CN109343053A - 4d毫米波雷达系统空间信息感知方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种4D毫米波雷达系统空间信息感知方法，该方法发射线性调频连续波，通过解算回拍信号的差频，得到目标与天线法向的径向距离，发射多重连续波，通过解算多重回波的相位变化，得目标的径向相对速度；再利用水平、俯仰两组实天线，通过天线虚拟技术获得两组收发通道阵列，分别进行水平方位角度、俯仰角度解算，通过数字处理部分进行坐标融合，最终得到四维的目标信息；本发明具有多维信息感知、全天候、低成本的特点，可广泛用于高级驾驶辅助系统，以及自动驾驶系统。
Description
技术领域
本发明涉及高级驾驶辅助系统及自动驾驶传感器领域，具体涉及4D毫米波雷达系统空间信息感知方法。
背景技术
近年来高级驾驶辅助系统ADAS市场增长迅速，原来这类系统局限于高端市场，而现在正在进入中端市场，与此同时，许多低技术应用在入门级乘用车领域更加常见，经过改进的新型传感器技术也在为系统布署创造新的机会与策略。高级驾驶辅助系统是利用安装在车上的各式各样传感器，这些传感器主要有激光雷达、摄像头、毫米波雷达、超声波雷达、惯导等，利用传感器间协同工作，在汽车行驶过程中随时来感应周围的环境，收集数据，进行静态、动态物体的辨识、侦测与追踪，并结合导航仪地图数据，进行系统的运算与分析，从而预先让驾驶者察觉到可能发生的危险，有效增加汽车驾驶的舒适性和安全性。
ADAS中主要以激光雷达、毫米波雷达和摄像头为主传感器，其中激光雷达具有高分辨率的特点，是自动驾驶系统的普遍应用的传感器，由于激光雷达成本高昂，目前并没有被大规模应用；摄像头的目标辨识度高，成本低廉，被广泛应用车载安全系统中，由于摄像头主要被动感光，对光线的变化尤其敏感，如在车辆进入隧道、底下车库、高架、涵洞时光线剧烈变化的瞬间，存在失效的可能。另外激光雷达、摄像头在降雨、降雪、大雾等恶劣天气，都难以可靠工作，不具备全天候的工作条件，而毫米波雷达可以很好地应对上述恶劣天气，全天候工作，并且成本低廉，是ADAS、自动驾驶中最有潜力被大规模应用的主传感器。
目前，毫米波雷达被大规模应用于汽车安全驾驶辅助系统中，如盲点监测BSD、自适应巡航ACC、紧急制动AEB等，还没有记录表明可以独立应用于ADAS，乃至自动驾驶系统作为主传感器，替代激光雷达，目前传统毫米波雷达主要的问题在于分辨率低，以及不能提供三维空间信息。
由此可见，分辨率高且能提供三维空间信息的毫米波雷达具有重大的市场应用价值。
发明内容
本发明的目的在于针对现有毫米波雷达的不足，填补市场对4D毫米波雷达需求的空白，要解决的技术问题是提供具有三维空间信息加相对速度信息组成四维信息的高分辨率4D毫米波雷达系统空间信息感知方法。本发明的技术方案为：设置水平、俯仰两个独立处理通道，通过天线虚拟处理方法，分别解得具有高角度分辨率的水平、俯仰角，再将水平、俯仰两个维度数据通过信号处理进行数据融合后，得到极坐标和直角坐标下的三维空间信息；所述数据融合为对水平和俯仰发射波形配对组合，用于解速度模糊，得到不模糊的真实相对速度信息，与所述的三维空间信息组成四维信息；所述的调频连续波包含频段异化处理和跳频处理，进行抗干扰。
所述的设置水平、俯仰两个独立处理通道，包括水平、俯仰两个独立发射通道，以及相对应的水平、俯仰两个独立接收通道，所述发射通道、接收通道分别包括水平、俯仰各两个天线阵列。
