面向超宽带LFMCW毫米波雷达的目标测量系统及方法

本发明涉及数字信号处理领域，尤其涉及一种面向超宽带lfmcw毫米波雷达的运动目标高精度测量系统及方法。

背景技术：

1、超宽带线性调频连续波(linearfrequencymodulation continuous wave，lfmcw)毫米波雷达指的是带宽范围在数ghz，发射信号为连续线性调频信号，载波信号电磁波波长在0.1～1cm的雷达，其特点为受沙尘、雨雪、烟雾等恶劣天气的影响较小，信号穿透力强，能够全天时全天候地工作，并且其测距、测速和测角精度较高，受地面杂波和多径效应影响较小，对远距离的探测能力强，在复杂电磁环境下具有一定的抗干扰能力。由于技术的进步，毫米波雷达已经实现了小型化、集成化和模块化，可以安装并适配大多数传感器搭载平台，因此毫米波雷达已经在许多领域得到了广泛应用。

2、在实际场景中，运动目标检测是一个重要的任务。在自动驾驶领域，汽车上的传感器面临复杂多样的交通状况，需要在运动平台上检测不同车辆、行人、道路标识与路面障碍物的位置、尺寸以及运动状态等特征，同时应当保证百米左右的探测范围以提供安全距离，并确保在不同自然环境下传感器工作的可靠性，且具有一定的抗干扰能力，因此满足上述条件的毫米波雷达成为无人汽车检测运动目标的主要传感器之一。在智能家居领域，传感器需要准确识别屋内用户的运动信息以及姿态信息，由于红外传感器的探测范围小、探测精度低，光学传感器又存在隐私泄漏的风险，而毫米波雷达不仅能检测细微的运动和姿态特征，而且没有上述传感器的缺陷，因此基于毫米波雷达的智能家居市场正在不断扩大。在城市安防领域，毫米波雷达能针对特定空域持续探测，捕获未知飞行物如小型无人机的存在，并通过高分辨率信息进行目标识别与持续跟踪。此外在智能交通、工业测量、健康养老等领域，毫米波雷达凭借其优良的性能正不断扩大其市场份额。

3、传统的雷达测量过程中，接收信号与发射信号混频并经过低通放大器后得到中频信号，经过a/d采样后对离散序列做快速傅里叶变换(fast fourier transform，fft)进行脉冲压缩，峰值处即对应目标距离信息；由于雷达信号发射间隔较短，目标近似看作静止，因此收集多个离散序列后可拼成一个二维矩阵，对第二维做fft即可得到速度信息；进一步地，如果雷达采用多个通道收发信号，则多个二维回波矩阵将组成一个三维数据立方体，再对第三个维度做fft即可获得目标相对雷达系统的角度信息。传统流程存在以下问题：一是测距精度不高，在传统窄带雷达中距离走动不明显，目标可近似看作静止，而随着带宽的增加距离分辨率得到提升，微小的距离变化也会导致较为明显的走动，因此产生测距误差；二是随着距离分辨率的增加，散射体回波主瓣宽度变窄，当采样点数较少时容易丢失峰值，造成信号信噪比下降，并且还会进一步导致测速误差；三是受限于实际体积，毫米波雷达发射天线孔径不能太大，这就使得雷达角分辨率较低，必须在信号处理端使用超分辨处理的方法来获得超越实际孔径的角度分辨率。

4、因此，如何在不改变现有雷达体制和工作方式下对接收数据进行处理，实现运动目标的高精度测量，是本领域技术人员亟需解决的问题。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明提供了一种面向超宽带lfmcw毫米波雷达的目标测量系统及方法，可以达到在不改变现有雷达体制和工作方式下对接收数据进行处理，实现运动目标的高精度测量的效果。

2、为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

3、一种面向超宽带lfmcw毫米波雷达的目标测量系统，包括：外部平台mcu、信号生成模块、无线收发模块、回波预处理模块、高精度处理模块、参数估计模块；

4、外部平台mcu，与信号生成模块的输入/输出端连接，用于通过标准通信协议将射频信号参数发送给信号生成模块控制其产生线性频率调制的射频段发射信号；

5、外部平台mcu，与无线收发模块的输入/输出端连接，用于控制无线收发模块对射频信号的发射与接收；

6、信号生成模块，与无线收发模块的输入端连接，用于生成线性频率调制的射频段发射信号并发送至无线收发模块；

7、信号生成模块，与回波预处理模块的第一输入端连接，用于生成回波预处理模块解调所需的参考信号；

8、无线收发模块，与回波预处理模块的第二输入端连接，用于将线性频率调制后的射频段数字信号转换为模拟信号，并经由模块内的发射天线发射至环境中；同时经由模块内接收天线捕获来自环境中物体的反射回波信号，并传输至后续回波预处理模块进行预处理；

9、回波预处理模块，与高精度处理模块的输入端连接，用于将模拟回波信号转换为基带数字信号；

10、高精度处理模块，与参数估计模块的输入端连接，用于接收回波预处理模块发送的基带数字信号并进行高精度处理，得到处理后的回波数据，并将处理后的回波数据传输至参数估计模块；

