CN110940973B - 一种用于雷达目标检测的角度测量方法及装置 - Google Patents

一种用于雷达目标检测的角度测量方法及装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种用于雷达目标检测的角度测量方法及装置，该方法步骤包括：S1.获取目的雷达的回波信号进行目标检测并进行角度测量，得到目标信号的相关矩阵以及包括角度信息的目标信息；S2.判断检测点迹与目标轨迹是否匹配，并更新轨迹中目标的相关矩阵，其中若判断到检测点迹与目标轨迹相匹配，转入执行步骤S3；S3.使用更新后的相关矩阵对目标进行第二次角度测量，得到最终的目标角度值输出；该装置包括一次角度粗测模块、轨迹匹配与更新模块以及二次角度精测模块。本发明能够提高低信噪比环境下目标测角精度，具有实现方法简单、成本低、测角精度高且抗干扰性强等优点。

Description

一种用于雷达目标检测的角度测量方法及装置
技术领域
本发明涉及雷达目标检测技术领域，尤其涉及一种用于雷达目标检测的角度测量方法及装置。
背景技术
通过雷达可以实现目标的距离、速度以及角度的精确测量，实现对目标的准确定位，从而判断探测目标的威胁程度。如毫米波雷达等已广泛运用在车辆、无人机中，如常见的汽车前向防撞预警雷达、汽车测向变道辅助雷达、无人机避障雷达等，如图1所示即为由汽车前向防撞雷达探测目标，在汽车雷达运用中，最常见的为连续波脉冲调制，即发射多个周期的调制连续波信号，每个周期为Tchirp，发射序列具体如图2所示。
以汽车雷达为例，如在高速行驶时，由于不能随意急刹车，也不能距离前车太近，因而通常要求前向防撞雷达能够探测较远的距离(通常在150米以上)，同时在远距离的情况下还要能够对前面行驶的车辆进行精准的定位，即需要精确的角度测量，使得能够判定前车所处的车道，进而才能准确判定车辆本身是否需要刹车。例如，若前车距离150米，前车实际角度0度，则可以判定前车在自身车辆车道，但是假设测量的角度偏差为1度，则测量前车与自身车辆的横向距离为2.6米，基本则会判定前车为相邻车道的目标，这会导致目标位置判定错误，从而发生危险。因此对于远距离目标的测角精度对于如汽车雷达等的要求较高。
目标测角精度与目标信号信噪比以及阵元数目有关，其中信号信噪比越高，测角精度越高，阵元数目越多，测角精度也越高，但是对于远距离目标，由于信号衰减较大，目标信噪比通常较低，使得会降低测角精度，且阵列天线阵元数目增大后，天线尺寸也会相应增大，使得成本也随之增加。
现有技术中雷达对目标测角通常均是采用单次测角的方式，即在获取多阵元距离-速度二维FFT矩阵后，利用MUSIC测角算法计算得到目标信号的相关矩阵R＝E[X·XH]，其中E[*]为统计平均，由该单次测量的相关矩阵即求解得到目标的角度，而上述利用MUSIC测角算法的前提必须是基于准确的估计相关矩阵，实际上单次测量相关矩阵的估计并不准确，可能会存在较大的误差，尤其是在目标信噪比较弱的情况下，由于目标信号较弱，会导致相关矩阵分解中对噪声子空间的估计不准确，因而上述单次测角方式的精度实际较差。
发明内容
本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种实现方法简单、成本低、测角精度高且抗干扰性强的用于雷达目标检测的角度测量方法及装置，能够提高低信噪比环境下目标测角精度。
为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：
一种用于雷达目标检测的角度测量方法，步骤包括：
S1.一次角度粗测：获取目的雷达的回波信号进行目标检测并对检测到的目标进行角度测量，得到目标信号的相关矩阵以及包括角度信息的目标信息；
S2.轨迹匹配与更新：根据当前检测到的目标信息判断当前的检测点迹与目标轨迹是否匹配，并根据判断结果使用所述目标信号的相关矩阵更新轨迹中目标的相关矩阵，得到更新后的相关矩阵，其中若判断到当前检测点迹与目标轨迹相匹配，转入执行步骤S3；
