面向道路交通监视雷达的参数约束型MTI滤波器设计方法

本发明涉及雷达信号处理，具体涉及一种面向道路交通监视雷达的参数约束型mti滤波器设计方法、系统、电子设备及存储介质，尤其适用于道路交通监视场景中强静止杂波背景下慢速运动车辆的实时检测。

背景技术：

1、动目标显示（moving target indication, mti）滤波器是抑制雷达静止杂波的核心手段。在道路交通监视场景中，雷达固定安装于道路上的龙门桥或路侧路灯杆上，其回波中包含来自路面、道路两侧护栏、路灯杆及交通指示牌等建筑物的强反射静止杂波，该类杂波的多普勒频移主要集中在零频附近，功率很强，若不加抑制将产生大量虚警。与此同时，道路交通监视雷达需检测包括正常行驶、拥堵缓行及停车起步在内的各类运动车辆，其中慢速车辆的多普勒频率极低，靠近静止杂波的频谱中心。

2、现有mti滤波器主要分为以下几类：

3、1、固定系数mti滤波器，包括一阶mti滤波器（两脉冲对消器）、二阶mti滤波器（三脉冲对消器）以及高阶mti滤波器。该类滤波器本质上为具有固定系数的高通数字滤波器，其幅频响应在零频附近形成抑制凹口，从而实现静止杂波抑制。然而，该类滤波器的幅频特性受限于固定系数。一阶mti滤波器零频凹口过浅，无法有效抑制强静止杂波；二阶及高阶mti滤波器虽能加深零频凹口，但阻带和过渡带随阶数增加急剧展宽。由于道路交通中的慢速车辆多普勒频率极低，常落于高阶滤波器的过渡带甚至阻带内，现有固定系数mti滤波器不可避免地导致慢速车辆回波被严重衰减乃至漏检。在雷达信号处理领域，如何在抑制强静止杂波的同时避免慢速车辆回波被抑制，是本领域长期存在的技术难题。

4、2、基于零点配置或凹口设计的mti滤波器优化方法。该类方法通过在零多普勒频率或杂波中心频率处配置滤波器零点，使滤波器在杂波中心频率处形成较深的抑制凹口，从而提高杂波抑制能力。然而，该类方法的设计目标单一，仅追求零频凹口深度，导致滤波器阻带范围被动扩大，通带边缘被迫向高频推移，进一步压缩了慢速目标的通过区间。在车辆速度连续分布的道路交通场景下，该类方法无法在“凹口深度”与“低速区通带平坦度”之间建立有效约束，仍难以避免对慢速车辆回波的误抑制。

5、3、自适应mti滤波方法。该类方法依据雷达回波数据估计杂波的统计特性，动态调整滤波器权值以适应杂波环境变化。然而，自适应mti滤波方法需要从参考单元中选取大量纯杂波样本以估计杂波协方差矩阵，并涉及矩阵求逆、迭代更新等运算，计算复杂度高。在城市道路等车辆密集场景下，参考单元极易混入车辆回波，杂波样本的统计一致性无法保证，导致协方差矩阵估计失真，慢速目标回波被误判为杂波分量而加以抑制；若减少参考单元样本数量，则杂波统计特性估计精度下降，静止杂波抑制能力无法保证。因此，自适应mti滤波方法在道路交通监视雷达的高实时性、高可靠性车辆检测应用中存在明显不足。

6、综上所述，现有技术缺乏一种能够依据道路交通雷达的速度分辨率要求及杂波频谱先验信息，显式地、定量地约束滤波器阻带截止频率、通带平坦度和滤波器阶数，从而兼顾强静止杂波有效抑制与慢速车辆回波保护的mti滤波器设计方法。

技术实现思路

1、本发明针对传统mti滤波器及基于零点配置的mti滤波器因阻带和过渡带过宽而导致低多普勒频移区域内慢速车辆回波被明显抑制、车辆目标容易漏检的技术问题，以及自适应mti滤波方法计算复杂度高、参考单元杂波样本易受车辆回波污染、难以满足道路交通监视雷达实时可靠检测需求的技术问题，提供一种面向道路交通监视雷达的mti滤波器设计方法、系统、电子设备及存储介质。

2、为实现上述目的，第一方面，本发明提出了一种面向道路交通监视雷达的参数约束型mti滤波器设计方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：

3、步骤s1，确定mti滤波器的基本结构，所述mti滤波器采用有限冲激响应滤波器结构，其频率响应函数为：

4、

5、通过该滤波器结构，使mti滤波器在零多普勒频率附近形成幅频响应凹口，以抑制静止杂波分量；

6、步骤s2，建立所述mti滤波器的幅频响应设计要求，所述幅频响应在阻带内趋近于0以抑制零频附近的静止杂波，在通带内趋近于1以保留运动车辆回波；

7、步骤s3，确定mti滤波器的设计参数，所述设计参数包括滤波器阶数

q 1、阻带截止角频率

ωs、通带截止角频率

ωp和阻带最小衰减

τmin，其中，根据道路交通监视雷达的速度分辨率约束确定滤波器阶数

q 1，根据静止杂波的频谱特性确定阻带截止角频率

ωs，根据阻带截止角频率

ωs确定通带截止角频率

ωp，根据静止杂波与噪声的功率比确定阻带最小衰减

τmin；

8、步骤s4，根据步骤s3确定的设计参数构建mti滤波器的设计准则，所述设计准则为：在阻带波纹约束条件下，通过最小化通带的均方误差构建优化目标函数；对优化目标函数进行求解，得到滤波器的冲激响应系数

