CN108983210A - 一种汽车雷达测角方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种汽车雷达测角方法，在采样时钟的控制下，对汽车上安装的2个接收天线所分别接收到的2个相互正交的模拟回波数据分别进行AD采样，得到2路数字回波数据；通过对数字回波数据进行数据处理，即利用相位干涉法测角原理，并通过坐标旋转算法获得目标与汽车的角度，同时采用有序统计恒虚警进行目标检测检测目标，并得到目标与汽车的距离和速度；并利用目标与汽车的距离、速度和角度来实现预警报警。本发明具有复杂度低，实时性强，处理速度快，能够在FPGA上进行系统实现，开发周期快，工程实现方便的特点。

Description

一种汽车雷达测角方法

技术领域

本发明涉及汽车预警技术领域，具体涉及一种汽车雷达测角方法。

背景技术

随着城市化以及汽车数量的不断增多，车辆出行导致的车祸事故不断增多给人民的生活和财产造成了巨大的损失。因此关于汽车预警技术的研究开发成为热点，其中汽车防撞雷达系统的研制开发具有非常重要的现实意义与应用价值。

关于汽车防撞领域，由于超声波、激光、红外容易受到恶劣天气及环境因素的影响，无法确保探测精度，因而国内外专家将注意力集中放在毫米波雷达上。目前，国外一些高档汽车中已经应用毫米波雷达，而在国内并没有成熟的产品应用于市场，近年来随着无人驾驶技术研究的展开，国内也开始加紧对汽车雷达的研究开发。

现有汽车防撞雷达通常采用单天线线性调频连续波体制(LFMCW)，由于雷达接收天线接收的回波数据包含的不仅有目标信号，还包含噪声和杂波信号，例如邻近车道上的车辆、车道间的护拦、路旁的树木以及架设的路标和广告牌等，这些都会对雷达系统造成干扰，导致雷达做出错误判断，而且单天线雷达无法实现对目标方位的测量，因此无法获得目标相对自车的位置，预警效果不理想。

发明内容

本发明针对现有汽车防撞雷达预警效果不理想问题，提供一种汽车雷达测角方法。

为解决上述问题，本发明是通过以下技术方案实现的：

一种汽车雷达测角方法，具体包括步骤如下：

步骤1、在采样时钟的控制下，对汽车上安装的2个接收天线所分别接收到的2个相互正交的模拟回波数据分别进行AD采样，得到2路数字回波数据；

步骤2、采用乒乓操作方式将2路数字回波数据分别缓存到2个先入先出队列中；

步骤3、对2个先入先出队列中的数字回波数据进行第一次FFT变换，并在FFT变换进行数据积累；

步骤4、将数据积累所得到的数据进行第二次FFT变换；

步骤5、对二次FFT变换后的数据进行求模处理，并将同一距离单元的所有数据点进行非相干累加；

步骤6、对非相干累加后的数据进行恒虚警处理，从而最终确定目标的峰值幅度；

步骤7、将确定目标的峰值幅度进行归一化处理，然后对归一化的目标上扫频峰值和下扫峰值进行容差比较，当差值小于等于设定值时即判为同一目标，此时即可计算目标与汽车的距离和速度；

步骤8、利用坐标旋转法分别计算2个接收天线的相位，并对2个接收天线的相位做差后得到相位差值，并根据相位差值计算目标与汽车的角度；

步骤9、将步骤7所得到的目标与汽车的距离和速度和步骤8所得到的目标与汽车的角度进行匹配汇总，即可实现预警报警。

上述步骤1中，每个接收天线所接收到的2个相互正交的模拟回波数据均需要经过射频前端和中频电路处理后，再进行AD采样。

上述步骤2中，对于某一个天线的2路数字回波数据，采用乒乓操作方式缓存到2个先入先出队列的具体过程如下：

步骤2.1、在第一个缓存周期，通过数据输入选择将第一周期的2路数字回波数据缓存至第一先入先出队列中；

步骤2.2、在第二个缓存周期，通过数据输入选择进行切换，将第二周期的2路数字回波数据缓存至第二先入先出队列中，同时将第一周期缓存至第一先入先出队列中的第一周期的2路数字回波数据通过数据输出选择进行切换，并送入到后续步骤进行FFT处理；

