, 四川 成都 611731;2. 航空工業(yè)第一飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院, 陜西 西安 710089)

0 引 言

隨著智慧交通在全球快速發(fā)展,車載毫米波雷達(dá)作為基礎(chǔ)傳感器在目標(biāo)檢測、目標(biāo)位置、速度估計(jì)等領(lǐng)域均有廣泛應(yīng)用[1-3]。在實(shí)際城市道路多徑環(huán)境中,當(dāng)采用車載毫米波雷達(dá)進(jìn)行目標(biāo)定位時(shí),雷達(dá)回波中不僅包括探測目標(biāo)的直視路徑回波,還會(huì)包含由道路旁護(hù)欄、建筑墻壁等反射面產(chǎn)生的反射路徑回波,反射多徑回波的存在將嚴(yán)重影響車載雷達(dá)的目標(biāo)檢測與定位性能[4-6]。因此,根據(jù)受到多徑干擾的原始回波進(jìn)行定位后,初始定位結(jié)果將包括目標(biāo)真實(shí)定位點(diǎn)及多徑產(chǎn)生的假目標(biāo)[7-8]。這些多徑假目標(biāo)可以視為真實(shí)目標(biāo)的衍生目標(biāo),需要對(duì)多徑假目標(biāo)進(jìn)行消除以獲得目標(biāo)真實(shí)位置坐標(biāo)。

近年來,國內(nèi)外許多學(xué)者關(guān)注到多徑效應(yīng)對(duì)雷達(dá)探測性能的影響,開展了多徑消除技術(shù)的方法研究,目前多徑消除方式按雷達(dá)信號(hào)處理的不同階段可分為3類。第1類是改變雷達(dá)陣列配置來抑制多徑,該方法利用了多徑目標(biāo)存在視角依賴(aspect-dependent, AD)的特性,即多徑目標(biāo)位置會(huì)隨陣列位置的變化而變化。在文獻(xiàn)[9-13]中,通過改變分布式天線陣列結(jié)構(gòu)并利用圖像加權(quán)策略抑制了多徑成像假目標(biāo)。在文獻(xiàn)[14]中,通過陣列旋轉(zhuǎn)模式并結(jié)合圖像融合算法消除多徑成像假目標(biāo)。在文獻(xiàn)[15-16]中,通過設(shè)計(jì)車載毫米波雷達(dá)天線陣列結(jié)構(gòu)有效抑制了多徑信號(hào)分量。與第1類不同,第2類利用脈沖壓縮后的回波距離特征來抑制多徑。文獻(xiàn)[17]中,通過對(duì)距離像軌跡進(jìn)行擬合實(shí)現(xiàn)多徑距離軌跡識(shí)別與消除。在文獻(xiàn)[18]中,通過區(qū)分直視路徑與反射路徑的距離特征來識(shí)別并消除道路場景中的多徑假目標(biāo)。在文獻(xiàn)[19]中,根據(jù)目標(biāo)距離軌跡時(shí)間連續(xù)性,對(duì)多徑距離延遲誤差進(jìn)行估計(jì)補(bǔ)償。在文獻(xiàn)[20]中,利用最小二乘方法抑制多徑距離誤差,但需要利用先驗(yàn)知識(shí)識(shí)別多徑信道。為了彌補(bǔ)上述方法的缺陷,在文獻(xiàn)[21]中,將多徑距離誤差建模為一個(gè)凸優(yōu)化問題來消除多徑,且無需信道的先驗(yàn)信息。第3類是根據(jù)多普勒、方位角、極化信息等其他回波處理結(jié)果,區(qū)分真實(shí)目標(biāo)與多徑目標(biāo),進(jìn)而消除多徑假目標(biāo)。在文獻(xiàn)[22]中,通過在距離和多普勒空間中應(yīng)用匹配濾波技術(shù)來抑制多徑回波。文獻(xiàn)[23]中,對(duì)距離—多普勒?qǐng)D應(yīng)用霍夫變換實(shí)現(xiàn)對(duì)多徑假目標(biāo)的識(shí)別。在文獻(xiàn)[24]中,基于多徑假目標(biāo)方位與車輛運(yùn)動(dòng)方位不匹配的特征,可以識(shí)別并消除假目標(biāo),但是該方法會(huì)受車輛姿態(tài)估計(jì)精度的限制。在文獻(xiàn)[25]中,通過區(qū)分車輛目標(biāo)直視路徑和反射路徑的極化信息,可以識(shí)別出假目標(biāo)。在文獻(xiàn)[26]中,根據(jù)信號(hào)強(qiáng)度進(jìn)行閾值分割來消除多徑假目標(biāo)。在文獻(xiàn)[27-28]中,利用機(jī)器學(xué)習(xí)方法識(shí)別并消除多徑假目標(biāo)。在文獻(xiàn)[29-30]中,基于深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法消除多徑成像假目標(biāo)。

