CN109324317A - 毫米波雷达系统及其定位测速方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种毫米波雷达系统及其定位测速方法，系统包括用于发射和接收雷达信号的射频单元，及用于控制射频单元收发启停的控制模块，及用于信号放大的信号放大器，射频单元，包括用于接收回波信号的接收天线和发射调频信号的发射天线；控制单元，包括用于发出变周期三角波的数模转换器和用于处理回波信号的模数转换器；数模转换器连接射频单元，模数转换器连接放大器的输出端，放大器的输入端连接射频单元。通过接收天线和发射天线双天线发射调制信号和接收回波信号，并根据回波信号确定目标客体的具体距离和速度，能够快速确定方位内目标客体的位置和位移信息，为用户提供参考，辅助用户定位目标客体并判断其运行轨迹。
Description
技术领域
本发明涉及到辅助定位设备领域，特别是涉及到一种毫米波雷达系统及其定位测速方法。
背景技术
随着经济的发展，人们的生活水平不断提高，汽车得到了普及，但是汽车为人们的出行带来便利的同时，交通安全事故也日益频发，不仅严重损害了人们的生命财产安全，也给社会稳定带来了极大的隐患。此款简易毫米波雷达是为汽车辅助驾驶应用(ADAS)研发的一款24GHz短距离前向探测、盲点检测雷达传感器(BSD)，利用毫米波雷达传感器监测本车车辆前后方和两侧的道路环境，监控驾驶的“视野”盲区，并在驾驶员正常行驶或变换车道时提供辅助预警功能。作为汽车辅助驾驶系统(ADAS)产品的一个应用，系统大大降低了驾驶员在夜晚、雾天、大雨等气候客观恶劣条件观察的不便，以及驾驶员在并道操作过程中，相邻车道和“视野”盲区存在碰撞的危险系数。
发明内容
为了解决上述现有技术的缺陷，本发明的目的是提供一种毫米波雷达系统及其定位测速方法。
为达到上述目的，本发明的技术方案是：
一种毫米波雷达系统，包括用于发射和接收雷达信号的射频单元，及用于控制射频单元收发启停的控制模块，及用于信号放大的信号放大器，
所述射频单元，包括用于接收回波信号的接收天线和发射调频信号的发射天线；
所述控制单元，包括用于发出变周期三角波的数模转换器和用于处理回波信号的模数转换器；
所述数模转换器连接所述射频单元，所述模数转换器连接所述放大器的输出端，所述放大器的输入端连接所述射频单元。
进一步地，所述接收天线，波束角为水平方向80°，垂直方向32°，用于盲点监测；
所述发射天线的波束角为水平方向10°，垂直方向10°，发射功率为66dBm，最大测量距离为70m。
进一步地，所述控制单元内还设置有用于计时的定时器和用于处理毫米波雷达信号的数字处理模块。
进一步地，所述控制单元为STM32F446RE芯片。
本发明还提出了一种毫米波雷达系统定位测速方法，基于如上任一项所述的毫米波雷达系统，包括以下步骤：
通过控制单元连续间隔产生变周期三角波；
采用三角波激励发射天线产生并发射线性调频信号；
通过接收天线接收回波信号；
根据接收到的回波信号和线性调频信号混频得到差频信号；
根据差频信号获取到目标的距离信息和速度信息。
进一步地，所述根据差频信号获取到目标的距离信息和速度信息步骤，包括，
将采样后的大小三角波的上升沿和下降沿的差频信号分别进行FFT变换或Chirp-Z变换，得到峰值频谱；
对峰值频谱做降噪处理得到目标频点；
根据目标频点进行峰值搜索，得到峰值频点；
分别根据峰值频点进行匹配计算，得到目标的距离信息和速度信息。
进一步地，所述分别根据峰值频点进行匹配计算，得到目标的距离信息和速度信息步骤，包括，
将大小三角波上升沿和下降沿的分别对应的峰值频点一一做匹配后存入对应的矩阵；
对比两个矩阵，小于容差函数范围的矩阵保留；
根据保留矩阵计算得到目标的距离信息和速度信息。
进一步地，所述采用三角波激励发射天线产生并发射线性调频信号步骤，包括，
