一种汽车防撞雷达多目标识别方法蒋留兵， 许腾飞， 杨昌昱， 韦洪浪， 白云浩( 桂林电子科技大学 信息与通信学院， 广西 桂林 541004)摘要: 针对汽车防撞雷达在多目标环境下遇到的虚假目标问题， 基于各种多目标识别方法给出一种改进型变周期线性调 频连续波( LFMCW) 雷达多目标识别方法。该方法将改进型变周期三角波作为调频信号， 通过对回波信号进行动目标检 测、 恒虚警检测等处理后进行容差函数的判断， 最终达到去除虚假目标的目的。仿真结果表明， 与传统LFMCW 雷达相比， 该方法在复杂多目标环境下能去除虚假目标， 从而更为准确地识别目标。在实际应用中为驾驶员提供正确的目标距离和 相对速度信息， 从而起到主动防御的作用。关键词: 虚假目标; 线性调频连续波雷达; 多目标识别; 变周期A Method of Automobile Anti-collision adar to Identify Multi-targetJIANG Liubing，XU Tengfei，YANG Changyu， WEI Honglang，BAI Yunhao( School of Information and Comunication，Guilin University of Electronic Technology， Guilin 541004，China)Abstract: In order to overcome the problems of false targets that automobile anticollision radar encounter in the multi-target envi- ronment，an improved variable cycle LFMCW radar multi-target recognition method is proposed，which based on variable period multi-target detecting method In the method，the improved variable cycle triangular wave is taken as frequency modulated signal， ultimately removes false targets by judging the tolerance function after echo signal is processed by MTD，CFA etc The simulation results also show that under real-world complex multi-target situation，comparing to the traditional LFMCW radar，the capacity of precision will be increased in the aspect of target identification At the same time，the false targets could be removed This method can be applied in the automotive anti-collision radar system，moreover，it could offer the driver the correct target distance and rela- tive speed information，so as to playing the role of protecting driver activelyKey words: false target; LFMCW radar; multi-target detection; variable cycle0引言线性调频连续波( LFMCW) 雷达具有结构简单、 体 积小、 重量轻和良好的低截获概率性能等特点，特别 适用于雷达成像、 目标特性研究等领域1。在单目标 情况下传统 LFMCW 雷达简单可行， 而多目标环境下 长常常由于错误的目标配对导致虚假目标的出现。在雷达接收机产生的雷达中频信号中， 不仅含有 目标的回波信号， 还含有雷达噪声信号和干扰信号， 如 邻近车道上的车辆、 车道间的护拦 、 路旁的树木以及 空中和远处的建筑物等， 这些都会对雷达系统形成干 扰， 导致雷达做出错误判断。如何实现在复杂环境下 的多目标识别是制约其应用和普及的关键问题。为了 解决虚假目标问题， 国际上的学者通过大量的实验研 究， 已经逐渐达成共识， 即: ( 1 ) 要求防撞雷达必须具 备测角能力， 目标的方位角信息对于去除虚警是必不基金项目: 国家自然科学基金资助项目 ( 61162007) ; 广西自然 科学基金资助项目( 2013GXNSFAA019323) 通信作者: 蒋留兵Email: jlbnj 163 com 收稿日期: 2013-11-26修订日期: 2014-02-26可少的; ( 2) 设计出易于产生、 抗干扰性能强的复杂雷 达发射信号， 配合以实时高效的信号处理和目标检测 方法， 以去除虚警。只有以上两点紧密结合起来， 才能 保证汽车防撞雷达的工作可靠2。本文采用一种抗干扰能力强的改进型变周期三角 波调频信号， 配合以实时高效的信号处理算法以及目 标检测算法， 可有效剔除虚假目标， 提高了多目标识别 的准确性。1 传统 LFMCW 防撞雷达原理和存在的问题传统 LFMCW 雷达调频三角波波形如图 1 所示。