进一步地，所述的天线虚拟处理方法，包括稀疏发射，稀疏接收和稀疏化的虚拟接收天线阵，同时实天线通过不等间距的特定空间布置，经虚拟后可以获得比等间距天线阵更大的口径，进而提高角度分辨能力。主要体现为水平、俯仰与收、发组合总4个天线阵列的实天线空间排布具有稀疏发射、稀疏接收的特征，且水平、俯仰两接收通道天线阵列按一定稀疏序列的不等间距方式排布，经天线有效虚拟得到了虚拟天线阵列，设虚拟后的线性排布天线阵列数为M，分布间距dk(k≤M-1)为基本间距d(d的大小由测角最大不模糊范围确定)的整数倍，假定沿口径的幅度分布为均匀分布，天线阵指向为法线方向，方向图函数可以表示为
上述方向图的3dB宽度即为角度分辨率，记GdB(θ)＝-3时，θ＝θ1，θ2，则等间距d的M个接收天线阵列的角度分辨率θM＝|θ2-θ1|。
虚拟后的天线口径记
虚拟后的天线序列
以虚拟后的第一个天线为参照，将各天线相对位置序列化并记为线性阵
计算N中任意两个元素之间的非零正差值，统计存在上述差值的种类个数，记为QN。
的冗余度
虚拟天线序列的角度分辨率为
上述分析，本发明设计的虚拟天线方式可以获得更高的角度分辨率。
进一步地，所述的水平和俯仰发射波形配对组合，主要表现为水平发射通道、俯仰发射道调频信号的调频周期不同，对同一目标引入不同的速度模糊量，通过水平与俯仰接收通道各自解算的多普勒频率配对组合后解出多普勒模糊数，进而求出目标的真实多普勒频率，达到解速度模糊的目的。主要包括水平向的多重调频连续波的调频重复间隔为Ta，俯仰向的多重调频连续波调频重复间隔为Te，水平向最大不模糊多普勒频率俯仰向最大不模糊多普勒频率令fda＝caf，fde＝cef，满足ca与ce为互质整数。MaTa＝MeTe，其中Ma，Me分别为水平与俯仰的多重调频周期数。利用上述处理通过中国余数定理可解得真实的多普勒频率。
进一步地，所述的频段异化，包括水平与俯仰通道发射信号分别占用不同的带宽频段，用于雷达水平与俯仰通道的内部抗干扰水平，另在各自的频段范围预设多个可变频频段，当被其他雷达直接照射时，接收通道饱和，此时在水平和俯仰的各自异化频段内变换频段工作，解决直接照射强干扰造成的雷达连续失效。
进一步地，所述的跳频处理，包括多重调频连续波的调频带宽与调频周期保持帧内不变，调频的起始频率在一定范围内受伪随机数调节连续跳变，用于处理多部同频段雷达同时工作时的随机干扰问题，包括水平、俯仰两发射通道波形的帧内多重调频连续波调制周期与调频带宽不变，调频起始频率与终止频率随伪随机码连续跳变的方式。
本发明的有益效果是：通过发射线性调频连续波解算回拍信号的差频，得到目标与天线法向的径向距离，发射多重连续波，通过解算多重回波的相位变化，得目标的径向相对速度；再利用水平、俯仰两组实天线，通过天线虚拟技术获得两组收发通道阵列，分别进行水平方位角度、俯仰角度解算，通过数字处理部分进行坐标融合，最终得到四维的目标信息，具有多维信息感知、全天候、低成本的特点，可广泛用于高级驾驶辅助系统，以及自动驾驶系统。
附图说明
图1为本发明实施例的原理框架图。
其中，110-信号处理部分，120-水平发射通道，130-俯仰发射通道，140-水平接收通道，150-俯仰接收通道，160-水平发射天线阵列，170-俯仰发射天线阵列，180-水平接收天线阵列，190-俯仰接收天线阵列，100-信息输出部分。
图2为天线阵列排布规则示意图。
其中，210-实发射天线阵列，220实接收天线阵列，230-虚拟阵列
图3为本发明对目标获取空间信息的原理示意图。
其中，310-空间目标，320-俯仰虚拟阵列，330-俯仰实接收天线阵列，340-水平实接收天线阵列，350-水平虚拟阵列。
图4为本发明中水平与俯仰向分别覆盖的空间区域示意图。
其中，410-4D毫米波雷达，420-水平波束覆盖区域，430-俯仰波束覆盖区域，440-水平、俯仰波束重叠区域。