本文研究了城市道路多徑環(huán)境下目標(biāo)的準(zhǔn)確定位問題,根據(jù)多徑假目標(biāo)與真實(shí)目標(biāo)不同的空間位置特征,基于車載毫米波雷達(dá)提出了一種多徑假目標(biāo)匹配消除方法,該方法通過目標(biāo)距離檢測、最小方差無失真響應(yīng)(minimum variance distortionless response, MVDR)測角定位等步驟獲取初始定位結(jié)果,然后利用初始定位點(diǎn)跡來計(jì)算多徑假目標(biāo)理論位置,進(jìn)而對(duì)初始定位結(jié)果進(jìn)行匹配識(shí)別,消除隱藏在其中的多徑假目標(biāo)點(diǎn)跡,實(shí)現(xiàn)了真實(shí)目標(biāo)的準(zhǔn)確定位。

1 信號(hào)模型

1.1 多徑傳播建模

將城市道路環(huán)境中的護(hù)欄、建筑墻壁簡化為反射面,車載毫米波雷達(dá)探測目標(biāo)場景如圖1所示。毫米波雷達(dá)系統(tǒng)位于反射面右側(cè),以雷達(dá)O為原點(diǎn)(0,0)建立直角坐標(biāo)系,其中,反射面與坐標(biāo)系y軸平行,雷達(dá)與反射面的橫向距離為L。目標(biāo)Q11沿著反射面向前運(yùn)動(dòng),處于雷達(dá)左前方的直視區(qū)域。由于存在反射面,雷達(dá)發(fā)射的電磁波信號(hào)可通過直視路徑Γ1直接到達(dá)目標(biāo),也可通過反射路徑Γ2到達(dá)目標(biāo)位置。根據(jù)電磁波鏡面反射原理,電磁波通過反射路徑探測目標(biāo)Q11時(shí)會(huì)產(chǎn)生關(guān)于反射面對(duì)稱的鏡像假目標(biāo)Q22,并在反射面產(chǎn)生反射點(diǎn)P。

圖1 電磁波傳播模型Fig.1 Propagation model of electromagnetic waves

因此,上述場景中雷達(dá)探測直視目標(biāo)的主要存在4種電磁波雙程傳播路徑,每種路徑的電磁傳播過程列于表1中。其中,路徑Γ11定義為雙程直視路徑,也是實(shí)現(xiàn)真實(shí)目標(biāo)準(zhǔn)確定位的最主要電磁傳播路徑。而路徑Γ12代表直視路徑+反射路徑的組合路徑,路徑Γ21為反射路徑+直視路徑的組合路徑,路徑Γ22為雙程反射路徑,后面3種路徑可定義為多徑,直接對(duì)多徑回波進(jìn)行定位將會(huì)產(chǎn)生多徑假目標(biāo)。因此,為了獲取目標(biāo)的真實(shí)定位結(jié)果,本文將保留雙程直視路徑回波產(chǎn)生的真實(shí)定位結(jié)果,并消除多徑回波產(chǎn)生的假目標(biāo)定位點(diǎn)跡。

表1 電磁傳播路徑Table 1 Electromagnetic wave propagation paths

1.2 回波模型

設(shè)毫米波雷達(dá)發(fā)射的線性調(diào)頻信號(hào)為s(t),其表達(dá)式為

s(t)=A0exp(j2πf0t+jπμt2)u(t)

(1)

(2)

