[发明专利]基于变步长插值迭代的FMCW雷达高精度距离估计方法

说明书

本发明涉及FMCW雷达的高精度距离估计技术领域，具体涉及一种基于变步长插值迭代的FMCW雷达距离估计方法，包括：首先根据FMCW雷达的特点，对获得的中频信号进行加窗处理；对加窗信号作快速傅里叶变换并求出最大峰值谱线的索引值；根据最大幅度谱谱线与其左右两边相邻谱线构造偏差校正因子进行迭代插值，并在每次迭代中更新辅助谱线与最大幅度谱间隔逐步修正偏差值；根据频率与距离的关系求解目标距雷达的距离估计值。本发明方法可以有效的改善传统距离估计算法中的栅栏效应和频谱泄露问题，极大地提高距离估计的精度，且具有较强的抗环境干扰能力。

技术领域

本发明涉及FMCW雷达的高精度距离估计技术领域，具体涉及一种基于变步长插值迭代的FMCW雷达距离估计方法。

背景技术

雷达可以全天候工作，且不受光照和天气等因素影响，从而在军事领域得到广泛的应用。通过电磁波辐射到空间并探测目标反射回来的回波，获得目标的距离等信息。由于调频连续波(Frequency Modulated Continuous Wave，FMCW)雷达在硬件上具有容易实现，结构简单、尺寸小、重量轻以及成本低等优点。在性能上具有距离分辨率高，发射功率低，没有距离盲区，近距离测量等优点。其应用从军用雷达逐渐走向民用。

随着民用FMCW雷达在无人驾驶、睡眠监测以及人机交互等方面的广泛应用，对其距离估计的精度和实时性的要求也在不断提高。FMCW雷达首先向目标发送高频调制信号，再与接收到的时延信号进行混频操作，最后通过低通滤波器，产生低频信号，即差拍信号。理想情况下，该差拍信号在时域上为单频正弦波信号，其频率与距离呈线性关系。因此，距离估计精度可以通过提高频率估计精度来实现。

传统的频率估计采用快速傅里叶变换(Fast Fourier Transform，FFT)算法可以满足实时性的要求，但该算法存在着栅栏效应的问题，即只能获取采样点上的信息，而忽略了采样间隔中的信息，由此造成频率估计误差。同时，如果采样时间不是谐波周期长度的整数倍时，那么在有限的时间间隔内采样谐波将导致与正弦脉冲的频谱卷积，造成频谱泄漏问题，从而导致信号频谱中各谱线之间相互影响，使得频率估计结果偏离真实值。由于频率与距离之间存在线性关系，频率估计误差增大会导致距离估计误差增加。为了提高距离估计精度，通常采用补零法、FFT-DTFT(FFT-Discrete Time Fourier Transform)、Chirp_Z变换以及基于复调制的Zoom-FFT等方法。虽然这些方法可以在一定程度上提高了频率估计的精度，但仍然存在时间复杂度较高，不利于实时处理的问题。为了解决该问题，Candan算法、AM算法、HAQSE算法以及三样本等插值算法被提出。在仿真条件下，上述算法可以极大提高频率估计的精度，且具有较低的时间复杂度。然而，在FMCW雷达中，由于采用了单一步长的幅度谱信息，上述算法抗干扰能力较差。因此，存在噪声和干扰情况下，上述算法频率估计精度低，从而导致距离估计精度不高。

发明内容

为了解决上述问题，本发明结合FMCW雷达信号的特点，提出了一种变步长插值迭代的高精度距离估计算法，在较小的时间开销下，极大的提高了距离估计精度。

一种基于变步长插值迭代的FMCW雷达高精度距离估计方法，包括以下步骤：

采用调频连续波雷达向不同距离处的目标发射扫频周期为T_c的线性调频信号，将发射信号与遇到目标后发射回来的信号进行I/Q两路混频操作，得到混频信号；

将混频信号通过低通滤波器滤除高频部分，得到中频信号s_If(t)；

对中频信号s_If(t)进行预处理，得到预处理后的信号s_w(n)；对预处理后的信号s_w(n)求傅里叶变换S(k)，得到S(k)的最大幅度谱值S'₀及最大幅度谱值的索引值k'，根据最大幅度谱值的索引值k'计算频率的粗估计值f_r＝Δf_r·(k'-1)，其中Δf_r为频率的分辨率；