步骤2.3、在第三个缓存周期，通过数据输入选择再次切换将第三周期的2路数字回波数据缓存至第一先入先出队列中，同时将第二周期缓存至第二先入先出队列中的2路数字回波数据通过数据输出选择进行切换，并送入到后续步骤进行FFT处理；

如此循环；

步骤2.n、在第n个缓存周期，通过数据输入选择再次切换将第n周期的2路数字回波数据缓存至其中一个先入先出队列中，同时将第二周期缓存至另一个先入先出队列中的2路数字回波数据通过数据输出选择进行切换，并送入到后续步骤进行FFT处理。

上述步骤7中，目标与汽车的距离R和速度v分别为：

式中，n₁为目标上扫频所处距离单元，n₂为目标下扫频所处距离单元，B为射频带宽，f_s为采样频率，N为单周期回波采样点数。

上述步骤8中，目标与汽车的角度θ为：

式中，为2个接收天线的相位差值，λ为电磁波波长，d为2个接收天线的间距。

上述方案中，2个接收天线同时固定于汽车前端或后端的保险杠处。

与现有技术相比，本发明通过二维FFT法实现MTD滤除近地杂波实现动目标检测，并结合有序统计恒虚警进行目标检测，从而获得目标与汽车的距离和速度；同时利用相位干涉法测角原理，并通过cordic坐标旋转算法获得目标与汽车的角度；本发明具有复杂度低，实时性强，处理速度快，能够在FPGA上进行系统实现，开发周期快，工程实现方便的特点。

附图说明

图1为一种汽车雷达测角方法流程图。

图2为一种汽车雷达测角系统框图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

一种汽车雷达测角方法，如图1所示，其包括步骤如下：

1、AD采样：将接收天线A回波AI和AQ，接收天线B回波BI和BQ同时送入FPGA进行AD采样模块，通过分频器对FPGA本振时钟进行分频得到频率为819.2KHZ的采样时钟，按此采样频率对接收天线A和接收天线B的回波进行采样。

设定AI，AQ，BI，BQ为从中频电路输出的IQ四路信号，其中AI、AQ为接收天线A回波正交混频后输出的实部信号和虚部信号，BI、BQ为接收天线B正交混频后输出的实部和虚部信号。

由于送入的四路回波数据为模拟信号，因此需要对其进行AD采样变为数字信号，采样频率由FPGA进行控制，主要由接收回波的最大中频频率决定，一般大于最大中频频率的两倍。

2、乒乓操作数据缓存：当单个周期回波采样完成后，将采样后的数字化信号进行FIFO缓存，建立四个FIFO(先入先出队列)缓存模块，分别为FIFO1，FIFO2，FIFO3，FIFO4。

缓存方式采用乒乓操作，本操作可实现相邻周期间数据流的无缝衔接，乒乓操作实现主要体现在数据输入选择和数据输出选择。以接收天线A的回波数据为例进行说明：

2.1、在第一个缓存周期，通过数据输入选择将第一周期回波数据缓存至FIFO1。

2.2、在第二个缓存周期，通过数据输入选择进行切换，将第二周期回波数据缓存至FIFO2，同时需要将第一周期缓存至FIFO1中的数据通过数据输出选择输入FFT处理模块进行处理。

2.3、在第三个缓存周期，通过数据输入选择再次切换将第三周期回波数据缓存至FIFO1，同时将第二周期缓存至FIFO2中的数据通过数据输出选择进行切换输入到FFT模块进行处理。

如此循环；

2.n、在第n个缓存周期，通过数据输入选择再次切换将第n周期的2路数字回波数据缓存至其中一个先入先出队列(当n为奇数时，为FIFO1，当n为偶数时，为FIFO2)中，同时将第二周期缓存至另一个先入先出队列(当n为奇数时，为FIFO2，当n为偶数时，为FIFO1)中的2路数字回波数据通过数据输出选择进行切换，并送入到后续步骤进行FFT处理。