考慮以上4種電磁傳播路徑,接收回波信號(hào)可以表示為

z(t)=σ1s(t-τ11)+σ2s(t-τ12)+

σ3s(t-τ21)+σ4s(t-τ22)+n(t)

(3)

式中:σ1～σ4代表4種傳播路徑的散射系數(shù);n(t)代表噪聲;τ11,τ12,τ21,τ22分別代表路徑Γ11,Γ12,Γ21,Γ22的傳播時(shí)延。

τ11,τ12,τ21,τ22對(duì)應(yīng)的傳播時(shí)延計(jì)算式如下:

(4)

式中:c代表光速。因?yàn)殓R像假目標(biāo)Q22和目標(biāo)Q11關(guān)于反射面對(duì)稱,所以有|PQ11|=|PQ22|,由式(4)也可以發(fā)現(xiàn),4種路徑傳播時(shí)延主要取決于真實(shí)目標(biāo)Q11和鏡像假目標(biāo)Q22的位置,且多徑Γ12和Γ21的傳播距離及時(shí)延相同。

2 多徑假目標(biāo)消除方法

本節(jié)介紹單反射面場景下基于車載毫米波雷達(dá)的目標(biāo)定位及多徑假目標(biāo)消除方法。所提出的多徑假目標(biāo)消除算法首先需獲取目標(biāo)的初始定位結(jié)果,然后對(duì)多徑假目標(biāo)理論位置進(jìn)行分析,最后對(duì)初始定位點(diǎn)跡采用多徑假目標(biāo)匹配消除處理以獲得目標(biāo)真實(shí)準(zhǔn)確的定位結(jié)果。

2.1 目標(biāo)初始定位

2.1.1 目標(biāo)距離測量

為了能夠有效抑制雷達(dá)回波中的固定背景雜波,考慮采用動(dòng)目標(biāo)指示(moving target indicator, MTI)方法[31-32]消除環(huán)境中固定的強(qiáng)雜波信號(hào),保留運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的回波信號(hào)。對(duì)于采樣后兩個(gè)相隔I個(gè)脈沖的回波數(shù)據(jù),如zi和zi-I,此時(shí)MTI方法具體可表示為

(5)

x(i)=[x(i,1),x(i,2),…,x(i,j),…,x(i,Nc)]

(6)

式中:x(i,j)代表第j個(gè)距離單元的幅值;Nc代表距離單元數(shù)。

為了增強(qiáng)目標(biāo)處幅值能量以提升檢測性能,對(duì)距離像x以NT個(gè)脈沖為一幀進(jìn)行非相干疊加,假設(shè)距離像x共有NA個(gè)脈沖,那么經(jīng)過非相參積累后共有NF=NA/NT幀距離像。非相參積累是對(duì)一幀距離像取絕對(duì)值再進(jìn)行幀內(nèi)累加運(yùn)算,其過程可以表示為

(7)

式中:|·|代表取絕對(duì)值運(yùn)算;u(h)(h=1,2,…,NF)代表第h幀非相參積累后的信號(hào)。

對(duì)距離像非相參積累處理后,采用單元平均恒虛警率(cell averaging-constant false alarm rate, CA-CFAR)檢測方法[33]對(duì)積累后距離像u(h)進(jìn)行檢測。對(duì)于第j個(gè)距離單元,檢測門限THj可表示為

(8)

式中:Pj為虛警概率;Nr代表參考單元數(shù)。

之后根據(jù)自適應(yīng)判斷準(zhǔn)則比較檢測門限THi與待檢測單元u(h,j)的大小,獲得目標(biāo)所在距離單元值,判斷準(zhǔn)則如下:

(9)

式中:H1代表有目標(biāo)假設(shè),H0代表無目標(biāo)假設(shè),對(duì)距離像所有距離單元應(yīng)用自適應(yīng)判斷準(zhǔn)則,可以獲取第h幀檢測到的目標(biāo)距離R。

2.1.2 基于MVDR角度測量的目標(biāo)定位方法

通過目標(biāo)距離檢測獲取距離R后,采用MVDR獲取目標(biāo)方位角[34],該方法無需獲取目標(biāo)額外的先驗(yàn)信息且能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)同距離不同角度目標(biāo)的方位角測量。

