摘  要： 從信號處理的角度分析了防撞雷達虛報警率、漏報警率偏高的原因，采用AR模型功率譜估計的Burg算法代替?zhèn)鹘y(tǒng)的FFT算法，并將粗神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于防撞雷達目標識別。仿真結(jié)果表明，此方法提高了雷達信號處理的準確度和目標識別率，能有效地降低漏報警、虛報警率。
關(guān)鍵詞： 防撞雷達；虛假目標；功率譜估計；粗神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

    在智能交通系統(tǒng)中，汽車防撞雷達通常采用線性調(diào)頻連續(xù)波體制，而多目標檢測能力較低、大量的遺漏目標、虛假目標是制約其應(yīng)用和普及的關(guān)鍵問題。如何獲得較低的虛警率和漏警率是汽車防撞雷達研究的重點和難點。
    在雷達接收機產(chǎn)生的雷達中頻信號中，不但含有目標的中頻頻率，還含有雷達噪聲信號和干擾信號，如鄰近車道上的車輛、車道間的護攔、路旁的樹木以及空中和遠處的建筑物等，這些都會對雷達系統(tǒng)形成干擾，導(dǎo)致雷達做出錯誤判斷。減少防撞雷達的漏報警、虛報警，要求信號處理有較高的分辨率和準確性，并且有較好的目標檢測和識別方法[1]。
    本文討論了傳統(tǒng)雷達信號處理存在的不足之處，分析了導(dǎo)致防撞雷達漏報警、虛報警的主要原因，提出采用AR參數(shù)模型功率譜估計的BURG算法求取雷達數(shù)據(jù)的頻域信息，用粗集理論和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)造相結(jié)合的粗神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進行防撞雷達目標數(shù)據(jù)融合，實現(xiàn)防撞雷達目標識別，取得了較好的仿真效果。
1 雷達測量的工作原理  
    線性調(diào)頻連續(xù)波體制(LFMCW)雷達根據(jù)多普勒頻移原理，利用發(fā)射信號和回波信號之間的差頻來確定目標的距離和速度。其測量原理如圖1所示。

    圖1中， f（t）為發(fā)射信號頻率， f（t-td）為接收信號頻率，IFm1和IFm2分別為中頻信號上下掃頻頻率。中頻頻率為發(fā)射信號與接收信號的頻率之差，它包含著前方目標的距離和速度的信息。中頻頻率由頻率調(diào)制規(guī)律f、回波時間延遲td以及多普勒頻移fd共同決定。由理論推導(dǎo)可得出目標的距離和速度的計算公式：

式中，C為光速，T為調(diào)制周期，B為調(diào)制頻帶寬度，?姿為發(fā)射信號波長。由此求出雷達中頻信號上下掃頻頻率，即可求出目標的距離和相對速度。
    在傳統(tǒng)防撞雷達信號處理方法中，常采用對中頻信號進行傅里葉變換得到信號的頻譜信息，然后尋找中頻頻譜的峰值譜線，以其作為目標的中頻頻率，來計算目標的距離和相對速度。
    然而雷達接收端得到的是隨機信號，不能通過一個確切的數(shù)學(xué)公式來描述，對其作傅里葉變換求出的頻譜不能有效地抑制噪聲信號，會導(dǎo)致很多虛假目標的產(chǎn)生。并且在N點FFT的過程中，事實上認為N點以外的數(shù)據(jù)均為0，這相當(dāng)于給信號加了一個N點的窗函數(shù)，在頻域中引入了一個與之卷積的sinc函數(shù)，結(jié)果必然造成失真。如何從被目標物反射回來的受到嚴重干擾的微弱回波信號中提取發(fā)送的有用信號，并通過計算回波到達時間和頻率偏移進而確定目標的方位和運動速度？在隨機過程理論基礎(chǔ)上，從統(tǒng)計觀點出發(fā)，采用功率譜估計是一種更好的解決方法，且功率譜估計可以避免窗函數(shù)的影響，從而提高信號處理的分辨率和準確度[2]。
    以中頻頻譜的峰值譜線作為目標的中頻頻率來計算目標數(shù)據(jù)，這種目標識別方法雖簡單易行，但是很容易把干擾和噪聲的峰值譜識別為目標譜線，從而造成大量的虛假目標，導(dǎo)致雷達虛警率高。采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)處理復(fù)雜問題，進行目標識別時顯示了強大的功能[3]，但傳統(tǒng)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)其輸入輸出信息是定量的。將粗集理論融入神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以大大改善網(wǎng)絡(luò)的性能，使之不僅能處理傳統(tǒng)的定量輸入，而且能處理定性或混合性的輸入信息，解決多傳感器不同種類信息的融合問題，可以大大提高雷達目標的識別率[4]。
2 Burg算法在防撞雷達信號處理中的應(yīng)用
2.1 AR參數(shù)模型及AR模型系數(shù)的Burg算法
    參數(shù)模型法的思路：(1)假定所研究的過程x(n)是由一個輸入序列u(n)激勵一個線性系統(tǒng)H(z)的輸出；(2)由已知的x(n)或自相關(guān)函數(shù)rx(n)來估計H(z)的參數(shù)；(3)由H(z)的參數(shù)來估計x(n)的功率譜。

