（通信与信息系统专业论文）lfmcw雷达运动目标检测与距离速度去耦合.pdf

毫ii 寻霸箍支掣啄墨懂搜 1 1 1 一一_ h 摘甏 f 线性调频谶续波雷达由于具有无距离盲区、高距离分辨率、低发射功率等 方嚣静俊点，：l 凌年来受筏广泛笑注，蓑理论、哭键技零帮应惩缮整| _ 逐邃发曩。 其中运动目标的距离速度耦合魑线性调频连续波雷达一个重要的研究方向，也 楚本文磷究豹黧点。 有人提出一种交叉寻找试逼近算法米实现多目标的距离速度去耦，但其发 射信号采用交爨矮懿对称三凳形谖簇连续波形，在王稷实瑷上骞缀太鼹疫，露 且在不同周期上测距精度也会不一致，给测踞带来影响j 本剜盈4 睫出一种通过 特征参数透露羰域磊砖溃豫疆辩速度耩会懿方法，维擒楚单，察耍实瑷。 分析可知，由距离速度耦引起的距离偏穆在单掴频线性调频连续波雷达 中无法消除，懿在对称三焦形调频连续波孛上、下蟊鬏羧豹鼹离维移会密瑗砖 称性。根据这种特点，将上、下扫频段属于同目标的差拍频谱实行配对，消 狳动嚣耘豹踅凑速度耩会。毽魏静方法只逶瘸子楚摹瓣嚣撂环壤。 线性调频遴续波雷达回波i 弼脉冲露达一样髓到了多普勒频率的调制，通过 凌目标捡溺( 獬囝) 霹榔稍杂渡，检溺运动餮檬。毽楚恻c w 霍这辩宽较 大，存在着严纛的速度模糊和距离速度耦合问题。 鍪乎m t d 鞲频壤配对法备盘存在鹩优缺淼，本文捷密了释将m t d 秘簇 域配对相结合的m t d 频域配对法。该方法蕾先通过m t d 实现对不同模糊速 度蘑轹弱检溅和分类，篱锈二蓑籀僖号赣谱环境，然蘑秘焉菝竣懿对法实瑷韵羁 标的躐离速度去耦。本文对m t d 一频域配对漩进行了仿真，验证了该方法的有 效性，并获模鬻丞数鹣角度滋鹎了该方法已缀迭蘩了辩穆三麓形谓羰攀连续波 目标分辨能力的极限。 关键词：线性调频连续波雷达，距离速度耦合，差拍信号，动目标检测，模糊 函数 2 电予辩技走学磺士论文 _ i i i q l l l i _ _ _ | 嗽 a b s t r a c t b e c a u s eo f t h ea d v a n t a g e s n or a n g eb l i n da r e a ，h i 勘r a n g er e s o l u t i o na n dl o w s i g n a lp o w e r ，r e c e n t l yl f m c wr a d a r sa t t r a c t e dm o r ea n dm o r ea t t e n t i o n t h e t h e o r i e s , k e yt e c h n o l o g i e s a n d a p p l i c a t i o nd e v e l o p r a p i d l y r a n g e v e l o c i t y d e c o u p l i n gi so n eo fi m p o r t a n ts c i e n t i f i cr e s e a r c hd i r e c t i o n s i ti se m p h a s i so ft h e p a p e r , t o o s o m e o n ep r e s e n t e dam e t h o do f c h a n g i n gc y c l el f m c w r a d a r st oe l i m i n a t e r a n g e - v e l o c i 锣c o u p l i n g b u ti t i sd i f f i c u l tt ob er e a l i z e d t h e p a p e rp r o p o s e sa m e t h o do f f r e q u e n c yd o m a i np a i r i n ga c c o r d i n gt of r e q u e n c ys p e c t r u mp a r a m e t e ro f l f m c wb e a t s i g n a l w ek n o wt h a tr a n g e - v e l o c i t yc o u p l i n gc o u l d f f tb ee l i m i n a t e di nt h el f m c w r a d a r so fs i n g l ef r e q u e n c ym o d u l a t i o ns l o p e b a s e do nt h ec h a r a c t e r i s t i ct h a tt h e r a n g e s h i f ti s s y m m e t r i c a lb e t w e e np o s i t i v e a n d n e g a t i v ef r e q u e n c ys w e e pi n t r i a n g u l a rf r e q u e n c ym o d u l a t i o nc o n t i n u o u sw a v e s ，am e t h o do ff r e q u e n c yd o m a i n p a i r i n gi sp r o p o s e dt os o l v er a n g e - v e l o c i t yc o u p l i n gp r o b l e m 。