對(duì)于均勻線陣模型,其陣元接收信號(hào)的方向向量a(θ)定義為

a(θ)=[1,e-jφ,…,e-j(K-1)φ]T,φ=(2πdsinθ)/λ

(10)

式中:φ為相鄰天線間的相位差;K為陣元數(shù);d為兩陣元間距;θ為回波信號(hào)相對(duì)于法線方向的入射角;λ為信號(hào)波長。

構(gòu)造了陣列接收回波方向向量后,利用MVDR波束形成算法估計(jì)目標(biāo)信號(hào)到達(dá)角。MVDR波束形成中空域?yàn)V波器輸出為

y(j)=wHx(j)

(11)

式中:w=[w1,w2,…,wK]T為空域?yàn)V波器的權(quán)向量;信號(hào)x(j)是空域?yàn)V波器的輸入信號(hào),也是目標(biāo)所在距離單元信號(hào)。根據(jù)目標(biāo)距離檢測結(jié)果,可以得到目標(biāo)位置處的距離單元索引j,因此空域?yàn)V波器的輸入信號(hào)x(j)包含了K個(gè)通道、NT個(gè)脈沖的目標(biāo)距離單元值,信號(hào)x(j)可以表示為

x(j)=[x1(j),x2(j),…,xk(j),…,xK(j)]T

(12)

xk(j)=[xk(1,j),…,xk(i,j),…,xk(NT,j)]T

(13)

式中:xk(j)表示第k個(gè)通道的NT個(gè)脈沖的目標(biāo)距離單元值。

輸出的平均功率P(θ)為

P(θ)=E{|y(j)|2}=

E{wHx(j)xH(j)w}=wHRw

(14)

式中:R=E{x(j)xH(j)}為空間自相關(guān)矩陣。

MVDR波束形成器的最優(yōu)權(quán)向量可表示為

(15)

將式(15)代入式(14)中可以求得輸出的平均功率為

(16)

在[-π,π]角度范圍內(nèi)改變a(θ)中θ,得到PMVDR(θ)變化曲線,然后對(duì)PMVDR(θ)曲線譜峰搜索,此時(shí)峰值點(diǎn)對(duì)應(yīng)的θ為當(dāng)前幀估計(jì)的目標(biāo)方位角。

結(jié)合目標(biāo)距離R及通過MVDR測角方法得到的目標(biāo)方位角θ,采用坐標(biāo)轉(zhuǎn)換公式將雷達(dá)陣列視角下的目標(biāo)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換到真實(shí)場景下的坐標(biāo)系中,此時(shí)目標(biāo)真實(shí)的位置坐標(biāo)(x,y)可計(jì)算為

(17)

式中;φ為雷達(dá)陣列方向與水平方向的夾角。因此,根據(jù)以上定位過程就可得到目標(biāo)初始定位點(diǎn)跡。

2.2 多徑假目標(biāo)分析與消除

2.2.1 多徑假目標(biāo)位置分析

為了能夠有效消除多徑回波產(chǎn)生的假目標(biāo)定位點(diǎn),本節(jié)將對(duì)多徑對(duì)應(yīng)的假目標(biāo)定位點(diǎn)位置進(jìn)行分析。圖2展示了4種電磁傳播路徑的理論定位點(diǎn)位置,其中Q11代表雙程直視路徑Γ11定位的位置,也是目標(biāo)真實(shí)位置,坐標(biāo)記為(x,y)。Q22代表雙程反射路徑Γ22定位的位置,也是鏡像目標(biāo)位置,坐標(biāo)記為(m,n)。而鏡像目標(biāo)坐標(biāo)可由目標(biāo)真實(shí)位置坐標(biāo)和雷達(dá)與反射面間橫向距離計(jì)算得到,公式如下:

圖2 4種路徑理論定位位置Fig.2 Theoretical positions of four paths

(18)

