CN105539447A - 基于组合波形的汽车变道辅助系统的信号处理方法和汽车变道辅助系统 - Google Patents

Abstract

基于组合波形的汽车变道辅助系统的信号处理方法，属于信号处理领域，用于对汽车行驶后方，毫米波雷达波束覆盖范围内的目标，实现相对距离、相对速度以及方向角的解算，技术要点是：S1.对各段波形，A/D采集到的IQ数据，进行FFT计算；S2.将各段波形FFT变换后的复数模值做门限检测，输出过门限对应的复数模值最大的点的位置；S3.计算得到恒频段的多普勒频率值；S4.计算得到锯齿波段的差频频率值；S5.计算相对速度值。

Description

基于组合波形的汽车变道辅助系统的信号处理方法和汽车变道辅助系统

技术领域

本发明属于信号处理领域，尤其涉及一种汽车变道辅助系统的信号处理方法。

背景技术

变道辅助系统也称盲区监测，作为一项汽车智能安全技术，能够通过安装的电子控制系统，在左右两个后视镜内或者其他地方提醒驾驶者后方安全范围内有无障碍物或来车，从而消除视线盲区，提高行车安全。

目前有代表性的变道辅助系统有以下三类：

一、奔驰新E级上的变道辅助设备。该装置是通过汽车两侧安装的传感器探知两侧后方是否有车辆，并将信息通过电脑系统控制，在左右两个后视镜内或者其他地方提醒驾驶者后方的来车。

二、沃尔沃的变道辅助叫盲点信息系统。变道辅助系统采用外后视镜根部的摄像头会对距离3米宽，9.5米长的一个扇形盲区进行25帧/秒的图像监控，如果有速度大于10公里/小时，且与车辆本身速度差在20-70公里/小时之间的移动物体(车辆或者行人)进入该盲区，系统对比每帧图像，当系统认为目标进一步接近时，A柱上的警示灯就会亮起，防止出现事故。

三、奥迪的变道辅助叫侧向辅助系统。这套系统会在车速超过60公里/小时介入，依靠传感器的帮助，奥迪侧向辅助系统可以探测到侧后方最远50米处的车辆，若此时变道有潜在危险，后视镜上就会亮起警示灯。

发明内容

为了对汽车行驶后方，毫米波雷达波束覆盖范围内的目标，实现相对距离、相对速度以及方向角的解算，本发明提出了一种基于组合波形的汽车变道辅助系统的信号处理方法。

本发明的技术方案是：一种基于组合波形的汽车变道辅助系统的信号处理方法，所述波形包括恒频波CW和锯齿波FMCW，该方法包括以下步骤：

S1.对各段波形，A/D采集到的IQ数据，进行FFT计算；

S2.将各段波形FFT变换后的复数模值做门限检测，输出过门限对应的复数模值最大的点的位置；

S3.计算得到恒频段的多普勒频率值；

S4.计算得到锯齿波段的差频频率值；

进一步的，所述方法还包括步骤：S5.计算相对速度值。

进一步的，所述方法还包括步骤：S6.计算相对距离值。

进一步的，所述方法还包括步骤：S7.计算方向角。

进一步的，在步骤S1中，对通道1中的第一段恒频波CW、第二段锯齿波FMCW，A/D采集到的IQ数据，选取各段线性度高的256点数据，分别进行256点FFT，对通道2中的第一段恒频波CW，A/D采集到的IQ数据，选取各段线性度高的256点数据，分别进行256点FFT。

进一步的，步骤S2中，设通道1中，第一段恒频波CW，过门限点的复数模值最大的点的坐标为a，第二段锯齿波FMCW，过门限点的复数模值最大的点的坐标为b，设通道2中，第一段恒频波CW，过门限点的复数模值最大的点的坐标为c；若过门限的位置点等于1，则认为其是直流分量，不作为目标判定，直接剔除该位置点。

进一步的，通道1中，第一段恒频波CW，过门限点的复数模值最大的点的坐标为a，根据如下规则，则该点对应的多普勒频率为fd_a，通道2中，第一段恒频波CW，过门限点的复数模值最大的点的坐标为c，根据如下规则，则该点对应的多普勒频率为fd_c；

该规则为，若点数为1≤x≤128，判断目标靠近，其对应点上的多普勒频率若点数为128＜x≤256，判断目标远离，其对应点上的多普勒频率 $fd=-\frac{(256-(x-1\left)\right)*f_s}{256},$ 其中f_s为采样频率。