b u t t h em e t h o di so n l y s u i t a b l ef o rs i m p l eo b j e c te n v i r o n m e n t s 。 l f m c we c h oi sm o d u l a t e d b yd o p p l e rf r e q u e n c y a c c o r d i n g t ot h e c h a r a c t e r i s t i c ，m o v i n gt a r g e t sw i t h d i f f e r e n ta m b i g u o u sv e l o c i t i e sc o u l db ec l a s s i f i e d v i am t d ，b u tt h er a n g e - v e l o c i t yc o u p l i n gp r o b l e ms t i l le x i s t s a c c o r d i n gt o t h e a d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so fb o t hf r e q u e n c yd o m a i n p a i r i n ga n dm t d am e t h o dc o m b i n i n gm o v i n gt a r g e td e t e c t i o nw i t hf r e q u e n c y d o m a i n 埘r i n g i sp r o p o s e d t h em e t h o df i r s tr e a l i z e sd e t e c t i o na n dc l a s s i f i c a t i o no f m o v i n gt a r g e t sw i t l ld i f f e r e n ta m b i g u o u s v e l o c i t i e sv i am t di no r d e rt os i m p l i f yt h e s p e c t r u mo f b e a ts i g n a l ，a n dt h e ne l i m i n a t e sm o v i n g t a r g e t s r a n g e - v e l o c i t yc o u p l i n g w i 吐1f r e q u e n c yd o m a i n p a i r i n g s i m u l a t i o na n d a m b i g u i t y f u n c t i o nv a l i d a t e st h ee f f e c t i v e n e s so f t h em e t h o d 。 k e yw o r d ：l f m c wr a d a r ，r a n g e - v e l o c i t yd e c o u p l i n g ，b e a ts i 髓a 1 ，m t d ， a m b i g u i t y f u n c t i o n 3 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文怒本人在导师指导下进行的研究王 作及取得的轿究成莱。据我所知，除了文巾特剐翔戳标注释致涛静缝 方外，论文中不包含其她人巴经发表或撰写过的研究成果，也不包禽 为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。 岛我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表j l 谢意。 签名： 五丛么 日期：2 0 0 3 年衣月：8 日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电予辩技大学有关保窝、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阏。本人授权电子科技大学可以将学位论文 豹全部或部分内容编入有关数器麾进行检索，可以采用影窜、缩露竣 扫描等复制筝段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后戍遵守此规定) 签名；主童墨至 导拜签名：幽 日期：2 0 0 3 年2 月j g 霹 电f 科技大学硬士论文 鲁曼皇曼曼_ ii i i i _ 第一章绪论 1 1 l f m g w 雷达研究动态 1 1 1 历史概况 线性调频连续波( u m c w ) 雷达是一种通过对连续波进行频率调制来获得 距离与速度信息的雷达体制。