CN110515066A - 一种车载毫米波雷达及其目标高度测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种车载毫米波雷达及其目标高度测量方法，所述毫米波雷达设有n根天线，其中，第1至n‑1根天线成水平线性阵列排布，第n根天线设置于所述第1至n‑1根天线连线的下侧，且第n根天线与第n‑1根天线间的连线与所述第1至n‑1根天线的连线间的夹角γ为钝角。通过以本发明设置的阵列形式加入的第n根天线，既没有损失水平方向天线孔径，同时也增加了俯仰孔径。即，第n根天线与其余天线的相位差，不仅有目标水平角度信息，同时有目标的俯仰信息，天线有效孔径大大提高，大大增强了系统探测效能。且天线孔径越大，天线波束越窄，雷达探测精度越高。从而采用本天线阵列设置可以提高天线的利用效率。

Description

一种车载毫米波雷达及其目标高度测量方法

技术领域

本发明涉及毫米波雷达的天线布阵方式及高度测量领域，尤其涉及一种车载毫米波雷达及其目标高度测量方法。

背景技术

在自动驾驶业内，毫米波雷达传感器因其成本适中、环境适应性强以及远距离探测能力较好而成为主流探测传感器之一。车载毫米波雷达产品的工作频段目标包括24GHz和77GHz。随着业内产品开发的深入，77GHz频段系列产品的成本不断降低，而其体积小、探测距离远的优势日益突出，因此成为了今后车载雷达的主要研究方向之一。

毫米波雷达主要功能是确定目标的位置和相对速度，位置就包括了相对的距离，俯仰角度(高度)以及水平角度。其中作为先进的汽车雷达系统，需要辨别物体的高度，如井盖、天桥等，因此对物体的俯仰角度或高度的测量变得非常重要。在有限的天线数的基础上，既兼顾水平角度的测量，同时也需要兼顾俯仰角度的测量，一直是雷达角度探测的重要工作。

传统的雷达目标俯仰角测量，如图一所示，一般是通过天线在水平角度一致的情况下，在俯仰方向上有距离差异，通过有高度的物体反射波到达天线的相位差来计算目标俯仰角。但是按照这样的需求来布置天线阵列，就会损失天线的水平角探测能力。

发明内容

本发明的目的在于，为克服现有技术缺陷提出了一种车载毫米波雷达及其目标高度测量方法，以使得天线系统在具备高度测量能力的同时，不损失天线系统的水平孔径，不影响雷达水平角度的探测性能。

本发明目的通过下述技术方案来实现：

一种车载毫米波雷达，所述毫米波雷达设有n根天线，其中，第1至n-1根天线成水平线性阵列排布，第n根天线设置于所述第1至n-1根天线连线的下侧，且第n根天线与第n-1根天线间的连线与所述第1至n-1根天线的连线间的夹角γ为钝角。

通过本雷达中第n根天线的位置设置，使得第n根天线与其余天线的相位差，不仅有目标水平角度信息，同时有目标的俯仰信息，增加了天线的有效孔径。天线孔径越大，天线波束越窄，雷达探测精度越高。从而采用本天线阵列设置可以提高天线的利用效率。

根据一个优选的实施方式，所述第n根天线与第n-1根天线间的连线与所述第1至n-1根天线的连线间的夹角γ为135°。通过将第n根天线的位置设置，能够使得该天线为目标位置测量提供最佳的水平角度信息和俯仰角度信息。

根据一个优选的实施方式，所述毫米波雷达设有4根天线。

一种车载毫米波雷达的目标高度测量方法，所述毫米波雷达设有n根天线，其中，第1至n-1根天线成水平线性阵列排布，第n根天线设置于所述第1至n-1根天线连线的下侧，且第n根天线与第n-1根天线间的连线与所述第1至n-1根天线的连线间的夹角γ为钝角。其中，所述目标高度测量方法包括如下步骤：步骤1：获取雷达各通道的原始数据；步骤2：测量目标距雷达的距离r；步骤3：基于接收阵元构件空间矩阵；步骤4：完成目标到达角的计算；步骤5：根据到达角以及测量的目标距离r计算目标高度h₁。

通过本雷达中第n根天线的位置设置，使得第n根天线与其余天线的相位差，不仅有目标水平角度信息，同时有目标的俯仰信息，通过本目标高度测量方法与天线阵列配合可以提高天线的利用效率，增大天线水平孔径的同时不会产生俯仰角度探测模糊。即是，在解析出目标的俯仰角度信息的同时不会引入水平角度的探测误差。

