CN113687342B - 一种近距离复杂多径环境下毫米波雷达实时测距方法 - Google Patents

Abstract

一种近距离复杂多径环境下毫米波雷达实时测距方法，对传统的CFAR检测方法进行了改进，针对近距离复杂环境下的多径回波信号，在选取参考单元时避免取到多径信号，进而避免了由此带来的信噪比下降乃至漏警，提出的判断是否检测到多径信号及多径信号剔除的方法运算量小，可靠性高，易于硬件的实时处理，满足深空探测的轻小型化、高可靠的设计要求。

Description

一种近距离复杂多径环境下毫米波雷达实时测距方法

技术领域

本发明涉及一种近距离复杂多径环境下毫米波雷达实时测距方法，属于空间微波遥感领域。

背景技术

在月球、火星、小行星等地外天体着陆探测中，微波测距测速敏感器是着陆器导航、制导与控制(GNC)分系统关键设备，在着陆过程中为GNC分系统实时提供着陆器相对地外天体表面的距离和速度信息，确保着陆精度和安全，决定了着陆器能否高精度、高可靠度的着陆到指定探测区域。微波测距测速敏感器是探测器对微波测距测速设备的命名，就是通常理解的微波测距测速雷达，目前工作频段已经到了Ka波段。较高的频段保证了高精度的距离和速度测量，但其对环境也更为敏感，尤其是未来深空探测任务对微波测距测速敏感器的最近作用距离要求越来越高，甚至要求最近作用距离小于1m，此时雷达回波中除了地外天体表面的直接回波外，还耦合了回波通过着陆器的底板反射到地外天体表面再回来的多次路径信号，按照传统雷达检测方法直接进行目标检测就会检测到多径信号，导致距离和速度测量错误。因此迫切需要一种工程中行之有效的高可靠、高精度实时测距方法，可以适应近距离时复杂的多径环境。

发明内容

本发明解决的技术问题是：针对目前现有技术中，按照传统雷达检测方法直接进行目标检测就会检测到多径信号，导致距离和速度测量错误的问题，提出了一种近距离复杂多径环境下毫米波雷达实时测距方法。

本发明解决上述技术问题是通过如下技术方案予以实现的：

一种近距离复杂多径环境下毫米波雷达实时测距方法，步骤如下：

(1)对各脉冲回波进行相参积累，获取积累后一维距离像；

(2)对积累后一维距离像进行CFAR检测；

(3)对检测到的目标进行连续性判断；若判断结果存在多径信号，进入步骤(4)，否则进入步骤(5)；

(4)对多径信号进行剔除处理，进入步骤(5)；

(5)对无多径信号的目标进行波束中心求取；

(6)根据雷达系统的设计参数以及所求的波束中心对应的距离单元位置，计算毫米波雷达实时距离。

所述步骤(1)中，将同一个待检测距离单元的所有脉冲回波进行方位向FFT，取所得模最大值为该距离单元回波，对各待检测距离单元的所有脉冲均进行处理后获取积累后一维距离像，回波信号为x[n][m]，积累后一维距离像的确定方法为：

式中，FFT为快速傅立叶变换，∑[]为求和操作，max[]为求最大操作，abs[]为求模操作，y[m]为积累后的一维距离像，m为距离单元序号，y[n][m]为处理后回波信号。

所述步骤(2)中，进行CFAR检测的具体步骤如下：

根据待检测距离单元对应的距离，将该距离单元回波区域作为保护单元，在该距离单元回波区域内不选取参考单元，将该距离单元的二次多径、三次多径及其回波展宽和旁瓣对应的距离单元应作为保护单元，不选取为参考单元，根据待检测距离单元的一维距离像进行CFAR检测以确定目标位置。

所述步骤(3)中，连续性判断具体为：

对检测到的目标进行进一步检测，若该目标中距离单元个数小于检测到的目标前后沿间的距离单元个数，则该目标存在多径信号，需进行去多径处理；否则不存在多径信号，进入步骤(5)。