具体实施方式
为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体的实施方式，进一步阐述本发明。
如图1所示，本发明中4D毫米波雷达系统空间信息感知方法，其主要实现方法包含水平发射通道120，俯仰发射通道130，水平接收通道140，俯仰接收通道150，水平发射天线阵列160，俯仰发射天线阵列170，水平接收天线阵列180，俯仰接收天线阵列190，信息输出部分100，信号处理部分110；所述信号处理部分110控制水平发射通道120、俯仰发射通道130输出水平、俯仰两通道多重调频连续波，分别通过水平发射天线阵列160、俯仰发射天线阵列170向目标三维空间辐射，照射到目标后反射，经水平接收天线阵列180、俯仰接收天线阵列190接收后分别进入水平接收通道140、俯仰接收通道150进行混频，输出水平、俯仰向中频信号分别送入信号处理部分110进行雷达信号处理，处理得到的点云数据可直接通过信息输出部分100输出，也可继续在信号处理部分110中处理，进一步得到跟踪后的目标信号再经信息输出部分100输出。
进一步地，所述的天线虚拟处理方法，以四发四收为例，若按普通等间距方式排布，实发射天线阵列为[1 1 0 0 0 0 0 1 1]，实接收天线阵列[1 0 1 0 1 0 1]，虚拟天线阵列排布序列[1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1]，获得虚拟孔径为15，冗余度为8，设间距d大小为半波长，则角度分辨率为8.4°。
进一步地，如图2所示，实发射天线阵列210的稀疏序列[1 0 1 0 0 0 1 0 0 1]，实接收天线阵列220的稀疏序列[1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1]，虚拟阵列230与实接收天线阵列220组成的接收天线阵列排布序列为[1 1 1 1 0 0 1 1 0 1 1 1 1 1 1 0 0 1 1 01 1]，虚拟后天线口径为21，冗余度5.7143，同样d为半波长，此时，角度分辨率为
进一步地，所述的水平和俯仰发射波形配对组合，具体为水平向多重调频连续波的调频重复间隔为Ta，俯仰向多重调频连续波的调频重复间隔为Te。
水平向最大不模糊多普勒频率俯仰向最大不模糊多普勒频率
令fda＝caf，fde＝cef，满足ca与ce为互质整数。
MaTa＝MeTe，其中Ma，Me分别为水平与俯仰的多重调频周期数。
对水平、俯仰分别做2D-FFT处理得目标速度维坐标la、le，则目标对应真实多普勒频率坐标ld＝(mala+mele)mod(cace)，其中ma，me满足ma＝(nace)mod(ca)≡1，me＝(neca)mod(ce)≡1，na，ne为满足上述关系的最小正整数。
上述解出的真实多普勒频率
上述最大可解多普勒不模糊频率
进一步地，所述的频段异化，包括水平与俯仰通道发射信号分别占用不同的带宽频段，用于雷达水平与俯仰通道的内部抗干扰水平，另在各自的频段范围预设多个可变频频段，当被其他雷达直接照射时，接收通道饱和，此时在水平和俯仰的各自异化频段内变换频段工作，解决直接照射强干扰造成的雷达连续失效。以预设4段变频波段为例，水平发射调制波形的中心频率为foa、调制带宽为Ba，水平发射调制波形的中心频率为foe、调制带宽为Be，令foa与foe差异化，以foa＜foe为例说明，需保证foa+Ba＜foe-Be，当存在强干扰照射时，接收通道发生饱和，调节水平和俯仰向的中心频率，分别在 范围持续变换，停止变换的条件为各自饱和消失。