这项技术有着悠久的历史，但是由于它体制上的 特点决定了在发射信号期间不能关闭接收机，限制了发射功率，因此l f m c w 雷达的作用距离难以做得很大，不像脉冲雷达那样可以探测数百公里甚至更远 距离的目标满足军事目标。同时，l f m c w 雷达应用于多目标的场合时，需要窄 带滤波器组来实现对目标的检测，距离增大，设备也随之变得庞大，在工程上 失去了实用价值。综上所述，在过去很长一段时间内l f m c w 雷达的应用被限 制在很小的范围内，有关l f m c w 雷达的理论与技术水平一直远远落后于脉冲 雷达。 1 1 2 当前的研究动态 八十年代中期，荷兰的t e c h n i s h eh o g e s c h o o ld e l f t 的l p l i g h t h a r t 等人在用 l f m c w 雷达进行气象观测的实验中，对l f m c w 信号的模糊函数、分辨率、 接收机灵敏度等进行了初步分析：与此同时，美国的r b c h a d w i c k 等人在u s a i r f o r c e 的资助下，对l f m c w 雷达中的旁瓣效应和距离速度耦合引起的距离串扰 问题进行了研究；八十年代末到九十年代，电子科技大学对l f m c w 雷达的模 糊函数、接收机性能、等效正交双通道等理论问题以及高线性度大时带积 l f m c w 信号产生技术、距离分段处理技术、线性度测试等关键技术做了深入研 究。 1 1 3i _ f g 洲系统的应用 进入九十年代，固态微波毫米波器件和数字信号处理技术有了长足的发展。 与此同时，迅速发展起来的毫米波l f m c w 雷达因兼具毫米波雷达和l f m c w 雷达二者的优点而受到广泛关注。与微波雷达相比，毫米波l f m c w 雷达可以 实现更宽的调频带宽，获得更高的距离分辨率，即使用较小的天线，也能产生 墩子科技大学硪士论文 很高的角度分辨率；与脉冲雷达相比，l f m c w 霄达葵求较低的发射功率，而且 信号处理系统更为简单，其有体积小、蓬量轻的优势；与激光和红外等光学系 统福院，毫米波雷达不翳受云、雨、雾等天气条件的影响，可全天候工作。 近骛年来，出现了大量应用于各个领域的l f m c w 雷达系统，在导弹精密 末翻导、汤丽益视、气象观测和防撞系统等方面发挥着越来越重要的作用，此 矫，l f m c w 雷运没有距离畜区的特点使它在探测埋地物件( 包括金属或非金属 魏雷) 方面起到了不可替代豹重要伟用。 1 2 运动目标显示和运动豳标距离速度耦合问题 1 2 1 运动鞠标箍示 同脉冲露达一样，l f m c w 霍达犀波信号迄受到多普勒频褰懿潺制，遥遵 l f m c w 霉达m t d 可抑制杂波，检测运动曩标。但出手l f m c w 霉达时宽较大， m t d 存在着严重的速度模糊。 。2 ，2 动目标距离速痉耧含阚蘧 l f m c w 雷达采用的是超大时带积调频信号，存在卷距离速度耦合的问题， 这不仅导致系统的实际分辨率下降，而且引起运动目标测距误差。晟然在脉冲 雷达l f m 中也有着类似的问题存在，但脉冲雷达的时宽相当小，同时考虑到 l f m c w 雷达通常应用予高分辨率和高测量精度的场合，所以因距离速度耦含引 起的问题就曼得觅为严重。 1 。3 本文的主要正作 l f m c w 雷达由于其具有高距离分辨率、高接收灵敏度、结构简单等优点， 越来也受到人们的关注。但怒l f m c w 雷达运动目标的距离速度耦会问题制约 了l f m c w 雷达的迸一步发展。所以运动目标的距离速度去耦会是一个亟待解 决的问题。 本文的主要工作为： ( 1 ) 分析了l f m c w 霞达运动目标的距离速度耦食现象，提嫩采用对称三焦 形调频连续波上、下扫频段差拍频谱配对的方法来去藕合。 ( 2 ) 由于频谱配对法只逶寰简单的曩栝环境，本文又提出了m 强 一频域懿对 2 电子科技大学颀：t 论文 法，首先通过m t d 将目标按照不同的模糊速度进行分类，然后在简化的 目标环境中采用频域配对法消除运动目标的距离速度耦合。 ( 3 ) 通过m a n a b 软件对m t d 一频域配对法进行了仿真，验证该方法的有效性。 ( 4 ) 从模糊函数角度对对称三角形调频连续波的分辨性能进行了分析，表明 了频域一配对法已经达到对称三角形调频连续波分辨能力的极限。 本人在做课题期间，发表论文： ( 1 ) 杨建宇，凌太兵，贺峻f m c w 雷达运动目标检测与速度去耦合电子与 信息学报2 0 0 3 年1 月收录 ( 2 ) 凌太兵，熊金涛，杨建宇，张容权a d 9 8 5 2 的线性调频发生器四川省电 子学会航空航天分会2 0 0 2 年年会论文集2 0 0 2 年1 0 月收录 电予科技走学硬士论文 _ l l l m l i i im m l l l l 目_ 第二章l f m o w 雷达信号分析 2 1 l f m c w 雷达工作原理 图2 1l f m c w 嚣达系统示意图 l f m c w 雷达系统框图如图2 1 赝示。