[發明專利]一種適用于FMCW雷達的相干頻譜壓縮感知測距方法

在審

• 申請號: 202210879599.5
• 申請日: 2022-07-25
• 公開（公告）號: CN115356716A
• 公開（公告）日: 2022-11-18
• 發明（設計）人: 徐爭光;曹璐
• 申請（專利權）人: 華中科技大學
• 主分類號: G01S13/34
• 分類號: G01S13/34
• 代理公司: 華中科技大學專利中心 42201
• 代理人: 胡佳蕾

本發明公開了一種適用于FMCW雷達的相干頻譜壓縮感知測距方法，屬于毫米波雷達測距技術領域。該方法主要包括以下步驟：首先將雷達接收的回波信號與發射信號通過混頻器混頻后獲取差頻信號，經過快速傅里葉變換得到差頻信號的頻譜；隨后對該頻譜進行相位補償，乘以一個包含相位信息的指數項并取實部以獲取相干頻譜；最終對相干頻譜通過壓縮感知算法進行匹配，從而實現超分辨率測距。仿真結果證明本發明提出的測距算法的抗噪性能優于其他傳統測距算法，并具有更好的超分辨率測距性能。

技術領域

本發明屬于毫米波雷達測距技術領域，更具體地，涉及一種適用于FMCW雷達的相干頻譜壓縮感知測距方法。

背景技術

由于毫米波是5G的核心技術，并且毫米波雷達具有全天持續性、隱私性好以及受環境影響較小等優點，因此其備受研究人員矚目。隨著半導體技術的發展，調頻連續波(Frequency Modulation Continuous Wave，FMCW)雷達憑借其緊湊性高、復雜度低以及高分辨率等良好性能，在車輛測距和目標定位中有著不可撼動的地位。由于調頻連續波雷達收發裝置分離，可以同時發送和接收信號，因此幾乎不存在由于收發之間的時間間隙所導致的探測盲區，這推動了汽車自適應巡航、汽車防撞系統、投彈控制以及回避特殊地形等民用和軍事工業的發展。

FMCW毫米波雷達系統測距的基礎分辨率是光速除以兩倍發射信號的掃頻帶寬，在距離估計中的超分辨率則體現為測距的分辨率優于基礎分辨率，對相干目標具有更強的分辨能力，因此超分辨率測距對于目標與雜波的對比度以及支持目標識別尤為重要。然而，目前的傳統測距算法大多數是基于快速傅里葉算法發展而來，測距分辨率往往低于基礎分辨率，其原因來自多方面的因素，包括隨機噪聲、頻譜泄露、掃頻非線性以及柵欄效應等等。當差頻信號的頻率恰好與離散譜的譜峰頻率重合時，顯然譜估計的結果等于實際值；但實際情況中更常見的是差頻信號的頻率恰巧落在離散譜的兩譜線之內，由此得到的譜估計結果一定存在誤差。現有的一些加窗技術和頻譜校正技術在一定程度上減緩了測距誤差，但無法徹底消除，這嚴重限制了譜估計在測距工程以及其他領域的應用。

發明內容

本發明所要解決的技術問題是克服傳統方法中測距分辨率低的缺陷，提供一種基于相干頻譜的壓縮感知算法，以實現超分辨率測距。綜合考慮差頻信號的頻率和相位信息，通過乘以一個包含相位信息的指數項進行相位補償以獲取相干頻譜，相干頻譜取相當于在原始頻譜幅值上乘以了一個變化較快的余弦項，從而實現了對原始頻譜的細化，以獲取更高的頻率分辨率。隨后使用基于相干頻譜的壓縮感知算法對目標位置進行估計，選擇實際接收的差頻信號的相干頻譜作為測量值矩陣，通過凸優化算法解決約束問題，根據系數矩陣中的非零值實現對相干目標的超分辨率距離估計。

為實現上述目的，第一方面，本發明提供了一種適用于FMCW雷達的相干頻譜壓縮感知測距方法，包括：

S1，將雷達接收的回波信號與發射信號進行混頻，獲得差頻信號；

S2，對所述差頻信號進行快速傅里葉變換得到頻譜；

S3，在所述頻譜上乘以一個包含相位信息的指數項以進行相位補償，并對補償后的頻譜取實部以獲得相干頻譜；

S4，對所述相干頻譜通過壓縮感知算法進行匹配，確定約束問題；再利用CVX凸優化工具箱求解所述約束問題，從而實現超分辨率測距。

進一步地，所述S2包括：

S21，對所述差頻信號S(t)進行離散采樣，得到離散差頻信號S(n)；

S22，對所述離散差頻信號S(n)進行快速傅里葉變換得到頻譜F(k)；

其中，t表示時刻，n表示時域上采樣點的序號，k表示頻域上采樣點的序號。

進一步地，所述S3中，補償后的頻譜表示為：