S3.二次角度精测：使用所述更新后的相关矩阵对目标进行第二次角度测量，得到最终的目标角度值输出。
进一步的，所述步骤S2中判断当前检测点迹与目标轨迹是否匹配的具体步骤包括：将步骤S1得到的目标信息与轨迹中的目标信息进行比较，判断当前检测到的点迹目标与轨迹中的目标是否为同一目标，，如果是则判定为当前检测点迹与目标轨迹相匹配，否则判定为不匹配。
进一步的，所述目标信息具体包括检测到的目标距离、速度以及角度信息。
进一步的，所述步骤S2中更新轨迹中目标的相关矩阵的具体步骤包括：若判断到当前检测到的目标点迹与目标轨迹相匹配，将所述轨迹中目标的相关矩阵进行加权计算，得到所述更新后的相关矩阵，若判断到当前检测点迹与目标轨迹不匹配，则将所述轨迹中目标的相关矩阵进行初始化。
进一步的，所述轨迹中目标的相关矩阵具体按照下式进行加权计算：
Rk＝qRk+(1-q)Rk 1
其中，Rk为第k个轨迹目标的相关矩阵，Rk 1为第k个检测目标的相关矩，q为加权系数。
进一步的，所述步骤S2中更新所述轨迹中目标的相关矩阵时，还包括根据目标信号的强度调整所述加权系数步骤。
进一步的，所述步骤S1中进行角度测量的具体步骤为：
获取目的雷达的回波信号进行FFT计算后得到各个阵元的距离-速度二维矩阵，查找单个目标对应的距离-速度单元，并按照式RK＝Xk*Xk H计算得到目标信号的相关矩阵，其中Xk为第k个阵元的接收信号且Xk＝[S1(Rk,Vk)S2(Rk,Vk)S3(Rk,Vk)…SN(Rk,Vk)]T，Si为第i个所述距离-速度二维矩阵，i＝1,2,…,N，Rk为第k个目标的距离单元，Vk为第k个速度单元；对计算得到的所述目标信号的相关矩阵进行特征值分解，并求解伪谱，得到目标的所述角度信息。
进一步的，所述步骤S3后还包括重新返回执行步骤S2以执行多次角度测量，直至满足预设条件后退出。
一种用于雷达目标检测的角度测量装置，包括：
一次角度粗测模块，用于获取目的雷达的回波信号进行目标检测并对检测到的目标进行角度测量，得到目标信号的相关矩阵以及包括角度信息的目标信息；
轨迹匹配与更新模块，用于根据当前检测到的目标信息判断当前检测点迹与目标轨迹是否匹配，并根据判断结果使用所述目标信号的相关矩阵更新轨迹中目标的相关矩阵，得到更新后的相关矩阵，其中若判断到当前检测到点迹与目标轨迹相匹配，转入二次角度精测模块；
二次角度精测模块，用于使用所述更新后的相关矩阵对目标进行第二次角度测量，得到最终的目标角度值输出。
一种用于雷达目标检测的角度测量装置，包括处理器，所述处理器中存储有可执行的计算机程序，所述处理器被配置以执行上述的方法。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
1、本发明用于雷达目标检测的角度测量方法及装置，通过先进行一次角度粗测，得到目标的单次角度信息后，再进行轨迹匹配，以确定目标点迹和目标轨迹之间的关系，若目标点迹与轨迹匹配则再对目标执行二次角度测量，结合两次测角可以防止在错误相关矩阵估计情况下进行角度测量，有效提高目标测角的精度，解决了传统单次测角方法中基于单次相关矩阵估计不准确而导致的测角精度低的问题，尤其是在低信噪比、阵元数目一定的情况下，能够大大提高对目标的测角精度。
2、本发明用于雷达目标检测的角度测量方法及装置，通过仅在检测点迹与目标轨迹相匹配时，将目标信号的相关矩阵进行加权更新，检测点迹与目标轨迹不匹配时则将相关矩阵重新进行初始化，可以确保相关矩阵估计的准确性，避免错误的相关矩阵估计。
3、本发明用于雷达目标检测的角度测量方法及装置，进一步根据目标信号的强度控制相关矩阵更新的加权系数，使得可以利用目标回波信噪比控制目标的相关距离加权系数，保证目标在近距离和远距离不同运动状态的相关矩阵准确测量，从而使得对目标相关矩阵的估计更加准确，可以进一步提高目标测角精度。
附图说明
图1是汽车前向雷达探测目标的原理示意图。
图2是连续波脉冲调制典型发射序列的示意图。
图3是本实施例用于雷达目标检测的角度测量方法的实现流程示意图。