采用变周期三角波激励发射天线产生线性调频信号，变周期三角波包括周期互不相同的大小三角波。
进一步地，所述根据差频信号获取到目标的距离信息和速度信息步骤之后，还包括，
将获取到的距离信息和速度信息输出给处理终端。
进一步地，所述根据差频信号获取到目标的距离信息和速度信息步骤之后，还包括，
根据得到的距离信息和速度信息对目标进行轨迹跟踪。
本发明的有益效果是：通过接收天线和发射天线双天线发射调制信号和接收回波信号，并根据回波信号确定目标客体的具体距离和速度，能够快速确定方位内目标客体的位置和位移信息，为用户提供参考，辅助用户定位目标客体并判断其运行轨迹。
附图说明
图1为本发明一实施例一种毫米波雷达系统的原理框图；
图2为本发明一种毫米波雷达系统的电路接线图；
图3为本发明一实施例一种毫米波雷达系统定位测速方法的方法流程图；
图4为本发明根据差频信号获取到目标的距离信息和速度信息步骤的具体流程图；
图5为本发明分别根据峰值频点进行匹配计算，得到目标的距离信息和速度信息步骤的具体流程图；
图6为本发明另一实施例一种毫米波雷达系统定位测速方法的方法流程图；
图7为本发明一种变周期三角波的波形图。
具体实施方式
为阐述本发明的思想及目的，下面将结合附图和具体实施例对本发明做进一步的说明。
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的一部分实施例，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在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后等)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变，所述的连接可以是直接连接，也可以是间接连接。
另外，在本发明中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
如无特别说明，本文中的“/”代表含义为“或”。
FFT(Fast Fourier Transformation)是离散傅氏变换(DFT)的快速算法。即为快速傅氏变换。
ADC，全称Analog-to-Digital Converter的缩写，指模数转换器，用于将模拟信号转变为数字信号。
DAC是数模转换器(英语：Digital to analog converter，英文缩写：DAC)是一种将数字信号转换为模拟信号(以电流、电压或电荷的形式)的设备。
Timer，定时器，功能是在指定的时间间隔内反复触发指定窗口的定时器事件。
DSP，数字处理模块，用于处理毫米波雷达信号。
参照图1-2，提出本发明一具体实施例，一种毫米波雷达系统，包括用于发射和接收雷达信号的射频单元，及用于控制射频单元收发启停的控制模块，及用于信号放大的信号放大器。具体的，射频单元，包括用于接收回波信号的接收天线和发射调频信号的发射天线；控制单元，包括用于发出变周期三角波的数模转换器和用于处理回波信号的模数转换器。具体的，数模转换器连接射频单元，模数转换器连接放大器的输出端，放大器的输入端连接射频单元。
系统通过接收天线和发射天线双天线发射线性调频信号和接收回波信号，并根据回波信号和线性调频信号的差频信号确定目标客体的具体距离和速度，能够快速确定范围内目标客体的位置和位移信息，为用户提供参考，辅助用户定位目标客体并判断其运行轨迹。
具体的，接收天线，波束角为水平方向80°，垂直方向32°，用于盲点监测；发射天线的波束角为水平方向10°，垂直方向10°，发射功率为66dBm，最大测量距离为70m。具体的，一款天线测量角度覆盖范围达水平10°，垂直10°，另一款测量角度范围覆盖达天线水平方向80°，垂直方向32°，用于侧向防碰撞和盲点监测，同时有效探测范围为2～40，最低识别速度0.6m/s，有效测速范围±40m/s，发射频率在24GHz左右，带宽最大可以达到500MHz。
