CN111722212A - 基于锯齿波及单频率信号的雷达测速方法 - Google Patents

基于锯齿波及单频率信号的雷达测速方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种雷达测速方法，尤其是一种基于锯齿波及单频率信号的雷达测速方法。其中，毫米波雷达主要利用锯齿波的回波信号来测量目标的信息，利用单频率信号来提高锯齿波信号的测速范围。利用锯齿波的回波信号，计算得到与目标物间的距离d1、目标物的速度Vs、目标物的功率Ps以及目标物的角度θs；利用单频率信号的回波信号能得到目标物的速度Vd、目标物的功率Pd以及目标物的角度θd。对目标物的速度Vs与目标物的速度Vd、目标物的功率Ps与目标物的功率Pd、目标物角度θs与目标物的角度θd分别进行配对，根据配对结果能输出目标物的速度Vc，从而能提高测速效率以及测量精度，减少计算资源的消耗。

Description

基于锯齿波及单频率信号的雷达测速方法
技术领域
本发明涉及一种雷达测速方法，尤其是一种基于锯齿波及单频率信号的雷达测速方法。
背景技术
毫米波雷达是一种利用波长为毫米级的电磁波进行目标探测的雷达技术。毫米波雷达相较于传统雷达系统有许多优点：毫米波雷达系统的元器件尺寸在毫米波段可以做得更小，且雷达在毫米波频段目标探测的精度可以更高。毫米波作为一种无线电波探测手段，由于其在户外极端雨雾天气下都具有非常良好的探测性能，所以市场前景巨大，在现代自动驾驶、工业机器人、智能交通控制、无人机防碰撞等方面有许多应用。
目前，利用毫米波雷达测速时，为了扩大最大测速范围，毫米波雷达通常发射两组锯齿波，然后通过中国余数定理对两组锯齿波的回波信号进行处理，以计算得到较大的速度，此种方式，需要消耗较大的计算资源，测速效率低。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术中存在的不足，提供一种基于锯齿波及单频的雷达测速方法，其能提高测速效率以及测量精度，减少计算资源的消耗。
按照本发明提供的技术方案，一种基于锯齿波及单频率信号的雷达测速方法，所述雷达测速方法包括如下步骤：
步骤1、利用毫米波雷达发射锯齿波信号以及单频率信号，并接收所述锯齿波信号的回波信号以及单频率信号的回波信号；
步骤2、利用上述锯齿波的回波信号计算得到与目标物间的距离d1、目标物的速度Vs，并计算得到目标物的功率Ps以及目标物的角度θs；
步骤3、根据单频率信号的回波信号，计算得到目标物的速度Vd；若目标物的速度Vd大于锯齿波的模糊速度Vmax，跳转至步骤4，否则，跳转至步骤7；
步骤4、计算得到目标物的功率Pd以及目标物的角度θd；
步骤5、对上述的目标物的速度Vs与目标物的速度Vd、目标物的功率Ps与目标物的功率Pd、目标物角度θs与目标物的角度θd分别进行配对；配对成功时，跳转至步骤6，否则，跳转至步骤7；
步骤6、输出测量信息，并跳转至步骤8；所述测量信息包括目标物的速度Vc、目标物的功率Pd、与目标物间的距离d1以及目标物的角度θs，其中，目标物的速度Vc为Vs+N*Vmax，
步骤7、输出测量信息，并跳转至步骤8；所述测量信息包括目标物的速度Vc、目标物的功率Pd、与目标物间的距离d1以及目标物的角度θs，其中，目标物的速度Vc为Vs；
步骤8、测速结束。
所述毫米波雷达为具有一个发射天线以及两个接收天线，锯齿波信号、单频率信号的发射频率均属于24GHz频段。
步骤3中，对锯齿波的回波信号，利用二维FFT计算得到距离d1、目标物的速度Vs、目标物的功率Ps，且根据两根接收天线的信息能得到目标物的角度角度θs。
步骤4中，利用一维FFT计算得到目标物的速度Vd、目标物的功率Pd，且根据两根接收天线的信息能得到目标物的角度角度θd。
