CN108663676A - 一种新型组合导航中毫米波测速雷达系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种新型组合导航中毫米波测速雷达系统，该系统包括四个雷达信号收发单元，四个所述雷达信号收发单元成对对称设置于车体几何中心处；其中一对雷达信号收发单元的辐射信号方向指向车体前端且与水平向下呈一度夹角，雷达信号收发单元安装相对车体运行方向呈一定夹角。本申请提供的系统，基于4个雷达传感器合理结构布局和同时4路测速信号的融合算法处理，解决了因路面不平造成车体行进过程中颠簸或猛烈的震动，从而车体仰俯或倾斜导致雷达探测波束角度改变而造成的测速不准确问题。实现0.1m/s高精度测速，速度数据更新率达到10Hz。
Description
技术领域
本发明涉及电子信息技术技术领域，特别是涉及一种可实现不同路况下，车体不同姿态精准测速的新型组合导航中毫米波测速雷达系统。
背景技术
当前车体的测速装置，按照测速原理主要分为转动测速装置、GPS(北斗)定位测速装置和利用多普勒效应的雷达测速装置。转动测速装置不能克服发动机空转、车体滑行的问题，使其测速可读性不高；GPS(北斗)定位测速存在信号盲区、精度差的问题。
雷达测速具有精度高、抗干扰强和全天候、全天时的特点，同时根据多普勒的测速精度与雷达工作频率有关，且频率越高，多普勒频率越高，更容易准确测出车体运动的较低速度。而单个毫米波雷达测速存在因路面不平造成车体仰俯或倾斜引起的雷达辐射角度不确定，进一步出现影响测速不准确等问题。
发明内容
本发明提供了一种新型组合导航中毫米波测速雷达系统。该雷达系统安装在待测速度的车体上，测试其相对于大地的运动速度。因为大地路况复杂多变，本发明旨在实现不同路况下，车体不同姿态精准测速。
本发明提供了如下方案：
一种新型组合导航中毫米波测速雷达系统，包括：
四个雷达信号收发单元，四个所述雷达信号收发单元成对对称设置于车体几何中心处；其中一对雷达信号收发单元的辐射信号方向指向车体前端且与水平向下呈一度夹角，雷达信号收发单元安装相对车体运行方向呈一定夹角；另一对雷达信号收发单元的辐射信号方向指向车体后端且与水平向下呈一度夹角，雷达信号收发单元安装相对车体运行反方向呈一定夹角；
信号采集处理单元，四个所述雷达信号收发单元分别与所述信号采集处理单元相连；所述信号采集处理单元用于采用多普勒公式分别对四个所述雷达信号收发单元的多普勒信息进行计算，获得四个所述雷达信号收发单元各自相对于地面的运行速度，以便对获得的四个所述雷达信号收发单元各自相对于地面的运行速度进行融合计算获得所述车体的运行速度。
优选的：所述毫米波雷达信号收发单元包括双接收机单片集成电路BGT24ATR12，所述毫米波雷达信号收发单元用于向地面发射毫米波雷达探测信号以及接收地面发射的雷达信号。
优选的：所述双接收机单片集成电路BGT24ATR12连接有锁相芯片ADF4158。
优选的：还包括中频信号放大滤波单元，四个所述雷达信号收发单元分别与所述中频信号放大滤波单元相连；所述中频信号放大滤波单元包括相连的OPA2836芯片以及LMV774MT芯片。
优选的：所述信号采集处理单元与所述中频信号放大滤波单元相连；所述信号采集处理单元包括相连的EP4CE15F484芯片、STM32F7671GK6芯片以及ADS8353芯片。
优选的：四个所述雷达信号收发单元包括第一雷达信号收发单元、第二雷达信号收发单元、第三雷达信号收发单元以及第四雷达信号收发单元；所述第一雷达信号收发单元、第二雷达信号收发单元的辐射信号方向指向车体前端且与水平夹角θ为30度，雷达信号收发单元安装相对车体运行方向夹角ψ为30度；所述第三雷达信号收发单元以及第四雷达信号收发单元的辐射信号方向指向车体后端且与水平夹角θ为30度，雷达信号收发单元安装相对车体运行反方向夹角ψ为30度。
