CN104730507A - 基于预调制aic雷达距离成像的车载路障告警方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于路障告警技术领域，更进一步涉及基于预调制AIC雷达距离成像的车载路障告警方法，其具体步骤为：当车辆行驶时，利用逆合成孔径雷达接收目标散射点反射的回波信号，对回波信号进行相干解调得到基带线性调频回波信号x(t)；采用预调制型模拟信息转换器，对基带线性调频回波信号x(t)进行降采样处理，得到降采样观测信号；对降采样观测信号进行稀疏重构得到目标散射点的距离像；对目标散射点的高分辨距离像进行恒虚警检测，得出目标检测结果；根据所述目标检测结果，判断是否达到报警条件；如果达到，控制报警器发出报警信号。

Description

基于预调制AIC雷达距离成像的车载路障告警方法

技术领域

本发明属于路障告警技术领域，更进一步涉及一种基于预调制AIC(Analog Information Converter，模拟信息转换器)雷达高分辨距离成像技术的车载路障告警方法。本发明采用预调制AIC降采样结构实现车载雷达系统中的雷达回波的降采样处理，以解决车载雷达中的超大数据的采集、存储和传输等问题，降低车载雷达系统的复杂度和成本，便于实现雷达信号处理和距离高分辨成像。

背景技术

逆合成孔径成像雷达可以有效实现目标的二维高分辨成像,具有全天候、全天时、远距离作用的特点，被广泛应用于对飞机、导弹、舰船等目标的图像获取和分类识别中,具有重要的军事和民用价值。随着实际需求的不断发展，逆合成孔径成像雷达在车载路障告警系统方面的优势逐步体现。相对于普通的基于视频捕获、超声波探测或无线电收发等手段的路障告警系统，基于逆合成孔径成像的车载雷达以其高距离分辨率、大信号带宽、强穿透力、强抗干扰性而具有强大的技术优势来通过雷达探测和成像实现行车道路障碍物的检测和告警等众多功能。但是由于其自身特点对系统要求和信号处理都带来了巨大的挑战。

现有技术中，传统Nyquist采样限制了信号带宽，无法实现更高分辨率的距离成像，对雨雾天气的抵抗能力一般，而使用高载频雷达波时对于大带宽的雷达信号的数据采样、存储以及传输并未涉及如何处理，并且所带来的车载雷达系统的复杂度和成本也是极高的。

发明内容

本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提出基于预调制AIC雷达距离成像的车载路障告警方法，对基于逆合成孔径成像的车载雷达系统中对大带宽信号进行降采样处理实现稀疏重构出目标的高分辨距离像。

为实现上述技术目的，本发明采用如下技术方案予以实现。

基于预调制AIC雷达距离成像的车载路障告警方法包括以下步骤：

步骤1，在车辆上安装用于接收车辆前方目标回波信号的逆合成孔径雷达；当车辆行驶时，利用逆合成孔径雷达向外发射信号，利用逆合成孔径雷达接收目标散射点反射的回波信号，对回波信号进行相干解调得到基带线性调频回波信号x(t)，t表示时间；

步骤2，采用预调制型模拟信息转换器，对基带线性调频回波信号x(t)进行降采样处理，得到降采样观测信号；

步骤3，对降采样观测信号进行稀疏重构得到目标散射点的距离像；

步骤4，对目标散射点的高分辨距离像进行恒虚警检测，得出目标检测结果；根据所述目标检测结果，判断目标的类别；根据每个目标信号所处在的距离单元，得出当前时刻对应目标相对于车辆的距离、以及当前时刻对应目标相对于车辆的速度；根据当前时刻对应目标相对于车辆的速度，当前时刻第对应目标对应的安全刹车距离；根据对应目标的类别、当前时刻对应目标相对于车辆的距离、当前时刻对应目标相对于车辆的速度、以及当前时刻第对应目标对应的安全刹车距离，判断是否达到报警条件；如果达到，控制报警器发出报警信号。

