一种基于自聚焦的交通雷达测速算法
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第45卷第6期 2013年12月 南 京 航 空航天大学学报 VolJ 45 No.6 Dec.2013 University of Aeronautics&Astronautics Journal of Nanjing 一种基于自聚焦的交通雷达测速算法 刘 丽 李 勇 (雷达成像与微波光子技术教育部重点实验室(南京航空航天大学), 南京航空航天大学电子信息工程学院,南京,210016) 摘要:针对一种横向安装的交通监测雷达研究了其用于车辆实时运动测速的信号处理方法。基于逆合成孔径雷 达原理建立了雷达回波数学模型,分析了运动目标速度与多普勒参数内在关系,并提出了一种基于自聚焦的目 标速度估计算法。该算法采用两步估计来完成速度测量,首先用最小熵检测算法对目标速度进行粗搜索,再用 图像偏置法完成目标速度的精确估计。仿真结果验证了算法的有效性,速度测量误差可小于1 km/h,且运算效 率高,满足实时处理要求。 关键词:逆合成孔径雷达;参数估计;最小熵;图像偏置 中图分类号:TN957 文献标志码:A 文章编号:1005—2615(2013)06—0843—06 Velocity Estimation Algorithm for Traffic Surveillance Radar Based on AutofoCUS Liu Li,Li Yong (Key Laboratory of Radar Imaging and Microwave Photonics(Nanjing University of Aeronautics& Astronautics)of Ministry of Education,College of Electronic and Information Engineering,Nanjing University of Aeronautics&Astronautics,Nanjing,210016,China) Abstract:A real—time velocity measurement method for a transversely—mounted traffic surveillance radar is presented.The mathematic model based on the inverse synthetic aperture radar is developed followed with the internal relation analysis between the speed of the moving vehicle and its Doppler parameters. The improved velocity estimation algorithm mainly involves tWO processing steps.Firstly,the minimum entropy principles are used to achieve the coarse velocity measurement.Secondly,the more accurate ve— locity is estimated by using the map drift autofocusing.The simulation results demonstrate the validity and efficiency of the proposed methodology.The speed measurement error is less than 1 km/h which fulfills the requirement of real—time processing. Key words:inverse synthetic aperture radar(ISAR);parameter estimation;minimum entropy;map drift 测速精度高、设备成本低、安装维护方便等优 点已成为目前交通测速雷达技术发展的趋势 。 传统的交通监测雷达系统是根据多普勒效应实现 目标径向速度测量,一部雷达只能测量一个车道车 辆的速度(如图1(a)所示),多车道测量时硬件成 本较高,计算量较大。而本文研究的测速雷达系统 明显区别于前者,雷达侧向安装在道路一侧上方 (如图1(b)所示),可同时对穿越波束覆盖范围内 的所有车辆进行探测,从而实现一部雷达的多车道 同时测量;由于工作在正侧视模式,车辆的运动速 基金项目:国家自然科学基金(61301210)资肋项目;江苏省高校优势学科建设工程资助项目;航空科学基金 (20112052025)资助项目;国防基础科研计划(B2520110008)资助项目;南京航空航天大学基本科研业务费 (NS2013023)资助项目。 收稿日期:2013~08—15;修订日期:2013—10—15 通信作者:李勇,男,副教授,1977年出生,E-mail:limack@nuaa.edu.cn。 第6期 刘 丽,等:一种基于自聚焦的交通雷达测速算法 845 心时的波束斜视角。正侧视情况下,0 近似为0, 因而厂 也近似为0,与目标速度几乎无关。