CN110726979A - 一种三维雷达系统及目标定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种三维雷达系统，包括发射单元、接收单元、数据处理单元频率综合器和控制单元，其中该发射单元包括：多个发射天线，用于辐射测量信号，且在同一时刻，仅一个该发射天线辐射该测量信号；信号产生器，用于根据本振信号产生雷达基带信号；发射机，用于将该雷达基带信号进行混频和放大为该测量信号；该接收单元包括：多个接收天线，用于接收目标反射的回波信号；接收通道，用于对该回波信号进行预处理以得到数字信号；该数据处理单元用于根据该本振信号对该数字信号进行实时处理，以获取该目标的三维信息，该三维信息包括该目标的方位角、俯仰角、距离、速度；该频率综合器用于为该信号产生器和该数据处理单元提供该本振信号。

Description

一种三维雷达系统及目标定位方法

技术领域

本发明涉及雷达领域，特别是涉及一种具有高角度分辨率的汽车雷达，以及一种使用该汽车雷达的目标定位方法。

背景技术

受雷达系统复杂性和成本等因素的制约，目前研究和应用较多的汽车雷达主要是具有方位角和距离测量能力的二维雷达，角度分辨率通常不高，而且只针对运动目标，对道路中或道路边缘的静态障碍物缺乏识别能力，容易带来安全隐患。

当前汽车雷达测向以采用比相体制为主，为了提高汽车雷达的角分辨率，可采用增加接收天线个数的思路，通过加大接收天线之间的间隔距离来实现，同时为降低雷达系统的复杂性，对接收天线利用切换开关分别送到接收通道[专利申请CN107003388A，徐魁，程翔.带有天线转换开关的车用毫米波雷达[J].现代电子技术，2007(10)]，这种方法对相对静止的目标有效，但对运动速度不同的多个目标，利用开关对不同接收天线进行切换，不易保证同一目标对不同接收通道稳定的相位关系，对信号处理带来较大的难度。

此外，为解决汽车雷达跟踪测量多个目标的困难，经常采用增加接收天线和接收通道或改变发射信号调制样式等方法，也增加了系统的复杂性和技术难度。

采用相控阵或多发多收(MINO，Multiple Input Multiple Output)体制的汽车雷达，可以解决上述问题，但其复杂性和成本是显而易见的。

发明内容

为解决上述问题，本发明公开了一种三维雷达系统，包括发射单元、接收单元、数据处理单元、频率综合器和控制单元，其中：

该发射单元包括：至少3个发射天线，用于辐射测量信号，且在同一时刻，仅一个该发射天线辐射该测量信号；信号产生器，用于根据本振信号产生雷达基带信号；发射机，用于将该雷达基带信号与该本振信号进行混频，并放大为该测量信号；

该接收单元包括：至少3个接收天线，用于接收目标反射的回波信号，其中至少2个该接收天线分别位于所有该发射天线的左侧和右侧，至少1个该接收天线位于所有该发射天线的上侧或下侧；接收通道，用于对该回波信号进行低噪声放大、滤波和A/D转换以得到数字信号；