所述步骤(4)中，进行多径信号剔除的具体步骤为：

以距离零点为基准，对检测到的目标对应的距离单元进行处理，于检测到的目标对应的距离大于检测到目标前沿对应距离的1.5倍，将该距离单元及其之后检测到的目标当作多径信号去掉，不计入波束中心计算。

所述步骤(5)中，波束中心Y求取的具体方法为：

式中，k_min为检测到目标的最近距离单元，k_max为无多径信号的最远距离单元，e为检测到的目标对应的距离单元值，y[e]为该距离单元对应的一维距离像上的幅度值。

所述步骤(6)中，毫米波雷达实时距离的计算方法为：

根据所求目标波束中心Y，计算此时的距离R，具体为：

式中，B为雷达发射信号带宽，T_P为发射信号时宽，f_s为去斜后信号采样率，N为数字下变频后基带信号做FFT点数。

本发明与现有技术相比的优点在于：

本发明提供的一种近距离复杂多径环境下毫米波雷达实时测距方法，对传统的CFAR检测方法进行了改进，针对近距离复杂环境下的多径回波信号，在选取参考单元时避免取到多径信号，进而避免了由此带来的信噪比下降乃至漏警，提出的判断是否检测到多径信号及多径信号剔除的方法运算量小，可靠性高，易于硬件的实时处理，满足深空探测的轻小型化、高可靠的设计要求，同时可有效剔除多径信号，测量得到正确的距离值，同时该方法运算量较小，可适应硬件资源以及实时性的要求。

附图说明

图1为发明提供的数据处理流程图；

图2为发明提供的相参积累示意图；

图3为发明提供的CFAR检测时参考单元选取示意图；

图4为发明提供的目标连续性判断示意图；

图5为发明提供的多径信号剔除示意图；

具体实施方式

一种近距离复杂多径环境下毫米波雷达实时测距方法，针对微波测距测速敏感器在近距离工作时存在复杂环境引起的多径问题，提出一种对多径信号的判别和剔除方法，可有效排除多径信号的干扰，高可靠高精度的实现实时测距，测距方法的具体步骤如下：

(1)对各脉冲回波进行相参积累，获取积累后一维距离像；

其中，将同一个待检测距离单元的所有脉冲回波进行方位向FFT，取所得模最大值为该距离单元回波，对各待检测距离单元的所有脉冲均进行处理后获取积累后一维距离像，回波信号为x[n][m]，积累后一维距离像的确定方法为：

式中，FFT为快速傅立叶变换，∑[]为求和操作，max[]为求最大操作，abs[]为求模操作，y[m]为积累后的一维距离像，m为距离单元序号，y[n][m]为处理后回波信号；

(2)对积累后一维距离像进行CFAR检测；

其中，进行CFAR检测的具体步骤如下：

根据待检测距离单元对应的距离，将该距离单元回波区域作为保护单元，在该距离单元回波区域内不选取参考单元，将该距离单元的二次多径、三次多径及其回波展宽和旁瓣对应的距离单元应作为保护单元，不选取为参考单元，根据待检测距离单元的一维距离像进行CFAR检测以确定目标位置；

(3)对检测到的目标进行连续性判断；若判断结果存在多径信号，进入步骤(4)，否则进入步骤(5)；

其中，连续性判断具体为：

对检测到的目标进行进一步检测，若该目标中距离单元个数小于检测到的目标前后沿间的距离单元个数，则该目标存在多径信号，需进行去多径处理；否则不存在多径信号，进入步骤(5)；

(4)对多径信号进行剔除处理，进入步骤(5)；

其中，进行多径信号剔除的具体步骤为：

以距离零点为基准，对检测到的目标对应的距离单元进行处理，于检测到的目标对应的距离大于检测到目标前沿对应距离的1.5倍，将该距离单元及其之后检测到的目标当作多径信号去掉，不计入波束中心计算；

(5)对无多径信号的目标进行波束中心求取；

其中，波束中心Y求取的具体方法为：

式中，k_min为检测到目标的最近距离单元，k_max为无多径信号的最远距离单元，e为检测到的目标对应的距离单元值，y[e]为该距离单元对应的一维距离像上的幅度值；