图4是本发明具体应用实施例中第一次测角得到的结果示意图。
图5是本发明具体应用实施例中第一次测角时目标回波处理流程示意图。
图6是本实施例中实现角度测量的详细实现流程示意图。
图7是本实施例中实现目标相关矩阵更新的原理示意图。
图8是分别使用传统方法与本发明进行测角的仿真结果对比示意图。
具体实施方式
以下结合说明书附图和具体优选的实施例对本发明作进一步描述，但并不因此而限制本发明的保护范围。
如图3所示，本实施例用于雷达目标检测的角度测量方法的步骤包括：
S1.一次角度粗测：获取目的雷达的回波信号进行目标检测并对检测到的目标进行角度测量，得到目标信号的相关矩阵以及包括角度信息的目标信息；
S2.轨迹匹配与更新：根据当前检测到的目标信息判断当前检测点迹与目标轨迹是否匹配，并根据判断结果使用目标信号的相关矩阵更新轨迹中目标的相关矩阵，得到更新后的相关矩阵，其中若判断到当前检测点迹与目标轨迹相匹配，转入执行步骤S3；
S3.二次角度精测：使用更新后的相关矩阵对目标进行第二次角度测量，得到最终的目标角度值输出。
本实施例使用雷达进行目标检测时，通过先进行一次角度粗测，得到目标的单次角度信息后，再进行轨迹匹配，以确定检测点迹和目标轨迹之间的关系，若目标点迹与轨迹匹配则再对目标执行二次角度测量，结合两次测角可以防止在错误相关矩阵估计情况下进行角度测量，有效提高目标测角的精度，解决了传统单次测角方法中基于单次相关矩阵估计不准确而导致的测角精度低的问题，尤其是在低信噪比、阵元数目一定的情况下，能够大大提高对目标的测角精度，可以应用于如汽车毫米波雷达等的各类雷达目标检测中以提高目标测角精度。
以毫米波雷达为例，上述步骤S1中进行第一次角度测量时具体采用下述步骤实现：
步骤S11.获取目的雷达的回波信号进行二次FFT计算后得到各个阵元的距离-速度二维矩阵。
接收端对每个脉冲的信号进行采样后，进行一次距离FFT运算，得到距离单元信息，再联合多个脉冲信号的距离FFT结果进行相同距离单元的第二次FFT，得到距离-速度FFT矩阵，通过对二维FFT矩阵进行检测，得到目标的距离、速度信号，目标回波的距离、速度FFT矩阵处理过程具体如图4所示；然后通过求解信号处理中恒虚警检测(CFAR)，得到目标的距离-速度单元，利用阵列信号处理求得目标的角度。在具体应用实施例中阵元数为N，回波中存在4个目标时如图5所示。
步骤S12.在得到上述的多阵元距离-速度二维FFT矩阵后，查找单个目标对应的距离-速度单元，并利用MUSIC测角算法，按照下式计算得到目标信号的相关矩阵：
RK＝Xk*Xk H (1)
Xk＝[S1(Rk,Vk) S2(Rk,Vk) S3(Rk,Vk) … SN(Rk,Vk)]T (2)
其中，Xk为第k个阵元的接收信号，Si为第i个距离-速度二维矩阵，i＝1,2,…,N，Rk为第k个目标的距离单元，Vk为第k个速度单元；
步骤S13.对步骤S12计算到的相关矩阵进行特征值分解，求解伪谱，得到目标的角度信息θk。
可以理解的是，上述第一次测角也可以根据所适用的雷达、实际需求等采用其他测角方法。
本实施例通过上述第一次角度测量后得到目标的角度信息，能够使得检测点迹可以很好的匹配上目标轨迹，即确保单次测量的点迹信号向量Xk和轨迹的目标信号向量Xk'为同一目标，避免在错误相关矩阵估计情况下进行错误的角度测量。
本实施例步骤S2中判断当前检测点迹与目标轨迹是否匹配的具体步骤包括：将步骤S1得到的目标信息与轨迹中的目标信息进行比较，判断当前检测到的点迹目标与轨迹中的目标是否为同一目标，如果是则判定为当前检测点迹与目标轨迹相匹配，否则判定为不匹配。在具体应用实施例中，可以根据上述第一次测角后检测到的目标距离、速度、角度信息θk 1共同进行检测目标和轨迹的匹配，以确保当前单次测量的信号向量和轨迹的目标信号向量为同一目标的情况下启动二次角度精测。上述点迹与轨迹的匹配具体可根据实际需求采用现有技术中轨迹匹配方法。