11、参数估计模块，用于从处理后的回波数据中提取出测量值，即为运动目标参数。

12、上述的系统，可选的，回波预处理模块包括依次连接的低噪声放大器、回波混频器、低通滤波器和a/d采样电路；

13、回波预处理模块将模拟回波信号转换为基带数字信号的具体内容如下：

14、首先将模拟回波信号通过低噪声放大器放大，再与来自信号生成模块生成的参考信号进行混频，并通过低通滤波器后得到基带信号；随后通过a/d采样电路将基带模拟信号转换为基带数字信号，并重组形成一个三维的离散回波数据矩阵。

15、上述的系统，可选的，高精度处理模块包括依次连接的脉冲压缩单元、频谱细化单元、距离校正单元；

16、脉冲压缩单元，用于对快时间离散回波数据进行脉冲压缩得到初步的慢时间-距离像；

17、频谱细化单元，用于对快时间离散回波数据利用快速算法实现chirp-z变换来细化距离维fft所得频谱，得到细化后的慢时间-距离像；

18、距离校正单元，用于求解峰值相位因固有误差导致相位周期性变化的相位平均值，利用相位平均值来估算距离偏差，对回波相位进行补偿，使回波相位包含准确的距离信息。

19、上述的系统，可选的，参数估计模块，用于将高精度处理模块处理后的回波数据进行恒虚警率检测，从噪声环境中区分出目标，然后对每列快时间序列做最大似然估计，得到目标位置的估计值，提取慢时间序列，使用时频分析算法得到目标速度的估计值；对通道维序列采用频谱超分辨的算法得到目标角度的估计值。

20、一种面向超宽带lfmcw毫米波雷达的目标测量方法，应用于上述任一项的一种面向超宽带lfmcw毫米波雷达的目标测量系统，包括以下步骤：

21、s1、外部平台mcu通过标准通信协议将射频信号参数发送给信号生成模块并产生线性频率调制的射频段发射信号；

22、s2、无线收发模块接收射频段发射信号，检测无线收发模块是否完成收发；

23、s3、回波预处理模块将射频段发射信号转换为数字信号，得到三维的离散回波数据；

24、s4、脉冲压缩单元将离散回波数据进行脉冲压缩操作得到初步的慢时间-距离像；

25、s5、频谱细化单元将离散回波数据进行频谱细化处理得到精准的慢时间-距离像；

26、s6、距离校正单元将离散回波数据进行距离校正操作得到距离校正后的回波数据；

27、s7、参数估计模块将处理后的回波数据进行cfar检测处理，将目标从噪声环境中分离；

28、s8、参数估计模块将cfar检测处理后的回波数据通过提取对三维雷达回波的幅值和相位随时间和空间的变化信息，转换为目标对应运动目标参数。

29、上述的方法，可选的，s4中，脉冲压缩处理的方法是：对快时间序列做fft操作，此时原时域信号表现为被压缩成频域上一个幅值尖峰，在噪声中辨别出来。

30、上述的方法，可选的，s5中频谱细化的方法是：首先根据脉冲压缩的结果，寻找第一列快时间脉冲压缩的峰值位置，并以该峰值位置为中心，在能包含所有快时间脉冲压缩峰值的频率范围内，依次对每列脉冲压缩前的快时间序列使用快速算法以实现chirp-z变换，计算完成后便可得到细化的频谱序列。

31、上述的方法，可选的，s6中距离校正的方法是：对每列快时间序列，提取其峰值点所对应的相位，得到一个关于慢时间周期变化的序列，求该序列的平均值，再乘以一个和信号参数有关的常数即可得到平均的距离偏差，用该距离偏差对所有快时间序列做补偿即可得到距离校正后的回波数据。

32、上述的方法，可选的，s7中cfar检测处理的方法是：根据预设好的虚警概率以及检测性能要求，选择cfar检测算法并生成检测器，将检测器应用于高精度处理后的回波数据，将目标从噪声环境中分离出来。

33、上述的方法，可选的，s8中，参数估计的方法是：对于距离估计，搜索快时间脉冲压缩和距离校正后峰值所对应的频率，乘以一个与信号参数有关的常数即可得到目标距离；对于速度估计，提取快时间峰值即可得到慢时间序列，对该序列做时频分析或使用域变换的算法即可得到目标速度；对于角度估计，提取快时间与通道维组成的二维矩阵，使用频谱超分辨算法，对所得到的空域伪谱进行峰值搜索即可得到目标角度。

34、经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明提供了一种面向超宽带lfmcw毫米波雷达的目标测量系统及方法，具有以下有益效果：1)本发明在不改变现有雷达体制下进行数据处理，是一种即插即用式的处理环节，体现了发明的便利性。2)本发明的信号处理均可通过快速算法实现，体现了发明的实时处理性能。3)本发明高精度处理环节对目标类型、使用环境和搭载平台没有特别限制，体现了发明的通用性。