该数据处理单元用于根据该本振信号对该数字信号进行实时处理，以获取该目标的三维信息，该三维信息包括该目标的方位角、俯仰角、距离、速度；

该频率综合器用于为该信号产生器、该发射机和该数据处理单元提供该本振信号；

该控制单元，用于控制该发射机、该发射天线和该数据处理单元协同工作。

本发明所述的三维雷达系统，其中该发射单元还包括切换开关，用于控制该发射天线工作顺序；且该发射机为1个，在同一时刻，该发射机输出1路该测量信号。

本发明所述的三维雷达系统，其中该信号产生器产生多种模式的该雷达基带信号，且在同一时刻，仅产生一种模式的该雷达基带信号。

进一步的，该接收天线为3个，该接收通道为1个，且该接收通道的通道数为3路。

进一步的，该发射天线为3个，且至少一个该发射天线的主瓣方向与水平面具有夹角α，α＞0°；至少一个该发射天线的主瓣方向与水平面具有夹角β，β＜0°。

进一步的，至少2个该发射天线所在的直线与水平面具有夹角δ，δ≠0°。

优选的，该测量信号处于24GHz或77GHz毫米波频段。

本发明还涉及一种目标定位方法，使用上述三维雷达系统，对目标进行定位，包括：

测量步骤，获取正在辐射测量信号的发射天线主瓣宽度内所有目标的回波信号到达各接收天线的时延值及信号强度；

第一计算步骤，以任意两个该接收天线所获取的该延时值，得到该目标到该三维雷达系统中心的参考距离；其中该目标为真实目标或虚假目标；

第二计算步骤，通过多个该发射天线依序轮流辐射该测量信号，获取该目标的多个该参考距离，比较该参考距离以判断该目标是否为虚假目标，若为虚假目标则丢弃该目标，若为真实目标则通过该参考距离得到该目标到该中心的距离、方位角、俯仰角和相对速度，并通过该信号强度获取该目标的雷达散射截面积。

本发明利用较长的接收基线、宽带雷达信号和高稳定度的频率源，采用时差测量实现汽车雷达较高的角度分辨率，采用多个接收天线实现方位和俯仰角的同时测量，同时利用不同位置上的发射天线解决解多目标测量和虚假目标排除问题，以较低的技术复杂性和成本实现汽车雷达对运动和静止目标的高角分辨率三维测量。

附图说明

图1是本发明实施例的一种三维雷达系统组成示意图。

图2是本发明实施例的发射天线和接收天线布置示意图。

图3A、3B是本发明另一实施例的发射天线主瓣方向示意图。

图4是本发明另一实施例的两个发射天线安装示意图。

图5是现有技术的双基地雷达示意图。

图6是本发明实施例的一种三维雷达系统方位方向测量示意图。

图7是本发明实施例的一种三维雷达定位方法流程图。

其中附图标记为：

1：发射单元 11：发射天线

12：切换开关 13：发射机

14：信号产生器 2：接收单元

21：接收天线 22：接收通道

3：数据处理单元 4：频率综合器

5：控制单元

Tx、Tx₁、Tx₂、Tx`<sub>1</sub>、Tx`₂：发射天线

Rx、Rx₁、Rx₂：接收天线

L、L1、L2：收发天线间的基线长度

R_R、R_R1、R_R2：目标到接收天线的距离

R_T、R_T1、R_T2：目标到发射天线的距离

O：参考中心 S：目标

P：水平面 Q：主瓣方向

C：两个发射天线之间的连线

α、β：发射天线主瓣方向与水平面的夹角

δ：两个发射天线的连线与水平面的夹角

θ_R：目标相对接收天线的方位角

θ_T：目标相对发射天线的方位角

θ_s：目标相对参考中心O的方位角

R_S：目标相对参考中心O的距离

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式做出进一步的详细说明，所描述的实施例仅仅是本发明的一种实施例，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付出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明的保护范围，为简单起见，以下内容省略了该技术领域公知的技术原理和通用技术。

本发明提供一种基于时差测量的三维雷达系统，可以在复杂的路况条件下，对载具前方各种运动物体、静止障碍物等目标实现高角分辨率测量，适用于汽车，如各类乘用车、商用车等，也可以用于如内河船舶等，本发明并不以此为限。

图1是本发明实施例的一种三维雷达系统组成示意图。如图1所示，本发明的一种三维雷达系统，包括发射单元1、接收单元2、数据处理单元3、频率综合器4和控制单元5，其中，发射单元1包括：发射天线11、切换开关12、发射机13和信号产生器14；接收模块2包括：接收天线21和接收通道22。雷达可以工作在24GHz或77GHz毫米波频段，由于24GHz毫米波频更容易实现，因此优选该频段。

