[发明专利]一种绝缘体目标的毫米波雷达恒虚警检测方法

权利要求书

1.一种绝缘体目标的毫米波雷达恒虚警检测方法，用于获取和处理自动驾驶车辆附近目标障碍物当前时刻的毫米波雷达信号，其特征在于，包括以下步骤：

步骤S1，高分辨力毫米波雷达开始工作；

步骤S2，按固定周期T，顺序发射P个顺序发射的线性调频雷达波信号；

假设在某一个雷达工作的固定周期T内，雷达顺序发射以下P个线性调频信号，其中，单个调频信号的有效时宽是T₁，发射信号总时宽是PT，信号带宽是B，第一发射波形的定义如公式(1)所示：

x₁(t)＝sin[2π(f_c+kt)t+φ₁]，0≤t≤T₁ (1)

其中，f_c是雷达发射信号载波调制频率，对于自动驾驶中使用的毫米波雷达选择f_c＝76-81GHz，k是线性调频信号的调频斜率，u(t)是单位阶跃函数；

信号带宽B的定义如公式(2)所示：

B＝kT₁ (2)

其中，T1是信号的有效时宽；

步骤S3，并由所有天线接收雷达的目标回波信号，输出的回波信号与原雷达参考信号混频、并低通滤波以后；具体包括：

假设在雷达前方距离R位置处有一个目标，其发射产生的目标回波信号如公式(3)所示：

x₂(t)＝Asin[2π(f_c+kt-kτ)(t-τ)+φ₁]，τ≤t≤T₁ (3)

其中，目标回波的延时τ是发射信号以光速传播雷达到目标双程距离的传播时间，延时τ的计算如公式(4)所示：

接收到如公式(3)所示一个或多个类似线性调频目标回波信号以后，将它们与如公式(1)所示的原来发射调频参考信号混频和低通滤波以后，得与距离成正比的多个单频信号；

所以，目标回波作混频和低通滤波处理后的输出信号，如公式(5)所示：

x(t)＝Asin(2πf₀t+φ₀)，τ≤t≤T₁ (5)

其中，f₀如公式(6)所示：f₀＝kτ (6)

φ₀如公式(7)所示：

步骤S4，经过数模转换和距离傅里叶变换处理；

由于公式(5)中输出信号频率是f₀＝kτ，包含目标的延时也就是距离信息，对输出信号进行傅里叶变换以后，输出的频率值和目标距离成正比；如果有多目标存在，多个目标回波信号的延时，同样通过傅里叶变换输出的频谱值不同反映出来；

步骤S5，收集每个接收天线上N个距离点的每个距离上所有周期雷达距离傅里叶变换输出数据，即得到距离高分辨力数据；

步骤S6，选择同一个天线输出的相对P个发射信号的回波信号处理后的距离，多普勒傅里叶变换处理后对所有同一距离点数据进行多普勒傅里叶变换处理；

在步骤S6中，如果目标相对于雷达的运动速度是v，雷达和目标的距离会不断变化，由于公式(7)中的相位也就随时间变化而变换，导致接收到信号的频率变化，所以运动目标频率变化值也就是多普勒频率f_d，如公式(8)所示：

所以对于运动目标而言，雷达回波经过混频和滤波以后输出信号，如公式(9)所示：

x(t)＝Asin(2π(f₀+f_d)t+φ₁)，τ≤t≤T (9)

输出信号经过A/D数模转换，并采样N个距离点再进行距离傅里叶变换处理，得目标的距离信息；再对同一距离点的P个周期数据点进行多普勒傅里叶变换处理，获取在该距离点目标的的多普勒信息；

在处理输出中，因为静态的障碍物多普勒是零，仅采用多普勒频率是零的多距离信号进行后续处理；

同时，考虑要在角度方向上也要进行高分辨力处理，所以通过多阵元的线性天线阵接收雷达信号，天线阵的阵元数是M，因为每个接收天线阵元都会产生一个距离-多普勒雷达数据矩阵；对于每个天线输出，只选择多普勒频率是零的输出距离数据，所以所有M个天线阵元输出的零多普勒数据组成一个N×M的图像矩阵；如果对这个图像矩阵的每一行数据，即同一距离的不同天线数据，进行傅里叶变换，结果是一个新的目标探测区域N×M距离-方位图像；通过对这个新的图像矩阵上的数据处理，实现静态绝缘体的检测；