进一步的，通道1中，第二段锯齿波FMCW，过门限点的复数模值最大的点的坐标为b，根据如下规则，则该点对应的差频频率值为fo_b；

该规则为，即若点数为1≤y≤128，其对应点上的差频频率值若点数为128＜y≤256，其对应点上的差频频率值其中f_s为采样频率。

进一步的，根据得到的多普勒频率值fd_a，计算目标的速度v，计算速度公式为其中，c为光速，f为中心频率；

进一步的，根据恒频段计算得到的多普勒频率值fd_a，以及锯齿波段得到的差频频率值fo_b，计算目标的距离R，计算距离公式为其中，T为每一段波形的作用时间，B为调频带宽，fd为多普勒频率值，fo为差频频率值。

进一步的，通道1中，第一段恒频波CW过门限点的位置a，根据如下计算方法计算对应点上的相位值，得到相位矩阵为ψ_a，通道2中，第一段恒频波CW过门限点的位置b，根据如下计算方法计算对应点上的相位值，得到相位矩阵为ψ_b；计算通道1的第一段恒频波CW和通道2的第一段恒频波CW1之间的相位差，根据计算公式 ${\mathrm{\Δ\ψ}}_{ac}=\arctan ({\mathrm{\ψ}}_c-{\mathrm{\ψ}}_a)=\arctan \left(\frac{tan\left({\mathrm{\ψ}}_c\right)-tan\left({\mathrm{\ψ}}_a\right)}{1+tan\left({\mathrm{\ψ}}_c\right)tan\left({\mathrm{\ψ}}_a\right)}\right)$ 得到相位差矩阵为Δψ_ac；根据公式方位角公式，得到目标的方向角，其中，d为天线间距，λ为波长。

本发明还涉及一种汽车变道辅助系统，执行上述任一项技术方案的基于组合波形的汽车变道辅助系统的信号处理方法。

有益效果：本发明给出了一种基于恒频波与锯齿波组合波形实现汽车变道辅助系统的信号处理方法，为相关设计人员提供一种对于波形设计以及目标相关信息解算的新思路；所述方法，可以实现对单目标的相对距离以及相对速度的检测，同时可以实现对目标方向角的检测功能。

附图说明

图1基于组合波形的汽车变道辅助系统信号处理流程图；

图2恒频波CW与锯齿波FMCW在一个扫频周期内的频率变化图。

具体实施方式

实施例1:一种基于组合波形的汽车变道辅助系统的信号处理方法，所述波形包括恒频波CW和锯齿波FMCW，本实施例给出了在中心频率f为24.128GHz工作频率下的具体波形图，第一段波形为恒频波CW，工作频率为24.128GHz，第二段波形为上升的锯齿波FMCW，工作频率变化范围为从24.128GHz变化到24.278GHz，带宽为150MHz，每一段的周期T为5ms。恒频波CW与锯齿波FMCW在一个扫频周期范围内的频率变化图如图1所示。

本实施例所涉及的方法，主要是对相对速度为80公里/小时，最大探测距离为50m，最小探测距离为1m的相邻车道上的目标车辆进行检测跟踪。根据探测到的目标的相对速度、相对距离以及方向角为变道提供警示依据等。

该方法包括以下步骤：

S1.对各段波形，A/D采集到的IQ数据，进行FFT计算；优选的，在步骤S1中，对通道1中的第一段恒频波CW、第二段锯齿波FMCW，A/D采集到的IQ数据，选取各段线性度高的256点数据，分别进行256点FFT，对通道2中的第一段恒频波CW，A/D采集到的IQ数据，选取各段线性度高的256点数据，分别进行256点FFT。其中，线性度高应该用指线性度好来表示会更好，线性度好意思就是采集的数据存在一定的线性关系，线性度不好，就是该段的数据没有呈现出一定的线性关系，表现出的是非线性关系等特点。为了更准确的分析数据，所以在采集到的数据中只选取呈现出线性关系的部分做FFT分析。

S2.将各段波形FFT变换后的复数模值做门限检测，输出过门限对应的复数模值最大的点的位置；优选的，设通道1中，第一段恒频波CW，过门限点的复数模值最大的点的坐标为a，第二段锯齿波FMCW，过门限点的复数模值最大的点的坐标为b，设通道2中，第一段恒频波CW，过门限点的复数模值最大的点的坐标为c；若过门限的位置点等于1，则认为其是直流分量，不作为目标判定，直接剔除该位置点。