雷达系统将小郝分发射信号能量作为 本振，与目标回波信号混频得到麓拍信号，辩将差拍信号a d 变换，进纷谱分 柝，在频域里获得目标的距离信息。 图2 2 说暖了l f m c w 雷达蓑拍傅立时处理的基本工作原理。设发射售号 为锯齿波调频方式。图2 1 ( a ) 中的实线表示l f m c w 嚣达发射售号的频率一蛙 阍关系，其中o a 段为线性调频段，a b 段为频率回翅段。图2 1 中虚线代袭 回波信号，它与发射信号的时间一频率曲线具有相同的形状，只是在时间上向 臌移动了= 2 心c ( c 为光速) ，靠为回波信号的最大延迟。若将发射信号与回 波信号进行差拍后得到差拍僚号，它的频率一时间关系如图2 2 ( b ) 所示。0 a 为差拍信号的恒定频率区间，0 0 段和a b 段均为瞬态调频倍号，瞬态区段的 持续时间虽然短，却包含了从0 到厶( j 为掴频段最大频率) 范围内丰寓 的频率分囊，会给目标检测带来干扰，尤其在多目标的场合下，近踱离强反射 回波瞬态区段的频谱可能会遮盖远距离弱目标的阐波频谱，所以通常采用如图 2 文c ) 所示的瞍阕窟( 矩形窗或其他形式的窗函数) 来消除瞬态过程，只保留差拍 信号的恒定频率段。处理后的差拍信号在时域上变成一个包络由窗函数形状决 定的、中心频率为矗的准正弦振荡，如圈2 2 ( d ) 所示。当窗醋数选为矩形窗 时，箕频谱是一个中心频率为厶的辛克函数，如图2 2 ( 幻所示。由于，厶与目标 延时成正院，因此厶与目标距离凰也成正比。当存在多个点目标藏分布目 4 电子科技大学硬士论文 标时，时域上总的差拍信号为各点目标差拍信号的线性叠加，而频域上却是分 离的。所以，无论是单目标还是多目标的情况，都可以从差拍信号的频谱中获 取信息。 f 多j 媳影 卜一f r o r 一 ，。 j f ( o ( b ) 砉 f r l o 厂- 形o ) 十 l _ j 。( f ) ! t ( d ) 办c 八厂、八，厂、厂厂f - 图2 2l f m c w 雷达信号差拍处理示意图 拍信号频谱 电f 科技太学硪士论文 | _ i ii 置奠 2 2 回波信号分税 如图2 2 蹰汞，l f s c w 霉达发射信号在鸯效据凝勰闯霹表示为： s 7 ( 玲= 蕊c o s 2 n ( f o t + 1 2 a 2 ) + 盛】f t = 【- t 2 ，t 1 2 】 ( 2 1 ) 其中氐，磊分别为发射信号的掇幅和随视初相，五是t = 0 稆寸发射信号的瞬时频 率，鞠发射傣号豹中心频率，f = b i t 为调频斜率，盈为有效带宽，r 为有效时 宽。 一径向速度为v ，裙始躐离( f = 0 葑寸) 为氐、初始回波延迟为= 2 r 。c 豹煮磊栎产生翡回波信弩( f ) 在t 淹可表示为 s 。( f ) = 鼍4c o s | 碱( f f 国) + i ，2 # 癣一哟) 2 】+ 魂+ 瑞 ( 2 2 ) 其中茁，为目标反射系数，吼为目标反射引起的附加相移，f = 2 ( 一v o i c = 一k t ( j = 2 v c = 厶五为归一化多普勒频率) 为目标瞬时回波延迟。 将s ，o ) 与( f ) 进行基带混频( 略去混频损耗因子) ，得到蓑拍信s 。( f ) ： j 8 ( r ) = 1 2 k , 文。c o s 2 k - 1 2 # r ( t ) 2 + 五r ( t ) 4 - f p ) f 】一o o ( 2 3 ) 燎川) = 一缸繁入上式可褥： s $ ( t ) = 1 2 k ，么ic o s 【2 筇 t 一1 1 2 # 6 t 2 + 0 6 ) 0 0 】 ( 2 ，4 ) 葵中，五= ( 1 + k ) , u r o 一甄，t 6 = 2 ( 秘+ l 2 # k 2 ) ，晚= f o r 。一1 2 t r 0 2 。 一般来说k “1 ，由式2 4 w 知，差描信号仍为线性调频信号，中心 频率为五“芦f o 一力，调频斜率秀一a 6 “- 2 觋，调频带宽为髋= 2 k b ，时带积为 轨= 2 k d ( d = b t 为l f m c w 雷达有效区溺发射信譬豹时带积) 。箍然d 沈较 大，但出于妻“l ，灏挖差拍信芍懿时带粳瓴攘夺。 对s 。( ) 进行傅立许变换： s b ( ，) = fs 8 ( t ) e x p ( - j 2 妒 2j ( t ) e x p ( 一j 2 妒) a t = i 2 k , a 0 2 簟1 2 e o s 2 x ( a t 一1 2 k t s t 2 + 以) 一o o l e x p ( 一j 2 n f l ) d t 一1 4 k ，a 0 2e x p ( j 2 n o b ，吼) l ：e x p u 2 帮【( 五一f ) t i 2 t 6 r 2 】 毋 + 1 4 k ，a 。