基于調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)的動(dòng)態(tài)背景建立方法

吳 洋，成海朋，王 誠(chéng)

(中國(guó)航天空氣動(dòng)力技術(shù)研究院，北京 100074)

民用安防雷達(dá)布防系統(tǒng)適用于復(fù)雜環(huán)境及背景起伏情況下動(dòng)目標(biāo)識(shí)別跟蹤的情況。與傳統(tǒng)的脈沖雷達(dá)相比，調(diào)頻連續(xù)波(frequency modulation continuous wave，F(xiàn)MCW)雷達(dá)具有低發(fā)射功率、低截獲性、小型固態(tài)化、高距離分辨力、大時(shí)間帶寬積、高靈敏度以及高抗有源干擾能力等優(yōu)點(diǎn)，在工程上得到廣泛的應(yīng)用。FMCW雷達(dá)測(cè)距的實(shí)質(zhì)就是對(duì)差拍信號(hào)的頻率進(jìn)行估計(jì)，即FMCW信號(hào)處理的基本任務(wù)就是估計(jì)出差拍信號(hào)的頻率，然后利用差頻和距離之間的線性關(guān)系達(dá)到測(cè)距目的，而選擇三角波作為調(diào)制信號(hào)，通過三角波上升段和下降段的頻率可以得到目標(biāo)的速度信息。

隨著技術(shù)進(jìn)步和器件成本逐漸降低，F(xiàn)MCW雷達(dá)逐步應(yīng)用到民用領(lǐng)域，監(jiān)獄安防監(jiān)視、機(jī)場(chǎng)無人區(qū)監(jiān)視、工廠倉(cāng)庫(kù)監(jiān)視等都可以通過FMCW信號(hào)雷達(dá)實(shí)現(xiàn)，并通過測(cè)距功能進(jìn)行防區(qū)范圍設(shè)置。民用領(lǐng)域中監(jiān)視場(chǎng)所多不是靜空區(qū)域，監(jiān)視區(qū)內(nèi)可能包含墻壁、電纜、鋼網(wǎng)等固定物體，形成復(fù)雜待檢測(cè)區(qū)域，現(xiàn)有的解決方案是通過開機(jī)時(shí)段的環(huán)境學(xué)習(xí)進(jìn)行背景建立，通過實(shí)時(shí)的環(huán)境情況反饋與已建立的背景進(jìn)行比對(duì)來確定是否存在目標(biāo)，這種方法沒有切實(shí)考慮到發(fā)射和接收功率的波動(dòng)以及背景的起伏，實(shí)踐表明建立固定的背景環(huán)境無法真實(shí)反映目標(biāo)運(yùn)動(dòng)情況，且由于背景起伏而造成虛警率較高。針對(duì)上述強(qiáng)雜波的復(fù)雜環(huán)境，提出了通過動(dòng)態(tài)背景作為參考來識(shí)別動(dòng)目標(biāo)的方案，有效的解決了這一問題。具有較好的實(shí)用價(jià)值及應(yīng)用前景。

1 FMCW雷達(dá)測(cè)距測(cè)速原理

調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)基本工作原理是通過連續(xù)周期性地調(diào)制發(fā)射信號(hào)頻率，并分析發(fā)射時(shí)刻和接收時(shí)刻的信號(hào)頻率，從而得出汽車周圍物體的相對(duì)距離和速度。

為了探測(cè)防區(qū)內(nèi)的動(dòng)態(tài)物體，雷達(dá)發(fā)射信號(hào)可以采用時(shí)域中線性的三角形頻率掃描，如圖1所示。這里Δf是掃描頻率的最大和最小值之差，Tm是掃描的時(shí)間。

圖1 三角波調(diào)制信號(hào)

雷達(dá)接收到的物體反射信號(hào)與發(fā)射信號(hào)存在2R/c時(shí)間的延遲，如圖2所示。其中R是車與物體的相對(duì)距離，c真空中的光速，虛線表示的是物體靜態(tài)時(shí)雷達(dá)對(duì)應(yīng)的接收頻率。