由于FPGA实现并行操作，因此接收天线B数据缓存方式与接收天线A相似，接收天线B回波数据同样按此方法缓存至FIFO3和FIFO4中。

3、FFT：接收天线A和B单周期回波上下扫频采样点数N各为1024，因此FFT模块进行单周期N＝1024点FFT变换，此变换可以将距离划分为1024个距离单元。

当FFT变换开始输出数据时，将每个接收天线的第一周期FFT后数据缓存至随机读写存储器ramA和ramB中，同时进行数据积累，即将两路数据缓存至另外两个随机读写存储器rama和ramb中。

由于本次积累周期K设定为16，因此数据积累主要将16个周期FFT后的数据缓存至rama和ramb中。

4、二次FFT：二次FFT主要是实现MTD(动目标检测)，以上扫频为例，取数据方法如下：先从rama和ramb中取第一周期的第一个数据点(第一个距离单元)输入至二次FFT模块，然后取第二周期第一个数据点输入至二次FFT模块，直至取到第16个周期的第一个数据点输入二次FFT模块后，开始进行第一个数据点的16点FFT变换，按此方法依次进行第二到第1024个数据点的16点FFT。

5、数据求模：对二次FFT变换后的数据进行求模处理，并将同一距离单元的K个数据点进行非相干累加最后将结果依次存入随机读写存储器RAMA和RAMB中。

6、恒虚警处理：本次恒虚警采用OS恒虚警(有序统计恒虚警)，非相干累加后存入RAMA和RAMB中的数据个数都是1024，因此os恒虚警需要对1024点数据进行滑窗处理，滑窗大小设置为16，实现方法如下：

首先从RAMA和RAMB中分别取出前19点数据，以第10个点为检测单元，第9个点和第11个点为保护单元，前八个点和后八个点为参考单元，对参考单元进行比较，按从小到大排序，选取第12个最大值作为背景杂波功率Z，将Z乘上门限因子T＝2后作为门限值同第10个检测单元进行比较，如果检测单元值大于门限值，则将其检测单元幅度值和其所处距离单元进行存储。按此窗口对1024点数据进行滑动，每次滑动步长为1，共滑动1006次，将每次得到的检测门限都同检测单元进行比较即可得到待定目标幅度值和其所处距离单元，最后对待定目标值进行谱峰值搜索，从而最终确定目标所处距离单元。

7、目标检测定位和距离速度信息计算：将确定目标的峰值幅度进行归一化处理，然后对归一化的目标上扫频峰值和下扫峰值进行容差比较，当差值小于等于设定值0.2时即判为同一目标。此时目标上下扫频所处距离单元分别为n₁和n₂，代入下述距离和速度计算公式：

其中，f_s为采样频率，N＝1024为单周期回波采样点数，B＝250MHZ为射频带宽，c为光束，λ为电磁波波长，得到目标距离速度后，将上扫频坐标n₁作为地址输入至ramA和ramB中，取出峰值点所对应的实部数据Re(x(n₁))和虚部数据Im(x(n₁))。

8、相位信息获取：在相位信息获取模块中主要通过cordic(Coordinate RotationDigital Computer)坐标旋转法求接收天线A相位和接收天线B相位

9、具体为将每个目标上扫频距离单元号对应的实部Re(x(n₁))和虚部Im(x(n₁))输入至cordic模块，以其为x，y坐标，并按照一定角度进行相应次数旋转，本次设定角度旋转次数为16，角度测量范围为(-99.9度,99.9度)，具体操作为，首先对输入的复数向量的实部虚部进行象限判断，若实部大于0，则相位处于第1和第四象限，此时对输入的实部虚部预旋转0度。若实部小于0且虚部大于0则相位处于第二象限，预旋转90度，若实部小于0，且虚部小于0，则相位处于第三象限，此时预旋转-90度，预旋转后再次对虚部进行符号判断，若虚部小于0则向坐标轴y轴正方向旋转45度。否则旋转45度，此为第一次旋转，接下来重复15次符号判断操作，判断方式为：1、当每次旋转前虚部判断为负时，依次向y轴正方向进行旋转，具体为第二次26.565度旋转，第三次14.036度旋转，第四次7.125度旋转，第5次3.5673度旋转，第六次1.7899度旋转，第七次0.8952度旋转，第八次0.4476度旋转，第九次0.2238度旋转，第十次0.119度旋转，第十一次0.5595度旋转，第十二次0.02798度旋转，第十三次0.01399度旋转，第十四次0.00699度旋转，第十五次0.00349度旋转。2、当每次旋转前虚部符号为正时，依次向y轴负方向按上述角度值进行旋转。通过上述操作后Re(x(n₁))，Im(x(n₁))接近0，旋转角度接近0，将此时旋转的角度累加值输出即为目标相位同理可测得