(6)根据雷达系统的设计参数以及所求的波束中心对应的距离单元位置，计算毫米波雷达实时距离，其中：

毫米波雷达实时距离的计算方法为：

根据所求目标波束中心Y，计算此时的距离R，具体为：

式中，B为雷达发射信号带宽，T_P为发射信号时宽，f_s为去斜后信号采样率，N为数字下变频后基带信号做FFT点数。

下面结合具体实施例进行进一步说明：

在当前实施例中，如图1所示，为近距离复杂多径环境下的毫米波雷达实时测距方法流程图，第一步对多个脉冲的回波进行相参积累，得到积累后的一维距离像；第二步对积累后的一维距离像进行CFAR检测；第三步对检测到的目标进行连续性判断；第四步判断存在多径信号时，对多径信号进行剔除处理；第五步对剔除多径信号后的目标进行波束中心求取；第六步进行距离计算。本发明近距离复杂多径环境下的毫米波雷达实时测距方法的具体步骤如下：

一、脉冲相参积累

如图2所示，目前雷达为了实现高信噪比，一般采用发送多个脉冲，对多个脉冲的回波进行相参积累来提高信噪比。具体过程为将同一个距离单元的所有脉冲回波进行方位向FFT，再取其模最大的值为该距离单元的回波，对所有距离单元进行上述处理后即可得到积累后的一维距离像，如图2所示。令回波信号为x[n][m]，其计算方法为：

其中，FFT表示快速傅立叶变换，∑[]表示求和操作，max[]表示求最大操作，abs[]表示求模操作，y[m]表示积累后的一维距离像，m为距离单元序号。

二、CFAR检测

如图3所示，得到目标的一维距离像后，需要进行目标检测以确定目标位置。传统的CFAR检测在取参考单元时没有考虑多径信号的影响，本发明提出了一种改进的CFAR检测方法，可解决传统CFAR检测在存在多径信号时，取参考单元时可能取到多径信号上，进而导致信噪比大大降低甚至出现漏警的问题。改进的CFAR检测保护单元和参考单元的选取原则为：根据待检测距离单元对应的距离，考虑其回波的展宽和旁瓣，此区域需作为保护单元，不能在该区域选参考单元；同时该距离单元的二次多径、三次多径及其回波展宽和旁瓣对应的距离单元应作为保护单元，不能选取为参考单元。图3为参考单元的选取示意图。

三、目标连续性判断

如图4所示，对检测到的目标进行连续性判断，是指为了识别检测到的目标中是否包含多径信号，提出的一种基于目标连续性的判别方法。准则为：若检测到的目标距离单元个数小于检测到的目标前后沿之间的距离单元个数，则认为存在多径信号，需要进行去多径处理；反之则认为没有检测到多径信号，直接进行波束中心求取即可。如图4左边图所示，此时检测到的目标前沿对应的距离单元为k₁，目标后沿对应的距离单元为k₂，检测到的目标单元个数为k₂-k₁+1，因此此时检测到的目标是连续的，没有检测到多径信号；而图4右图中，检测到的目标个数为k₂-k₁+k₄-k₃+2，检测到目标的前后沿分别为k₁、k₄，因此对应的目标距离单元个数为k₄-k₁+1，显然k₂-k₁+k₄-k₃+2<k₄-k₁+1，因此可判断此时检测到了多径信号，需进行多径信号剔除处理。

四、多径信号剔除

如图5所示，当判断检测到的目标中有多径信号后，进行以下剔除处理：以距离零点为基准，对检测到的目标对应的距离单元进行判定，若检测到的目标对应的距离大于检测到目标前沿对应距离的1.5倍，则将该距离单元及其之后检测到的目标当作多径信号去掉，求波束中心时不参与计算。如图5所示，阴影部分检测到的目标会被剔除。