圖2 調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)工作原理

fb為拍頻，它等同于對(duì)靜態(tài)物體的發(fā)射和接收頻率之差。根據(jù)簡(jiǎn)單的三角關(guān)系可得:

對(duì)于一個(gè)動(dòng)態(tài)的物體，當(dāng)觀察者以v相對(duì)速度向波源移動(dòng)時(shí)，所接收到的波長(zhǎng)為λ的信號(hào)的頻率相對(duì)于波源發(fā)出的頻率會(huì)有一個(gè)v/λ量的頻移，即多普勒頻移。對(duì)雷達(dá)來說，這個(gè)效應(yīng)在信號(hào)的往返過程中發(fā)生了兩次。因此總的多普勒頻移可以表示:

對(duì)動(dòng)態(tài)物體的發(fā)射和接收頻率之差可以表示:

Δf1和Δf2即中頻信號(hào)，它們是實(shí)際電路中需要通過雷達(dá)探測(cè)獲得的結(jié)果。通過簡(jiǎn)單的公式變換可得:

將式(5)帶入式(1)并做適當(dāng)變換即可得到距離R

將式(6)帶入式(2)并做適當(dāng)變換即可得到相對(duì)速度v

2 算法設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

算法的主要設(shè)計(jì)依附于某微功率雷達(dá)系統(tǒng)的信號(hào)處理過程。該雷達(dá)系統(tǒng)的前端采用具有混頻功能的射頻天線頭，能夠完成發(fā)射信號(hào)和回波信號(hào)的混頻，采集部分可以直接面對(duì)中頻信號(hào)。依據(jù)系統(tǒng)探測(cè)范圍及奈奎斯特低通采樣定理可以確定本系統(tǒng)的采樣率，根據(jù)系統(tǒng)分辨率要求可以選擇快速傅里葉變換點(diǎn)數(shù)，考慮處理耗時(shí)、系統(tǒng)需求選擇和系統(tǒng)的運(yùn)算處理能力，選擇在1 s內(nèi)完成多次(例如20次)采集處理過程。每秒的采集處理時(shí)間片分配如圖3所示，以達(dá)到實(shí)時(shí)處理的目的。全系統(tǒng)處理流程如圖4所示。

圖3 1 s內(nèi)采集處理時(shí)間片分配示意圖

2.1 動(dòng)態(tài)背景建立

在進(jìn)行當(dāng)前時(shí)刻的處理時(shí)，實(shí)際上在系統(tǒng)中存儲(chǔ)了該時(shí)刻之前10次的采集結(jié)果，該10幀的結(jié)果可以用于背景的建立。每時(shí)刻采集完成后首先進(jìn)行三角波調(diào)制信號(hào)的提取，根據(jù)FMCW信號(hào)的測(cè)速原理，可以得到該時(shí)刻的環(huán)境中是否存在運(yùn)動(dòng)目標(biāo)。當(dāng)測(cè)速結(jié)果顯示沒有運(yùn)動(dòng)目標(biāo)時(shí)，則將存儲(chǔ)的10幀數(shù)據(jù)(不包含本時(shí)刻的數(shù)據(jù))按照距離點(diǎn)求出每點(diǎn)的期望，由此得到當(dāng)前時(shí)刻的參考背景，同時(shí)使用這些數(shù)據(jù)進(jìn)行各點(diǎn)的方差計(jì)算，用以反映背景中各點(diǎn)的起伏趨勢(shì)。如果布防區(qū)域內(nèi)始終沒有運(yùn)動(dòng)目標(biāo)，則一直使用當(dāng)前時(shí)刻之前的10幀數(shù)據(jù)進(jìn)行背景建立，形成動(dòng)態(tài)背景。