步骤5、步骤6和步骤7中，预设速度配对阈值Vth、角度配对阈值θth以及功率配对阈值Pth；
当同时满足|Vd-Vs-N*Vmax|<Vth、|θd-θs|<θth且|Pd-Ps|<Pth时，则配对成功，否则，为配对不成功；配对成功时，目标物的速度Vc为Vs+N*Vmax；配对不成功时，目标物的速度Vc为Vs。
本发明的优点：毫米波雷达利用锯齿波信号以及单频率信号进行测速，利用锯齿波的回波信号，计算得到与目标物间的距离d1、目标物的速度Vs、目标物的功率Ps以及目标物的角度θs；利用单频率信号的回波信号能得到目标物的速度Vd、目标物的功率Pd以及目标物的角度θd，对目标物的速度Vs与目标物的速度Vd、目标物的功率Ps与目标物的功率Pd、目标物角度θs与目标物的角度θd分别进行配对，根据配对结果能输出目标物的速度Vc，即毫米波雷达主要利用锯齿波的回波信号来测量目标的信息，利用单频率信号来提高锯齿波信号的测速范围，从而能提高测速效率以及测量精度，减少计算资源的消耗。
附图说明
图1为本发明雷达发射的锯齿波信号以及单频率信号之间的示意图。
图2为本发明测速的流程示意图。
图3为本发明毫米波雷达测量目标角度的示意图。
具体实施方式
下面结合具体附图和实施例对本发明作进一步说明。
如图2所示，为了能提高测速效率以及测量精度，减少计算资源的消耗，本发明的雷达测速方法包括如下步骤：
步骤1、利用毫米波雷达发射锯齿波信号以及单频率信号，并接收所述锯齿波信号的回波信号以及单频率信号的回波信号；
具体地，所述毫米波雷达为具有一个发射天线以及两个接收天线，锯齿波信号、单频率信号的发射频率均属于24GHz频段。毫米波雷达能发射锯齿波信号以及单频率信号，并接收锯齿波信号的回波信号以及单频率信号的回波信号，具体发射信号以及接收回波信号的过程与现有相一致，具体为本技术领域人员所熟知，此处不再赘述。
图1中为本发明中毫米波雷达发射的锯齿波、单频率信号的具体波形示意图，其中，对于锯齿波而言：f-b指锯齿波信号的调制截止频率，调制截止频率f-b是做雷达系统设计时确定的，不同雷达截止频率不一样；f-0指锯齿波信号、单频率信号的调制起始频率，调制起始频率和调制截止频率均属于24GHz频率段；Tchirp指锯齿波信号的调制时宽(即信号的调制时间长度)，调制时宽Tchirp是做雷达系统设计时确定的，不同雷达该值可能不同，具体情况为本技术领域人员所熟知，此处不再赘述。
对于单频率信号而言：t0为毫米波雷达发射所述单频率信号的起始时间，T为所述单频率信号的发射时长，单频率信号T的发射时长是做雷达系统设计时确定的，不同雷达该值可能不同，具体为本技术领域人员所熟知，此处不再赘述。单频率信号的频率f-1在调制起始频率f-0与调制截止频率f-b之间，具体频率的大小可以根据实际需要进行选择，此处不再赘述。
锯齿波的波长为
Figure BDA0002561081150000031
单频率信号的波长为
Figure BDA0002561081150000032
其中，c为光速，λd为锯齿波的波长，λs为单频率信号的波长，f-1为单频率信号的频率。
一个Tframe为雷达的一个完整工作周期，多个Tframe之间是完全一致的。一般地，对于单个Tframe而言：0～N*Tchirp为一组锯齿波；t0＞N*Tchirp，即单频率波形起始时刻与锯齿波的结束时刻之间有时间差；t0～T+t0为单频率信号的波形，T为单频率信号的发射时长，T+t0～Tframe通常为雷达信号的处理时间。
步骤2、利用上述锯齿波的回波信号计算得到与目标物间的距离d1、目标物的速度Vs，并计算得到目标物的功率Ps以及目标物的角度θs；