步骤S7，收集所有接收天线的零多普勒频率输出的距离数据；

步骤S8，选择所有天线同距离的零多普勒频率中的所有距离数据和方位傅里叶变换数据，对同一距离上不同天线的输出数据进行角度傅里叶变换处理，获得方位角上的高分辨力数据；

为了检测出绝缘体路障，需要距离-方位图像在距离和方位上都具有高分辨力，根据雷达原理，雷达距离分辨力如公式(10)所示：

而雷达在方位上的角分辨力，则如公式(11)所示：

其中，d是两个相邻天线阵元距离，θ是被检测单元方向到天线阵法向方向的角度；

如果考虑方位方向上的弧度距离分辨力S，则如公式(12)所示：

其中，最低雷达距离和角度分辨力的要求是被检测的绝缘体障碍物应该完全占有至少一个图像的距离-方位分辨单元；

步骤S9，选择一个方位角度上的所有距离单元数据；

步骤S10，从最近未检测距离单元开始进行反向恒虚警检测，检测出所有该方位角方向上的绝缘障碍物；

步骤S11，检测最后一个距离单元进行反向恒虚警检测，检测出所有该方位角方向上的绝缘障碍物，否则重复步骤S10；

步骤S12，选择其它的方位角方向检测，直至检测到最后一个方位角方向上的所有距离数据进行反向恒虚警检测，检测出所有方位角方向上的绝缘障碍物，否则重复步骤S9至步骤S11；

其中，步骤S10至步骤S12中的反向恒虚警检测具体包括以下步骤：

如果假设检测噪声是高斯分布，其分布均值是零，方差是σ²的信号检测器的输入信号是x，检测门限是γ，则可以计算出相应的虚警概率，如公式(13)所示：

其中，H₀代表无目标假设，H₁代表有目标假设，Q(.)是Q函数；

检测门限γ的计算，如公式(14)所示：

γ＝σQ^-1(P_FA) (14)

从公式(13)和公式(14)可知，如果检测门限值γ和干扰噪声标准偏差σ成正比，检测的虚警概率就保持不变就是恒虚警检测；但如果干扰噪声的标准偏差σ随机变动，检测门限不变，就也会带来检测的虚警概率不断变化和系统的不稳定；但如果能实时估计出干扰噪声的标准偏差σ，就实现检测的虚警概率恒定；

干扰噪声的标准偏差σ估计方法如公式(15)所示：

其中，x_i是干扰噪声的参考信号，在检测单元附近的L个同样分布参考单元采样获得；

噪声均值按照公式(16)所示方法估计：

为便于计算，采用如公式(16)所示简化的方法，计算干扰噪声的标准偏差σ：

其中，α是一固定的系数；

如果一个检测单元是和参考单元类似的干扰噪声，其信号幅度和同样分布的参考单元信号相近，但如果这个检测单元是绝缘体，发射的信号非常弱，其信号强度会比其相对应的参考单元信号强度要弱很多，所以根据这个特点，设计一个反向恒虚警检测器可以检测到地面上的绝缘物体；

反向恒虚警检测器的输入信号是零多普勒频率和一特定方位角的所有距离信号，距离最小到最大的信号序列串行输入进入反向恒虚警检测器依次产生检测结果；

考虑存在各向异性的杂波干扰环境，干扰噪声参考信号从被检测单元的左边和右边分别8个距离单元中采样获取，干扰杂波的标准偏差从左边8个参考单元和右边8个参考单元分别计算得出，取两值中的最大值作为干扰的标准偏差，所以最后的检测门限如公式(18)所示：

其中，h是常数，其值一般在1左右，即略小于1或略大于1；和/分别代表检测单元左边参考单元干扰噪声标准偏差估计和右边单元干扰噪声标准偏差估计；

此反向恒虚警检测器的最大特点是，只有检测单元信号强度低于检测门限时，检测结果是待检的绝缘体，否则检测结果的干扰噪声；

被检测单元信号x的具体反向检测方法如公式(19)所示：

其中，H₁代表检测到绝缘体，H₀代表没有检测到绝缘体；

步骤S13，直到完成所有方位角上的距离单元检测，实现对绝缘体障碍物的实时检测和位置测量。

2.根据权利要求1所述的一种绝缘体目标的毫米波雷达恒虚警检测方法，其特征在于，在绝缘障碍物的反向检测中，要求采用高分辨力的雷达，如果障碍物尺寸明显小于雷达分辨单元，该单元的雷达回波信号主要由和参考单元类似的干扰杂波信号所组成，整体信号强度和参考单元内信号强度类似，无法通过反向恒虚警检测器检测到。