2.2 背景的使用

一旦布防區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)目標(biāo)，并假設(shè)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)進(jìn)入布防區(qū)域，會(huì)在防區(qū)內(nèi)存在至少1 s的時(shí)間，依據(jù)上述的設(shè)計(jì)，共會(huì)進(jìn)行20次有效目標(biāo)的判定。FMCW信號(hào)測(cè)速過程會(huì)及時(shí)且無漏的反映出目標(biāo)入侵的情況，由于有目標(biāo)的介入，背景會(huì)出現(xiàn)較大的變化，故此時(shí)需要立刻停止背景的刷新，系統(tǒng)中鎖存無目標(biāo)時(shí)的最后一組10幀數(shù)據(jù)。對(duì)于動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)的處理過程，使用的是無目標(biāo)情況下建立的最后一次背景，確保在目標(biāo)檢測(cè)時(shí)使用的是最真實(shí)的背景，以提高檢測(cè)效果。

圖4 全系統(tǒng)流程

2.3 方差與門限

由于安防作用環(huán)境較為復(fù)雜，背景中可能包含了諸如鋼網(wǎng)、防爬網(wǎng)、樹木、墻壁等具有較強(qiáng)反射能力的物體，當(dāng)目標(biāo)進(jìn)入防區(qū)時(shí)，除目標(biāo)出現(xiàn)點(diǎn)會(huì)有回波能量增強(qiáng)外，因多徑反射、目標(biāo)重疊等影響，一些不確定位置的能量也會(huì)增加，如圖5所示。

圖5 多徑反射后回波的可能性示意圖

若該影響明顯，則會(huì)出現(xiàn)目標(biāo)距離模糊，如圖6所示，目標(biāo)出現(xiàn)在L2位置，但是由于多徑和疊加導(dǎo)致L1和L3位置的幅值與L2的幅值達(dá)到同一量級(jí)，則無法區(qū)分目標(biāo)和雜波。

選擇使用存儲(chǔ)10幀數(shù)據(jù)計(jì)算得到的方差作為參考可以有效解決這一問題，在沒有運(yùn)動(dòng)目標(biāo)時(shí)計(jì)算得到的方差可以反映出環(huán)境背景中多徑和疊加的可能性，以動(dòng)態(tài)的方差結(jié)果作為指導(dǎo)，可以準(zhǔn)確劃出門限的趨勢(shì)，在當(dāng)前一幀數(shù)據(jù)和背景數(shù)據(jù)進(jìn)行比較時(shí)，可以通過對(duì)應(yīng)點(diǎn)做除的方法進(jìn)行，即用當(dāng)前一幀數(shù)據(jù)除以對(duì)應(yīng)的背景數(shù)據(jù)，有目標(biāo)的位置得到的除結(jié)果會(huì)明顯大于其他各點(diǎn)，若由于多徑和疊加導(dǎo)致某點(diǎn)除結(jié)果與目標(biāo)點(diǎn)位置的結(jié)果達(dá)到同一數(shù)量級(jí)，則該點(diǎn)的統(tǒng)計(jì)方差也一定較大，對(duì)于方差大的點(diǎn)，其判別除結(jié)果的門限值則需相應(yīng)提高，如圖7所示，由此就減小了錯(cuò)報(bào)的概率。

圖6 有無目標(biāo)情況下的幅值比較示意圖

圖7 背景方差指導(dǎo)產(chǎn)生門限趨勢(shì)示意圖

2.4 恢復(fù)背景建立

當(dāng)動(dòng)目標(biāo)始終在防區(qū)內(nèi)運(yùn)動(dòng)時(shí)，防區(qū)中的多普勒頻率就一直不會(huì)為零，2.2小節(jié)中的處理過程也會(huì)反復(fù)執(zhí)行。而當(dāng)目標(biāo)從防區(qū)內(nèi)移出后，多普勒頻率會(huì)降至零，或微弱的運(yùn)動(dòng)物體不再觸發(fā)多普勒信息報(bào)警，此時(shí)系統(tǒng)重新進(jìn)入動(dòng)態(tài)背景刷新過程，以備下一次動(dòng)目標(biāo)入侵時(shí)檢測(cè)所用。