可见, 在图1(b)的工作模式下,不能通过估计多普勒中 心频率来估计目标的运动速度。这也是本文研究 的交通监测雷达回波信号处理方法与传统多普勒 测速雷达的本质区别。 考虑目标的径向速度越小,切向速度就越大, 进而分析另外一个重要的多普勒参数,即多普勒调 频斜率。设厂 为目标B雷达回波信号的多普勒 调频斜率,可以推得 2 d R(£)l 2V COS 0 l 川 A d l 一 1… 1£ 2V COS 0 、 r ■ ■/ 在正侧视情况下,0 ≈O,则cos0 ≈1,因而 91厂2 f 一 ,即对某一车道目标而言,其雷达回波 ^』 lane 信号的多普勒调频斜率唯一取决于前向运动速度, 式(7)提供了测速雷达估算目标前向速度的依 据[1 “]。速度V 与 ,R … f 0 有关。其中, ,R。… 的误差是可控的,其影响在算法设计阶 段也可忽略。因而,为了精确测算出 ,必须进一 步研究厂a 的精确估计方法。 2 基于自聚焦的目标速度估计算法 基于自聚焦的目标速度估计方法分二步来实 现目标速度测量,第一步是用最小熵检测算法进行 粗略搜索,确定目标大致运动速度;第二步是借助 图像偏置算法实现目标速度的精确估计。这样可 以提高效率和精确度,算法流程图如图2所示。 2.1 最小熵检测算法粗略搜索速度 雷达成像中,原始回波信号经过距离向压缩, 再经过方位压缩就可以得到雷达图像_】 。引。对于 MXN的雷达图像{S…),其中m表示方位单元 2 号,”表示距离单元号。令P…一 ll l l,l s l— M s 则图像{ ) 的信息熵定义为 m=1 N M HMxN=一 P…lgP… (8) =1卅=l 由信息熵的定义式(8)和图像的物理意义可 知,估计中所用的多普勒调频率越精确,则图像聚 焦越好,图像的熵值就越小,当图像完全聚焦时,图 像的信息熵取得最小值。图像的信息熵越小,所对 应的多普勒调频率就越接近真实值的多普勒调频 率。由式(7)可知,速度搜索等价于多普勒调频斜 率的搜索。最小熵检测算法粗略搜索过程如下: 原始回波信号 距离向压缩 提取子回波 位频域分两 两视方位压缩 读取错位时间 计算精确调频 获得更准确 第一步 获得精确速度 第二步 : 图2基于自聚焦的目标速度估计算法流程 (1)对原始回波信号进行距离向压缩。 (2)在距离压缩后的回波数据中提取各移动目 标的子回波。 (3)根据已知的先验信息,在包含目标真实速 度的搜索区间内选择合适的速度搜索间隔,搜索方 位向调频斜率_厂 a (搜索间隔的选取应根据工程实 践确定),并用相应的搜索值厂 a 对各子回波进行 方位向压缩。 (4)对每一次方位向压缩后的目标子回波信号 X ( )求其相应的信息熵值,形成一系列离散的 点。X ( )代表某一目标子回波中某一距离门上 的方位信号,其中 一1,…,N。; 一1,…,M;N 为方位向单元数目;M为距离门个数。 (5)利用上面的离散点形成曲线,曲线最小值 处所对应的调频斜率以及目标移动速度即为粗略 搜索结果。将该步输出的粗略搜索值作为图像偏 置法的初始参考值。 2.2 图像偏置算法精确估计速度 图像偏置算法把子回波信号从方位向频域中 间分成两个子孔径,即分成两视,频谱低端部分为 第1视,频谱高端部分为第2视。方位调频率误差 会造成方位压缩中两个方位视数之间的方位向错 846 南京航空航天大学学报 第45卷 位,这种错位可以通过对处理后的数据进行测量得 到。这种利用方位向两视之间的错位来进行多普 图3(a)给出了目标,B (20 kin/h)在5种搜索 间隔(1,5,8,10,20 kin/h)下的粗搜索拟合曲线。 可见,在最小熵检测算法粗略搜索中,搜索间隔过 小虽可以提高估计精度,但运算量显著增大,会导 勒参数估计的方法就是图像偏置算法。 令厂a 为数据的实际调频率,厂 r为方位向匹 配滤波器的调频率,Af 是两视数据中心处的频率 致不必要的运算负荷开支;搜索间隔过大,会导致 采样过于稀疏,拟合出的曲线无法正确反映出目标 真实速度的区间。因此,搜索间隔的选取要兼顾算 法精度和效率。合理折中参数估计精度和运算量, 间隔,则视2相对于视1的方位向错位时间△77与 方位调频率误差Af 之间的关系为 At/:一A (÷一 ) (9) 3 dr 3 drmf 由于f —fa +Af 并且认为相比于-厂 和Af。,Afa 很小,可以忽略不计,代入上式可得 △fe,一 一 △ (1O) 图像偏置算法精确估计速度实现步骤如下: (1)将最小熵检测算法得到的粗略搜索值作 为参考调频率_厂 r,把经过距离压缩后分离出来 的子目标回波信号在方位频域分成两视; (2)利用调频率为_厂 的匹配滤波器分别对 两视数据进行方位向压缩,得到两视之间的错位时 间At/; (3)根据式(10)计算得到此时方位调频率的 误差Af 进而得到数据的实际调频率厂 最后 根据式(7)反演得到目标的准确速度。实际估计中 由于存在参数舍人误差和读图误差,可以将估计结 果作为新的速度搜索中心反复迭代几次,获得更精 确的目标速度值。 3仿真结果与分析 为了验证本文所研究算法的有效性,以图1 (b)所示的工作几何模型为基础,对仿真车辆目标 的模拟雷达回波信号进行了处理和分析。每次均 设计低速和高速二个车辆目标在不同的车道上反 向运动,其中B目标代表低速的客车,C目标代表 高速的小汽车。交通监测雷达系统仿真参数设置 如表l所示。 