一种基于相位回归的调频连续波雷达超分辨定位方法技术

本发明专利技术提供了一种基于相位回归的调频连续波雷达超分辨定位方法，属于人工智能定位技术领域，解决了调频连续波雷达定位低分辨率、高计算复杂度的问题。其技术方案为：包括以下步骤：步骤1：建立平面直角坐标系，确定每个天线接收到的中频混合信号表达式；步骤2：确定目标物体的初始位置；步骤3：通过建立回归优化模型，使用目标优化算法使天线阵列的预测相位最大逼近它们的实际相位，确定目标物体的最终位置。本发明专利技术的有益效果为：本发明专利技术能够高了距离和角度分辨率，并且降低了计算复杂度，提高了算法的鲁棒性。算法的鲁棒性。算法的鲁棒性。

【技术实现步骤摘要】
一种基于相位回归的调频连续波雷达超分辨定位方法


[0001]本专利技术涉及人工智能定位
，尤其涉及一种基于相位回归的调频连续波雷达超分辨定位方法。

技术介绍

[0002]近年来，人类使用全球定位系统进行户外定位和导航。2020年，我国正式建成属于自己的全球卫星导航系统，即北斗卫星导航系统，并顺利投入使用。但室内高精度定位无法使用现有的卫星定位技术。针对室内高精度定位，主流的定位技术有雷达、红外线、蓝牙、超声波、Wi
‑
Fi、RFID、UWB等。作为一种雷达定位技术，调频连续波(FMCW)技术具有无盲区、灵敏度高、分辨率高、处理过程简单、成本适中等特点，所以FMCW技术在近年来受到极大的关注。
[0003]通过FMCW雷达采集的中频信号，是存在噪声尤其是高斯噪声干扰的。为了提高定位的准确性，即提高信号频谱估计的精度。针对这个问题，学者们常使用傅里叶变换，滤波法以及Rife算法等方法进行探究，二维离散傅里叶算法简单且可以满足信号实时性的要求，但存在频率估计精度不高的问题。拉普拉斯算子对频谱进行孤立点检测具有线性、位移不变性并且所有经过滤波的图像具有零平均灰度，但是会具有噪声无法接受的敏感性。Rife算法修正后的频率能得到提升，但受干扰后容易增大估计误差，且频谱偏差较小时的估计值不准。相位展开则是针对目标物体的角度过大导致中频信号相位折叠的问题，使相位连续，但容易存在噪声严重、相位突变和相位不连续等情况。最小二乘法可以精确估计中频信号组中单频信号的频率，但实用性较差且计算量大。
[0004]如何解决上述技术问题为本专利技术面临的课题。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于提供一种基于相位回归的调频连续波雷达超分辨定位方法，解决了定位目标物体时分辨率较低的问题，能够高了距离和角度分辨率，并且降低了计算复杂度，提高了算法的鲁棒性。
[0006]本专利技术的专利技术思想为：本专利技术确定每个天线接收到的中频混合信号，使用二维快速傅里叶变换降噪得到二维距离
‑
角度频谱，然后利用拉普拉斯算子对频谱进行孤立点检测，使用Rife算法校正中频频率，根据中频频率确定物体初始位置，接着从FFT频谱中提取出每个天线回波信号的中频信号相位，利用相位展开，得到展开的实际相位，确定回归优化模型，最后使用目标优化算法确定物体最终位置。
[0007]为了实现上述专利技术目的，本专利技术采用技术方案具体为：一种基于相位回归的调频连续波雷达超分辨定位方法，包括如下步骤：
[0008]步骤1：确定一个chirp周期内，雷达发射信号，接收信号和两个信号混合后得到的中频信号，依据天线阵列的结构和雷达发射信号的载频参数，以天线阵列中心为原点，天线阵列为x轴，建立平面直角坐标系，确定每个天线接收到的中频混合信号表达式；
[0009]步骤1.1：确定在一个chirp周期内，雷达发射信号的频率f(t)的表达式为：
[0010]f(t)＝f0+γt,0≤t≤T
[0011]发射波信号s
TX
(t)：
[0012][0013]其中f(t)表示雷达发射信号的频率，s
TX
(t)表示发射波信号，A
TX
表示信号发射功率，f0表示载频，γ表示调频斜率，T表示chirp周期，j表示虚数单位；
[0014]确定雷达经过距离为R0的物体反射后的接收信号s
RX
(t)：
[0015][0016]其中，s
RX
(t)表示雷达经过距离为R0的物体反射后的接收信号，A
RX
表示信号接收功率，表示接收时延，c表示光速，R0表示物体与雷达的距离；
[0017]由于发射信号s
TX
(t)和接受信号s
RX
(t)在[τ0,T]上有重叠，故将这两个信号输入混频器，即得到中频信号s
IF
(t)：
[0018][0019]其中，s
IF
(t)是中频信号，为s
RX
(t)的共轭函数，中频信号s
IF
(t)忽略了τ
02
(τ0＜＜1)项，由于中频信号的频率为f
IF
＝γτ0，故
[0020]步骤1.2：以天线阵列中心为原点，天线阵列为x轴，建立平面直角坐标系，确定第n+1根天线的坐标为(x
n
,y
n
)，其中y
n
＝0，n＝0,1,
…
,N
a
‑
1，其中L是等效虚拟天线阵列的孔径，N
a
是天线阵列的个数；
[0021]步骤1.3：确定第k个物体O
k
到天线阵列的中心的距离为R
k
，且与y轴的夹角为θ
k
，则物体在直角坐标系中对应的坐标为(X
k
,Y
k
)，其中X
k
＝R
k sinθ
k
，Y
