CN105022059A - 一种相参处理的安防监控雷达系统的多目标跟踪方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种相参处理的安防监控雷达多目标跟踪方法，先对目标回波信号进行频谱分析，不同谱线包含了不同目标的距离信息，然后对多个重复周期同一距离单元的谱线进行FFT处理，得到目标多普勒信息，也即得到目标的速度信息，最后通过目标关联算法，完成同时多个目标的轨迹跟踪。该方法能够大大避免了多目标易配对错误的问题，降低了信号处理单元算法的复杂性。

Description

一种相参处理的安防监控雷达系统的多目标跟踪方法

技术领域

本发明属于信号处理领域，特别涉及一种相参处理的安防监控雷达系统的多目标跟踪方法。

背景技术

随着雷达电子技术的发展，雷达在安防监控系统中的应用越来越广泛。雷达不仅仅要针对单个目标进行监控报警，而且还需要对区域内多个危险目标进行跟踪，并显示目标轨迹，以便迅速准确地将危险目标控制。传统的安防监控雷达一般采用微波对射雷达、LFMCW(线性调频连续波)雷达。微波对射雷达采用两部雷达对立放置，两部雷达间形成一道电子墙，当目标穿越电子墙时，雷达系统会发出报警信息。微波对射雷达只能对进入监控区域的目标进行报警，无法得到同时监控多个目标并对目标轨迹进行跟踪。

LFMCW雷达体制，可以对危险侵入目标进行检测，但传统的LFMCW雷达在面临多个目标时，存在目标距离和速度耦合的问题,这导致了距离分辨力的下降，而且会引起运动目标测距误差。它采用的三角波调频连续波方式，见图1所示。

三角波的上升沿和下降沿中频信号的频率可分别表示如下：

$\left\{\begin{array}{c}{f}_{b+}=f_0-f_d\\ f_{b-}=f_0+f_d\end{array}\right.$      公式(1)

其中，f_b+为上升沿中频回波信号频率，f_b-为下降沿中频回波信号频率，f₀为目标物体相对静止时中频信号的频率，f_d为多普勒频移。

根据图1中三角形调频关系可知：

$f_0=\frac{4\mathrm{\Δ}FR}{cT}$      公式(2)

其中，ΔF为扫频带宽，R为目标距离，c为光速，T为调频周期。

多普勒频移公式如下：

$f_d=\frac{2fv}{c}$      公式(3)

f为发射信号载频，v为目标速度，公式(2)、(3)代入(1)得到上升沿和下降沿的中频回波信号，如下所示：

$\left\{\begin{array}{c}{f}_{b+}=\frac{4\mathrm{\Δ}FR}{cT}-\frac{2fv}{c}\\ f_{b-}=\frac{4\mathrm{\Δ}FR}{cT}+\frac{2fv}{c}\end{array}\right.$      公式(4)

根据公式(4)可求得探测目标的距离R和速度v：

$\left\{\begin{array}{c}R=\frac{cT}{8\mathrm{\Δ}F}(f_{b-}+f_{b+})\\ v=\frac{c}{4f}(f_{b-}-f_{b+})\end{array}\right.$      公式(5)

当雷达前方出现n个目标时，回波信号是多个点目标回波信号的叠加，对上升沿频段频谱分析可以得到n个谱峰，同理对下降沿频段频谱分析也可以得到n个谱峰，由于无法得到两族谱各谱线的对应关系，实际上根本无法准确得到目标的距离、速度信息，无法解决多目标的跟踪问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题是传统安防雷达存在的多目标跟踪问题。本发明的技术方案是基于安防监控雷达应用需求提出的，通过设计一种信号相参的连续波雷达系统，先对目标回波信号进行频谱分析，不同谱线包含了不同目标的距离信息，然后对多个重复周期同一距离单元的谱线进行FFT(快速傅里叶变换)处理，得到目标多普勒信息，也即得到目标的速度信息，最后通过目标关联算法，完成同时多个目标的轨迹跟踪。

一种相参处理的安防监控雷达系统的多目标跟踪方法，所述安防雷达系统包括发射天线、接收天线、前端、信号处理单元和显控计算机，该方法的步骤具体如下：

步骤1、由同一个时钟对前端的中频率源调制信号和信号处理单元的时序控制信号进行同步；

步骤2、通过发射天线发射中频率源调制信号，所述中频率源调制信号经目标反射后形成回波信号，通过接收天线接收回波信号，回波信号经同一本振正交混频后输出接收1通道和接收2通道的I、Q信号，并将所述I、Q信号输出到信号处理单元；