图 1 线性调频连续波信号的频率和时间的关系B Tj fab第 n+1 个周期的发射信号上扫频段可表示为j 2f0 + 2B( t nT) ( t nT) Xat，n + 1( t) = AeT，nT t ( n + 1 /2) / T( 1)下扫频段可表示为Xbt，n + 1( t) = Aej 2f0 + 2B( t nT) ( t nT) ，( n + 1 /2) / T t ( n + 1) T( 2)上面两式忽略了发射信号的初相。B 为 调 频 带 宽; f0 为发射信号在 t = nT 时的瞬时频率; A 为发射信 号的振幅; T 为扫频周期。 假设在 t = 0 时刻有一个距离为 0 、 速度为 v 的点图 2 改进型变周期三角波调频信号波形根据上面推导出的 fbb 、fab 表达式， 在 T1 调频周期 内， 上扫频段第 i 个目标的频谱峰值的频率为 2vi4B目标正靠近雷达， 则雷达的发射信号与目标的反射信 号的差即差拍信号表示为:fabi =f0 +i( 7) ccT上扫频段Xab，n + 1( t) = 1 A2ej 2fabt + ，式中: i 为整数， 且 i1，n; 同理下扫频段第 j 个目标 的频谱峰值频率为2nT t ( n + 1 /2) T( 3)fbbj =2vc 0 +4BcT j( 8)下扫频段Xbb，n + 1( t) = 1 A2 ej 2fbbt + ，式中: j 为整数， 且 j1，n 。将式( 7) 、 式( 8) 代入式 ( 5) 、 式( 6) 可得2( n + 1 /2) T t ( n + 1) T( 4)ij =i + j 2+ f0 T14B( vi vj )( 9)式中: fab = kf0 +2 B Tn ; fbb = kf0 2 B Tn ; 其中，k =2 v c，n =2 cvij =vi + vj 2+ B f0 T1( i j )( 10)通常采用傅里叶变换来得到差拍信号的频谱， 从频谱 中可得到 fbb 、fab 。则距离、 速度可以表示为由式( 9) 、 式( 10) 可以看出， 真实目标距离和速度 与调频周期无关， 而虚假目标距离和速度计算值与调 = cT ( f8B ab fbb)( 5)频周期有关系。对于不同调频周期 T1 和 T2 虚假目标 计算所得的目标距离和速度值不同， 真实目标计算所v = c ( f 4f0+ fbb)( 6)得的目标距离和速度值相同。这就为变周期 LFMCW雷达可以排除虚假目标提供了理论依据。如果在单目标环境下传统 LFMCW 雷达完全可以 完成目标信息的探测与识别。但是在多目标环境下， 假设有 n 个目标， 那么对上扫频的差拍信号进行频谱 分析可以得到 n 个谱峰， 可分别表示为 fa1 ，fa2 ， ，fan ，同理由下扫频的差拍信号可以得到 n 个谱峰: fb1 ，fb2 ，fbn 。因为不知道上、 下扫频谱峰的配对信息， 所以3算法设计为排除虚假目标， 提高多目标识别能力， 文献3 提出了频域配对法， 该方法是根据同一目标在上 / 下扫 频段得到的频谱具有相同形状特点实现目标的配对。当多个不同目标回波信号具有相似幅度和频谱形状 共有 n2种配对可能， 其中只有 n 个真实目标， 也就是时， 目标配对就会出现问题。为了减少杂波干扰， 文献 说还有 n2n 个虚假目标， 如何排除虚假目标是我们需要面对的难题。2改进型变周期 LFMCW 防撞雷达改进型变周期三角波波形如图 2 所示。 一个周期发射信号由两段具有相同带宽不同调频斜率的信号组成。这里设置 t1 、t2 的作用是留给系统足 够的时间进行信号调制发射， 也便于后续的信号处理。4 提出了动目标检测( MTD) 频域配对法来实现配 对。因为需要计算上 / 下扫频段得到的频谱峰值、 宽 度、 信号能量以及频谱的相似程度等， 所以计算量很 大。上述两种方法配对的准则是回波的频谱特征相 同， 但基于频谱特征的多目标配对存在难以消除的多 义性， 当目标回波频谱出现重叠时， 提取的频谱特征参 数已不能反映目标的特征， 导致多目标配对失败5。 文献6 提出采用变周期 LFMCW 雷达排除虚假目标，在理想环境下该方法非常有效， 但是没有考虑复杂环 境下的多目标识别问题。综合以上 的 多 目 标 识 别 方 法， 为了提高在复杂 环境下多目标识别的准确度， 同时考虑算法实现的 复杂度。本文采用了改进型变周期 LFMCW 雷 达 进 行目 标 识 别。 先 采 用 MTD 抑 制 杂 波， 简 化 目 标 环 境， 并进行恒虚警处理。根据同一目标在上、 下扫频 段的频谱以实际位置为对称轴的偏离， 首 先 按 多 普 勒通道是否相同对目标进行分组， 这样可以减少后 续目标配对的复杂度。代入式( 5 ) 、 式( 6 ) 计算目标 的距离速度组合。如果满足一定误差范围内的距离速度则认为距离 速度相等。这里需要考虑容差函数的建立， 根据文献7 中关于容差函数的建立， 结合本文的特点， 容差函 数的推导过程如下:根据式( 5) 可知距离分辨率为满足的情况下则能判断为真实目标。图 3 为防撞雷达多目标探测信号处理流程图。 =cTfs4BNFFT=cns 4BNFFT( 11)图 3 汽车防撞雷达多目标探测信号处理流程图 若发射调频三角波周期为 T1 ， 则对采集的回波 1 式中: fs 为采样频率; ns 为采样点数; NFFT 为距离维快速傅里叶变换( FFT) 点数。在调制周期为 Tm 时的测 距误差最大为m =cnsm 28BNFFTmm 取值为 1 或 2， 故某个目标 k 在调制周期 T1 和 T2 内 测得的距离 1k 和 2k 的差满足的实部和虚部分别进行加窗处理， 需要采集 16 个周期