本发明的有益效果为：第一，本发明将预调制AIC引入到基于逆合成孔径成像的车载雷达系统中，解决了现有技术中车载雷达的回波信号带宽过大导致的超大数据量的问题，克服了超大数据采集、存储和传输较难的缺点，使得本发明系统明显减小了大带宽信号对系统带来的不利影响，有利于提高基于逆合成孔径成像的车载雷达性能并降低成本。第二，本发明采用对基于预调制AIC降采样的高载频雷达回波进行稀疏重构的方法对雷达回波信号进行距离高分辨成像，克服了现有技术中处理对高载频雷达回波距离高分辨成像较难的缺点，使得本发明的方法明显提高了成像分辨率。

附图说明

图1为本发明的基于预调制AIC雷达距离成像的车载路障告警方法的流程示意图；

图2为本发明实施例的预调制AIC的降采样处理过程示意图；

图3a为本发明的实验中利用稀疏重构得出I路信号时域图；

图3b为本发明的实验中利用稀疏重构得出Q路信号时域图；

图4a为本发明的实验中得出第一目标的距离成像示意图；

图4b为本发明的实验中得出第二目标的距离成像示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明：

参照图1，为本发明的基于预调制AIC雷达距离成像的车载路障告警方法的流程示意图。该基于预调制AIC雷达距离成像的车载路障告警方法包括以下步骤：

步骤1，在车辆上安装用于接收车辆前方目标回波信号的逆合成孔径雷达，例如，逆合成孔径雷达设置在车辆前方中部。将逆合成孔径雷达的信号输出端电连接信号处理单元，将信号处理单元电连接报警器，所述报警器为扬声器或显示器等声光媒介，该报警器安装在驾驶操控台上。

当车辆行驶时，利用逆合成孔径雷达向外发射信号，利用逆合成孔径雷达接收目标散射点反射的回波信号，对回波信号进行相干解调得到基带线性调频回波信号x(t)，t表示时间。

步骤2，采用预调制型模拟信息转换器，对基带线性调频回波信号x(t)进行降采样处理，得到降采样观测信号。

参照图2，为本发明实施例的预调制AIC的降采样处理过程示意图。步骤2的具体子步骤为：

(2.1)将基带线性调频回波信号x(t)与设置的随机调制序列信号p_c(t)相乘，得到随机解调的回波信号x'(t)。本发明实施例中，随机调制序列信号p_c(t)按照下式获得：

也就是说，p_c(t)有50％的概率为1，有50％的概率为-1，随机调制序列信号p_c(t)在±1之间变化；随机调制序列信号p_c(t)的变化速率W大于等于基带线性调频回波信号x(t)的Nyquist采样速率，这样做的目的是为了将x(t)的频域信息扩展到整个频谱，使得它不会被接下来的处理破坏掉。

(2.2)对随机解调的回波信号x'(t)进行低通滤波处理，得出低通滤波后的雷达信号。

(2.3)对低通滤波后的雷达信号过A/D采样，得到降采样观测信号。

在步骤2中，将A/D采样的速率表示为R，则基带线性调频回波信号x(t)进行降采样处理时的降采样速率K＝W/R；在降采样观测信号中，第m个观测值y(m)为：

${y\left(m\right)={\∫}_{-\∞}^{\∞}x\left(\mathrm{\τ}\right)p_c\left(\mathrm{\τ}\right)h(t-\mathrm{\τ})\mathrm{d\τ}|}_{t=m/R}$

其中，t＝m/R，h(t)表示低通滤波器的系统函数，∫()dτ表示进行积分运算。

优选地，在步骤2中，低通滤波的带宽B一般应与R之间满足Nyquist采样定理，即B≤R/2。

步骤3，对降采样观测信号进行稀疏重构得到目标散射点的距离像。

其具体子步骤为：

(3.1)将雷达回波进行稀疏表示。设逆合成孔径雷达观测区间内的距离分辨率为d₀，整个逆合成孔径雷达的观测区间可以划分为N个距离单元，将逆合成孔径雷达的观测区间内第n个距离单元的目标散射系数表示为α_n，α_n为待求值，n取1至N。逆合成孔径雷达的观测区间内第n个距离单元没有目标，则α_n＝0，否则，α_n≠0。

用矢量α表示位于不同距离单元的散射中心：

α＝[α₁ α₂ … α_N]^T

其中，上标T表示矩阵或向量的共轭转置。一般目标散射点在整个雷达观测区域只占少数，即对应到α中非零元素的个数K远小于观测区域的距离单元数N，显然此时雷达的回波(包含目标散射点信息)可以进行稀疏表示。