优选的：所述多普勒公式为：
式中：v为车体前行方向速度、Vp为雷达水平方向速度、Vr为车体在雷达辐射径向速度、c为光速、f0为发射毫米波频率24.125GHz、fd为车体运动多普勒。
优选的：计算四个所述雷达信号收发单元的功率谱重心作为车体运动多普勒fd；所述融合计算包括将四个所述雷达信号收发单元各自相对于地面的运行速度相加再求平均值。
优选的：第一雷达信号收发单元和第三雷达信号收发单元各自的辐射角变为θ+α和θ-α时；第一雷达信号收发单元测得多普勒频率为Fr1,第三雷达信号收发单元测得多普勒频率为Fr3，
由第一雷达信号收发单元和第三雷达信号收发单元可得：
其中Fr1、Fr3、θ为已知量，解方程组(1)、(2)可得车体运动多普勒fd。
优选的：第一雷达信号收发单元和第二雷达信号收发单元各自相对车体运动方向夹角变为ψ+α和ψ-α时；第一雷达信号收发单元测得多普勒频率为Fr1,第二雷达信号收发单元测得多普勒频率为Fr2；
由第一雷达信号收发单元和第二雷达信号收发单元可得：
其中Fr1、Fr2、ψ为已知量，解方程组(3)、(4)可得车体运动多普勒fd。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
通过本发明，可以实现一种新型组合导航中毫米波测速雷达系统，在一种实现方式下，该系统可以包括四个雷达信号收发单元，四个所述雷达信号收发单元成对对称设置于车体几何中心处；其中一对雷达信号收发单元的辐射信号方向指向车体前端且与水平向下呈一度夹角，雷达信号收发单元安装相对车体运行方向呈一定夹角；另一对雷达信号收发单元的辐射信号方向指向车体后端且与水平向下呈一度夹角，雷达信号收发单元安装相对车体运行反方向呈一定夹角；信号采集处理单元，四个所述雷达信号收发单元分别与所述信号采集处理单元相连；所述信号采集处理单元用于采用多普勒公式分别对四个所述雷达信号收发单元的多普勒信息进行计算，获得四个所述雷达信号收发单元各自相对于地面的运行速度，以便对获得的四个所述雷达信号收发单元各自相对于地面的运行速度进行融合计算获得所述车体的运行速度。本申请提供的系统，基于4个雷达传感器合理结构布局和同时4路测速信号的融合算法处理，解决了因路面不平造成车体行进过程中颠簸或猛烈的震动，从而车体仰俯或倾斜导致雷达探测波束角度改变而造成的测速不准确问题。实现0.1m/s高精度测速，速度数据更新率达到10Hz。
当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例提供的一种新型组合导航中毫米波测速雷达系统的示意图；
图2是本发明实施例提供的一种新型组合导航中毫米波测速雷达系统的另一示意图；
图3是本发明实施例提供的硬件连接框图；
图4是本发明实施例提供的系统测试速度时间曲线图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例
参见图1、图2、图3、图4，为本发明实施例提供的一种新型组合导航中毫米波测速雷达系统，如图1、图2、图3、图4所示，该系统包括四个雷达信号收发单元，四个所述雷达信号收发单元成对对称设置于车体几何中心处；其中一对雷达信号收发单元的辐射信号方向指向车体前端且与水平向下呈一度夹角，雷达信号收发单元安装相对车体运行方向呈一定夹角；另一对雷达信号收发单元的辐射信号方向指向车体后端且与水平向下呈一度夹角，雷达信号收发单元安装相对车体运行反方向呈一定夹角；