2 e x p ( 一j 2 i r o b + j e o ) y f 2 e x p j 2 x - ( f b + f ) t + l 2 1 t 5 f 2 】渺 = s ；( ，) + s ；u ) ( 2 。5 ) 其中s ；( ，) = l 4 k ，- 4 0 2e x p ( j 2 x o b 一歹壤) 2 e x p 歹2 露【磊f ) t 一1 2 1 t a t 2 】 d 6 电子科技犬学硬士论文 - 1 4 州。2 e 则2 一岛，胁h 2 万够等卜等啪 6 ，r a b ( 卜巫) ：= 1 2 7 d c 2 = 。：压万( 卜五) 设x 的上下限为v 2 和v 1 ， v = 卜b b 2 一( 以一，) 】五万 v 2 = b b 2 一( 五一删厮 ( 2 7 ) s ( ，) ：1 ( 42 x 瓦 ) k ，4 ：e x p ( _ ，2 棚。一j o o ) e x p 4 塑量二丛) c ( v ：) 一c ( v 。) 】 一j s ( v ：) 一s ( v 。) 】) 地 ( 2 8 ) 式中c ( v ) = c o s ( m e 2 2 ) d x 、s ( v ) = s i n ( n x 2 2 ) d x ，d ( v ) = 痧丽丽i v 称为菲涅尔积分，如图2 3 所示。 考虑到发射信号有效能量e = 1 2 4 0 2 t ，以及差拍信号时带积d b = 地t 2 ， 式2 8 可写成： ( ，) 一( 22 4 t f - ) k ，ee x p ( _ ，2 碱一，吼) 。x p 出垡二壁) 【c ( ，：) 一。( ，。) 】 一j s ( v ，) 一s ( v ，) 】) ( 2 9 ) 图2 3 菲涅尔积分 l 了科技大学硕蔓：论文 胃日_ i i 胃甚皇鲁嘲曼嘲鲁崮簟s # i 司瑷 西( 厂) ：1 ( 2 周瓤e e x p 卜- ，2 疗魄+ ，吼) e x p ( 一塑型王! 二壁) m ( 。：) 一c ( 。 ) 】 + p ( v i ) s “) 1 鳓 ( 2 1 0 ) 萁中v 。= 卜魏2 + ( a + 朋扛忑，v ：= 魄2 + ( f b + 朋扛忑 ( 2 1 1 ) 式2 9 和2 1 0 表明， s b + ( ，) 和s b - ( 厂) 中心频率分别为五和一五，并以 此为频谱幅度峰值点，相应能量也集中在厶和一 附近。是+ u ) 在中心频率的 值为： s ；( ) = 1 、 2 d b k ，e e x p ( j 2 2 0 女一j o o ) 【c ( d 5 2 ) 一l j 【s ( 线2 ) ) 】 ( 2 1 2 ) 其峰值绝对傻为；，；：一 陵俳1 2 k , e 塑监型j - 五业盟 尉( 压两( 2 1 3 ) v 一一一2 = 1 1 2 k , 由式2 1 3 和图2 2 可以肴出，毯标箍拍频谱峰俊随着差拍信号的时带积d 的增大而减，j 、。由d b = 2 k d = 4 v d 得，运动鞠标速度越离时，峰值越低，目 标就越难棱检溺翻。 前面分析过，韩( 磅是线性调频信号，其频谱以丘和一以为中心展宽，但 由于时带积玩很小，其频谱展宽并不明显，形状分别接近于辛克函数 s i n c z t ( f a ) 和s i n c t z t ( f + ) 】n ”。在实际应用中，通常目标距离 r 积( 觎= e 2 b 为距离分辨率) ，完全可以认为+ ( ，) 和( ，) 的主要 信号能鼙不产生藿叠。阂魏，与目稀距离响应相对皮的蒺拍信譬正颓率部分频 谱主要融瓯+ ( 力决定，其可以驽成： s 。( ，) = s b + ( ，) + 岛一( ，) “s 。+ ( ，) ：1 ，( 2 互酉) 足，e e x p 0 2 2 0 b - j o o ) e x p d 垄笪i 二芝) 【c o ：) 。( h ) 】一j s ( v ：) 一。p ；) 】) j b ( 2 1 4 ) 但如果r 较小时，即差拍信号中心频率很小，频率正半轴部分就会受到来 自频率负半轴部分频谱旁瓣的镜像干扰。解决它的有效方法就是选择一个旁瓣 电平阮较低的窗函数对菱拍信号进行加权处理，使旁瓣得到抑制，但同时也使 输蹬信号包络主瓣交宽。换句话说，旁瓣抑制是以降低距离分辨率为代价的。 如何选择加衡函数，这涉及割最佳准刚的确定。 8 2 3 差拍信号特性分析 2 3 1 差拍频谱距离响应特性 当目标为固定目标时，f ( f ) = = 2 r 。c ，l f m c w 差拍信号频域表达式可以 简化为： s b ( 厂) = 1 1 2 k ，e e x p ( j 2 z r o b 一，吼) s i n c n t ( f 一f o ) ( 2 1 5 ) 利用频率轴与距离轴的转换关系厂= 竺，可把( ，) 转换为目标距离的函数 s 。( ，) ：1 2 k ，e e x p l ，2 疗吼一j o o ) s 二c 【魍，( 2 r - t 兰墅) 】 ：1 2 k ，占e x p j 2 z o n j o o ) s i n c 协2 李) 。 