根据逆合成孔径雷达发射信号的包络建立稀疏基Ψ：

$\mathrm{\Ψ}=\left\{{\mathrm{\Ψ}}_n\left(t\right)\right|{\mathrm{\Ψ}}_n\left(t\right)=s_0(t-\frac{{2r}_n\left(t\right)}{c}),n\∈\{\mathrm{1,2},...,N\}\}$

其中，Ψ_n(t)是逆合成孔径雷达的观测区间内第n个距离单元反射的回波的包络，r_n(t)是t时刻逆合成孔径雷达的观测区间内第n个距离单元到雷达的作用距离，c是光速，N是整个逆合成孔径雷达的观测区间内的距离单元个数。s₀(t)表示逆合成孔径雷达的发射信号的包络。稀疏基Ψ是大小为M×N的矩阵，稀疏基Ψ的第n列为Ψ_n(t)，Ψ_n(t)是大小为M×1的矢量，M为自然数，例如，M表示整个逆合成孔径雷达的观测区间内方位单元个数。

将基带线性调频回波信号x(t)按照以下公式进行稀疏表示：

x(t)＝Ψα+n_R(t)

其中，α即为目标散射点的稀疏系数矢量，也是需要重构的矢量，矢量中非零元素的支撑集和幅度分别表示了目标散射点的位置和目标的散射系数，n_R(t)表示设定的接收机噪声。可以用相关的压缩感知算法重构出目标的一维距离像。

(3.2)根据降采样观测信号，对稀疏表示的基带线性调频回波信号进行重构，得出目标散射点的高分辨距离像，本发明中采用稀疏贝叶斯算法对稀疏表示的基带线性调频回波信号进行重构。

步骤4，对目标散射点的高分辨距离像进行恒虚警检测，得出目标检测结果；根据所述目标检测结果，判断目标的类别；根据每个目标信号所处在的距离单元，得出当前时刻对应目标相对于车辆的距离、以及当前时刻对应目标相对于车辆的速度；根据当前时刻对应目标相对于车辆的速度，当前时刻第对应目标对应的安全刹车距离；根据对应目标的类别、当前时刻对应目标相对于车辆的距离、当前时刻对应目标相对于车辆的速度、以及当前时刻第对应目标对应的安全刹车距离，判断是否达到报警条件；如果达到，控制报警器发出报警信号。

其具体子步骤为：

(4.1)对目标散射点的高分辨距离像进行恒虚警检测，得出目标检测结果。

具体地，对目标散射点的高分辨距离像进行恒虚警检测的过程为：针对目标散射点的高分辨距离像，选取待检测距离单元左边相邻的L个距离单元和待检测距离单元右边相邻的L个距离单元作为参考距离单元，同时为了防止相邻目标的干扰，一般在2L个参考距离单元左侧相邻的Q个距离单元和2L个参考距离单元右侧相邻的Q个距离单元作为保护单元，Q取1或2。得出2L个参考距离单元的信号幅度的平均值，将得出的平均值和设定的恒虚警门限系数相乘，如果相乘结果大于待检测距离单元的信号幅度，则认为待检测距离单元存在目标，否则，认为待检测距离单元不存在目标。恒虚警目标检测质量的好坏取决于参考距离单元数目和恒虚警门限系数的选取，合适的参考距离单元数目和恒虚警门限系数，不仅可以减少运算量，同时还能够提高目标检测的正确概率，减低虚警率。本发明实施例中，设定恒虚警门限系数为1.7。

(4.2)在子步骤(4.1)得出的目标检测结果中，根据每个目标信号所处在的距离单元，得出当前时刻对应目标相对于车辆的距离；根据当前时刻每个目标相对于车辆的距离、上一次得出的对应目标相对于车辆的距离、以及逆合成孔径雷达的采样间隔，计算得出当前时刻对应目标相对于车辆的速度(以靠近车载雷达方向为速度的正方向)。