信号采集处理单元，四个所述雷达信号收发单元分别与所述信号采集处理单元相连；所述信号采集处理单元用于采用多普勒公式分别对四个所述雷达信号收发单元的多普勒信息进行计算，获得四个所述雷达信号收发单元各自相对于地面的运行速度，以便对获得的四个所述雷达信号收发单元各自相对于地面的运行速度进行融合计算获得所述车体的运行速度。
进一步的，所述毫米波雷达信号收发单元包括双接收机单片集成电路BGT24ATR12，所述毫米波雷达信号收发单元用于向地面发射毫米波雷达探测信号以及接收地面发射的雷达信号。BGT24ATR12是硅锗MMIC信号生成和接待,24GHz ISM的操作乐队从24.00到24.25GHz。它是基于一个24GHz基本电压控制振荡器。一个可切换的包括频率预定标器输出频率为1.5GHz和23千赫。飞机主要射频输出交付。11dBm电能来满足天线的信号。RC多相滤波器(PPF)是用于LO正交相位的一代的零差交downconversion混合器。输出功率传感器和温度传感器实现监控目的。通过SPI设备控制和制造0.18μm锗硅:C技术提供的截止频率200兆赫。MMIC封装在一个32针无铅通过无铅认证VQFN包。所述双接收机单片集成电路BGT24ATR12连接有锁相芯片ADF4158。还包括中频信号放大滤波单元，四个所述雷达信号收发单元分别与所述中频信号放大滤波单元相连；所述中频信号放大滤波单元包括相连的OPA2836芯片以及LMV774MT芯片。所述信号采集处理单元与所述中频信号放大滤波单元相连；所述信号采集处理单元包括相连的EP4CE15F484芯片、STM32F7671GK6芯片以及ADS8353芯片。
进一步的，四个所述雷达信号收发单元包括第一雷达信号收发单元、第二雷达信号收发单元、第三雷达信号收发单元以及第四雷达信号收发单元；所述第一雷达信号收发单元、第二雷达信号收发单元的辐射信号方向指向车体前端且与水平夹角θ为30度，雷达信号收发单元安装相对车体运行方向夹角ψ为30度；所述第三雷达信号收发单元以及第四雷达信号收发单元的辐射信号方向指向车体后端且与水平夹角θ为30度，雷达信号收发单元安装相对车体运行反方向夹角ψ为30度。所述多普勒公式为：
式中：v为车体前行方向速度、Vp为雷达水平方向速度、Vr为车体在雷达辐射径向速度、c为光速、f0为发射毫米波频率24.125GHz、fd为车体运动多普勒。计算四个所述雷达信号收发单元的功率谱重心作为车体运动多普勒fd；所述融合计算包括将四个所述雷达信号收发单元各自相对于地面的运行速度相加再求平均值。第一雷达信号收发单元和第三雷达信号收发单元各自的辐射角变为θ+α和θ-α时；第一雷达信号收发单元测得多普勒频率为Fr1,第三雷达信号收发单元测得多普勒频率为Fr3，
由第一雷达信号收发单元和第三雷达信号收发单元可得：
其中Fr1、Fr3、θ为已知量，解方程组(1)、(2)可得车体运动多普勒fd。
第一雷达信号收发单元和第二雷达信号收发单元各自相对车体运动方向夹角变为ψ+α和ψ-α时；第一雷达信号收发单元测得多普勒频率为Fr1,第二雷达信号收发单元测得多普勒频率为Fr2；
由第一雷达信号收发单元和第二雷达信号收发单元可得：
其中Fr1、Fr2、ψ为已知量，解方程组(3)、(4)可得车体运动多普勒fd。
在本申请提供的系统工作时，首先对雷达传感器辐射信号建模，对速度信号功率谱按照一定数据长度求其谱重心，把功率谱重心最为多普勒频率，计算车体的速度。
进一步建立4个毫米波雷达测速传感器数学模型：测速前端置于车体几何中心，毫米波雷达天线通过有限宽度的波束发射电磁波至车前地面。回波信号中附有车体相对路面的相对运动速度。