    

2.2 雷達中頻信號的AR模型功率譜估計
    利用AR功率譜估計的Burg算法對得到的仿真數(shù)據(jù)進行處理，該數(shù)據(jù)由雷達中頻信號、雷達噪聲信號、雜波信號疊加而成。圖2是AR模型功率譜估計的Burg算法分別對數(shù)據(jù)進行40、45、50節(jié)次的2 048點功率譜估計所得到的結(jié)果。
    由圖2可以看出，在P=40時，尚不能完全分辨出兩運動目標的上下掃頻，目標數(shù)據(jù)尚未拉開，不利于目標識別；P=45和P=50時上下掃頻數(shù)據(jù)已完全分開，能明確分辨目標信息。由于節(jié)次越高，算法越復(fù)雜，因此可以選擇AR模型45節(jié)次的譜估計。

    經(jīng)過上述處理，粗神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)算法完全可以借用傳統(tǒng)的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)算法。
3.2 基于粗神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的雷達目標識別
    BP網(wǎng)絡(luò)具有逼近任意連續(xù)函數(shù)和非線性映射的能力[6]，能模擬任意的非線性輸入輸出關(guān)系。網(wǎng)絡(luò)的各層維數(shù)越大，其收斂速度越慢，因此要對輸入數(shù)據(jù)進行預(yù)處理來減小信號冗余度，從而降低BP網(wǎng)絡(luò)的神經(jīng)元數(shù)，并適當(dāng)提取信號的特征量作為BP網(wǎng)絡(luò)的輸入，以提高識別率。
    本文對功率譜估計數(shù)據(jù)進行以下處理：首先進行門限判決，判定門限值以下的數(shù)據(jù)為噪音信號并舍棄，然后對目標數(shù)據(jù)根據(jù)幅值進行上下掃頻配對，最后分別以每個目標的上下掃頻譜峰值為中心各取20個數(shù)據(jù)，作為粗神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入。將處理后的數(shù)據(jù)形成控制規(guī)則映射到BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進行訓(xùn)練，直到滿足均方差要求為止。
    本文所采用的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸出層為4，輸出矢量為Y={y1，y2，y3，y4}，分別以行人、自行車、汽車和卡車作為識別對象輸出。識別判定標準：輸出節(jié)點中各分量值大于0.8判定為1，小于0.2判定為0。本文分別用10個隱節(jié)點和20個隱節(jié)點的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對兩組數(shù)據(jù)進行處理，第一組數(shù)據(jù)是用傳統(tǒng)方法對雷達數(shù)據(jù)直接進行FFT變換后的頻譜數(shù)據(jù)，第二組數(shù)據(jù)是利用本文所介紹的方法，首先對雷達數(shù)據(jù)進行功率譜估計，然后對譜估計數(shù)據(jù)進行預(yù)處理所得到的數(shù)據(jù)。處理結(jié)果如表1所示。

    由表1可知，直接用雷達回波數(shù)據(jù)作識別的傳感器數(shù)據(jù)，識別效果相對較差,其原因是網(wǎng)絡(luò)對其分類能力較差，且目標之間的特征差別不明顯。而將數(shù)據(jù)進行功率譜估計，在經(jīng)過門限判決和頻域配對后，其特征更顯著，20個隱節(jié)點的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)識別率可達90%以上，取得了較好的識別效果。
    虛報警、漏報警率高是制約線性調(diào)頻連續(xù)波雷達發(fā)展的重要因素，本文從信號處理的角度出發(fā)，采用AR參數(shù)模型功率譜估計以提高雷達數(shù)據(jù)的分辨率和準確度，并將粗神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)用于目標識別。仿真結(jié)果表明，該方法可以減少防撞雷達的虛假目標。并且，隨著數(shù)字信號處理器件的發(fā)展，基于DSP的汽車防撞雷達完全可以做到實時處理各種復(fù)雜的信號處理算法，使開發(fā)者擺脫復(fù)雜算法和實時處理不能兼顧的困擾。
    解決防撞雷達虛假目標的問題，還可通過其他途徑，例如使雷達具備測角能力,通過目標的方位角信息可助于排除虛假目標；還可設(shè)計易于產(chǎn)生,抗干擾性能強的復(fù)雜雷達發(fā)射信號,配合以實時高效的信號處理和目標檢測算法。對于防撞雷達虛假目標的問題，作者還將做進一步的研究實踐。
參考文獻
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[5] 張東波,王耀南，黃輝先.基于模糊粗糙模型的粗神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建模方法研究[J].自動化學(xué)報，2008，34(8)：1016-1023.
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