步骤3、信号处理单元对步骤2中的所述I、Q信号进行处理，得到目标的距离、速度信息；

步骤4、通过对步骤2中的接收1通道和接收2通道的I、Q信号进行比相处理，得到相位差，进而根据相位差计算目标相对雷达的方位角度；

步骤5、根据步骤3、步骤4得到当前帧目标距离、速度、方位角度信息，形成对目标的跟踪轨迹。

进一步的，所述步骤3、信号处理单元对步骤2中的所述I、Q信号进行处理，得到目标的距离、速度信息具体为：信号处理单元对步骤2中的所述I、Q信号进行FFT后，形成不同距离单元的频谱，通过动目标检测对同一距离单元的信号进行多普勒处理，经过恒虚警检测和目标聚类后提取得到目标的距离、速度信息。

进一步的，步骤4中具体根据比相法测角的计算公式(7)计算目标相对雷达的方位角度；

其中，表示两个接收通道的相位差，d为两个接收天线中心的物理间隔，φ为目标相对雷达的方位角度，λ为波长。

进一步的，步骤5、根据步骤3、步骤4得到当前帧目标距离、速度、方位角度信息，形成对目标的跟踪轨迹具体为：根据步骤3、步骤4得到当前帧目标距离、速度、方位角度信息，对当前帧进行滤波，并对下一帧的目标距离、速度、方位角度信息进行预测，利用预测信息进行上下帧之间的目标关联，形成对目标的跟踪轨迹，并将最终的处理结果输出给显控计算机。

进一步的，步骤5中的目标关联方法的具体实现步骤如下：

(1)根据目标设定初始目标滤波速度值；

(2)根据安防雷达系统实测的目标距离，利用滤波公式和预测公式，计算滤波距离和预测距离。

有益效果：

本发明的多目标跟踪方法解决了安防监控过程中多个目标同时处理的问题，通过目标信息关联能够准确跟踪目标，并在综控设备上显示目标轨迹，降低了信号处理单元算法的复杂性，不需要更改硬件系统，简单易实现，设计成本低。

附图说明

图1为传统的三角波发射波形图

图2为本发明的安防雷达系统组成框图

图3为本发明的安防雷达系统原理图

图4为本发明的多目标跟踪的信号处理单元流程图

图5为本发明的比相法测角天线布局图

图6为本发明的目标关联示意图

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明所提供的一种相参处理的安防监控雷达多目标跟踪方法进行说明。

由天线、前端、信号处理单元、显控计算机四部分组成安防雷达系统，系统组成框图如图2所示。

一种相参处理的安防监控雷达系统的多目标跟踪方法，所述安防雷达系统包括天线、前端、信号处理单元和显控计算机，具体步骤如下：

步骤1、由同一个时钟对前端的中频率源调制信号和信号处理单元时序控制信号进行同步，使系统具备相参性；

步骤2、调制信号产生锯齿波线性调频信号波形，扫频带宽为ΔF，将调制信号通过发射天线发射出去，经目标反射后再通过接收天线接收回波信号，回波信号经同一本振正交混频后输出接收1通道和接收2通道的I、Q信号，并将I、Q信号输出到信号处理单元，系统原理见图3所示；

步骤3、对步骤2中的I、Q信号进行FFT(快速傅里叶变换)后，形成不同距离单元的频谱，通过MTD(动目标检测)对同一距离单元的信号进行多普勒处理，恒虚警检测、目标聚类后提取得到目标的距离、速度信息。信号处理单元的处理流程见图4所示；

步骤4、收发天线设计见图5所示，如果要求在±15°内测角无模糊，则对两个接收天线间距d的要求如下：

其中，表示两个接收通道的相位差，d为两个接收天线中心的物理间隔，φ为目标的方位角度，λ为波长。

通过对步骤2中的接收1通道和接收2通道的I、Q信号进行比相处理，得到相位差，根据比相法测角的计算公式(7)，计算目标相对雷达的方位角度。

步骤5、根据步骤3、步骤4得到当前帧目标距离、速度、方位角度信息，采用公式(8)对当前帧进行滤波，并采用公式(9)对下一帧的目标距离、速度、方位角度信息进行预测，利用预测信息进行上下帧之间的目标关联，形成对目标的跟踪轨迹，并将最终的处理结果输出给显控计算机。