图2是本发明实施例的发射天线和接收天线布置示意图。如图2所示，发射天线11设置于汽车的前部，包含至少3个的发射天线并以线阵方式排列。于本发明的实施例中，发射天线11包含3个天线并以线阵方式排列，每个发射天线方位上的主瓣宽度为10°，天线间的间隔30cm。

切换开关12用于将发射机13的测量信号送到某一个发射天线11，以使在同一时刻，仅有一个发射天线11向外辐射测量信号，于本发明的实施例中，切换开关12为单刀三掷电子开关，工作时受控制单元5控制，按照设定的时序关系切换。

频率综合器4用于为系统提供高稳定度的频率基准信号，并为发射机13、信号产生器14和接收通道22提供本振信号，为实现高精度的时延测量，要求频率源的稳定度优于10^-10/s。

信号产生器14用于产生宽带基带信号并送发射机13，从时延测量的角度，可采用相位编码信号，为保证较高的时延分辨率，其码率大于1GHz。

发射机13用于将信号产生器14送来的雷达基带信号与频率综合器4送来的本振信号进行混频和放大以生成测量信号，发射机13的路数为1路，测量信号经切换开关12发送至发射天线11。

请再次参阅图2。如图2所示，接收天线21设置于汽车的前部，用于接收汽车前方各种运动车辆、静止障碍物和路标等目标的回波信号，数量大于等于3个，于本发明的实施例中，接收天线21的数量为3个，其中2个接收天线21放置在发射天线11的左右两侧，距离发射天线3cm，与发射天线处于同一水平线上；1个接收天线21放置在发射天线11的上侧或下侧，与发射天线11的垂直距离为30cm。

接收通道22与接收天线21电性连接，用于将接收天线21接收到的雷达反射信号进行低噪声放大，与频率综合器4提供的本振信号进行混频，再经滤波和A/D转换为数字信号后发送至数据处理单元3，接收通道22的接收通道数为3路。

数据处理单元3对接收通道22送来的数字信号进行实时处理，提取对不同发射天线、各个目标在不同接收通道的幅度、时延和多普勒，综合处理后获取各个目标的如方位角、俯仰角、距离、速度信息和信号强度等信息。

控制单元5用于控制信号产生器14、切换开关12和数据处理单元3的协同工作。

三维雷达系统工作时，信号产生器14产生的信号经发射机13混频和放大，由切换开关12按照时序关系馈送不同的发射天线11，接收天线21和接收通道22同时接收多个目标的回波信号，进行低噪声放大和混频后送数据处理单元3，数据处理单元3进行各种数字信号处理，利用不同发射天线11排除虚假目标，获取各个目标的信号强度、方位角、俯仰角、距离和速度信息。

高稳定度的频率基准信号、宽带雷达信号和接收天线间较长的基线长度保证雷达系统实现较高角度分辨率。

作为优选方案1，发射天线11也可以三角形方式排列。

作为优选方案2，信号产生器14可产生不同模式的雷达基带信号，经发射机13产生不同模式的测量信号，通过切换开关12分别送不同的发射天线11，保证三维雷达系统有更大的灵活性。

为确保三维雷达系统的载具在处于不同姿态的情况下，仍可以有效探测载具前方的目标，本发明的三维雷达系统的至少一个发射天线的主瓣方向与水平面具有夹角(仰角)α，α＞0°；至少一个该发射天线的主瓣方向与水平面具有夹角(俯角)β，β＜0°。图3A、3B是本发明另一实施例的发射天线主瓣方向示意图，图4是本发明另一实施例的两个发射天线安装示意图。在另一实施例中，如图3A所示，三维雷达系统的一个发射天线Tx₁在安装于汽车时，使主瓣方向Q相对于水平面P为向汽车行驶方向的上方倾斜，具有仰角α，以使汽车在下坡道的末端可以探测前方水平道路的目标，或在即将进入上坡道时可以探测前方上坡道的目标；如图3B所示，三维雷达系统的另一个发射天线Tx₂在安装于汽车时，使主瓣方向Q相对于水平面P为向汽车行驶方向的下方倾斜，具有俯角β，以使汽车在上坡道的末端可以探测前方水平道路的目标，或在即将进入下坡道时可以探测前方下坡道的目标。另一方面，如图4所示，发射天线Tx`<sub>1</sub>和Tx`₂之间的连线C与水平面具有夹角δ，当汽车行驶在起伏路面时，以适应起伏路面。应当理解，此处的发射天线Tx₁、Tx₂、Tx`<sub>1</sub>和Tx`₂并不代表本发明的三维雷达系统具有4个发射天线，仅用于区分发射天线的不同安装方式。