根据子步骤(4.1)得出的目标检测结果，判断每个目标的信号峰值幅度是否大于设定的幅度门限值，如果大于，则对应的目标属于车辆类别，否则，对应的目标属于路面突起类别。本发明实施例中，设定的幅度门限值为3*10⁶/R⁴，其中R为当前时刻目标相对于车辆的距离，单位为米。

(4.3)根据当前时刻每个目标相对于车辆的速度，计算出当前时刻每个目标对应的安全刹车距离。当前时刻第i个目标对应的安全刹车距离S_i为：

其中，v_i,相对表示当前时刻第i个目标相对于车辆的速度。

(4.4)判断任一目标是否达到报警条件，如果达到，则向报警器发送报警控制信号，报警器发出报警信号，以提示驾驶员。所述报警条件为第一报警触发条件或第二报警触发条件，上述第一报警触发条件为：对应目标属于车辆类别，且当前时刻对应目标相对于车辆的距离小于当前时刻对应目标对应的安全刹车距离；上述第二报警触发条件为：对应目标属于路面突起类别，且当前时刻对应目标相对于车辆的速度大于40km/h。

下面结合实验对本发明加以说明：

1)雷达发射信号参数：信号波形为线性调频信号，频带宽度B＝250MHz，调制频率f＝100Hz，调制斜率K＝Bf，中心频率为24GHz。目标特性：两个目标(第一目标和第二目标)，目标与雷达距离分别为2.4米和9.3米，静止目标。

2)按照本发明对逆合成孔径雷达接收的回波信号进行处理，信号处理单元采用DSP。参照图3a，为本发明的实验中利用稀疏重构得出I路信号时域图，参照图3b，为本发明的实验中利用稀疏重构得出Q路信号时域图，图3a和图3b中，横轴表示采样点序号，单位为1，纵轴表示采样值的幅度，单位是1.2207mV每单位1(不同采样器件度量大小不一)。参照图4a，为本发明的实验中得出第一目标的距离成像示意图，参照图4b，为本发明的实验中得出第二目标的距离成像示意图；图4a和图4b中，横轴表示目标距离，单位为米，纵轴表示目标幅值强度，单位是1.25V每单位1(不同采样器件度量大小不一)。按照本发明的步骤可以发现两个目标均为型目标(车辆等大型障碍物)，也可以得出某个时刻目标相对于车辆的距离和相对速度，例如，某个时刻第一目标相对于车辆的距离为2.341733m，第一目标相对于车辆的速度为0.6103516m/s；该时刻第二目标相对于车辆的距离为9.90733m，第二目标相对于车辆的速度为0.6103516m/s；根据本发明的公式进行计算可知，对应时刻相对每个目标的安全刹车距离均为3.6*10^-3m，，因此均不会触发报警。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (7)

1.基于预调制AIC雷达距离成像的车载路障告警方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，在车辆上安装用于接收车辆前方目标回波信号的逆合成孔径雷达；当车辆行驶时，利用逆合成孔径雷达向外发射信号，利用逆合成孔径雷达接收目标散射点反射的回波信号，对回波信号进行相干解调得到基带线性调频回波信号x(t)，t表示时间；

步骤2，采用预调制型模拟信息转换器，对基带线性调频回波信号x(t)进行降采样处理，得到降采样观测信号；

步骤3，对降采样观测信号进行稀疏重构得到目标散射点的距离像；

步骤4，对目标散射点的高分辨距离像进行恒虚警检测，得出目标检测结果；根据所述目标检测结果，判断目标的类别；根据每个目标信号所处在的距离单元，得出当前时刻对应目标相对于车辆的距离、以及当前时刻对应目标相对于车辆的速度；根据当前时刻对应目标相对于车辆的速度，当前时刻第对应目标对应的安全刹车距离；根据对应目标的类别、当前时刻对应目标相对于车辆的距离、当前时刻对应目标相对于车辆的速度、以及当前时刻第对应目标对应的安全刹车距离，判断是否达到报警条件；如果达到，控制报警器发出报警信号。

2.如权利要求1所述的基于预调制AIC雷达距离成像的车载路障告警方法，其特征在于，所述步骤2的具体子步骤为：

(2.1)将基带线性调频回波信号x(t)与设置的随机调制序列信号p_c(t)相乘，得到随机解调的逆合成孔径回波信号x'(t)；p_c(t)有50％的概率为1，有50％的概率为-1，随机调制序列信号p_c(t)的变化速率W大于等于基带线性调频回波信号x(t)的Nyquist采样速率；