具体地，步骤5目标关联方法的具体实现步骤如下：

(1)根据人物、车辆等目标设定初始目标滤波速度值；

(2)根据安防雷达实测的目标距离，利用滤波公式和预测公式，计算滤波距离和预测距离；

具体滤波公式表示如下：

$\left\{\begin{array}{c}\widehat{R_n}=\widehat{R_{n/n-1}}+A(R_n-{\hat{R}}_{n/n-1})\\ \widehat{V_n}=\widehat{V_{n/n-1}}+\frac{B}{T}(\widehat{R_n}-{\hat{R}}_{n/n-1})\end{array}\right.$      公式(8)

其中，为当前帧的目标距离、速度滤波结果，为上一帧的目标距离、速度滤波结果，R_n为当前帧目标距离结果，T为检测周期，A和B分别为距离和速度的滤波系数。

预测公式如下：

$\left\{\begin{array}{c}\widehat{R_{n/n-1}}=\widehat{R_n}+T\widehat{V_n}\\ \widehat{V_{n/n-1}}=\widehat{V_n}\end{array}\right.$      公式(9)

其中，为下一帧的目标距离、速度预测结果。

安防跟踪雷达系统中，主要针对的为人物目标，由于速度较慢，距离和速度的滤波系数A、B不宜过大。本系统中，A选择0.03，B选择0.0012。根据测量得到的目标距离进行滤波和预测，并将预测距离实际的距离结果进行相关，能够极大的减小多目标环境下影响，对建立多个目标运动轨迹能够起到良好的效果。

(3)采用距离预测值作为模板进行关联，设定目标距离关联窗口为ΔR；

(4)当多个目标符合关联窗时，选择幅度最大的目标进行跟踪。

具体关联示意图如图6所示。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种相参处理的安防监控雷达系统的多目标跟踪方法，其特征在于，所述安防雷达系统包括发射天线、接收天线、前端、信号处理单元和显控计算机，该方法的步骤具体如下：

步骤1、由同一个时钟对前端的中频率源调制信号和信号处理单元的时序控制信号进行同步；

步骤2、通过发射天线发射中频率源调制信号，所述中频率源调制信号经目标反射后形成回波信号，通过接收天线接收回波信号，回波信号经同一本振正交混频后输出接收1通道和接收2通道的I、Q信号，并将所述I、Q信号输出到信号处理单元；

步骤3、信号处理单元对步骤2中的所述I、Q信号进行处理，得到目标的距离、速度信息；

步骤4、通过对步骤2中的接收1通道和接收2通道的I、Q信号进行比相处理，得到相位差，进而根据相位差计算目标相对雷达的方位角度；

步骤5、根据步骤3、步骤4得到当前帧目标距离、速度、方位角度信息，形成对目标的跟踪轨迹。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤3、信号处理单元对步骤2中的所述I、Q信号进行处理，得到目标的距离、速度信息具体为：信号处理单元对步骤2中的所述I、Q信号进行FFT后，形成不同距离单元的频谱，通过动目标检测对同一距离单元的信号进行多普勒处理，经过恒虚警检测和目标聚类后提取得到目标的距离、速度信息。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤4中具体根据比相法测角的计算公式(7)计算目标相对雷达的方位角度；

                     公式(7)

其中，表示两个接收通道的相位差，d为两个接收天线中心的物理间隔，φ为目标相对雷达的方位角度，λ为波长。

4.如权利要求1-3中任一项所述的方法，其特征在于，所述步骤5中根据步骤3、步骤4得到当前帧目标距离、速度、方位角度信息，形成对目标的跟踪轨迹具体为：根据步骤3、步骤4得到当前帧目标距离、速度、方位角度信息，对当前帧进行滤波，并对下一帧的目标距离、速度、方位角度信息进行预测，利用预测信息进行上下帧之间的目标关联，形成对目标的跟踪轨迹，并将最终的处理结果输出给显控计算机。

5.如权利要求1-4中任一项所述的方法，其特征在于，步骤5中的目标关联方法的具体实现步骤如下：

(1)根据目标设定初始目标滤波速度值；

(2)根据安防雷达系统实测的目标距离，利用滤波公式和预测公式，计算滤波距离和预测距离。