具体地，对锯齿波的回波信号，利用二维FFT(快速傅立叶变换)计算得到距离d1、目标物的速度Vs；在计算得到目标物的距离d1、目标物的速度Vs后，再计算得到目标物的功率Ps以及目标物的角度θs。一般地，毫米波雷达通过模数转换模块采集到对应的电压，把通过二维FFT变换求得的结果除以其所述二维FFT的阶数，然后对所述除法的结果求模并取平方，即是目标物的功率Ps。二维FFT运算对功率的放大倍数等于FFT变换的阶数，具体计算得到目标物间的距离d1、目标物的速度Vs、目标物的功率Ps的过程为本技术领域人员所熟知，此处不再赘述。
对于目标物的角度θs，设两接收天线RX接收信号的相位差为ω，则有
Figure BDA0002561081150000033
由此可以得到
Figure BDA0002561081150000034
其中，dRX为毫米波雷达的两根接收天线的距离。对于相位差ω，对两路接收天线接收的回波信号分别做FFT运算，可以求得两路信号的初始相位，对两个初始相位求差，即是相位差ω，具体确定相位差为ω的过程与现有相一致，具体为本技术领域人员所熟知，此处不再赘述。图3中示出了毫米波雷达测量目标角度的示意图，其中，TX为发射天线，其余两个即为接收天线，图3中的θ即是目标与雷达之间的夹角，具体计算得到目标物的角度θs的过程与现有相一致，具体为本技术领域人员所熟知，此处不再赘述。
综上，利用二维FFT对锯齿波的回波信号进行计算的过程与现有相一致，具体为本技术领域人员所熟知，此处不再赘述。
步骤3、根据单频率信号的回波信号，计算得到目标物的速度Vd；若目标物的速度Vd大于锯齿波的模糊速度Vmax，跳转至步骤4，否则，跳转至步骤7；
本发明实施例中，将单频率信号的回波信号进行利用一维FFT计算，能得到目标物的速度Vd，具体利用一维FFT计算目标物的速度Vd的过程与现有相一致，具体为本技术领域人员所熟知，此处不再赘述。
本发明实施例中，锯齿波的模糊速度Vmax是雷达系统设计的参数，一般而言，Vmax会比要求的最大测速值低一些，对于锯齿波信号而言，若目标方向固定，
Figure BDA0002561081150000041
若目标的方向不是固定的，则
Figure BDA0002561081150000042
λd为锯齿波信号的波长，锯齿波的模糊速度Vmax的具体情况为本技术领域人员所熟知，此处不再赘述。
步骤4、计算得到目标物的功率Pd以及目标物的角度θd；
具体地，单频率信号的回波信号利用一维FFT计算得到目标物的速度Vd后，根据现有的技术手段能计算得到单频率信号的回波信号下的目标物的功率Pd以及目标物的角度θd，具体得到目标物的功率Pd的过程可以参考上述目标物的功率Ps的计算过程说明，目标物的角度θd一般根据两根接收天线的信息能得到，具体计算得到目标物的角度θs的方式与现有相一致，具体可以参考目标物的角度θs的计算过程说明，具体为本技术领域人员所熟知，此处不再赘述。
步骤5、对上述的目标物的速度Vs与目标物的速度Vd、目标物的功率Ps与目标物的功率Pd、目标物的角度θs与目标物的角度θd分别进行配对；配对成功时，跳转至步骤6，否则，跳转至步骤7；
具体地，预设速度配对阈值Vth、角度配对阈值θth以及功率配对阈值Pth；
当同时满足|Vd-Vs-N*Vmax|<Vth、|θd-θs|<θth且|Pd-Ps|<Pth时，则配对成功，否则，为配对不成功；
本发明实施例中，预设速度配对阈值Vth、角度配对阈值θth以及功率配对阈值Pth的具体大小一般可以根据实际需要进行选择确定，具体为本技术领域人员所熟知，此处不再赘述。配对成功时与配对不成功时，得到的目标物速度Vc的大小不同，从而能实现对目标速度的精确测量。
步骤6、输出测量信息，并跳转至步骤8；所述测量信息包括目标物的速度Vc、目标物的功率Pd、与目标物间的距离d1以及目标物的角度θs，其中，目标物的速度Vc为Vs+N*Vmax。
具体实施时，N为正整数，对于毫米波雷达测量目标物的最大速度为Vmax1，而锯齿波波形的模糊速度为Vmax，对Vmax1/Vmax的比值向上取整，取整的结果为M，则N的取值为1到M，当Vmax1＜2*Vmax时，N取值为1。