根據(jù)第1.1節(jié)多徑傳播幾何示意圖,可知組合路徑Γ12與Γ21的距離完全相同,且為雙程直視路徑Γ11距離相加雙程反射路徑Γ22距離的一半。但因?yàn)槁窂溅?2回波是以反射路徑Γ2到達(dá)接收天線,其方向應(yīng)等同于鏡像目標(biāo)Q22的到達(dá)角。而Γ21路徑返回雷達(dá)時(shí)以直視路徑Γ1到達(dá)接收天線,到達(dá)方向應(yīng)同真實(shí)目標(biāo)Q11的到達(dá)角。

因此,如圖2所示,Q12代表直視路徑+反射路徑的組合路徑Γ12定位的位置,坐標(biāo)記為(m1,n1)。設(shè)Q12點(diǎn)相距雷達(dá)的距離為R12,Q12點(diǎn)的方位角θ12和Q22點(diǎn)方位角θ22相同。Q21代表反射路徑+直視路徑的組合路徑Γ21定位的位置,坐標(biāo)記為(x1,y1)。設(shè)Q21點(diǎn)相距雷達(dá)的距離為R21,Q21點(diǎn)方位角θ21和Q11點(diǎn)方位角θ11相同。將4種路徑對(duì)應(yīng)的定位點(diǎn)相距雷達(dá)距離表示如下:

(19)

根據(jù)真實(shí)目標(biāo)和鏡像目標(biāo)的定位點(diǎn)坐標(biāo)可以得到4種路徑定位點(diǎn)對(duì)應(yīng)的方位角如下:

(20)

因此組合路徑Γ12定位點(diǎn)Q12的坐標(biāo)(m1,n1)和組合路徑Γ21定位點(diǎn)Q21的坐標(biāo)(x1,y1)計(jì)算公式可分別表示如下:

(21)

(22)

2.2.2 多徑假目標(biāo)匹配消除

本文實(shí)現(xiàn)多徑假目標(biāo)消除的關(guān)鍵是定位點(diǎn)識(shí)別,以便能夠保留雙程直視路徑Γ11的定位點(diǎn)Q11,消除來源于多徑的定位點(diǎn)Q12、Q21及Q22,獲取到多徑假目標(biāo)消除后的目標(biāo)真實(shí)的定位結(jié)果,多徑假目標(biāo)匹配消除方法流程如圖3所示。

圖3 消除多徑假目標(biāo)方法步驟Fig.3 Multipath false target removal steps

消除多徑假目標(biāo)定位點(diǎn)的方法流程具體描述如下。

(1) 目標(biāo)定位:經(jīng)過第2.1節(jié)對(duì)目標(biāo)進(jìn)行距離檢測得到目標(biāo)距離,再采用MVDR測角方法可同時(shí)獲取同距同角真實(shí)目標(biāo)、同距不同角多徑目標(biāo)的方位角,之后經(jīng)過坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換完成目標(biāo)定位,得到初始定位點(diǎn)跡(包含真實(shí)目標(biāo)和多徑假目標(biāo)定位點(diǎn))。可以發(fā)現(xiàn),通過MVDR定位方法也能夠有效區(qū)分同距不同角的多徑定位點(diǎn)Q12和Q11,設(shè)初始定位點(diǎn)坐標(biāo)為(x,y)。

(2) 鏡像目標(biāo)Q22位置計(jì)算:根據(jù)電磁波鏡面反射規(guī)律即真實(shí)目標(biāo)和鏡像目標(biāo)會(huì)關(guān)于反射表面鏡面對(duì)稱,再結(jié)合幾何場景中雷達(dá)相距反射面的距離L,可根據(jù)每幀每個(gè)定位點(diǎn)(x,y)計(jì)算關(guān)于反射面對(duì)稱的鏡像目標(biāo)坐標(biāo)(m,n),計(jì)算公式同式(18)。

(3) 多徑目標(biāo)Q21位置計(jì)算:得到初始定位點(diǎn)坐標(biāo)后,可以根據(jù)Q21定位點(diǎn)和直視路徑方位角相同,距離為路徑Γ11加路徑Γ22距離的一半的特點(diǎn)計(jì)算其坐標(biāo)。結(jié)合前兩步得到的初始定位點(diǎn)坐標(biāo)(x,y)和鏡像目標(biāo)定位點(diǎn)坐標(biāo)(m,n),首先計(jì)算Γ21路徑的距離為

(23)