3 與現(xiàn)有技術(shù)相比的創(chuàng)新

本文提供的背景建立過程使用了當(dāng)前檢測(cè)時(shí)刻附近的一個(gè)有效時(shí)間段內(nèi)的背景信息，能夠真實(shí)和準(zhǔn)確的反映在無目標(biāo)時(shí)的背景情況，解決了因?yàn)楸尘敖⒐潭ǘ霈F(xiàn)的環(huán)境過期問題。

背景建立中以多普勒信息為判定依據(jù)，當(dāng)環(huán)境內(nèi)的多普勒頻率信息為零時(shí)，則一直解算和刷新背景，而當(dāng)環(huán)境內(nèi)的多普勒頻率信息不為零時(shí)，則選擇暫時(shí)停止背景更新，有效的保證了目標(biāo)檢測(cè)處理時(shí)背景的時(shí)效性。

這種方法免去了常規(guī)安防雷達(dá)中需要開機(jī)學(xué)習(xí)數(shù)分鐘的過程，使用本方法的雷達(dá)根據(jù)選擇有效時(shí)間段的長(zhǎng)度，在開機(jī)后1～2 s內(nèi)即可開始實(shí)施目標(biāo)檢測(cè)，簡(jiǎn)化了開關(guān)機(jī)操作過程，提高了雷達(dá)安裝的運(yùn)行效能。

為減小檢測(cè)過程中因?yàn)楸尘捌鸱斐傻挠绊懀褂昧私⒈尘皶r(shí)用到的多幀背景數(shù)據(jù)，并計(jì)算出每個(gè)距離點(diǎn)的方差，通過方差反映背景的起伏趨勢(shì)，以指導(dǎo)檢測(cè)門限的選擇。

4 結(jié)束語

本文介紹了一種建立動(dòng)態(tài)參考背景的方法，確保動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)時(shí)的參考背景具有較強(qiáng)的時(shí)效性，同時(shí)使用方差反映背景變化趨勢(shì)。通過使用本文提供的方法，可以有效的提高雷達(dá)檢測(cè)正確性，并且經(jīng)過工程實(shí)踐檢驗(yàn)，該方法對(duì)系統(tǒng)改善效果明顯。這種方法具有較強(qiáng)的普適性，雖然在民用安防領(lǐng)域首先進(jìn)行驗(yàn)證和使用，但適用情況不局限于此，對(duì)于需要異常情況與常規(guī)情況進(jìn)行比對(duì)的任何模型，本文建立動(dòng)態(tài)參考和使用方差進(jìn)行趨勢(shì)預(yù)判的方法都可以被使用。

［1］胡廣書.數(shù)字信號(hào)處理——理論，算法與實(shí)現(xiàn)［M］.北京：清華大學(xué)出版社，1997.

［2］楊建宇，凌太兵，賀峻.甘MCW雷達(dá)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)檢側(cè)與距離速度去藕合［J］.電子與信息學(xué)報(bào)，2004，26(2)：169-173.

［3］劉麗華，董天臨.連續(xù)波多普勒測(cè)速雷達(dá)射頻前端電路設(shè)計(jì)與仿真［J］.電子科技，2007(5)：20-25.

［4］徐小平，劉建新，韓宇，等.FMCW測(cè)距雷達(dá)數(shù)字信號(hào)處理器設(shè)計(jì)仿真［J］.信息與電子工程，2004，2(2)：133-135.

［5］Meta A，Hoogeboom P.Signal Processing Algorithms for FMCW Moving Target Indicator Synthetic Aperture Radar［C］//Proc IEEE Int Geoscience and Remote Sensing Symp.IGARSS 05.Seoul：IEEE，2005：316-319.

［6］胡漢南.線性FMCW雷達(dá)中頻信號(hào)的采樣準(zhǔn)則和頻譜特性［J］.中國(guó)航海，2000(1)：78-84.

［7］蔣宇柏，游思晴.軟件無線電原理與工程應(yīng)用［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006：38-51.