超宽带雷达目标识别方法外文翻译资料

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2011届IEEE智能车辆研讨会

美国加利福尼亚大学

旧金山 圣迭戈

2010年6月21日至6月24日

超宽带雷达目标识别方法

Laila Sakkila*, Atika Rivenq*, Charles Tatkeu**, Yassin El Hillali*, Jean-Pierre Ghys**, Jean-Miche Rouvaen*

*大学瓦朗谢讷，uvhc，iemn-doae，f-59313瓦朗谢讷，法国**大学北里尔－法国里尔f-59000，

INRETS，leost，f-59650维伦纽夫dascq

laila.sakkila@univ-valenciennes.fr

摘要：随着嵌入式组件（全球定位系统、雷达、摄像机等）技术的发展，道路车辆变得越来越智能和让人放心。

智能车辆的概念是能够独立地、自主地、智能地进行分析，并将道路环境数据发送给驱动程序的外部。近年来，这一概念的研究和研究方案的想法已经在不同环境中被屡次提出。现在的智能汽车有辅助工具来帮助控制速度，管理周围的交通环境，以确保车身避免碰撞刮擦。仅仅是一个雷达，就可以帮助司机探测道路环境中的障碍，并在遇到障碍时及时提醒他们。雷达不仅是一个非常强大的设备，对司机们来说甚至是必不可少的，以确保道路使用者们的安全。该设备的优点是无论在何时何种天气之下（雾天、雨天等）都能发挥出效用。

雷达应用领域超宽带技术的到来使得结构紧凑、价格低廉的传感器的发展更上一层楼。超宽带雷达在军事方面是一种非常出色的雷达设备，而在日常生活中也可以应用于多种程序的障碍检测。这些具有更高分辨率的传感器可以用来测量距离和位置，其测量结果和所得图像远远优于如今埋在地下或者捆绑在目标物体上的旧一代雷达。

本文重点研究的超宽带雷达的可识别的障碍类型。

一、超宽带雷达的介绍

本文提出的雷达是利用无线电频率技术的超宽带雷达。本研究以较低的成本和简单的试验方法，投入极大的热情，探究了短脉冲超宽带雷达在中短期范围内的的电磁探测能力以及可识别的障碍类型。

雷达传感器正广泛运用于民用领域，在某些以超宽带技术为基础的能力信号交叉墙上，超宽带雷达确实可以发挥出极大的效果。例如，当发生火灾等其他类型紧急情况，警察可利用超宽带雷达找到隐藏在断墙残壁中的尸体；在医学领域，超宽带雷达可用于心脏收缩的医学成像；在汽车工业领域，它还可以通过防止汽车间的碰撞来维持道路交通安全。

这些超宽带脉冲宽度小于1.5纳秒，带宽超过1兆赫。该技术由美国联邦通信委员会定义，其中有一个大于25%的分数带宽（FB），这个分数带宽定义为：

(1)

其中，fn和fl分别代表低于十分贝的最高和最低的频率。超宽带的核心价值在于它的RF（射频）带宽比信息带宽更为宽。

这项研究的目的是探究超宽带雷达系统技术的优点。

鉴于超宽带雷达发射极短电磁脉冲，要计算雷达和障碍物之间的距离，我们测量了传输和接收之间的延迟时间（图1）。这个距离的计算可根据方程（1）：

（1）

这里的c代表光速

发射脉冲

回波信号

图1：脉冲发送和接收到的回波之间的延迟

超宽带雷达具有多种优良的性能。事实上，具有很强光谱内容的简单脉冲可以测量出非常丰富的信息瞬态响应目标，并分解各种接收的回波。该信号宽谱授权单一的测量，以获得在整个频段上具有较强的检测能力的结果。脉冲频谱发出的波形能够穿过自然的屏障（地面，植被等）。

由于这些特性，超宽带雷达在短距离的应用中对障碍物检测和目标识别具有超强的优胜力。

该雷达提供约15厘米距离，分辨率为1ns的脉冲宽度，非常适合应用于道路交通安全系统的管理和监测，我们的实验体现了超宽带雷达高精度探测障碍物的能力。在本文中，我们展示了它的能力，以确定超宽带雷达的可识别障碍类型。

二、对象的区分和表征存在的超宽带雷达（ODC）

系统中的超宽带雷达用来区分和辨别材料的不同类型，虽然实验过程中的应用程序识别障碍数较低，但是这些应用程序依然有很多局限性。在这一领域中的一些应用，例如，在某种机器中心放置一片带有雷达的圆形锯片，它可以提醒人们木头和手指之间的危险距离，并在有危险时发出警报，停止机器的运作。但是，据统计，在美国，这种带有雷达的圆形锯片因为运作不灵已经造成了37000事故，其中有4000多起导致了截肢，公共医疗报销高达20亿美元，这不禁引得一些人思考：超宽带雷达的超强优胜力体现在哪里呢？

另一点，随着世界性恐怖主义的大行其道，关注新一代武器的探测也变得越来越有意义。事实上，因为碳纤维、芳纶材料、陶瓷或其他合金材料非常耐磨与隐蔽，因此在机场安检处有着普通雷达检测不出的极大可能，因此，发展超宽带雷达对于检测新一代金属武器具有是决定性的作用。