然后由式(20)計(jì)算Q21定位點(diǎn)的方位角θ21,并根據(jù)式(22)計(jì)算得Q21位置坐標(biāo)(x1,y1)。

(4) 多徑目標(biāo)Q12位置計(jì)算:根據(jù)Q12定位點(diǎn)和反射路徑方位角相同,距離與路徑Γ12距離相同的特點(diǎn),可由式(19)～式(21),計(jì)算多徑目標(biāo)Q12的位置坐標(biāo)。

(5) 多徑匹配消除:對(duì)初始定位點(diǎn)按其距離從小到大排列,然后由式(24)分別計(jì)算第一個(gè)初始定位點(diǎn)對(duì)應(yīng)的多徑定位點(diǎn)Q21、Q12和Q22位置坐標(biāo)與其他的初始定位點(diǎn)坐標(biāo)的距離誤差。若距離誤差小于門限值H=1 m,則說明此時(shí)初始定位點(diǎn)為真實(shí)目標(biāo),保留其坐標(biāo)值,而消除與真實(shí)定位點(diǎn)對(duì)應(yīng)多徑定位點(diǎn)Q21、Q12和Q22匹配的剩余初始定位點(diǎn)坐標(biāo)。之后對(duì)仍留存的初始定位點(diǎn)重復(fù)以上識(shí)別真實(shí)定位點(diǎn)過程,就保留了每幀初始定位點(diǎn)中真實(shí)目標(biāo)定位點(diǎn)Q11,而消除了真實(shí)目標(biāo)對(duì)應(yīng)的多徑假目標(biāo)。

由于實(shí)測中反射面為非理想平滑介質(zhì),因此鏡像目標(biāo)位置與理論值存在偏差。基于此,本文選取實(shí)測數(shù)據(jù)中最大誤差的經(jīng)驗(yàn)值1 m作為誤差門限值H。誤差計(jì)算公式如下:

(24)

3 實(shí)測實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

3.1 實(shí)驗(yàn)場景

在本節(jié)中,幾組實(shí)測實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了所提出的多徑假目標(biāo)消除方法的有效性。在實(shí)測場景中采用TI公司生產(chǎn)的AWR1642型號(hào)的77 GHz車載毫米波雷達(dá),該雷達(dá)通過探測墻壁反射面旁的目標(biāo),來模擬城市道路多徑環(huán)境下的目標(biāo)探測。該車載毫米波雷達(dá)有2個(gè)發(fā)射天線,4個(gè)接收天線,實(shí)測試驗(yàn)中設(shè)置的雷達(dá)參數(shù)如表2所示。

表2 車載毫米波雷達(dá)系統(tǒng)參數(shù)Table 2 Automotive millimeter-wave radar parameters

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

實(shí)驗(yàn) 1單目標(biāo)微動(dòng)實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)中雷達(dá)高度為1.2 m,以雷達(dá)為中心原點(diǎn)建立直角坐標(biāo)系,雷達(dá)位置為(0,0)m。實(shí)測場景示意圖如圖4所示,其中反射面與雷達(dá)的橫向距離L為5.3 m,雷達(dá)陣列與水平方向夾角φ為54.3°,單目標(biāo)Q11在(-2.52,4.6)m處原地晃動(dòng)。

圖4 實(shí)驗(yàn)1場景示意圖Fig.4 Scene diagram of Experiment 1

圖5展示了MTI對(duì)消后的單目標(biāo)晃動(dòng)的距離像,距離像中包含了5 m處的雙程直視路徑Γ11,7.2 m處的相同距離的組合路徑Γ12和Γ21,及9.2 m處的雙程反射路徑Γ22。同時(shí)可以發(fā)現(xiàn),車載毫米波雷達(dá)探測該場景目標(biāo)的主要回波路徑為雙程直視路徑Γ11及組合路徑Γ12和Γ21,雙程反射路徑Γ22存在但極其微弱,難以進(jìn)行距離檢測,因此需要消除的多徑假目標(biāo)定位點(diǎn)也主要來源于路徑Γ12和Γ21。