表1仿真参数 参数 数值 载频/GHz 脉冲重复频率PRF/Hz 1 O24 信号带宽/MHz 8O 采样频率/MHz 1OO 雷达高度/m 1O 斜视角 正侧视 波束宽度/(。) 40 中心斜距/m 14 监测场景大&/mx m 1O×1O 最终确定选取8 km/h为搜索间隔。 图3(b)为高、低速二个目标进行距离压缩后 的结果,可以通过加窗处理取出不同的目标,然后 用最小熵检测算法粗略估计出各目标的速度,为使 用图像偏置算法精确估计目标速度做准备。 趔 蛭 确 迎坚 粗略搜索速度/(kra・h- ) (a)不同搜索间隔情况下的最小熵曲线 《 壮 -叵 捆匣 鹫 方位向采样点 (b)距离压缩后的回波图像 图3最小熵检测算法搜索间隔曲线拟合 用最小熵检测算法粗略搜索速度的结果如图 4所示。通过图4的仿真结果可以看出,低速目标 B 及B。速度粗搜索值分别为23,39 km/h,接近 理论值20,40 km/h;目标c 及c 速度粗搜索值 分别为63,79 km/h,接近理论值60,80 km/h。可 见,利用最小熵检测算法可以粗略地估计出移动目 标的速度,验证了本文所研究算法的第一步。下一 第6期 刘丽,等:一种基于自聚焦的交通雷达测速算法 847 勰 加 M 鼹 jl!垦 警 粗略搜索速度/(tan・h ) (a)低速目标 组的最小熵曲线 方位向时间(采样点) (a)低速目标 的图像偏置曲线 壤 坦 粗略搜索速度/(km・h- ) (b)高速目标c组的最小熵曲线 方位向时间(采样点) (b)高速目标C。的图像偏置曲线 图4速度粗略搜索最小熵拟合曲线 图5速度精确估计图像偏置曲线 步是以速度粗搜索值为搜索中心通过图像偏置算 法得到各目标速度的精确估计值。 图像偏置算法得到目标的各视偏移如图5所 示,反映出调频率的失配。多普勒频谱被分为不相 交的两部分,每视覆盖一半频谱,对两视分别进行 视的方位向错位时间△呀(△叩一An/PRF,An为两 视方位采样点数错位)之后,将结果代人式(10),就 可以估计出目标的真实调频斜率-厂 进而得到目 标的精确速度。表2给出了目标速度的最终估计 结果,并给出了基于自聚焦的目标速度估计算法与 直接使用最小熵穷举搜索算法的搜索次数和运算 时间比较。 方位向压缩,调频率失配会造成方位压缩后两个方 位视数之间的方位向时间错位。从图5中读出两 表2二组目标速度估计结果及其与直接用穷举搜索算法的效率比较 仿真实验的结果表明,基于自聚焦的目标速度 估计算法达到1 km/h的测速精度平均仅需要搜 索81次,平均运算时间为2.441 S。在多车道的情 况下,基于自聚焦的目标速度估计算法的运算量明 显减少,提高了效率和精确度,这对于实际交通监 测情况下的实时处理很有益。 索11次,平均运算时间为0.362 s,而直接使用最 小熵穷举搜索算法为达到相同的精度平均需要搜 ] ] ] ] 848 南京航空航天大学学报 第45卷 4 结束语 本文提出了一种新的交通监测雷达测速算法, 1-8] Fisher P D,Pyhtila J W.Timing quantization error in lidar speed measurement devices[J].Vehicular Technology,1EEE Transactions,2000,49(1):276— 280. 即基于自聚焦的目标速度估计算法,主要用于监测 车辆行驶状态、超速判断等。通过计算不同车道上 [9] 李丽亚,刘宏伟,纠博,等.斜视干涉逆合成孔径雷达 成像算法[J].西安交通大学学报,2008,42(10): 129O一1294 目标车辆回波信号的信息熵和方位向错位时间得到 方位调频率的估计值,进而反演得到车辆速度的估 计值。仿真结果表明,该算法速度测量误差可小于 1 km/h,满足实时处理要求;避免了直接使用经典的 Li Liya,Liu Hongwei,Jiu Bo,et al。An interfero— metric inverse synthetic aperture radar imaging algo— 穷举搜索算法许多不必要的搜索运算,在粗搜索的 基础上通过图像偏置算法直接得到了高精度的速度 估计结果,显著降低了运算复杂度,适于多车道且实 时处理要求高的场合。但对于开发实际的交通监测 雷达系统而言,还存在一些工作必须结合实测数据 深入研究,如算法鲁棒性、并行性分析及其优化工作 等,后续工作将围绕这些方面进一步展开。 参考文献: Fisher P D.Improving on police radar[J].Spectrum, IEEE,1992,29(7):38—43. 赵仲郎.交通测速雷达系统设计与实现[D].