h(

q)；

9、步骤s5，利用步骤s4得到的滤波器的冲激响应系数

h(

q)，对雷达回波信号沿慢时间维进行滤波处理，将滤波器的冲激响应系数

h(

q)与雷达回波信号进行卷积运算，得到抑制静止杂波后的雷达回波信号。

10、进一步地，所述步骤s3中，所述滤波器阶数

q 1与所述速度分辨率δ

ν之间的关系为：

11、

12、其中，

λ表示雷达的工作波长，

fr表示相干chirp信号的重复频率，

y表示一个相干处理时间内包含的相干chirp数；根据所述速度分辨率约束确定所述滤波器阶数

q 1，使得采用该阶数后的速度分辨率满足道路交通监视雷达的车辆检测要求。

13、进一步地，所述步骤s3中，根据静止杂波的带宽

b确定所述阻带截止角频率

ωs，使得

ωs≥

πb；根据静止杂波和噪声的功率比

αdb确定所述阻带最小衰减

τmin，使得

τmin≥

αdb。

14、进一步地，所述步骤s4中，所述设计准则的数学形式为：

15、

16、其中，h表示由所述滤波器的冲激响应系数

h(

q)构成的向量，msep(

h)表示滤波器通带的均方误差，ripples(

h)表示阻带波纹；通过求解该约束优化问题得到所述滤波器的冲激响应系数。

17、进一步地，所述通带的均方误差msep(

h)和所述阻带波纹ripples(

h)分别表示为：

18、

19、

20、其中，∣

h(

ω)∣表示所述mti滤波器的幅频响应。

21、进一步地，所述mti滤波器采用具有奇数点的线性相位有限冲激响应滤波器结构，其频率响应函数表示为：

22、

23、其中，

q为奇数。

24、进一步地，所述步骤s5中，滤波处理后的雷达回波

z(

m,

n)表示为：

25、

26、其中，

m表示相干chirp的编号，

n表示距离单元编号，

x(

m,

n)表示滤波前的雷达回波信号；所述滤波处理使零频附近的静止杂波得到抑制，而使运动车辆回波得以保留。

27、第二方面，本发明还提供了一种面向道路交通监视雷达的参数约束型mti滤波器设计系统，包括：

28、结构确定模块，用于确定mti滤波器的基本结构，所述mti滤波器采用有限冲激响应滤波器结构，其频率响应函数为；

29、参数确定模块，用于确定所述mti滤波器的设计参数，所述设计参数包括滤波器阶数

q 1、阻带截止角频率

ωs、通带截止角频率

ωp和阻带最小衰减

τmin，其中，根据道路交通监视雷达的速度分辨率约束确定所述滤波器阶数

q 1，根据静止杂波的频谱特性确定所述阻带截止角频率

ωs，根据所述阻带截止角频率

ωs确定所述通带截止角频率

ωp，根据静止杂波与噪声的功率比确定所述阻带最小衰减

τmin；

30、滤波器求解模块，用于根据所述参数确定模块确定的所述设计参数构建设计准则，所述设计准则为：在阻带波纹约束条件下通过最小化通带的均方误差构建优化目标函数，对所述优化目标函数进行求解，得到所述滤波器的冲激响应系数

h(

q)；

31、滤波处理模块，用于利用所述滤波器求解模块得到的所述滤波器的冲激响应系数

h(

q)，对雷达回波信号沿慢时间维进行滤波处理，将所述滤波器的冲激响应系数

h(

q)与雷达回波信号进行卷积运算，输出抑制静止杂波后的雷达回波信号。

32、第三方面，本发明还提供了一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述面向道路交通监视雷达的参数约束型mti滤波器设计方法。

33、第四方面，本发明还提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述面向道路交通监视雷达的参数约束型mti滤波器设计方法。

34、相比于现有技术，本发明的有益效果在于：

35、（1）本发明提出的参数约束型mti滤波器设计方法能够根据道路交通监视雷达的速度分辨率约束、静止杂波频谱特性以及静止杂波与噪声的功率比，显式地、定量地对滤波器阶数、阻带截止角频率、通带截止角频率和阻带最小衰减进行合理约束，使滤波器阻带能够完全覆盖静止杂波频谱，实现了零频附近强静止杂波的有效抑制。

36、（2）本发明通过求解阻带波纹约束下的通带均方误差最小化问题，使设计的mti滤波器具有更窄的阻带、更窄的过渡带和更好的通带幅频响应特性。传统高阶mti滤波器的阻带和过渡带较宽，慢速车辆的多普勒频率落入其阻带或过渡带内而被抑制；而本发明设计的mti滤波器的过渡带远窄于传统滤波器，慢速车辆的多普勒频率位于通带内，幅频响应值接近0 db（即几乎无衰减）。本发明从根本上解决了传统mti滤波器或基于零点配置的mti滤波器因阻带或过渡带过宽而造成慢速车辆漏检的技术难题。

37、（3）本发明无需像自适应mti滤波方法一样从参考单元中选取杂波样本去估计杂波的协方差矩阵，也无需进行矩阵求逆等高复杂度运算，仅需根据雷达系统参数和杂波先验信息离线或在线单次求解约束优化问题即可获得滤波器系数，显著降低了静止杂波抑制的计算复杂度，避免了参考单元中车辆回波对杂波样本的污染问题，提高了静止杂波抑制与车辆检测的实时性和可靠性，更适用于面向道路交通监视雷达的实时车辆检测任务。