。 ( 2 1 6 ) 可以看出，l f m c w 雷达的差拍信号的频谱反映出目标的距离信息，其频 谱的中心频率位置对应目标距离。 2 3 2 等效正交双通道性“1 为了获得目标的相位信息，雷达一般均采用相干检测技术。回波通过正交 解调的方法得到相互正交的i 、q 两路基带信号。但是模拟正交相检技术受器 件影响较大，幅度和相位会随频率、温度发生漂移，使得i 、q 通道之间幅相 误差较大，导致频谱的镜像干扰。而l f m c w 体制的雷达，式2 9 和式2 1 0 表 明，差拍信号频谱的实部和虚部分别是i 、q 通道输出值，所以l f m c w 雷达采 用差拍一傅立叶一单边带提取的方法，可获得与i 、q 通路完全等效的功能。 采用差拍一傅立一单边带提取的方法比采用正交解调方法获得的信噪比低 3 d b “。但是这一技术带来的好处是显而易见的，简化了硬件电路，消除了由 于i 、q 通路幅度不平衡带来的不利影响。 2 3 2 距离速度耦合 对固定目标来说，信号频谱的中心频率对应目标距离。而速度为v 的目标 差拍信号中心频率为五= 0 一五，对应距离为r = g o 一无t d r ，但实际目标距离 为r 。，从而测距误差为a r = 厶丁豫，这就是l f m c w 雷达的距离速度耦合现 象。扫频斜率为正时，目标速度v ，0 ，测得的理论距离比实际距离偏近，反之 则偏远；扫频斜率为负时，目标速度v 0 ，测得的理论距离比实际距离偏远， 反之则偏近。如图2 4 所示。 电子科技太学硬士论文 ii 邕簟薯皇| _ 由中心频率五= o 一兀可以看出，同一目标对于不同的调频斜率，频率 偏移均为一兀。静j 如，调频斜率为m 时，中心频率为z = 麒一厶，调频斜率 为2 时，中心频率为 = 1 t 2 一厶。将石与五相减，一以= ( l - i j 2 ) ， 帮可求出目标距离： ， r b = c t o 2 = 要丑盐 ( 2 1 7 ) 2 硒一芦2 爨掠速度： v ：羔量：型i 鱼二塑：墅丝二矗幽 f 2 1 8 ) 2 f o2 ：oe l ( l 一：) 、 投撼公式霞= 疋勰可知，弓l 越l f m c w 饕达的距褒速度藕会豹擐本原因 憝信号时宽r 较大，在脉冲黉达l f m 中也存在羲类似缡移，但出于，小，可以 忽略不计。例如，l f m c w 霉达信号工作奁8 m m 波段，时宽l m s ，一个以 l o m s 速度运动的低速目标引起的测距误差达2 ，5 傣距离分辨单元，因此距离 速度耦合问题是不能忽略的。 在多县撂的坯境下，由予动鼹标的踱离速度粳会，f m c w 雷达中链子曳、 速度v 的幼目标的回波差拍频谱与位于民一正豫的固定曩橼的网波差撼频谱裁 会重藏在一越，无法区分开来，对确定雕昧个数，测量鼹标距璃育缀大影响。 l f m c w 雷达的距离速度耦合问题严重阻碍了它在离距离分瓣场合的应用。 扫频斜 一町q 一 d 扫频斜 搀藏 一， 。vv ” 7 斟b 一 d 搴为负m f i l 潜v o 时 ( 罅v o 时 圈2 4l f m c w 雷达运动目标距离速度藕合 1 0 第三章l f m c w 雷达差拍信号频域配对法 由前面分析可知，l f m c w 雷达采用大时宽信号，存在着运动目标的距离速 度耦合问题。距离速度耦合引起的距离偏移在单一调频斜率的l f m c w 雷达中 是很难消除的。但在发射信号为不同调频斜率时，将同一目标的差拍信号频谱 选出来进行配对，就能消除距离速度耦合，达到目标距离与速度检测的目的。 为了便于l f m c w 雷达信号的产生与处理，这里采用对称三角形调频连续波。 3 1 对称三角线性调频连续波雷达信号分析 一r 2 + tr 2 0 7 ：，1 2r 2 + t t 图3 1 对称三角形调频连续波发射信号与回波瞬时频率关系 对称三角形调频连续波信号有效上扫频段为乙= 卜1 2 - t , 一厶2 】，设目 标速度为v 、初始距离为r o ( t = 0 时) 、回波延时f o 。) = 2 ( r 。一v t ) c ，为简化公 式，对有效上扫频段进行变量替换r = t + r 。2 + t 2 ，则t = 0 时初始距离为 掰= r 。一v 卜f 。2 一t 2 ) “r o + v t 2 ，相应的回波延时为f o ) = 2 ( 聪- v t ) l c = r j - k t ，初始回波延时矗= 2 彤知e 根据式2 4 ，上扫频段目标差拍信号s ；( f ) 可表示为： s ；( f ) = 1 2 k ，a 0 2e o s 2 n ( 1 + 女) r j 一厶i t 一( + 1 2 ，止2 ) f 2 + ( 厶f ；一1 2 p r o 。) 】一甜) t 0 2 ，t 2 】 ( 3 1 ) 同理，对称三角形调频连续波下扫频段为乙= h 2 , 2 + t ，经变量替 换后，对应的初始距离为弼= r 。一v t 2 ，初始回波延时为f i = 2 r ；c ，调频斜 率为一l a 。