本实施例步骤S2中更新轨迹中目标的相关矩阵的具体步骤包括：若判断到当前检测点迹与目标轨迹相匹配，将轨迹中目标的相关矩阵进行加权计算，得到更新后的相关矩阵，若判断到当前检测点迹与目标轨迹不匹配，则将轨迹中目标的相关矩阵进行初始化。通过仅在检测点迹与目标轨迹相匹配时，将轨迹中目标的相关矩阵进行加权更新，检测点迹与目标轨迹不匹配时则将相关矩阵重新进行初始化，可以确保相关矩阵估计的准确性，避免错误的相关矩阵估计。
本实施例目标轨迹中的相关矩阵进行更新时具体按照下式加权计算得到：
Rk＝qRk+(1-q)Rk 1 (3)
其中，Rk为第k次检测的轨迹中目标的相关矩阵，Rk 1为第k次检测的点迹目标的相关矩阵，q为加权系数。
如图6所示，经过第一次测角后若检测点迹匹配上目标轨迹，则将轨迹中目标的相关矩阵Rk按照式(3)进行加权更新，而若点迹未匹配上轨迹，则初始化轨迹中目标的相关矩阵Rk，具体按照Rk＝Rk 1进行初始化；对上述匹配上点迹的轨迹，再利用更新后的Rk进行第二次测角，最终得到测角信息提供给后续轨迹处理。
本实施例步骤S2中还包括根据目标信号的强度调整加权系数步骤，具体可配置加权系数q∈[0,1)，使得在信号强度较强时，使用较小的加权系数值，在信号强度较弱时，使用较大的加权系数值。目标在近距离和远距离不同运动状态时对相关矩阵估计的影响不同，如图7所示，本实施例通过根据目标信号的强度控制相关矩阵更新的加权系数q，以利用目标回波信噪比控制目标的相关距离加权系数，可以保证目标在近距离和远距离不同运动状态的相关矩阵准确测量，使得对目标的阵列相关矩阵的估计更加准确，可以进一步提高目标测角精度。
经过上述对目标的相关矩阵进行准确估计后，再对轨迹匹配的目标角度进行二次测量，能够实现目标角度的精确测量，确保最终测得目标角度的精度，尤其是在信噪比较低的情况下，相比于传统单次测量方式，可以大大提高目标测角精度。
为验证本发明上述方法的有效性，在具体应用实施例中，在信噪比为-5dB条件下，目标在雷达0度方向、150米距离，以及接收阵元个数为4时，分别采用传统测角方法和本发明上述方法得到1000次角度测量值，如图8所示，从图中可以看到，采用传统的测角算法，目标测角精度仅在±4°，而本发明上述角度测量方法可以使得测量目标角度在±0.5°，即本发明上述角度测量方法在信噪比较低的情况下能够明显提高测角精度。
进一步的，在具体应用实施例中步骤S3后还可以返回步骤S2以执行多次角度测量，直至满足预设条件(如达到预设的测量次数、达到预设的测量精度等)后退出，以通过多次的相关矩阵估计进一步提高测量精度。
本实施例用于雷达目标检测的角度测量装置，包括：
一次角度粗测模块，用于获取目的雷达的回波信号进行目标检测并对检测到的目标进行角度测量，得到目标信号的相关矩阵以及包括角度信息的目标信息；
轨迹匹配与更新模块，用于根据当前检测到的目标信息判断当前检测点迹与目标轨迹是否匹配，并根据判断结果使用目标信号的相关矩阵更新轨迹中目标的相关矩阵，得到更新后的相关矩阵，其中若判断到当前检测到的目标点迹与目标轨迹相匹配，转入二次角度精测模块；
二次角度精测模块，用于使用更新后的相关矩阵对目标进行第二次角度测量，得到最终的目标角度值输出。
本实施例用于雷达目标检测的角度测量装置与上述用于雷达目标检测的角度测量方法为一一对应，在此不再一一赘述。
在另一实施例中，本发明用于雷达目标检测的角度测量装置还可以为：包括处理器，处理器中存储有可执行的计算机程序，处理器被配置以执行上述用于雷达目标检测的角度测量方法。
上述只是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何形式上的限制。虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均应落在本发明技术方案保护的范围内。

Claims (8)

1.一种用于雷达目标检测的角度测量方法，其特征在于，步骤包括：
S1.一次角度粗测：获取目的雷达的回波信号进行目标检测并对检测到的目标进行角度测量，得到目标信号的相关矩阵以及包括角度信息的目标信息；