在确定天线型号时，用稳压源产生0V～3.3V电压，间隔为0.1V，分别去激励射频单元，实时观察频谱仪上频率的变化并记录此频率，将测得的一系列频率值输入到Matlab中并画出曲线，选取线性度为200MHz的天线进行系统开发。
具体的，控制单元内还设置有用于计时的定时器和用于处理毫米波雷达信号的数字处理模块。
参考图2，在本实施例中，控制单元为STM32F446RE芯片。选用STM32F4系列的芯片为控制单元，其内置了DSP内核可以快速完成FFT变化以满足我们对雷达信号的实时处理，具体的，STM32F446RE芯片内置ADC、DAC、DMA、看门狗、中断、定时器、串口、CAN总线等相关的功能模块。
参考图2，发射天线发射出24G的线性调频信号，从射频单元的VT引脚采集到的数据为差频信号，即发射信号和接收信号做完混频后的模拟信号。差频信号中包含了目标的距离信息和多普勒频率信息，利用差频信号的这个特点，经模数转换器ADC采样后作傅里叶变换可以得到目标的峰值频点，同时由于线性调频信号得到的差频信号在三角波中存在对称特性(三角波的上升沿和下降沿)可以得到目标的速度以及距离信息。
具体的，本发明的一种毫米波雷达系统可以在以下具体领域进行应用：
1、汽车短距离前向探测、BSD防撞；
2、无人机地形高度跟踪测高、无人机盲降；
3、车辆以及其他速度/距离反馈测量；
4、路灯智能控制；
5、扶梯人体运动感应；
6、高度计、液位计的高度侧量。
在将本发明的一种毫米波雷达系统应用在车辆短距离前向探测、BSD防撞领域时，利用毫米波雷达系统监测本车车辆前后方和两侧的道路环境，监控驾驶的“视野”盲区，并在驾驶员正常行驶或变换车道时提供辅助预警功能。作为汽车辅助驾驶系统的一个应用，大大降低了驾驶员在夜晚、雾天、大雨等气候客观恶劣条件观察的不便，以及驾驶员在并道操作过程中，相邻车道和“视野”盲区存在碰撞的危险系数。
本方案的一种毫米波雷达系统通过接收天线和发射天线双天线发射调制信号和接收回波信号，并根据回波信号和线性调频信号的差频信号确定目标客体的具体距离和速度，能够快速确定方位内目标客体的位置和位移信息，为用户提供参考，辅助用户定位目标客体并判断其运行轨迹。
参考图3-7，本发明另一实施例还提出了一种毫米波雷达系统定位测速方法，基于如上实施例的毫米波雷达系统，具体包括以下步骤：
S1、通过控制单元连续间隔产生变周期三角波。
S2、采用三角波激励发射天线产生并发射线性调频信号。
S3、通过接收天线接收回波信号。
S4、根据接收到的回波信号和线性调频信号混频得到差频信号。
S5、根据差频信号获取到目标的距离信息和速度信息。
对于步骤S1，基于上述实施例，控制单元为STM32F4芯片，STM32F4芯片中包含有DAC、DMA和TIMER模块，通过DAC、DMA和TIMER分别产生4.8ms和2.4ms的三角波，连续间隔产生此变周期三角波，变周期三角波的波形图如图7所示，变周期三角波包括周期互不相同的大小三角波。
角波信号是一个调制信号，以此来调制发射信号的频率随时间按调制电压的规律变化，而发射信号与接收信号的形状相同，只是在时间上有一个延迟t，发射信号与回波信号的频率差即为差频信号。
对于步骤S2，通过使用三角波信号激励发射天线，并发射线性调频信号，通过三角波对发射信号进行调制，使得发射信号的频率随时间按调制电压的规律变化，而发射信号与接收信号的形状相同，只是在时间上有一个延迟t，发射信号与回波信号的频率差即为差频信号。
步骤S2具体为：采用变周期三角波激励发射天线产生线性调频信号，变周期三角波包括周期互不相同的大小三角波。