圖5 實(shí)驗(yàn)1目標(biāo)距離像Fig.5 Range profile of Experiment 1

之后采用MVDR測角算法進(jìn)行定位,得到初始定位結(jié)果,如圖6所示。可以發(fā)現(xiàn),定位點(diǎn)跡包括了來自雙程直視路徑Γ11的定位點(diǎn)Q11,距離像上無法區(qū)分,而定位結(jié)果中完全分離的Γ12和Γ21路徑對(duì)應(yīng)的Q12和Q21定位點(diǎn),再次證明了路徑Γ12的定位點(diǎn)Q12和路徑Γ21的定位點(diǎn)Q21具有相同距離不同角度的空間特性。其中,Q11定位點(diǎn)為目標(biāo)真實(shí)位置,而Q12和Q21定位點(diǎn)為多徑形成的假目標(biāo)點(diǎn)跡,需要消除。

圖6 實(shí)驗(yàn)1初始定位結(jié)果Fig.6 Initial localization result of Experiment 1

利用每幀初始定位點(diǎn)的位置坐標(biāo)計(jì)算出Q12和Q21假目標(biāo)定位點(diǎn)的理論位置,然后將假目標(biāo)理論位置同實(shí)際初始定位點(diǎn)匹配,消除匹配到多徑假目標(biāo)的定位點(diǎn),最終可得到多徑假目標(biāo)消除后的目標(biāo)真實(shí)位置,如圖7所示。經(jīng)過多徑消除后,定位結(jié)果只保留了目標(biāo)真實(shí)位置點(diǎn),組合路徑的假目標(biāo)定位點(diǎn)被完全消除,計(jì)算多徑消除后目標(biāo)的定位誤差,與實(shí)際真實(shí)位置平均偏差為0.156 m,考慮人體微微晃動(dòng)的狀態(tài),誤差在實(shí)際應(yīng)用中是完全可接受的。因此,基于MVDR測角的定位方法不僅可以實(shí)現(xiàn)同距不同角目標(biāo)的定位,還能獲得目標(biāo)良好的定位效果。

圖7 實(shí)驗(yàn)1多徑假目標(biāo)消除后結(jié)果Fig.7 Experiment 1 results after multi-path false target elimination

實(shí)驗(yàn) 2單目標(biāo)運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn),實(shí)測場景雷達(dá)位置及與反射面橫向距離同實(shí)驗(yàn)1,單目標(biāo)從(-2.52,10.5)m處向(-2.52,2.5)m位置處運(yùn)動(dòng)。

運(yùn)動(dòng)單目標(biāo)距離像如圖8所示,主要回波路徑為雙程直視路徑Γ11,組合路徑Γ12和Γ21。距離像中路徑Γ12和Γ21所屬同一條距離軌跡,經(jīng)過MVDR測角時(shí),每幀得到的方位角來源于路徑Γ12或路徑Γ21,最終得到初始定位后的結(jié)果如圖9所示。可以發(fā)現(xiàn),單目標(biāo)運(yùn)動(dòng)時(shí)多徑假目標(biāo)點(diǎn)Q12、Q21和Q22均存在,尤其是Q21定位點(diǎn)跡會(huì)對(duì)真實(shí)目標(biāo)定位產(chǎn)生干擾,需要精確消除。應(yīng)用所提出的多徑假目標(biāo)消除方法理論計(jì)算出3類多徑假目標(biāo)的理論位置,并結(jié)合初始定位點(diǎn)進(jìn)行匹配消除,得到假目標(biāo)消除后的目標(biāo)定位結(jié)果如圖10所示。經(jīng)過多徑假目標(biāo)匹配消除后,真實(shí)目標(biāo)定位點(diǎn)跡得以保留,干擾假目標(biāo)點(diǎn)跡完全濾除。

圖8 實(shí)驗(yàn)2目標(biāo)距離像Fig.8 Range profile of Experiment 2

圖9 實(shí)驗(yàn)2初始定位結(jié)果Fig.9 Initial localization result of Experiment 2

圖10 實(shí)驗(yàn)2多徑假目標(biāo)消除后結(jié)果Fig.10 Experiment 2 results after multi-path false target elimination