S3.计算得到恒频段的多普勒频率值；优选的，通道1中，第一段恒频波CW，过门限点的复数模值最大的点的坐标为a，根据如下规则，则该点对应的多普勒频率为fd_a，通道2中，第一段恒频波CW，过门限点的复数模值最大的点的坐标为c，根据如下规则，则该点对应的多普勒频率为fd_c；

该规则为，若点数为1≤x≤128，判断目标靠近，其对应点上的多普勒频率若点数为128＜x≤256，判断目标远离，其对应点上的多普勒频率 $fd=-\frac{(256-(x-1\left)\right)*f_s}{256},$ 其中f_s为采样频率。

S4.计算得到锯齿波段的差频频率值；优选的，通道1中，第二段锯齿波FMCW，过门限点的复数模值最大的点的坐标为b，根据如下规则，则该点对应的差频频率值为fo_b；

该规则为，即若点数为1≤y≤128，其对应点上的差频频率值若点数为128＜y≤256，其对应点上的差频频率值其中f_s为采样频率。

本实施例针对中心频率在24GHz或77GHz，基于恒频波调制的CW信号以及锯齿波调制的FMCW信号组合而成的波形，根据该调制波形实现一种汽车变道辅助系统信号处理的方法。由该方法设计的汽车变道辅助系统可以实现对汽车行驶后方，毫米波雷达波束覆盖范围内的目标，实现相对距离、相对速度以及方向角的解算。

实施例2:具有与实施例1任一项方案相同的技术方案，更为具体的是：所述方法还包括：S5.计算相对速度值。根据得到的多普勒频率值fd_a，计算目标的速度v，计算速度公式为其中，c为光速，c＝3×10⁸，f为中心频率，f＝24.128GHz。

实施例3：具有与实施例1或2相同的技术方案，更为具体的是，该方法还包括步骤：S6.计算相对距离值。根据恒频段计算得到的多普勒频率值fd_a，以及锯齿波段得到的差频频率值fo_b，计算目标的距离R，计算距离公式为其中，T为每一段波形的作用时间，T＝5ms，B为调频带宽，B＝150MHz，fd为多普勒频率值，fo为差频频率值。

实施例4:具有与实施例1或2或3相同的技术方案，更为具体的是，该方法还包括步骤：S7.计算方向角。通道1中，第一段恒频波CW过门限点的位置a，根据如下计算方法计算对应点上的相位值，得到相位矩阵为ψ_a，通道2中，第一段恒频波CW过门限点的位置b，根据如下计算方法计算对应点上的相位值，得到相位矩阵为ψ_b；计算通道1的第一段恒频波CW和通道2的第一段恒频波CW1之间的相位差，根据计算公式得到相位差矩阵为Δψ_ac；根据公式方位角公式，得到目标的方向角，其中，d＝7.5mm为天线间距，λ＝12.4mm为波长。 ${\mathrm{\Δ\ψ}}_{ac}=\arctan ({\mathrm{\ψ}}_c-{\mathrm{\ψ}}_a)=\arctan \left(\frac{tan\left({\mathrm{\ψ}}_c\right)-tan\left({\mathrm{\ψ}}_a\right)}{1+tan\left({\mathrm{\ψ}}_c\right)tan\left({\mathrm{\ψ}}_a\right)}\right).$

实施例5:一种基于组合波形的汽车变道辅助系统的信号处理方法，与实施例1-4中装置中的装置相对应的方法，包括：

S1.对各段波形，A/D采集到的IQ数据，进行FFT计算；

S2.将各段波形FFT变换后的复数模值做门限检测，输出过门限对应的复数模值最大的点的位置；

S3.计算得到恒频段的多普勒频率值；

S4.计算得到锯齿波段的差频频率值。

S5.计算相对速度值；

S6.计算相对距离值。

S7.计算方向角。

实施例6:一种汽车变道辅助系统，执行实施例1或2或3或4中任一项技术方案的基于组合波形的汽车变道辅助系统的信号处理方法。

本实施例所设计恒频波与锯齿波的组合波形，以及波形所涉及的参数选取不局限于本实施例公开的参数，本领域技术人员可以根据具体应用场景，选取不同的设计参数，或是对波形进行改进等；在本发明披露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于组合波形的汽车变道辅助系统的信号处理方法，其特征在于，所述波形包括恒频波CW和锯齿波FMCW，该方法包括以下步骤：