步骤7、输出测量信息，并跳转至步骤8；所述测量信息包括目标物的速度Vc、目标物的功率Pd、与目标物间的距离d1以及目标物的角度θs，其中，目标物的速度Vc为Vs；
本发明实施例中，当目标物的速度Vd小于锯齿波的模糊速度Vmax，或配对不成功时，输出的目标物的速度Vc为Vs。配对成功、配对不成功时，输出的测速信息的差别即为目标物的速度Vc不同。
步骤8、测速结束。
本发明实施例中，测速结束时，即完成当前的测速状态。
综上，毫米波雷达利用锯齿波信号以及单频率信号进行测速，利用锯齿波的回波信号，计算得到与目标物间的距离d1、目标物的速度Vs、目标物的功率Ps以及目标物的角度θs；利用单频率信号的回波信号能得到目标物的速度Vd、目标物的功率Pd以及目标物的角度θd，对目标物的速度Vs与目标物的速度Vd、目标物的功率Ps与目标物的功率Pd、目标物的角度θs与目标物的角度θd分别进行配对，根据配对结果能输出目标物的速度Vc，即毫米波雷达主要利用锯齿波的回波信号来测量目标的信息，利用单频率信号来提高锯齿波信号的测速范围，从而能提高测速效率以及测量精度，减少计算资源的消耗。

Claims (5)

1.一种基于锯齿波及单频率信号的雷达测速方法，其特征是，所述雷达测速方法包括如下步骤：
步骤1、利用毫米波雷达发射锯齿波信号以及单频率信号，并接收所述锯齿波信号的回波信号以及单频率信号的回波信号；
步骤2、利用上述锯齿波的回波信号计算得到与目标物间的距离d1、目标物的速度Vs，并计算得到目标物的功率Ps以及目标物的角度θs；
步骤3、根据单频率信号的回波信号，计算得到目标物的速度Vd；若目标物的速度Vd大于锯齿波的模糊速度Vmax，跳转至步骤4，否则，跳转至步骤7；
步骤4、计算得到目标物的功率Pd以及目标物的角度θd；
步骤5、对上述的目标物的速度Vs与目标物的速度Vd、目标物的功率Ps与目标物的功率Pd、目标物角度θs与目标物的角度θd分别进行配对；配对成功时，跳转至步骤6，否则，跳转至步骤7；
步骤6、输出测量信息，并跳转至步骤8；所述测量信息包括目标物的速度Vc、目标物的功率Pd、与目标物间的距离d1以及目标物的角度θs，其中，目标物的速度Vc为Vs+N*Vmax，
步骤7、输出测量信息，并跳转至步骤8；所述测量信息包括目标物的速度Vc、目标物的功率Pd、与目标物间的距离d1以及目标物的角度θs，其中，目标物的速度Vc为Vs；
步骤8、测速结束。
2.根据权利要求1所述的基于锯齿波及单频率信号的雷达测速方法，其特征是：所述毫米波雷达为具有一个发射天线以及两个接收天线，锯齿波信号、单频率信号的发射频率均属于24GHz频段。
3.根据权利要求2所述的基于锯齿波及单频率信号的雷达测速方法，其特征是：步骤3中，对锯齿波的回波信号，利用二维FFT计算得到距离d1、目标物的速度Vs、目标物的功率Ps，且根据两根接收天线的信息能得到目标物的角度θs。
4.根据权利要求2所述的基于锯齿波及单频率信号的雷达测速方法，其特征是：步骤4中，利用一维FFT计算得到目标物的速度Vd、目标物的功率Pd，且根据两根接收天线的信息能得到目标物的角度θd。
5.根据权利要求1所述的基于锯齿波及单频率信号的雷达测速方法，其特征是，步骤5、步骤6和步骤7中，预设速度配对阈值Vth、角度配对阈值θth以及功率配对阈值Pth；
当同时满足|Vd-Vs-N*Vmax|<Vth、|θd-θs|<θth且|Pd-Ps|<Pth时，则配对成功，否则，为配对不成功；配对成功时，目标物的速度Vc为Vs+N*Vmax；配对不成功时，目标物的速度Vc为Vs。
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