(2.2)对随机解调的逆合成孔径回波信号x'(t)进行低通滤波处理，得出低通滤波后的逆合成孔径雷达信号；

(2.3)对低通滤波后的逆合成孔径雷达信号过A/D采样，得到降采样观测信号。

3.如权利要求2所述的基于预调制AIC雷达距离成像的车载路障告警方法，其特征在于，在步骤2中，将A/D采样的速率表示为R；在降采样观测信号中，第m个观测值y(m)为：

$y\left(m\right)={\∫}_{-\∞}^{\∞}x\left(\mathrm{\τ}\right)p_c\left(\mathrm{\τ}\right)h(t-\mathrm{\τ})\mathrm{d\τ}{|}_{t=m/R}$

其中，t＝m/R，h(t)表示低通滤波器的系统函数，∫()dτ表示进行积分运算。

4.如权利要求2所述的基于预调制AIC雷达距离成像的车载路障告警方法，其特征在于，在步骤2中，低通滤波的带宽B与A/D采样的速率R满足以下关系：B≤R/2。

5.如权利要求1所述的基于预调制AIC雷达距离成像的车载路障告警方法，其特征在于，所述步骤3的具体子步骤为：

(3.1)将整个逆合成孔径雷达的观测区间划分为N个距离单元，将逆合成孔径雷达的观测区间内第n个距离单元的目标散射系数表示为α_n，α_n为待求值，n取1至N；用矢量α表示位于不同距离单元的散射中心：

α＝[α₁ α₂ … α_N]^T

其中，上标T表示矩阵或向量的共轭转置；

根据逆合成孔径雷达发射信号的包络建立稀疏基Ψ：

$\mathrm{\Ψ}=\left\{{\mathrm{\Ψ}}_n\left(t\right)\right|{\mathrm{\Ψ}}_n\left(t\right)=s_0(t-\frac{2r_n\left(t\right)}{c}),n=\{\mathrm{1,2},...,N\}\}$

其中，稀疏基Ψ的第n列为Ψ_n(t)，Ψ_n(t)是大小为M×1的矢量，M为自然数；

将基带线性调频回波信号x(t)按照以下公式进行稀疏表示：

x(t)＝Ψα+n_R(t)

其中，n_R(t)表示设定的接收机噪声；

(3.2)根据降采样观测信号，对稀疏表示的基带线性调频回波信号进行重构，得出目标散射点的距离像。

6.如权利要求5所述的基于预调制AIC雷达距离成像的车载路障告警方法，其特征在于，在步骤3中，根据降采样观测信号，采用稀疏贝叶斯算法对稀疏表示的基带线性调频回波信号进行重构。

7.如权利要求1所述的基于预调制AIC雷达距离成像的车载路障告警方法，其特征在于，所述步骤4的具体子步骤为：

(4.1)对目标散射点的高分辨距离像进行恒虚警检测，得出目标检测结果；

(4.2)在所述目标检测结果中，根据每个目标信号所处在的距离单元，得出当前时刻对应目标相对于车辆的距离；根据当前时刻每个目标相对于车辆的距离、上一次得出的对应目标相对于车辆的距离、以及逆合成孔径雷达的采样间隔，计算得出当前时刻对应目标相对于车辆的速度；

根据所述目标检测结果，判断每个目标的信号峰值幅度是否大于设定的幅度门限值，如果大于，则对应的目标属于车辆类别，否则，对应的目标属于路面突起类别；

(4.3)根据当前时刻每个目标相对于车辆的速度，计算出当前时刻每个目标对应的安全刹车距离；

(4.4)判断任一目标是否达到报警条件，如果达到，则向报警器发送报警控制信号，报警器发出报警信号；所述报警条件为第一报警触发条件或第二报警触发条件，所述第一报警触发条件为：对应目标属于车辆类别，且当前时刻对应目标相对于车辆的距离小于当前时刻对应目标对应的安全刹车距离；所述第二报警触发条件为：对应目标属于路面突起类别，且当前时刻对应目标相对于车辆的速度大于设定速度阈值。