10、角度计算和目标信息匹配：将得到将代入即求得目标角度，其中λ为电磁波波长，d为2个接收天线的间距。

11、由于角度计算是根据距离单元号进行取值计算时，因此按距离单元取目标复数实部虚部时已经实现目标的距离角度配对，而目标距离和速度的已经在步骤8中进行计算匹配，因此此时只需要将三种信息进行汇总即可。将目标信息值通过USB传输至上位机进行信息显示和报警措施。

实现上述方法的一种汽车雷达测角系统，如图2所示，主要由射频前端，中频电路，FPGA信号处理模块和上位机组成。其中射频前端使用K-MC4，主要是产生发射波和对接受回波进行正交混频处理，中频电路主要对混频输出的差拍中频模拟信号进行高通滤波和AGC(自动增益控制)。FPGA信号处理模块是本系统实现的关键，本实施例采用FPGA芯片型号为EP2S90F1020I4，主要用于控制产生三角波对发射波进行调置，以及后续对接收回波的一系列数字信号处理。FPGA信号处理模块除了进行信号处理外，同样需要对系统参数进行控制，本实施例设置三角波重复频率PRF＝400HZ，单周期采样点数2048点，即上下扫频各1024点，采样频率FS＝819.2KHZ。射频带宽B＝250MHZ，射频前端中心频率为24GHZ。上位机用于接收FPGA信号处理模块的处理结果，并用于对结果进行显示和统计分析。

系统开始上电工作后，FPGA控制生成三角波调制信号，经过射频射频前端VCO上变频处理后一路经发射天线发射电磁波，另一路输入射频前端混频器对接收回波进行混频处理，当发射的电磁波碰到目标时进行反射，反射波被双接收天线接收并通过混频器下变频处理后得到中频回波数据，中频回波数据送入中频电路，经高通滤波AGC放大后送入FPGA信号处理部分，FPGA对中频回波进行一系列数字化信号处理，将提取的目标值信息送入上位机，上位机做进一步预警处理，即当被测目标距离自车位置小于10m时可以进行鸣笛报警从而提醒司机进行刹车减速处理。

应用环境说明：

实际使用该探测系统时，只需将该探测系统固定于汽车前端保险杠处，被测目标出现在雷达探测范围内时便可以被该系统发射的电磁波探测到，当回波被系统前端的双天线接收后便进行后续一系列信号处理最终将目标级信息送入PC机进行显示，当目标相对自车的距离小于等于10m的时候即进行报警处理，提醒司机进行刹车减速处理。表1为采用本方法进行仿真处理的结果。

表1

装车测试：

将基于上述硬件平台实现的信号处理装置安装在汽车前端保险杠中网格栅处，在实际测试环境中静止车辆目标与自车相距10m，角度为30度。运动目标为速度10m/s，初始距离15m，角度0度的车辆。通过该装置射频前端对其进行探测最终于上位机上显示静止目标角度为30.6度，距离为10.2m，运动目标角度为0度，距离为15.1m，速度为10m/s。由结果可知该方法可以实现对目标的准确测量，且具有可实施性。