根据一个优选的实施方式，所述步骤3中空间矩阵的构建方法包括：设有K个目标相对于接收阵元的到达角为θ_K，雷达的接收K个目标回波经过匹配滤波器后的阵列输出模型的矩阵形式都可以表示为：

X(t)＝As(t)+N(t)

式中，方向矩阵为A＝[a(θ₁),a(θ₂),…,a(θ_K)]∈C^M*K，t为时间变量；

第K个目标方向矢量为a(θ_K)＝exp[-j2πsin(θ_K)],S＝[s(1),s(2),…,s(N)]^T∈C^{L *K}且N＝C^MN*K为均值为0方差为σ的高斯白噪声,M为发射阵元数，N为接收阵元数，j表示复数虚部；

阵列式的协方差矩阵为R_X＝E{XX^H}对输出信号的协方差矩阵Rx进行特征分解为：

R_X＝E_SD_SE^H _S+E_ND_NE^H _N

式中D_S和D_N分别为K个最大特征值组成的K*K的对角矩阵和剩余特征值组成的对角矩阵；E_S和E_N分别对应于K个最大特征值的特征向量以及剩余特征值对应的特征向量，分别对应为信号子空间和噪声子空间。

根据一个优选的实施方式，所述步骤4中，完成目标到达角的计算包括：

由MUSIC算法可以得到，

通过寻找谱峰来获得到目标达角θ₁和θ₂。

根据一个优选的实施方式，，所述步骤5中，计算目标高度h₁通过如下计算式获得：

其中，α和β分别对应步骤4中测得的到达角θ₁和θ₂，a为目标位置在雷达水平探测方向的投影距离，b为目标位置在第n天线布阵方向上的投影距离。

根据一个优选的实施方式，步骤1中获取雷达各通道的原始数据包括：获取雷达各通道的发射信号数据和接受信号数据。

前述本发明主方案及其各进一步选择方案可以自由组合以形成多个方案，均为本发明可采用并要求保护的方案；且本发明，(各非冲突选择)选择之间以及和其他选择之间也可以自由组合。本领域技术人员在了解本发明方案后根据现有技术和公知常识可明了有多种组合，均为本发明所要保护的技术方案，在此不做穷举。

本发明的有益效果：通过以本发明设置的阵列形式加入的第n根天线，既没有损失水平方向天线孔径，同时也增加了俯仰孔径。即是，第n根天线与其余天线的相位差，不仅有目标水平角度信息，同时有目标的俯仰信息，天线有效孔径大大提高，大大增强了系统探测效能。且天线孔径越大，天线波束越窄，雷达探测精度越高。从而采用本天线阵列设置可以提高天线的利用效率。同时，通过本目标高度测量方法与天线阵列配合可以提高天线的利用效率，增大天线水平孔径的同时不会产生俯仰角度探测模糊。即是，在解析出目标的俯仰角度信息的同时不会引入水平角度的探测误差。

附图说明

图1是传统车载雷达为4天线时的布阵示意图；

图2是本发明车载毫米波雷达为4天线时布阵示意图；

图3是本发明车载毫米波雷达为4天线时各天线位置关系示意图；

图4是本发明方法目标高度测量方法构筑的辅助空间坐标系；

图5是本发明方法探测角度精度与传统雷达天线布阵探测精度参数对比；

图中，1-第一天线，2-第二天线，3-第三天线，4-第四天线，101-第一根天线，102-第二根天线，103-第n-1根天线，104-第n根天线。

具体实施方式

下列非限制性实施例用于说明本发明。

实施例1：

参考图2和图3所示。图中示出一种车载毫米波雷达。所述毫米波雷达设有n根天线，包括第1根天线101、第二根天线102、第n-1根天线103，以及第n根天线104。其中，第1至n-1根天线成水平线性阵列排布，第n根天线设置于所述第1至n-1根天线连线的下侧，且第n根天线与第n-1根天线间的连线与所述第1至n-1根天线的连线间的夹角γ为钝角。

优选地，所述第n根天线与第n-1根天线间的连线与所述第1至n-1根天线的连线间的夹角γ为135°。通过将第n根天线的位置设置，能够使得该天线为目标位置测量提供最佳的水平角度信息和俯仰角度信息。

优选地，所述车载毫米波雷达可以设置为如图所示的4根天线，即n为4。第4根天线与第3根天线的连线与第1根天线至第3根天线的连线件的夹角优选为135°。即是，雷达4天线之间的水平位置矩阵为{0、λ/2、2λ、λ}，俯仰位置矩阵为{0、0、0、λ}。