4个雷达单元辐射角度变化随车体前后俯仰、左右倾斜互补变化。雷达辐射方向与水平夹角θ为30度，雷达安装相对车体运行方向夹角ψ为30度；假设车体前行方向为v、雷达水平方向速度为Vp和车体在雷达辐射径向速度为Vr,则：vr＝vp·cos(θ)，vp＝v·cos(ψ)；从而可推导vr＝v·cos(θ)cos(ψ)；根据多普勒公式最终得出：其中c为光速，f0为发射毫米波频率24.125GHz。
假设引路面不平(安装不精准)，导致雷达辐射角仰俯变化α，则雷达1和雷达3辐射角变为θ+α和θ-α,假设车体仰俯，雷达1测得多普勒频率为Fr1,雷达3测得多普勒频率Fr3，
由雷达1和雷达3可得：
其中Fr1、Fr3、θ为已知(可测试)量，解方程组(1)、(2)可得车体运动多普勒fd。
该模型可解决车体振动引起车体前后仰俯造成的辐射角变化对雷达测速的影响。
同样由雷达1和雷达2可得：
其中Fr1、Fr2、ψ为已知(可测试)量，解方程组(3)、(4)可得车体运动多普勒fd。该模型可解决车体振动引起车体左右倾斜造成的辐射角变化对雷达测速的影响。
进一步的为实现上述测速模型，设计了毫米波雷达传感器硬件；其主要包括毫米波雷达前端、中频信号调理采集处理；
其中雷达前端基于英飞凌核心芯片BGT24ATR12，BGT24MTR12收发芯片最大输出功率12dBm，内部具有24GHz压控振荡器用于射频信号产生，RC多项滤波器用于本振信号与回波信号混频前相位正交信号的产生。同时加了锁相芯片ADF4158，避免了因信号频漂导致速度测量不准确的问题。
进一步的设计了而中频信号调理、采集处理电路链路，包含中频信号滤波、放大、采集单元、信号。存储单元和信号处理单元；基于FPGA+ARM自主研发的信号采集处理板。
进一步的在实现毫米波雷达传感器硬件链路设计基础上，进行软件开发。其中包括4雷达8路中频信号同步采集、存储及通信的驱动软件设计和信号处理算法；系统软件流程框图。
其中信号处理算法包含时域加窗、浮点2048点FFT变换、功率谱重心求解、多传感器数据融合算法、速度信息自适应滤波。
在完成硬件设计、软件设计及系统联调工作以后，装车测试，并对测速雷达进行标定和参数优化。
进一步的把准确的速度信息与惯性导航系统通信，完成速度信息传输。进而形成组合导航。
雷达前端基于英飞凌核心芯片BGT24ATR12，BGT24MTR12收发芯片最大输出功率12dBm，内部具有24GHz压控振荡器用于射频信号产生，RC多项滤波器用于本振信号与回波信号混频前相位正交信号的产生。同时加了锁相芯片ADF4158，避免了因信号频漂导致速度测量不准确的问题。
雷达传感器输出的含有车体速度信息的中频信号，幅度约有几十mv。信号放大链路分两级进行放大。第一级放大增益10dB，第二级放大增益设计为30dB。本发明申请采用运放：OPA2836+LMV774MT。同时放大电路实现了带通滤波器，滤除了低频和高频的干扰。
信号采集处理单元采用FPGA+ARM的组成方式，主要核心器件选型为，FPGA：EP4CE15F484，ARM：STM32F7671GK6，ADC芯片：ADS8353。信号处理板硬件框图见图3。
信号采集、滤波预处理、存储和与组合导航系统通信由FPGA控制完成；信号采集存储采用乒乓结构，；FPGA与ARM通信采用并行通信方式；信号时域滤波预处理采用滑动窗(10点)滤波。信号处理模块中时域加窗、浮点2048点FFT变换、功率谱重心计算、4个雷达速度信息融合处理运算由ARM实现；
FFT算法计算多普勒功率谱中的谱峰峰值频率，其频率分辨率决定了速度的测试分辨率。在同样长度FFT下，在满足多普勒信号采样率和测速结果更新率的情况下，降低采样率，可提高多普勒信号频率分辨率，进而提高速度分辨率。本发明申请中采样率将跟当前速度多普勒频率实时调整。保证了较高的频率分辨率，达到高精度测速要求。