对于步骤S3，在发射天线发射出线性调频信号，线性调频信号接触到目标客体，会反射回波信号，通过接收天线进行接收回波信号，接收天线波束角为水平方向80°，垂直方向32°，用于大范围接收来着不同方向的回波信号，进行盲点监测。
对于步骤S4，通过角波信号调制后的线性调频信号的频率随时间按调制电压的规律变化，且发射信号与接收信号的形状相同，只是在时间上有一个延迟t，发射信号与回波信号的频率差即为差频信号，通过将回波信号和线性调频信号混频即可得到需要的差频信号，差频信号中携带有被检测目标的距离信息和速度信息。
对于步骤S5，通过将回波信号和线性调频信号混频即可得到需要的差频信号，差频信号中携带有被检测目标的距离信息和速度信息，通过对差频信号进行进一步的处理和计算，即可得到差频信号中携带的距离信息和速度信息。
参考图4，步骤S5具体包括以下步骤：
S51、将采样后的大小三角波的上升沿和下降沿的差频信号分别进行FFT变换或Chirp-Z变换，得到峰值频谱。
S52、对峰值频谱做降噪处理得到目标频点。
S53、根据目标频点进行峰值搜索，得到峰值频点。
S54、分别根据峰值频点进行匹配计算，得到目标的距离信息和速度信息。
对于步骤S51，将ADC采样后的大小三角波(各256点)共512点分别做256点的FFT变换，将时域的雷达信号转换到频域，得到峰值频谱。具体的，为了提高测量的精度，也可以用Chirp-Z变换替代FFT变换。
对于步骤S52，由于得到的峰值频谱存在环境中的各种噪声，各种噪声可能会掩盖真实的目标信息，需要对得到的频谱进行降噪处理。具体的，这里采用恒虚警处理，利用频点前后若干频点信息的均值与该频点的幅值进行比较，大于设定阈值的保留，而小于该阈值的则剔除。
由于不同距离的环境存在虚警因子的差异，我们进行了不同距离段采用不同虚警因子的方法去改善。举例说明，距离在8～23m范围时，选用ce[0]＝2.0；距离在24～47范围时，选用ce[1]＝2.5；距离在72～95m时，选用ce[3]＝2.5。
对于步骤S53，进行完恒虚警处理后保留下来若干频率对应的目标频点，而且若干目标频点周围都会有小于该目标频点的若干点存在，对此在目标频点周边的点中进行峰值搜索，查找到最大值并且记录为峰值频点。
对于步骤S54，两个不同周期的大小三角波，大三角波的上升沿和下降沿分别作FFT后可以得到峰值目标对应的峰值频点，上升沿和下降沿的峰值频点一一做匹配后存入一个矩阵中(比如上升沿中有三个目标a1、a2、a3，下降沿中也有三个目标b1、b2、b3，a1先与b1、b2、b3做匹配，将得到的三个目标的有效信息存入矩阵，用同样的方法对a2和a3进行匹配)。接着对小三角波做同样的处理得到另外一个目标矩阵。通过对比这两个矩阵，在小于容差函数范围的即为真实的目标保留，虚假的目标剔除。
建立容差函数，先计算雷达的距离分辨率，进一步得到距离误差和速度误差，当距离误差和速度误差落在设定的容差区间内的，就认定得到的距离信息和速度信息为真实的目标信息。
参考图5，步骤S54具体包括以下步骤：
S541、将大小三角波上升沿和下降沿的分别对应的峰值频点一一做匹配后存入对应的矩阵。
S542、对比两个矩阵，小于容差函数范围的矩阵保留。
S543、根据保留矩阵计算得到目标的距离信息和速度信息。
参考图6，在本发明另一实施例中，步骤S5之后，还包括，
S6、将获取到的距离信息和速度信息输出给处理终端。
S7、根据得到的距离信息和速度信息对目标进行轨迹跟踪。
对于步骤S6，通过毫米波雷达系统取得目标的距离信息和速度信息之后，通过串口、LORA无线模块或者CAN总线输出目标的距离数据和速度数据给处理终端，处理终端可以根据接收到的距离数据和速度数据对目标的运动状态进行进一步的判断，并做好提前的规避。上述的处理终端可以为集成在车辆中的车辆中控，也可以是其他便携智能设备。