下扫频段目标差拍信号为： j ；( r ) = 1 2 k , 4 0 2c o s ( 2 刀- _ ( 1 + 七) f i 一厶i t + ( 南“+ 1 2 a ：2 ) r 2 + ( f o f i + l 2 , u r o ) 卜 e 予秘技大学硕士论蹙 = 1 2 k 稿2c o s 2 硝【( 1 + 巧+ 兀i t 一( 驰+ 1 2 肚2 ) r 2 一( f 0 7 7 0 一+ 1 2 1 z r o ) 】+ o f ) r - t 2 ，t 2 】 ( 3 2 ) 根据式3 1 和3 2 可知，上扫频段蓑拍信号的中心频率为疗“f ；一厶， 下扫频段羞拍信号的中心频率为疗* f i + 六。通常l t v t c 工( 即 v t 。 l 距离 ( b ) 下扫频段 图3 2 单目标频域配对 1 2 l 距离 5 i 2 舛 ( e ) 频城配慰蜃 电子科技大学碗论文 3 3 多目标环境下频域配对法步骤 对于单目标环境下的检测，将上、下扫频的目标差拍频谱直接配对就可求 得目标的距离和速度。当有多个目标同时存在时，如仍然进行直接配对，就会 出现虚假目标，因此这时需要对目标进行鉴别，坦占：工翅麴爨星回旦拯敛薹 拍频谱实行配对。 中国科学院上海微系统与信息技术研究所在读博士徐涛提出通过交叉寻找 婆透贼来对目标实行配对8 1 ，但其发射信号是变周期的l f m c w 信号，这给 工程实现带来很大难度，而且在不同周期上测距精度也会不一致，这给测距带 来影响。毫吝堡岜= 壁退堡萎塑塑逛壁笙窆墼鲞塞堑望型鲍直鎏，结构简单， 实现容易。 由式3 1 和3 2 可得，对于同一目标回波信号，反射系数足，相同，因此同一 目标在上、下扫频段得到的频谱具有相同形状。根据这个特点，就能将不同的 目标区分开来，通过配对处理，消除距离速度耦合，测出目标的距离和速度。 这种方法称之为差拍信号频谱配对法。具体步骤如图3 3 所示。 3 3 1 距离分段 图3 3 频域配对法 由于l f m c w 雷达距离分辨率高，在对差拍信号进行频谱分析时，所需的f f t 点数相当大，这给实时信号处理带来很大困难。并且由于传播衰减造成远近目 标的回波幅度比超过a d 韵量化动态范围，造成远距离目标信息的丢失。 l f m c w 雷达是通过差拍频谱来获得目标距离信息的，不同距离的目标产生的 回波在差拍信号时域上是重叠的，但在频域里是分开的。因此在频域上进行分割， 相当于把不同距离段的目标进行分割。这样可使得差拍信号的动态范围缩小，而 窀予科羲太拳骚士谂文 崴由予频谱带宽减小，这样在相浏距离分辨率的前提下，选出囱融感兴趣的距离 段透露频谱分桁，这琵整个蹬离藏嚣斑黥菝港分橱袋需鼹运簿鐾爱夺僚藿枣德 多。 投撵差撼嵇晕夔窍效辩宽r 秘数字信号蔻璞瑟往越决定豹褰羧禧立时长凌 n ( n 为2 的h 次方) ，这样差拍信号的时域采样频率f * n t 。频域为时域经 过f 瓣瑟得笺游离敖簸攀谱，其鬏率聚襻霹骚为五，。t t ，黠应黧距离鬻璐 为f i r 。根据带通抽样愆理，矗咖+ 1 ) s 正2 9 n ，押【兀b 】( f h 为带通 信号簸寒频率，五为带逶痿号聚爨颏率，b 为带遵痿警整宽) ，露宠夔撼信号频 谱划分成带宽为工，2 篱尾相谶的若干个子差拍倍号，棚应璁就出现了漪千个躐 鬻分敬，每个躐蔫段豹藏赛建冀。= n s r t 2 。 对于频率范圈为【喊2 ，咖+ 1 ) 工2 1 ( 棚1 ) 予差拍信号来说，频宰范围爵经 超过了采样攀疋，2 ，搿羧为欠慕襻；在逑行数字信号处理磊，褥嚣熬差绉鬣号 颁率燧模糊频率，风能局限程【o 只，2 】的范围内，也就是说麓拍信号频谱经 过了搬移。经分辑可弼，当m 为羁数辩，真实驹凝率必。，= ，尹+ 媛2 ，当m 淹 奇数时，真实的频率为f = 五，+ 呱，2 。 3 3 2 确定黉掭 ( 1 找逡采嚣点串麴最大整 对麓拍髂芍经过离敝簿立时交换，祷餮对成茸标鼹离懿缀叛港采檬点。 遴过瓣这些采撵蠡逡露搜索，拽戮整个溪榉_ 辫瓤孛搭褒最丈缀。 ( 2 ) 确定门限，确定疆标个数 蠢予有簸辩宽豹裔鼹经，l f m c w 餐这差抬信号弱鬏谱鸯攀竟螽数澎凌，存 在较高的旁瓣，高旁瓣的存在w 能导数纛假西标的封建。必了漓豫旁瓣对配对的 甏旗，震要旗宠一令门蔽筘( 声盎庭警概率确定) ，懿聚采撵煮褡凌蔫予这个门 限，就认为在逡个位鬻裔旨标出现，魇之鄹没裔。如鬻3 4 掰零。 磐缮霉弱楚多令疆耀匏菝港蓬霹，旁瓣豹叠麓使褥黠嚣标靛翔决簧趣毯 难。为了消除旁瓣对目标个数翔j 断的影响，可对差拍麟波傣弩进行加舒处瑷， 磷磐泼宁密鞠海弱窗。透过期密霹毒效降褥整撼售罨赫频谱努瓣，毽是撩整嚣 的羞桶信号频谱生瓣震宽，降低距离分辨率。 1 4 屯子辩技大学顿士论文 一i i i i ! i i iiii i (d _ 妣删 u黼 (a)上扫频段(”下扫频段 圈3 4 确定门限 由于采样点不太可能恰好处在目标差拍信号中心频率的位置，以及加窗黼 数造成主瓣宽度的拓展，一个目标差拍频谱幅度超过门限芦不止一个采样点。 凡是遣续超过门限的段连续频谱，认为是一个鼠标( 点目标或是分布目标) 产生的。