k
＝R
k cosθ
k
，k＝1,2,
…
,K，K是物体个数；
[0022]步骤1.4：确定接收时延τ，即：
[0023][0024]其中代表第n+1根天线到第k个物体的距离；
[0025]步骤1.5：确定第n+1根天线接收到的第k个物体的中频信号s
n,k
(t)，即：
[0026][0027]其中，a
k
是物体的反射性，γ是调频斜率，f0是载频，是相位项；
[0028]步骤1.6：确定天线半径远小于物体距离，步骤1.5中频信号s
n,k
(t)的频率项
中的R
n,k
≈R
k
，各天线回波方向角近似相等，故物体到达两根相邻天线的光程差为d sinθ
k
，以第1根天线(n＝0)为基准，相位项中的R
n,k
写为：
[0029]R
n,k
＝R
0,k
+nd sinθ
k
,n＝0，1，
…
N
a
‑1[0030]则第n+1根天线接收到的中频信号s
n
(t)的表达式：
[0031][0032]其中：代表第k个物体的反射信号中频频率，k＝1,2,...,K；代表角度相关频率，代表初始相位，R
0,k
代表第1根天线到第k个物体的距离；
[0033]步骤1.7：确定第n+1根天线接收到的中频信号是由K个目标物体带噪声点的中频信号的混合信号z
n
(t)，即：
[0034][0035]其中，ω
n
表示噪声，s
n,k
(t)是第n+1根天线接收到的第k个物体的中频信号；
[0036]步骤本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于相位回归的调频连续波雷达超分辨定位方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：确定一个chirp周期内，雷达发射信号，接收信号和两个信号混合后得到的中频信号，依据天线阵列的结构和雷达发射信号的载频参数，以天线阵列中心为原点，天线阵列为x轴，建立平面直角坐标系，确定每个天线接收到的中频混合信号表达式；步骤2：使用二维快速傅里叶变换对接收的中频信号进行降噪，得到二维距离
‑
角度频谱，利用拉普拉斯算子对二维频谱进行孤立点峰值检测，再利用Rife算法校正中频频率，最后确定目标物体的初始位置；步骤3：从二维频谱中提取出每个天线回波信号的中频信号相位，利用相位展开，得到展开的实际相位，通过建立回归优化模型，使用目标优化算法使天线阵列的预测相位最大逼近它们的实际相位，确定目标物体的最终位置。2.根据权利要求1所述的基于相位回归的调频连续波雷达超分辨定位方法，其特征在于，所述步骤1包含以下步骤：步骤1.1：确定在一个chirp周期内，雷达发射信号的频率f(t)的表达式为：f(t)＝f0+γt,0≤t≤T发射波信号s
TX
(t)：其中f(t)表示雷达发射信号的频率，s
TX
(t)表示发射波信号，A
TX
表示信号发射功率，f0表示载频，γ表示调频斜率，T表示chirp周期，j表示虚数单位；确定雷达经过距离为R0的物体反射后的接收信号s
RX
(t)：其中，s
RX
(t)表示雷达经过距离为R0的物体反射后的接收信号，A
RX
表示信号接收功率，表示接收时延，c表示光速，R0表示物体与雷达的距离；由于发射信号s
TX
(t)和接受信号s
RX
(t)在[τ0,T]上有重叠，故将这两个信号输入混频器，即得到中频信号s
IF
(t)：其中，s
IF
(t)是中频信号，为s
RX
(t)的共轭函数，中频信号s
IF
(t)忽略了τ
02
(τ0＜＜1)项，由于中频信号的频率为f
IF
＝γτ0，故步骤1.2：以天线阵列中心为原点，天线阵列为x轴，建立平面直角坐标系，确定第n+1根天线的坐标为(x
n
,y
n
)，其中y
n
＝0，n＝0,1,
…
,N
a
‑
1，其中L是等效虚拟天线阵列的孔径，N
a
是天线阵列的个数；步骤1.3：确定第k个物体O
k
到天线阵列的中心的距离为R
k
，且与y轴的夹角为θ
k
，则物体在直角坐标系中对应的坐标为(X
k
,Y
k
)，其中X
k
＝R
k
sinθ
k
，Y
k
＝R
k
cosθ
k
，k＝1,2,
…
,K，K是物体个数；
其中INT代表取整，二维中频信号组S(n,t
s
)中每一行为某天线在该周期内所有采样时间接收到的中频信号，每一列为某时刻t下天线阵列接收到的中频信号；(2)对中频信号组S(n,t
s
)中的行向量进行一维FFT变换，得到FFT频谱F(n,v)：(3)对步骤2.1(2)中得到的FFT频谱F(n,v)中的列向量再次进行一维FFT变换，得到F(u,v)，即中频信号组的二维FFT频谱F(u,v)：步骤2.2：滤波法检测孤立点过程：(1)使用拉普拉斯核对二维FFT频谱进行检测：其中，偏导数是通过二阶有限差分计算，即：(2)确定T
H
是一个规定的非负的阈值，Z是滤波器在拉普拉斯核中心的响应，若滤波器在这一点响应的绝对值超过阈值T
H
，则认为在核的中心位置Z(u,v)检测到一个点，这个点在拉普拉斯核中心的响应...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨婧，梅子燕，刘鑫，黄欣，覃文智，王孟，
申请(专利权)人：南通大学，
类型：发明
国别省市：