本文提出的雷达系统是一种基于超宽带技术的短距离雷达系统，它是专门为了维护道路交通安全而投入应用的一款系统，具体将在下一节中进行详细介绍。

三、超宽带雷达系统

本文提出的超宽带雷达系统可产生电磁脉冲，然而，它有可能将其转换为一个更适合总系统的频率（按照规定的频率分配和应用程序类型）。

超宽带雷达（图2）所发出的超宽带信号产生的电磁脉冲很短，

图2：目标超宽带雷达框图

我们将其发送的脉冲通过一段天线，允许所有频谱内容的脉冲以辐射的形式向外传播，然后将所反映的目标回波作为参考脉冲（图3），以检测相关峰，最后检测阈值。此参考脉冲是由发射天线直接发送到接收到的超宽带脉冲，该脉冲由材料的脉冲施加在脉冲上。

要实现超宽带雷达系统的建设必须考虑到道路运输的不同需求。因此，该系统必须能够识别道路途中各种障碍的类型，以便能够减少假警报的次数。一旦完成了雷达的建设，不仅能够使追踪阶段更加容易，整个系统的造价也会有所下降，以上两点就是提出研究超宽带雷达系统的意义所在。

下一节将会介绍超宽带雷达实现识别各种障碍类型的测试，以及测试的结果。

四、测试和障碍类型识别结果

在这一部分中，我们评估了各类障碍物的性质对接收单周期脉冲信号的影响。为了比较在道路环境可能出现的障碍，我们有针对性得对金属板、木板、汽车、高速公路护栏和行人进行了测试。图3显示的是各个类型的参考脉冲、对应障碍物接收到的单周期脉冲。（直接通过发射天线到接收要考虑设备对波形的影响）

样本

振幅

图3：参考脉冲

根据图片得到的结果表明，不同类型障碍物接收到的回波是不一样的，在图4中，我们可以注意到，参考脉冲的变形取决于每个障碍物（金属板、汽车、木板、行人和高速公路护栏）的性质。

振幅

样本

A. 金属板

振幅

样本

样本

振幅

B. 汽车 C.木板

图4：脉冲信号波形失真

这种反射脉冲的形式与距离无关，距离的影响只作用于脉冲幅度。为了分类，我们建议存储数据库中每一种障碍物的署名，这些署名以参考脉冲为特征。将参考脉冲标准化以便等能量比较，通过实验所反映的回波，障碍物的信号和每个类型障碍物的参考脉冲之间的相关性进行比较。

在这些测试中，我们把不同类型的障碍物置于相同的距离（4米），使用相同波形（脉冲）发射。

接下来我们展示几个实验成果。

图5显示出置于4米处木匾所发出的回声和木头、金属结合物的参考脉冲之间相关性的比较（见图a），以及和普通木制物的参考脉冲之间关联性的比较。(见图b）图5显示出了这两种比较，我们可以明显发现木质板信号与木头参考脉冲之间关联性的水平远高于与木头金属结合物反射脉冲的。当比较木头混合物、木材与行人之间相关性时也得到了相同结果。

样本(a) 样本（b）

图6：计算得出三种相关性的比较

类似地，从置于4米处金属板上反射的信号中提取的回声波图同其他参考脉冲的比较。

相关比较如图

图7：金属板反射信号与参考脉冲之间相关性比较

我们还注意到，金属板的信号和金属参考脉冲之间相关性要高于其他相关（金属板信号和木制参照物或人体参照物）接下来将人体的回声声波与其他脉冲参照物进行比较。

图8：金属板内接收到的信号与参考脉冲之间关联性

和先前比较的结果一样，我们能发现行人与行人参考脉冲之间的关联水平远高于其他相关比较。

这项基于存储在数据库中的参照物之间相关性来进行障碍目标识别的技术是可行的。然后通过算法计算来检测障碍物，同时判断障碍物类型（车，高速公路护栏，行人。。。），该算法通过计算与参考的单脉冲的接收信号的相关性来计算障碍物的距离以确定相关峰的阈值检测方法检测到的位置。接着位置中心生成一个正方形窗口来提取障碍物反射出的回声波，一旦回声正常且标准化后，它与障碍性质的参考脉冲相关联，这将确定检测障碍物的性质。为了验证这项技术的可行性，我们对算法进行了测试。取三种障碍物（置于1.7米处的行人、放于3米处的金属板、5米外的汽车）的反射信号，见下图所示。

图9：三种障碍物的反射信号

在接收阶段，我们将这个信号与金属参考回波关联，相关结果见图10

图10：接收到的信号与金属参考脉冲之间的相关性结果

我们注意到，对应于第二位置（金属板）的相关峰值与其他峰值不同。为了验证这些数据结果，我们计算检测到的障碍物的距离，计算得到的金属板的距离是2.88米，与金属板所在位置相对应 。

超宽带雷达对障碍物目标识别的算法针对道路环境分析非常有效且计算结果精确。除了检测障碍物精确外，超宽带雷达还能通过简单检索每种障碍物的参照信号之间的相关性来判断障碍物的类型。

总结

基于研究中所呈现的接受物的关联性，证明超宽带雷达在计算距离方面有很好的性能。事实上，它可以测算非常精确的距离。雷达能轻而易举识别出检测到的障碍物归咎于它能检索出每种障碍物的明显特征。未来这项技术将致力于通过使用更高阶统计数据来提高接收器性能。从而推进检测精准度及设备自动化进程。

致谢

我们感谢国际关注安全问题的校园以及联合运输计划（拜访）。法国国家研究调查署和法国北部对运输业的推进对这个项目的大力支持。

参考文献

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[Sakkila 08] L. Sakkila laquo; UWB Radar system for road anti-collision applicationraquo;3^rd InternationalConference on Information amp; Communication Technologies: from Theory to Applications,ICTTArsquo;08, avril 2008,

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