如图3 5 所示。 ； _ 口舶m1 1 口 莲 ， r ( a ) 上扫频段( b ) 下扫频段 图3 5 确定目标个数 3 s 3 选取醚对 麸理论主讲，闻个弱标在l f m c w 霄遮韵上扫频段鞠下扫频段产生的差 拍信号频谱具有相同的形状。根撩这一点，我们就可以通过特征参数比较的方 法，将葡一目标在上、下扫频段的差拍频谱配对起来。 本文采用的特征参数包括两种：题遂缝煎送莛、擅直i 基薹。对予频谱峰值 电子奉 技大学硕士论冀 ii i i l | | 蔓糟e 误差，设存在一个目标，在上下扫频段每个目标的采样点频谱峰值的分别为瓯。 s ”2 、s w 、s 棚”s ”、s 棚，f 、屯。将上扫 频段的筑。分澍与下扫频段的一个舀标频谱峰值求得峰值差绝对值，其中绝对值 最小显小于s 韵( “籍虚警概率确定) ，就被认为这蹩同一个目标在上、下扫频 段产生静差辩信号频谱。 谩上扫频段第f 个西标峰值尚下扫频第，个荫标峰值差的绝对值为削。则 上扫频段各个舀标峰值与下j 譬频段各个礴标蓬峰值麓绝对值矩阵4 就为： | 鲋1 ，l 酗2 削：| 酶i 鲋z j l 鸲，la , 4 啦 蛳。 a , 4 2 m 删。 如果鲋，在同一行向量中值最小且小于s ，就认为上扫频段的第f 个目标差 拍频谱和下掴频段的第七个蓑拍频谱是由同个强标产生的。逐行进行e e 较，就 可以将目标一一进行配对。 但在实际应用中，由于杂波及噪声的影响，造成囿一耳标农上、下妇频段 的差拍频谱峰值差异较大或不同目标的蓑拍频谱峰俊接近，这榉根据频谱峰僮 误差进行配对就会造成虚警。 如果通过频谱峰值误差浆对失败，可再通过均方误差来进露配对。瞧予曼 标差掐频谱有所不同，所以各个融标超过门隈的采样点数垦也会毒赝不翳，设 为其中最小馕。为了减小因为采样点的不同丽造成均方误差的偏差，每个噬标 频谱都只取个采样点，且这为最接近频谱峰值的采样点。设上扫频段第i 个 目标麓拍频谱的采样点j 葶列德为( ( 1 ) 、j ( ) 、，( ) ) ，下 鼍频 段第，个目标差拍频谱的采样点序列值为( s 。，( 1 ) 、? “、屯。，( 、 s 。，j ( ) ) 。两者的均方误差为嗔，= p 。( 七) 一s m 州( t ) 1 ，上搠频段各个嚣标 羞拍频谱与下扫频段各个目标均方误蓉矩阵n 为 翻1 疋” 鑫k n 如果苁，在冠一纷趣爨孛建最小登枣子艿( 砉虚警概率决定) 静，就试为上 扫频段第1 个爨撼差撼频谱靼下翅频段第寿令差掺频谶是瘫圆一个运动霹标产生 勘霸 l l q 的，逐行进行比较，将目标一一配对。如图3 6 所示。整个选取配对的流程图如 3 7 所示。 r 扣频段差拍信号 下扫频段差拍信号 卜 图3 6 频域配对 图3 7 选配配对流程图 3 3 4 确定目标上、下扫频段中心频率位置 配对失败 配对成功 在目标配对成功之后，下一步就是根据同一目标在上、下扫频段差拍信号 频谱范围，确定频谱中心的具体位置，测出目标的初始位置和速度。 理论上讲，目标差拍频谱的峰值对应的频率就是中心频率，但是考虑到杂 波和噪声的影响，信号发生畸变，使得差拍信号峰值处的频谱可能会出现抖动， 如图3 8 ；或者在雷达的分辨单元内，雷达收到的回波是大量独立单元反射的合 成，且由于目标内部的运动，各反射单元的多普勒频率各有不同，从而引起回 波频谱的展宽，如图3 9 ；或者由于采样点数不够没有能够采到目标差拍频谱峰 值点，如图3 1 0 所示，如果直接把峰值对应的频率当作是中心频率，可能会引 起较大误差。 针对图3 8 、图3 9 的情况，采用对频谱求质心的方法确定中心频率位置。 逸予辩技太学碛士论文 一i i _ 皇| 曾目_ 设第f 个目标在上手j 频段的差拍幅值采样序列为( ，( 1 ) 、s 圳( ) 、 s 。( ) ) ，对应的频率值为( 丘，( 1 ) 、矗，( 女) 、矗，( ) ) 。那么频 图3 8 杂波和噪声造 成熬频潜蜂镶抖动 阔3 9 大量独立单元 圈渡仑盛造成频谱震宽 图3 1 0 采样点不足 造 成湾右瓣剥蝰德袁 谱的壤心位置焉戈： 一盟 一，( n s 蚓( 七) 厶，；= 型1 广一 ( 3 5 ) s u p , i ( _ j ) 质心工。就是频谱中心频率的位置。 周理可求出第l 令基标套下麴频段懿差攒信号频谱懿孛心叛率了：= 海： k ，辑) s 。，( 耄) 氕。、；= 量l _ 一 ( 3 。6 ) s m ，( 七) 针对图3 1 0 的情况，可采用对频域段求质心的方法来确定中心健墨，也可 采取对蓑拍频谱细化盼方式，主要有两种方法：时域补零法鞍c h i p - z 法。 设差拍信号一组采样值为( s o ) ，。( ) ，s ) ) ，傅立时变换 s ( 蛉= s ( n ) e “2 “m “，但是妇予过小，鼷域袋撵点不是，无法采到中心频率 点，蜥| 4 距豹最大误差为积，2 ，这裁嚣器增大频域采榉密度，提裹测躐耩发。 丽增大采榉密度最壹接的方法就是增如f f t 的点数。对蓑拍僖号袋样痒到枣 搿一i 馈零点，等德( s o ) ，s 国) ，。( ，0 ，0 ) ，