S1.对各段波形，A/D采集到的IQ数据，进行FFT计算；

S2.将各段波形FFT变换后的复数模值做门限检测，输出过门限对应的复数模值最大的点的位置；

S3.计算得到恒频段的多普勒频率值；

S4.计算得到锯齿波段的差频频率值。

2.如权利要求1所述的基于组合波形的汽车变道辅助系统的信号处理方法，其特征在于，还包括步骤：

S5.计算相对速度值；

S6.计算相对距离值。

3.如权利要求1或2所述基于组合波形的汽车变道辅助系统的信号处理方法，其特征在于，还包括步骤：S7.计算方向角。

4.如权利要求1所述的基于组合波形的汽车变道辅助系统的信号处理方法，其特征在于，在步骤S1中，对通道1中的第一段恒频波CW、第二段锯齿波FMCW，A/D采集到的IQ数据，选取各段线性度高的256点数据，分别进行256点FFT，对通道2中的第一段恒频波CW，A/D采集到的IQ数据，选取各段线性度高的256点数据，分别进行256点FFT；步骤S2中，设通道1中，第一段恒频波CW，过门限点的复数模值最大的点的坐标为a，第二段锯齿波FMCW，过门限点的复数模值最大的点的坐标为b，设通道2中，第一段恒频波CW，过门限点的复数模值最大的点的坐标为c；若过门限的位置点等于1，则认为其是直流分量，不作为目标判定，直接剔除该位置点。

5.如权利要求1所述的基于组合波形的汽车变道辅助系统的信号处理方法，其特征在于，步骤S3中，通道1中，第一段恒频波CW，过门限点的复数模值最大的点的坐标为a，根据如下规则，则该点对应的多普勒频率为fd_a，通道2中，第一段恒频波CW，过门限点的复数模值最大的点的坐标为c，根据如下规则，则该点对应的多普勒频率为fd_c；

该规则为，若点数为1≤x≤128，判断目标靠近，其对应点上的多普勒频率若点数为128＜x≤256，判断目标远离，其对应点上的多普勒频率 $fd=-\frac{(256-(x-1\left)\right)*f_s}{256},$ 其中f_s为采样频率。

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S4中，通道1中，第二段锯齿波FMCW，过门限点的复数模值最大的点的坐标为b，根据如下规则，则该点对应的差频频率值为fo_b；

该规则为，若点数为1≤y≤128，其对应点上的差频频率值若点数为128＜y≤256，其对应点上的差频频率值其中f_s为采样频率。

7.如权利要求2所述的基于组合波形的汽车变道辅助系统的信号处理方法，步骤S5中，根据得到的多普勒频率值fd_a，计算目标的速度v，计算速度公式为其中，c为光速，f为中心频率。

8.如权利要求2所述的基于组合波形的汽车变道辅助系统的信号处理方法，其特征在于，步骤S6中，根据恒频段计算得到的多普勒频率值fd_a，以及锯齿波段得到的差频频率值fo_b，计算目标的距离R，计算距离公式为其中，T为每一段波形的作用时间，B为调频带宽，fd为多普勒频率值，fo为差频频率值。

9.如权利要求3所述的基于组合波形的汽车变道辅助系统的信号处理方法，其特征在于，步骤S7中，通道1中，第一段恒频波CW过门限点的位置a，根据如下计算方法计算对应点上的相位值，得到相位矩阵为ψ_a，通道2中，第一段恒频波CW过门限点的位置b，根据如下计算方法计算对应点上的相位值，得到相位矩阵为ψ_b；计算通道1的第一段恒频波CW和通道2的第一段恒频波CW1之间的相位差，根据计算公式 ${\mathrm{\Δ\ψ}}_{ac}=\arctan ({\mathrm{\ψ}}_c-{\mathrm{\ψ}}_a)=\arctan \left(\frac{tan\left({\mathrm{\ψ}}_c\right)-tan\left({\mathrm{\ψ}}_a\right)}{1+tan\left({\mathrm{\ψ}}_c\right)tan\left({\mathrm{\ψ}}_a\right)}\right)$ 得到相位差矩阵为Δψ_ac；根据公式方位角公式，得到目标的方向角，其中，d为天线间距，λ为波长。

10.一种汽车变道辅助系统，执行权利要求1-9中任一项所述的基于组合波形的汽车变道辅助系统的信号处理方法。