S2.轨迹匹配与更新：根据当前检测到的目标信息判断当前的检测点迹与目标轨迹是否匹配，并根据判断结果使用所述目标信号的相关矩阵更新轨迹中目标的相关矩阵，得到更新后的相关矩阵，其中若判断到当前检测点迹与目标轨迹相匹配，转入执行步骤S3；
S3.二次角度精测：使用所述更新后的相关矩阵对目标进行第二次角度测量，得到最终的目标角度值输出；
所述步骤S2中判断当前检测点迹与目标轨迹是否匹配的具体步骤包括：将步骤S1得到的目标信息与轨迹中的目标信息进行比较，判断当前检测到的点迹目标与轨迹中的目标是否为同一目标，如果是则判定为当前检测点迹与目标轨迹相匹配，否则判定为不匹配；
所述步骤S2中更新轨迹中目标的相关矩阵的具体步骤包括：若判断到当前检测到的目标点迹与目标轨迹相匹配，将所述轨迹中目标的相关矩阵进行加权计算，得到所述更新后的相关矩阵，若判断到当前检测点迹与目标轨迹不匹配，则将所述轨迹中目标的相关矩阵进行初始化。
2.根据权利要求1所述用于雷达目标检测的角度测量方法，其特征在于，所述目标信息具体包括检测到的目标距离、速度以及角度信息。
3.根据权利要求1所述的用于雷达目标检测的角度测量方法，其特征在于：所述轨迹中目标的相关矩阵具体按照下式进行加权计算：
Rk＝qRk+(1-q)Rk 1
其中，Rk为第k次检测到的轨迹中目标的相关矩阵，Rk 1为第k次检测到的点迹目标的相关矩阵，q为加权系数。
4.根据权利要求3所述的用于雷达目标检测的角度测量方法，其特征在于，所述步骤S2中更新所述轨迹中目标的相关矩阵时，还包括根据目标信号的强度调整所述加权系数步骤。
5.根据权利要求1或2或3所述的用于雷达目标检测的角度测量方法，其特征在于，所述步骤S1中进行角度测量的具体步骤为：
获取目的雷达的回波信号进行FFT计算后得到各个阵元的距离-速度二维矩阵，查找单个目标对应的距离-速度单元，并按照式Rk＝Xk*Xk H计算得到第k次检测到的轨迹中目标的相关矩阵Rk，其中Xk为第k个阵元的接收信号且Xk＝[S1(Rk',Vk),S2(Rk',Vk),S3(Rk',Vk),…,SN(Rk',Vk)]T，Si为第i个所述距离-速度二维矩阵，i＝1,2,…,N，Rk'为第k个目标的距离单元，Vk为第k个速度单元；对计算得到的所述目标的相关矩阵进行特征值分解，并求解伪谱，得到目标的所述角度信息。
6.根据权利要求1或2或3所述的用于雷达目标检测的角度测量方法，其特征在于，所述步骤S3后还包括重新返回执行步骤S2以执行多次角度测量，直至满足预设条件后退出。
7.一种用于雷达目标检测的角度测量装置，其特征在于，包括：
一次角度粗测模块，用于获取目的雷达的回波信号进行目标检测并对检测到的目标进行角度测量，得到目标信号的相关矩阵以及包括角度信息的目标信息；
轨迹匹配与更新模块，用于根据当前检测到的目标信息判断当前检测点迹与目标轨迹是否匹配，并根据判断结果使用所述目标信号的相关矩阵更新轨迹中目标的相关矩阵，得到更新后的相关矩阵，其中若判断到当前检测到点迹与目标轨迹相匹配，转入二次角度精测模块；
二次角度精测模块，用于使用所述更新后的相关矩阵对目标进行第二次角度测量，得到最终的目标角度值输出；
所述轨迹匹配与更新模块中判断当前检测点迹与目标轨迹是否匹配的具体步骤包括：将一次角度粗测模块得到的目标信息与轨迹中的目标信息进行比较，判断当前检测到的点迹目标与轨迹中的目标是否为同一目标，如果是则判定为当前检测点迹与目标轨迹相匹配，否则判定为不匹配；
所述轨迹匹配与更新模块中更新轨迹中目标的相关矩阵具体包括：若判断到当前检测到的目标点迹与目标轨迹相匹配，将所述轨迹中目标的相关矩阵进行加权计算，得到所述更新后的相关矩阵，若判断到当前检测点迹与目标轨迹不匹配，则将所述轨迹中目标的相关矩阵进行初始化。
8.一种用于雷达目标检测的角度测量装置，包括处理器，所述处理器中存储有可执行的计算机程序，其特征在于，所述处理器被配置以执行权利要求1～6中任意一项所述的方法。
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