實(shí)驗(yàn) 3雙目標(biāo)運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn),實(shí)測場景示意圖如圖11所示,目標(biāo)1從(-4.92,7.50)m處向(-4.92,1.56)m位置處運(yùn)動(dòng),目標(biāo)2從(-2.52,1.66)m處向(-2.52,8.68)m位置處運(yùn)動(dòng)。

圖11 實(shí)驗(yàn)3場景示意圖Fig.11 Scene diagram of Experiment 3

實(shí)驗(yàn)3驗(yàn)證了雙目標(biāo)運(yùn)動(dòng)時(shí)的多徑假目標(biāo)消除方法效果,圖12為實(shí)驗(yàn)3回波距離像,可以發(fā)現(xiàn)目標(biāo)1的回波路徑為路徑Γ11、Γ12和Γ21,目標(biāo)2回波路徑包括路徑Γ11、Γ12、Γ21和Γ22。

圖12 實(shí)驗(yàn)3目標(biāo)距離像Fig.12 Range profile of Experiment 3

因?yàn)閮赡繕?biāo)為相向運(yùn)動(dòng),所以其距離軌跡間存在交叉重合,經(jīng)過MVDR測角定位后,得到每條距離軌跡對(duì)應(yīng)的初始定位點(diǎn)如圖13所示。可以發(fā)現(xiàn),初始定位結(jié)果中假目標(biāo)點(diǎn)主要為目標(biāo)1的多徑定位點(diǎn)Q12,目標(biāo)2的多徑定位點(diǎn)Q12和Q21,假目標(biāo)定位點(diǎn)的存在將嚴(yán)重影響真實(shí)目標(biāo)的位置識(shí)別。因此,對(duì)初始定位結(jié)果應(yīng)用多徑假目標(biāo)消除算法,將多徑假目標(biāo)理論位置同每幀定位點(diǎn)匹配,消除多徑定位點(diǎn)后得到目標(biāo)真實(shí)定位結(jié)果如圖14所示。其中,目標(biāo)1的定位點(diǎn)跡有少數(shù)缺失是因?yàn)樵诘?45幀時(shí)距離像目標(biāo)1的Γ11路徑和目標(biāo)2的Γ21路徑相重疊,且目標(biāo)1的真實(shí)定位點(diǎn)Q11和目標(biāo)2的多徑點(diǎn)Q21方位角恰巧也相同,因而目標(biāo)1的定位點(diǎn)Q11被視作多徑點(diǎn)消除。除此之外,由圖14可以發(fā)現(xiàn),圖13中的多徑假目標(biāo)均被消除,兩目標(biāo)真實(shí)運(yùn)動(dòng)軌跡得以顯現(xiàn)。因此,通過3組實(shí)測實(shí)驗(yàn)證明了多徑假目標(biāo)消除方法應(yīng)對(duì)運(yùn)動(dòng)單目標(biāo)、多目標(biāo)定位的有效性。

圖13 實(shí)驗(yàn)3初始定位結(jié)果Fig.13 Initial localization result of Experiment 3

圖14 實(shí)驗(yàn)3多徑假目標(biāo)消除后結(jié)果Fig.14 Experiment 3 results after multi-path false target elimination

4 結(jié) 論

本文對(duì)城市道路多徑環(huán)境下車載毫米波雷達(dá)探測目標(biāo)時(shí)產(chǎn)生的多徑假目標(biāo)位置進(jìn)行理論分析,提出了一種多徑假目標(biāo)匹配消除方法。該方法首先建立了電磁多徑傳播回波模型,然后將雷達(dá)回波經(jīng)過脈沖壓縮、MTI濾波、非相干疊加、CA-CFAR檢測等步驟得到目標(biāo)的距離,再采用MVDR角估計(jì)方法計(jì)算目標(biāo)初始定位結(jié)果。最后,結(jié)合初始定位點(diǎn)跡計(jì)算理論多徑假目標(biāo)位置并進(jìn)行匹配消除,保留了初始定位點(diǎn)跡中的真實(shí)目標(biāo)。采用車載毫米波雷達(dá)進(jìn)行實(shí)測驗(yàn)證,結(jié)果表明,所提方法能夠消除多徑假目標(biāo),得到真實(shí)目標(biāo)準(zhǔn)確的定位結(jié)果。