进一步地，所述的跳频处理，其调制周期与调频带宽不变，调频起始频率与终止频率随伪随机码连续跳变，通过处理器的运算能力使用代码的方式产生n bits伪随机码xR，xR∈[-2n-2，2n-2-1]，预留可跳变带宽Bh，任意调频周期内的跳频频率则水平、俯仰在任意调频周期内的调频范围分别为[fal+fh，fah+fh]，[fel+fh，feh+fh]，其中fal，fah分别为水平调频起始频率与终止频率，fel，feh分别为俯仰的调频起始频率与终止频率。
进一步地，如图3所示，俯仰实接收天线阵列330，水平实接收天线阵列340，俯仰虚拟阵列320，水平虚拟阵列350按图中示意布置，空间目标310经水平天线阵列分别解算出一组信息包含径向距离、相对速度、水平方位角，经俯仰天线阵列分别解算出另一组信息包含径向距离、相对速度、俯仰角。
进一步地，信号处理部分110将上述两组信息融合，先结合两组信息中的相对速度解出模糊后的真实相对速度信息，如图4所示，对水平波束覆盖区域420与俯仰波束覆盖区域430进行方位角、俯仰角融合，构成了4D毫米波雷达410主要工作空间区域，即水平、俯仰波束重叠区域440。将上述径向距离、真实相对速度信息结合，组成三维空间信息加相对速度信息的四维信息通过信息输出部分100输出。
以上所述的具体实施例，对于本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步的详细说明，应当理解的是，以上所述仅为本发明的实施例，并不用于限制本发明，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，均应在本发明保护范围之内。
Claims (6)
1.4D毫米波雷达系统空间信息感知方法，其特征：设置水平、俯仰两个独立处理通道，通过天线虚拟处理方法，分别解得具有高角度分辨率的水平、俯仰角，再将水平、俯仰两个维度数据通过信号处理进行数据融合后，得到极坐标和直角坐标下的三维空间信息；所述数据融合为对水平和俯仰发射波形配对组合，用于解速度模糊，得到不模糊的真实相对速度信息，与所述的三维空间信息组成四维信息；所述的调频连续波包含频段异化处理和跳频处理，进行抗干扰。
2.根据权利要求1所述的4D毫米波雷达系统空间信息感知方法，其特征在于所述的设置水平、俯仰两个独立处理通道，有水平、俯仰两个独立发射通道，以及相对应的水平、俯仰两个独立接收通道。
3.根据权利要求1所述的4D毫米波雷达系统空间信息感知方法，其特征在于，所述的天线虚拟处理方法，有稀疏发射，稀疏接收和稀疏化的虚拟接收天线阵，同时实天线通过不等间距的特定空间布置，经虚拟后可以获得比等间距天线阵更大的口径，进而提高角度分辨能力。
4.根据权利要求1所述的4D毫米波雷达系统空间信息感知方法，其特征在于，所述的水平和俯仰发射波形配对组合，主要表现为水平发射通道、俯仰发射道调频信号的调频周期不同，对同一目标引入不同的速度模糊量，通过水平与俯仰接收通道各自解算的多普勒频率配对组合后解出多普勒模糊数，进而求出目标的真实多普勒频率，达到解速度模糊的目的。
5.根据权利要求1所述的4D毫米波雷达系统空间信息感知方法，其特征在于，所述的频段异化，水平与俯仰通道发射信号分别占用不同的带宽频段，用于雷达水平与俯仰通道的内部抗干扰。
6.根据权利要求1所述的4D毫米波雷达系统空间信息感知方法，其特征在于，所述的跳频处理，多重调频连续波的调频带宽与调频周期保持帧内不变，调频的起始频率在一定范围内受伪随机数调节连续跳变，用于处理多部同频段雷达同时工作时的干扰问题。
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