通过本方式设置的阵列形式加入的第4根天线，既没有损失水平方向天线孔径，同时也增加了λ的俯仰孔径。第4根天线与其余天线的相位差，不仅有目标水平角度信息，同时有目标的俯仰信息，尤其是使得在解析出目标的俯仰角度信息的同时不会引入水平角度的探测误差。

而如图1所示的传统天线布阵方式中，雷达4天线之间的水平位置矩阵为{0、λ/2、2λ、0}，俯仰位置矩阵为{0、0、0、λ}。该布阵方式中，各天线采用水平加俯仰二维布阵，分别测量水平角度和俯仰角度，此天线阵列的水平孔径为5λ/2，俯仰孔径为λ。

而本发明采用4天线的车载雷达中，天线阵列水平孔径为7λ/2，俯仰孔径为λ，由此可见天线有效孔径大大提高，大大增强了系统探测效能。且天线孔径越大，天线波束越窄，雷达探测精度越高。从而采用本天线阵列设置可以提高天线的利用效率。

本发明还公开了一种车载毫米波雷达的目标高度测量方法。以夹角γ为135°为例。其中，所述目标高度测量方法包括如下步骤：

步骤1：获取雷达各通道的原始数据。

优选地，获取雷达各通道的原始数据包括：获取雷达各通道的发射信号数据和接受信号数据。

步骤2：测量目标距雷达的距离r。优选地，步骤2还包括测量目标与雷达间相对速度信息。

步骤3：基于接收阵元构件空间矩阵。

优选地，所述步骤3中空间矩阵的构建方法包括：设有K个目标相对于接收阵元的到达角为θ_K，雷达的接收K个目标回波经过匹配滤波器后的阵列输出模型的矩阵形式都可以表示为：

X(t)＝As(t)+N(t)

式中，方向矩阵为A＝[a(θ₁),a(θ₂),…,a(θ_K)]∈C^M*K，t为时间变量；

第K个目标方向矢量为a(θ_K)＝exp[-j2πsin(θ_K)],S＝[s(1),s(2),…,s(N)]^T∈C^{L *K}且N＝C^MN*K为均值为0方差为σ的高斯白噪声,M为发射阵元数，N为接收阵元数，j表示复数虚部；

阵列式的协方差矩阵为R_X＝E{XX^H}对输出信号的协方差矩阵Rx进行特征分解为：

R_X＝E_SD_SE^H _S+E_ND_NE^H _N

式中D_S和D_N分别为K个最大特征值组成的K*K的对角矩阵和剩余特征值组成的对角矩阵；E_S和E_N分别对应于K个最大特征值的特征向量以及剩余特征值对应的特征向量，分别对应为信号子空间和噪声子空间。

步骤4：完成目标到达角的计算；

由MUSIC算法可以得到，

式中为分布式信号向量和噪声矩阵的内积，当a(θ)和E_N的各列正交时该分母为0，但是由于高斯白噪声的存在，实际情况中分母不会为0，而是趋近最小值，因此谱估计会有一个尖峰。使θ变化，通过寻找谱峰来估计到达角通过寻找谱峰来获得到目标到达角θ₁和θ₂。如图5所示，采用本发明雷达的天线布阵方式时其到达角探测精度明显高于传统雷达天线布阵方式测得的到达角的精度。

步骤5：根据到达角以及测量的目标距离r计算目标高度h₁。同时建立以第n根天线为原点的辅助空间坐标系以完成目标高度h₁的测量。

如图4所示，所述辅助空间坐标系包括xyz轴。其中x轴正方向为第n根天线探测的水平方向。z轴为探测目标的俯仰方向或竖直方向。y轴方向垂直于x轴及z轴构成的平面。

该辅助空间坐标系中，Z为探测到的目标，O为第n根天线所在位置。OA为水平布阵方向，OB为既包含俯仰也包含水平的第n天线的布阵方向，即是∠BOA＝135°。

且，图中A₁为目标Z在水平面的投影。B1为目标Z在OBB₁平面的投影，且BB₁与y轴平行。同时，A和B又分别为A₁和B₁在y＝0平面上的投影。且，该空间坐标系中，△AOB≌△A₁O₁B₁，且，△AOB与△A₁O₁B₁平行，OA＝O₁A₁，OB＝O₁B₁。