完成4雷达功率谱重心、多普勒信息计算后，对4雷达速度数据融合处理，最后对系统速度进行最后自适应滤波输出。根据原理可看出同时4传感器有一个出现故障，其他3个也能协同完成速度测试工作。
完成本发明申请硬件系统设计和软件调试后，进行系统联调，车载试验。车载试验分为不同路况和不同测速进行。
参见基于本申请提供的系统测试速度时间数据表及速度时间曲线图4，速度分辨率可达到0.1m/s、速度数据更新率10Hz。把雷达测速通过串口传给惯性导航数据处理单元，实现对惯性导航速度的实时纠正、补偿。共同组搭建成为组合导航。首先对雷达传感器辐射信号建模，对速度信号功率谱按照一定数据长度求其谱重心，把功率谱重心作为多普勒频率，计算车体的速度。
速度时间数据表
进一步建立4个毫米波雷达测速传感器数学模型：测速前端置于车体几何中心，毫米波雷达天线通过有限宽度的波束发射电磁波至车前地面。回波信号中附有车体相对路面的相对运动速度。
设计了毫米波雷达传感器硬件，其主要包括毫米波雷达前端、中频信号调理采集处理；
在实现毫米波雷达传感器硬件链路设计基础上，进行软件开发。其中包括4雷达8路中频信号同步采集、存储及通信的驱动软件设计和信号处理算法；在完成硬件设计、软件设计及系统联调工作以后，对系统进行了测速标定。优化参数配置。把速度信息与组合导航系统通信，完成速度信息传输。
雷达传感器输出的含有车体速度信息的中频信号，幅度只有几十mv。信号放大链路分两级进行放大。第一级放大增益10dB，第二级放大增益设计为30dB。同时放大电路实现了带通滤波器，滤除了低频和高频的干扰。本发明申请采用运放：OPA2836+LMV774MT。
信号采集处理单元采用FPGA+ARM的组成方式，主要核心器件选型为，FPGA：EP4CE15F484，ARM：STM32F7671GK6，ADC芯片：ADS8353。
信号采集、滤波预处理、存储和与组合导航系统通信由FPGA控制完成；信号采集存储采用乒乓结构，信号滤波预处理采用滑动窗(10点)滤波。信号处理模块中时域加窗、浮点2048点FFT变换、功率谱最大值查询、4雷达速度信息融合处理运算由ARM实现；
FFT算法计算多普勒功率谱中的谱峰峰值频率，其频率分辨率决定了速度的测试分辨率。在同样长度FFT下，在满足多普勒信号采样率和测速结果更新率的情况下，降低采样率，可提高多普勒信号频率分辨率，进而提高速度分辨率。
完成4雷达多普勒信息计算后，对4雷达数据融合处理，消除在因路面不平造成车体仰俯或倾斜引起的雷达辐射角度的影响。同时4传感器有一个出现故障，其余3个也能协同完成速度测试工作。把雷达测速通过串口传给惯性导航数据处理单元，实现对惯性导航速度的实时纠正、补偿。共同组搭建成为组合导航。
总之，本申请提供的系统，基于4个雷达传感器合理结构布局和同时4路测速信号的融合算法处理，解决了因路面不平造成车体行进过程中颠簸或猛烈的震动，从而车体仰俯或倾斜导致雷达探测波束角度改变而造成的测速不准确问题。实现0.1m/s高精度测速，速度数据更新率达到10Hz。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围内。
Claims (10)
1.一种新型组合导航中毫米波测速雷达系统，其特征在于，所述系统包括：
四个雷达信号收发单元，四个所述雷达信号收发单元成对对称设置于车体几何中心处；其中一对雷达信号收发单元的辐射信号方向指向车体前端且与水平向下呈一度夹角，雷达信号收发单元安装相对车体运行方向呈一定夹角；另一对雷达信号收发单元的辐射信号方向指向车体后端且与水平向下呈一度夹角，雷达信号收发单元安装相对车体运行反方向呈一定夹角；