图5是现有技术的双基地雷达示意图。如图5所示，对双基地雷达，目标相对接收天线的距离R_R和方位角θ_R由下式(Skolnik.M.I.“Introduction to Radar Systems.”McGraw-Hili Book Company.New York.1980.)计算得到：

式(1)中，R_R为目标S到接收天线Rx的距离，R_T为目标S到发射天线Tx的距离，距离和R_T+R_R＝c·ΔT_rt，ΔT_rt为雷达发射信号与目标回波的时间间隔，L为发射站和接收站的距离(称基线距离或基线)，c为测量信号传播速度。

图6是本发明实施例的一种三维雷达系统方位方向测量示意图。如图6所示，发射天线Tx和2个接收天线Rx₁、Rx₂分别构成2个双基地雷达，发射天线Tx到目标S的距离R_T是相同的，对不同的接收天线，收发天线基线长度L1、L2根据收发天线间的距离确定，距离和R_R1+R_T、R_R2+R_T根据不同的时延值ΔT_rt计算得到，这样很容易计算得到目标相对发射天线的方位角θ_T和距离R_T，由于发射天线T_x到中心O点的距离是已知的，通过三角形ΔOSTx，得到以参考中心O点为基准的目标距离Rs和方位角θ_s。

对单个目标来说，上述计算很容易获得，对多个目标来说，不同接收天线的ΔT_rt存在配对关系，自然就会产生虚假目标，这时利用对不同发射天线而言，真实目标总是存在的特点，排除虚假目标，得到多个真实目标的距离和方位角。

目标的信号强度和速度通过处理回波信号的幅度和多普勒得到。

同理可获得俯仰方向上的目标测量结果。

作为优选方案，发射天线也可以采用三角形方式放置，在俯仰方向增加发射天线。

作为优选方案，发射天线包含多个线阵，其中1个线阵与水平面的夹角为5°(δ＝5°)，1个线阵与水平面的夹角为‐5°(δ＝-5°)，三维雷达系统根据汽车提供的信息选用相应的线阵，以适应起伏路面。

作为优选方案，信号产生器可产生不同模式的雷达基带信号，如线性调频和相位编码，通过切换开关分别送不同的发射天线，保证系统有更大的灵活性。

图7是本发明实施例的一种三维雷达定位方法流程图。如图7所示，一种三维汽车雷达定位方法，测量目标的距离、方位角和俯仰角，以及目标的雷达散射截面积(RCS)，具体包括以下步骤：

步骤S1,通过时序关系确定正在辐射信号的发射天线，读取其坐标值,在要求雷达最大作用距离的范围内，计算以发射天线为中心，半径距离相同条件下，发射天线主瓣宽度内所有可能目标到达各个接收天线的最大时延值(相对发射信号)；

步骤S2,发射信号经不同目标反射后到达各个接收天线的回波信号，是不同时延、幅度和多普勒组成的序列，对任意2个不同接收天线，都可以与发射天线一起构成1发2收的多基地雷达，根据选定发射天线和接收天线的坐标值，以及在上述最大时延值范围内的任意2个不同时延值，可计算方位平面上目标的距离和角度值，通过不同时延值两两配对，得到发射天线主瓣宽度内所有目标的定位数据，包含真实目标和虚假目标；

步骤S3,对不同位置的发射天线，重复上述过程，利用对不同发射天线真实目标总是存在的特点，排除虚假目标，获取真实的目标距离、方位角和俯仰角，实现对目标的定位，并获取目标的RCS和速度信息。