通过步骤2已知OZ距离为r。通过步骤4已知第一到达角∠AOA1(∠α)为θ₁，第二到达角∠BOB1(∠β)为θ₂。

同时设ZA₁＝h₁，ZB₁＝h₂，OA＝a，OB＝b，根据几何解析可以得出算式：

通过上述4个计算式，计算得出h₁，h₂，a和b四个未知数，即是完成了目标高度h₁的计算。

即是，通过以本发明设置的阵列形式加入的第n根天线，既没有损失水平方向天线孔径，同时也增加了俯仰孔径。即是，第n根天线与其余天线的相位差，不仅有目标水平角度信息，同时有目标的俯仰信息，天线有效孔径大大提高，大大增强了系统探测效能。且天线孔径越大，天线波束越窄，雷达探测精度越高。从而采用本天线阵列设置可以提高天线的利用效率。

同时，通过本目标高度测量方法与天线阵列配合可以提高天线的利用效率，增大天线水平孔径的同时不会产生俯仰角度探测模糊。即是，在解析出目标的俯仰角度信息的同时不会引入水平角度的探测误差。

前述本发明基本例及其各进一步选择例可以自由组合以形成多个实施例，均为本发明可采用并要求保护的实施例。本发明方案中，各选择例，与其他任何基本例和选择例都可以进行任意组合。本领域技术人员可知有众多组合。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种车载毫米波雷达，其特征在于，所述毫米波雷达设有n根天线，其中，第1至n-1根天线成水平线性阵列排布，第n根天线设置于所述第1至n-1根天线连线的下侧，且第n根天线与第n-1根天线间的连线与所述第1至n-1根天线的连线间的夹角γ为钝角。

2.如权利要求1所述的一种车载毫米波雷达，其特征在于，所述第n根天线与第n-1根天线间的连线与所述第1至n-1根天线的连线间的夹角γ为135°。

3.如权利要求2所述的一种车载毫米波雷达，其特征在于，所述毫米波雷达设有4根天线。

4.一种车载毫米波雷达的目标高度测量方法，其特征在于，所述毫米波雷达的天线采用如权利要求1的布阵方式进行布阵，所述目标高度测量方法包括如下步骤：

步骤1：获取雷达各通道的原始数据；

步骤2：测量目标距雷达的距离r；

步骤3：基于接收阵元构件空间矩阵；

步骤4：完成目标到达角的计算；

步骤5：根据到达角以及测量的目标距离r计算目标高度h₁。

5.如权利要求4所述的一种车载毫米波雷达的目标高度测量方法，其特征在于，所述步骤3中空间矩阵的构建方法包括：

设有K个目标相对于接收阵元的到达角为θ_K，雷达的接收K个目标回波经过匹配滤波器后的阵列输出模型的矩阵形式都可以表示为：

X(t)＝As(t)+N(t)

式中，方向矩阵为A＝[a(θ₁),a(θ₂),…,a(θ_K)]∈C^M*K，t为时间变量，

第K个目标方向矢量为a(θ_K)＝exp[-j2πsin(θ_K)],

S＝[s(1),s(2),…,s(N)]^T∈C^L*K且N＝C^MN*K为均值为0方差为σ的高斯白噪声,M为发射阵元数，N为接收阵元数，j表示复数虚部；

阵列式的协方差矩阵为R_X＝E{XX^H}对输出信号的协方差矩阵Rx进行特征分解为：

R_X＝E_SD_SE^H _S+E_ND_NE^H _N

式中D_S和D_N分别为K个最大特征值组成的K*K的对角矩阵和剩余特征值组成的对角矩阵；E_S和E_N分别对应于K个最大特征值的特征向量以及剩余特征值对应的特征向量，分别对应为信号子空间和噪声子空间。

6.如权利要求5所述的一种车载毫米波雷达的目标高度测量方法，其特征在于，所述步骤4中，完成目标到达角的计算包括：

由MUSIC算法可以得到，

通过寻找谱峰来获得到目标达角θ₁和θ₂。

7.如权利要求6所述的一种车载毫米波雷达的目标高度测量方法，其特征在于，所述步骤5中，计算目标高度h₁通过如下计算式获得：

其中，α和β分别对应步骤4中测得的到达角θ₁和θ₂，a为目标位置在雷达水平探测方向的投影距离，b为目标位置在第n天线布阵方向上的投影距离。

8.如权利要求4所述的一种车载毫米波雷达的目标高度测量方法，其特征在于，步骤1中获取雷达各通道的原始数据包括：获取雷达各通道的发射信号数据和接受信号数据。