信号采集处理单元，四个所述雷达信号收发单元分别与所述信号采集处理单元相连；所述信号采集处理单元用于采用多普勒公式分别对四个所述雷达信号收发单元的多普勒信息进行计算，获得四个所述雷达信号收发单元各自相对于地面的运行速度，以便对获得的四个所述雷达信号收发单元各自相对于地面的运行速度进行融合计算获得所述车体的运行速度。
2.根据权利要求1所述的新型组合导航中毫米波测速雷达系统，其特征在于，所述毫米波雷达信号收发单元包括双接收机单片集成电路BGT24ATR12，所述毫米波雷达信号收发单元用于向地面发射毫米波雷达探测信号以及接收地面发射的雷达信号。
3.根据权利要求2所述的新型组合导航中毫米波测速雷达系统，其特征在于，所述双接收机单片集成电路BGT24ATR12连接有锁相芯片ADF4158。
4.根据权利要求1所述的新型组合导航中毫米波测速雷达系统，其特征在于，还包括中频信号放大滤波单元，四个所述雷达信号收发单元分别与所述中频信号放大滤波单元相连；所述中频信号放大滤波单元包括相连的OPA2836芯片以及LMV774MT芯片。
5.根据权利要求4所述的新型组合导航中毫米波测速雷达系统，其特征在于，所述信号采集处理单元与所述中频信号放大滤波单元相连；所述信号采集处理单元包括相连的EP4CE15F484芯片、STM32F7671GK6芯片以及ADS8353芯片。
6.根据权利要求1所述的新型组合导航中毫米波测速雷达系统，其特征在于，四个所述雷达信号收发单元包括第一雷达信号收发单元、第二雷达信号收发单元、第三雷达信号收发单元以及第四雷达信号收发单元；所述第一雷达信号收发单元、第二雷达信号收发单元的辐射信号方向指向车体前端且与水平夹角θ为30度，雷达信号收发单元安装相对车体运行方向夹角ψ为30度；所述第三雷达信号收发单元以及第四雷达信号收发单元的辐射信号方向指向车体后端且与水平夹角θ为30度，雷达信号收发单元安装相对车体运行反方向夹角ψ为30度。
7.根据权利要求6所述的新型组合导航中毫米波测速雷达系统，其特征在于，所述多普勒公式为：
式中：v为车体前行方向速度、Vp为雷达水平方向速度、Vr为车体在雷达辐射径向速度、c为光速、f0为发射毫米波频率24.125GHz、fd为车体运动多普勒。
8.根据权利要求7所述的新型组合导航中毫米波测速雷达系统，其特征在于，计算四个所述雷达信号收发单元的功率谱重心作为车体运动多普勒fd；所述融合计算包括将四个所述雷达信号收发单元各自相对于地面的运行速度相加再求平均值。
9.根据权利要求8所述的新型组合导航中毫米波测速雷达系统，其特征在于，第一雷达信号收发单元和第三雷达信号收发单元各自的辐射角变为θ+α和θ-α时；第一雷达信号收发单元测得多普勒频率为Fr1,第三雷达信号收发单元测得多普勒频率为Fr3，
由第一雷达信号收发单元和第三雷达信号收发单元可得：
其中Fr1、Fr3、θ为已知量，解方程组(1)、(2)可得车体运动多普勒fd。
10.根据权利要求8所述的新型组合导航中毫米波测速雷达系统，其特征在于，第一雷达信号收发单元和第二雷达信号收发单元各自相对车体运动方向夹角变为ψ+α和ψ-α时；第一雷达信号收发单元测得多普勒频率为Fr1,第二雷达信号收发单元测得多普勒频率为Fr2；
由第一雷达信号收发单元和第二雷达信号收发单元可得：
其中Fr1、Fr2、ψ为已知量，解方程组(3)、(4)可得车体运动多普勒fd。
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