本发明可以在以上实施例的基础上进行变形，例如采用接收切换开关，将接收通道由三通道减少为二通道，或增加接收天线，通过接收切换开关接到接收通道，又例如取消俯仰方向上接收天线，使本发明变为二维雷达系统，再例如发射或接收天线，可在设置一个平面上，也可设置在不同一个平面上。此处不再赘述。

对比现有技术，本发明利用较长的接收基线、宽带雷达信号和高稳定度的频率源，采用时差测量实现汽车雷达较高的角度分辨率，采用多个接收天线实现方位和俯仰角的同时测量，同时利用不同位置上的发射天线解决解多目标测量和虚假目标排除问题，以较低的技术复杂性和成本实现汽车雷达对目标的高角分辨率三维测量。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以其权利要求为准。

Claims (10)

1.一种三维雷达系统，其特征在于，包括发射单元、接收单元、数据处理单元、频率综合器和控制单元，其中：

该发射单元包括：至少3个发射天线，用于辐射测量信号，且在同一时刻，仅一个该发射天线辐射该测量信号；信号产生器，用于根据本振信号产生雷达基带信号；发射机，用于将该雷达基带信号与该本振信号混频，并放大为该测量信号；

该接收单元包括：至少3个接收天线，用于接收目标反射的回波信号，其中至少2个该接收天线分别位于所有该发射天线的左侧和右侧，至少1个该接收天线位于所有该发射天线的上侧或下侧；接收通道，用于对该回波信号进行低噪声放大、滤波和A/D转换以得到数字信号；

该数据处理单元用于根据该本振信号对该数字信号进行实时处理，以获取该目标的信息和信号强度，该信息包括该目标的方位角、俯仰角、距离、速度；

该频率综合器用于为该信号产生器、该发射机和该数据处理单元提供该本振信号；

该控制单元，用于控制该发射机、该发射天线和该数据处理单元协同工作。

2.如权利要求1所述的三维雷达系统，其特征在于，该发射单元还包括切换开关，用于控制该发射天线工作顺序。

3.如权利要求2所述的三维雷达系统，其特征在于，该信号产生器产生多种模式的该雷达基带信号，且在同一时刻，仅产生一种模式的该雷达基带信号。

4.如权利要求2或3所述的三维雷达系统，其特征在于，该发射机为1个，在同一时刻，该发射机输出1路该测量信号。

5.如权利要求1所述的三维雷达系统，其特征在于，该接收天线为3个，该接收通道为1个，且该接收通道的通道数为3路。

6.如权利要求1所述的三维雷达系统，其特征在于，该发射天线为3个。

7.如权利要求1或6所述的三维雷达系统，其特征在于，至少一个该发射天线的主瓣方向与水平面具有夹角α，α＞0°；至少一个该发射天线的主瓣方向与水平面具有夹角β，β＜0°。

8.如权利要求1所述的三维雷达系统，其特征在于，该测量信号处于24GHz或77GHz毫米波频段。

9.如权利要求1所述的三维雷达系统，其特征在于，至少2个该发射天线所在的直线与水平面具有夹角δ，δ≠0°。

10.一种目标定位方法，使用如权利要求1～9任一项所述的三维雷达系统，对目标进行定位，包括：

测量步骤，获取正在辐射测量信号的发射天线主瓣宽度内所有目标的回波信号到达各接收天线的时延值及信号强度；

第一计算步骤，以任意两个该接收天线所获取的该延时值，得到该目标到该三维雷达系统中心的参考距离；其中该目标为真实目标或虚假目标；

第二计算步骤，通过多个该发射天线依序轮流辐射该测量信号，获取该目标的多个该参考距离，比较该参考距离以判断该目标是否为虚假目标，若为虚假目标则丢弃该目标，若为真实目标则通过该参考距离得到该目标到该中心的距离、方位角、俯仰角和相对速度，并通过该信号强度获取该目标的雷达散射截面积。

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