本发明采用单发双收体制射频前端对目标进行探测，双接收回波通过射频电路混频处理后得到四路差拍I路和Q路信号，分别对四路差拍信号进行中频滤波处理，AD采样，距离维FFT，速度维FFT，最后结合相位干涉法测角原理求角，从而得到目标的距离，速度和角度信息。接着对目标的三种信息进行匹配从而识别出不同的目标，本系统可实现对目标方位的准确判断并且信号处理算法部分可在FPGA上进行实现。

需要说明的是，尽管以上本发明所述的实施例是说明性的，但这并非是对本发明的限制，因此本发明并不局限于上述具体实施方式中。在不脱离本发明原理的情况下，凡是本领域技术人员在本发明的启示下获得的其它实施方式，均视为在本发明的保护之内。

Claims (6)

1.一种汽车雷达测角方法，其特征是，具体包括步骤如下：

步骤1、在采样时钟的控制下，对汽车上安装的2个接收天线所分别接收到的2个相互正交的模拟回波数据分别进行AD采样，得到2路数字回波数据；

步骤2、采用乒乓操作方式将2路数字回波数据分别缓存到2个先入先出队列中；

步骤3、对2个先入先出队列中的数字回波数据进行第一次FFT变换，并在FFT变换进行数据积累；

步骤4、将数据积累所得到的数据进行第二次FFT变换；

步骤5、对二次FFT变换后的数据进行求模处理，并将同一距离单元的所有数据点进行非相干累加；

步骤6、对非相干累加后的数据进行恒虚警处理，从而最终确定目标的峰值幅度；

步骤7、将确定目标的峰值幅度进行归一化处理，然后对归一化的目标上扫频峰值和下扫峰值进行容差比较，当差值小于等于设定值时即判为同一目标，此时即可计算目标与汽车的距离和速度；

步骤8、利用坐标旋转法分别计算2个接收天线的相位，并对2个接收天线的相位做差后得到相位差值，并根据相位差值计算目标与汽车的角度；

步骤9、将步骤7所得到的目标与汽车的距离和速度和步骤8所得到的目标与汽车的角度进行匹配汇总，即可实现预警报警。

2.根据权利要求1所述的一种汽车雷达测角方法，其特征是，步骤1中，每个接收天线所接收到的2个相互正交的模拟回波数据均需要经过射频前端和中频电路处理后，再进行AD采样。

3.根据权利要求1所述的一种汽车雷达测角方法，其特征是，步骤2中，对于某一个天线的2路数字回波数据，采用乒乓操作方式缓存到2个先入先出队列的具体过程如下：

步骤2.1、在第一个缓存周期，通过数据输入选择将第一周期的2路数字回波数据缓存至第一先入先出队列中；

步骤2.2、在第二个缓存周期，通过数据输入选择进行切换，将第二周期的2路数字回波数据缓存至第二先入先出队列中，同时将第一周期缓存至第一先入先出队列中的第一周期的2路数字回波数据通过数据输出选择进行切换，并送入到后续步骤进行FFT处理；

步骤2.3、在第三个缓存周期，通过数据输入选择再次切换将第三周期的2路数字回波数据缓存至第一先入先出队列中，同时将第二周期缓存至第二先入先出队列中的2路数字回波数据通过数据输出选择进行切换，并送入到后续步骤进行FFT处理；

如此循环；

步骤2.n、在第n个缓存周期，通过数据输入选择再次切换将第n周期的2路数字回波数据缓存至其中一个先入先出队列中，同时将第二周期缓存至另一个先入先出队列中的2路数字回波数据通过数据输出选择进行切换，并送入到后续步骤进行FFT处理。

4.根据权利要求1所述的一种汽车雷达测角方法，其特征是，步骤7中，目标与汽车的距离R和速度v分别为：

式中，n₁为目标上扫频所处距离单元，n₂为目标下扫频所处距离单元，B为射频带宽，f_s为采样频率，N为单周期回波采样点数。

5.根据权利要求1所述的一种汽车雷达测角方法，其特征是，步骤8中，目标与汽车的角度θ为：

式中，为2个接收天线的相位差值，λ为电磁波波长，d为2个接收天线的间距。

6.根据权利要求1所述的一种汽车雷达测角方法，其特征是，2个接收天线同时固定于汽车前端或后端的保险杠处。