五、波束中心求取

为了提高测距精度，采用重心法求取回波的波束中心，具体方法如下：假设检测到目标的最近距离单元为k_min，最远距离单元为：k_max(去多径处理以后)，则波束中心为一维距离像上检测到的这一段目标对应的重心，可表示为：

其中，e代表检测到的目标对应的距离单元值，y[e]为该距离单元对应的一维距离像上的幅度值。

六、距离计算

根据雷达系统的设计参数以及所求的波束中心对应的距离单元位置，即可计算得到距离值。假设雷达发射信号带宽为B，发射信号时宽为T_P，去斜后信号采样率为f_s，数字下变频后基带信号做FFT点数为N，则根据所求目标波束中心Y，可计算得到此时的距离R为：

经过以上步骤处理后，即可实现近距离复杂多径环境下的实时测距。

本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域技术人员的公知技术。

Claims (6)

1.一种近距离复杂多径环境下毫米波雷达实时测距方法，其特征在于步骤如下：

(1)对各脉冲回波进行相参积累，获取积累后一维距离像；

(2)对积累后一维距离像进行CFAR检测；

(3)对检测到的目标进行连续性判断；若判断结果存在多径信号，进入步骤(4)，否则进入步骤(5)；

(4)对多径信号进行剔除处理，进入步骤(5)；

(5)对无多径信号的目标进行波束中心求取；

(6)根据雷达系统的设计参数以及所求的波束中心对应的距离单元位置，计算毫米波雷达实时距离；

步骤(3)中，连续性判断具体为：

对检测到的目标进行进一步检测，若该目标中距离单元个数小于检测到的目标前后沿间的距离单元个数，则该目标存在多径信号，需进行去多径处理；否则不存在多径信号，进入步骤(5)。

2.根据权利要求1所述的一种近距离复杂多径环境下毫米波雷达实时测距方法，其特征在于：

所述步骤(1)中，将同一个待检测距离单元的所有脉冲回波进行方位向FFT，取所得模最大值为该距离单元回波，对各待检测距离单元的所有脉冲均进行处理后获取积累后一维距离像，回波信号为x[n][m]，积累后一维距离像的确定方法为：

式中，FFT为快速傅立叶变换，∑[]为求和操作，max[]为求最大操作，abs[]为求模操作，y[m]为积累后的一维距离像，m为距离单元序号，y[n][m]为处理后回波信号,N为数字下变频后基带信号做FFT点数。

3.根据权利要求2所述的一种近距离复杂多径环境下毫米波雷达实时测距方法，其特征在于：

所述步骤(2)中，进行CFAR检测的具体步骤如下：

根据待检测距离单元对应的距离，将该距离单元回波区域作为保护单元，在该距离单元回波区域内不选取参考单元，将该距离单元的二次多径、三次多径及其回波展宽和旁瓣对应的距离单元应作为保护单元，不选取为参考单元，根据待检测距离单元的一维距离像进行CFAR检测以确定目标位置。

4.根据权利要求3所述的一种近距离复杂多径环境下毫米波雷达实时测距方法，其特征在于：

所述步骤(4)中，进行多径信号剔除的具体步骤为：

以距离零点为基准，对检测到的目标对应的距离单元进行处理，于检测到的目标对应的距离大于检测到目标前沿对应距离的1.5倍，将该距离单元及其之后检测到的目标当作多径信号去掉，不计入波束中心计算。

5.根据权利要求4所述的一种近距离复杂多径环境下毫米波雷达实时测距方法，其特征在于：

所述步骤(5)中，波束中心Y求取的具体方法为：

式中，k_min为检测到目标的最近距离单元，k_max为无多径信号的最远距离单元，e为检测到的目标对应的距离单元值，y[e]为该距离单元对应的一维距离像上的幅度值。

6.根据权利要求5所述的一种近距离复杂多径环境下毫米波雷达实时测距方法，其特征在于：

所述步骤(6)中，毫米波雷达实时距离的计算方法为：

根据所求目标波束中心Y，计算此时的距离R，具体为：

式中，B为雷达发射信号带宽，T_P为发射信号时宽，f_s为去斜后信号采样率。