南京: 南京理工大学,2012. Zhao Zhonglang.The design and implementation of traffic speed measuring radar system[D].Nanj ing: Nanjing University of Science and Technology,2012. Martin D F,Partida J G,Gonzdlez P A,et a1.Ve— hicular traffic surveillance and road lane detection u— sing radar interferometry[J].Vehicular Technology, IEEE Transactions,2012,61(3):959—970. Munoz—Ferreras J M,Perez—Matinez F,Calvo—Gal— Iego J,et a1.A traffic surveillance system based on a high resolution radar[J].Geoscience and Remote Sensing,IEEE Transactions,2008,46(6):1624— 1632. Tao Manyi,Li Yong.The information extraction al— gorithm for a traffic detection radar using ISAR prin— ciple[C]//Zrd Asian—Pacific Conference on Synthetic Aperture Radar.Xi an:s.n.],2009:705—708. 张今培,李勇.基于MCA的FMCW交通雷达信息 处理[J].雷达科学与技术,2012,10(2):217—222. Zhang Jinpei,Li Yong.Information processing of FMCW traffic radar based on MCA[J].Radar sci— ence and technology,2012,10(2):217-222. Chen C C,Prickett M J.Principles of inverse syn— thetic aperture radar(ISAR)imaging[C]//IEEE AS— CON Record.Arlington,New York:IEEE,1 980: 34O一345. rithm for squint model[J].Journal of Xi an Jiaotong University,2008,42(10):1290-1294. [10] Cumming I G,Wong F H.合成孔径雷达成像一算法 与实现[M].北京:电子工业出版社,2007. Cumming I G,Wong F H.Digital processing of syn— thetie aperture radar data:Algorithms and imple— mentation[M].Beijing:Publishing House of Elec~ tronics Industry,2007. [11]梁毅,王虹现,邢孟道,等.调频连续波SAR信号分 析与成像研究[J].电子与信息学报,2008,30(5): 1018—1O21. Liang Yi,Wang Hongxian,Xing Mengdao,et a1. The analysis of FMCW SAR signal and image study EJ].Journal of Electronics&Information Technolo— gY,20O8,30(5):1018—1021. [12]黄立胜,王贞松.Map Drift算法在实时成像处理器中 的应用[J].遥感学报,2006,10(1):138—144. Huang Lisheng,Wang Zhensong.The application of map drift algorithms in the real time SAR processor EJ].Journal of Remote Sensing,2006,10(1):138— 144. [13]康雪艳,杨汝良.对比度最优与子孑L径相关自聚焦算 法的比较[J].测试技术学报,2003,17(1):19—24. Kang Xueyan,Yang Ruliang.Comparison of con— trast optimization and map drift autofocus algorithms [J].Test and Measurement Technology,2003,17 (1):19—24. [14]武昕伟,朱兆达.一种基于最小熵准则的SAR图像 自聚焦算法[J].系统工程与电子技术,2003,25(7): 437-440. Wu Xinwei,Zhu Zhaoda.A novel autofoeus aigo— rithm based on minimum entropy criteria for SAR images[J].Systems Engineering and Eletronics, 2003,25(7):437-440. [15]Zhu Daiyin,Shen Mingwei,Zhu Zhaoda.Some as— pects of improving the frequency scaling algorithm for dechirped SAR data processing[J].IEEE Trans on Geoscience and Remote Sensing,2008,46(6): 】579一】588.
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