对于步骤S7，通过线性的卡尔曼滤波算法对目标进行轨迹跟踪，用于预判目标轨迹，可以用于辅助驾驶，提醒用户提前做出有效的应对，保证用户驾驶安全。
具体的，本发明的一种毫米波雷达系统定位测速方法可以在以下具体领域进行应用：
1、汽车短距离前向探测、BSD防撞；
2、无人机地形高度跟踪测高、无人机盲降；
3、车辆以及其他速度/距离反馈测量；
4、路灯智能控制；
5、扶梯人体运动感应；
6、高度计、液位计的高度侧量。
本方案通过接收天线和发射天线双天线发射调制信号和接收回波信号，并根据回波信号和线性调制信号的差频信号确定目标客体的具体距离和速度，能够快速确定方位内目标客体的位置和位移信息，为用户提供参考，辅助用户定位目标客体并判断其运行轨迹。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (10)
1.一种毫米波雷达系统，其特征在于，包括用于发射和接收雷达信号的射频单元，及用于控制射频单元收发启停的控制模块，及用于信号放大的信号放大器，
所述射频单元，包括用于接收回波信号的接收天线和发射调频信号的发射天线；
所述控制单元，包括用于发出变周期三角波的数模转换器和用于处理回波信号的模数转换器；
所述数模转换器连接所述射频单元，所述模数转换器连接所述放大器的输出端，所述放大器的输入端连接所述射频单元。
2.如权利要求1所述的毫米波雷达系统，其特征在于，所述接收天线，波束角为水平方向80°，垂直方向32°，用于盲点监测；
所述发射天线的波束角为水平方向10°，垂直方向10°，发射功率为66dBm，最大测量距离为70m。
3.如权利要求1所述的毫米波雷达系统，其特征在于，所述控制单元内还设置有用于计时的定时器和用于处理毫米波雷达信号的数字处理模块。
4.如权利要求3所述的毫米波雷达系统，其特征在于，所述控制单元为STM32F446RE芯片。
5.一种毫米波雷达系统定位测速方法，其特征在于，基于如权利要求1-4任一项所述的毫米波雷达系统，包括以下步骤：
通过控制单元连续间隔产生变周期三角波；
采用三角波激励发射天线产生并发射线性调频信号；
通过接收天线接收回波信号；
根据接收到的回波信号和线性调频信号混频得到差频信号；
根据差频信号获取到目标的距离信息和速度信息。
6.如权利要求5所述的毫米波雷达系统定位测速方法，其特征在于，所述根据差频信号获取到目标的距离信息和速度信息步骤，包括，
将采样后的大小三角波的上升沿和下降沿的差频信号分别进行FFT变换或Chirp-Z变换，得到峰值频谱；
对峰值频谱做降噪处理得到目标频点；
根据目标频点进行峰值搜索，得到峰值频点；
分别根据峰值频点进行匹配计算，得到目标的距离信息和速度信息。
7.如权利要求6所述的毫米波雷达系统定位测速方法，其特征在于，所述分别根据峰值频点进行匹配计算，得到目标的距离信息和速度信息步骤，包括，
将大小三角波上升沿和下降沿的分别对应的峰值频点一一做匹配后存入对应的矩阵；
对比两个矩阵，小于容差函数范围的矩阵保留；
根据保留矩阵计算得到目标的距离信息和速度信息。
8.如权利要求5所述的毫米波雷达系统定位测速方法，其特征在于，所述采用三角波激励发射天线产生并发射线性调频信号步骤，包括，
采用变周期三角波激励发射天线产生线性调频信号，变周期三角波包括周期互不相同的大小三角波。
9.如权利要求5所述的毫米波雷达系统定位测速方法，其特征在于，所述根据差频信号获取到目标的距离信息和速度信息步骤之后，还包括，
将获取到的距离信息和速度信息输出给处理终端。
10.如权利要求5所述的毫米波雷达系统定位测速方法，其特征在于，所述根据差频信号获取到目标的距离信息和速度信息步骤之后，还包括，
根据得到的距离信息和速度信息对目标进行轨迹跟踪。
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