CN112882048A - 用于运动物体高精度测距的雷达装置及其测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明用于运动物体高精度测距的雷达装置及其测量方法，毫米波雷达安装在运动物体上,通过测量反射体与运动物体之间相对运动的距离和速度,从而测量出运动物体移动的距离和速度；反射体固定静止并设置两层间距为Δd_real、半径r₁和r₂的反射板，使用圆极化透镜天线，毫米波雷达发射电磁波到反射体，并接收反射回来电磁波，分别计算出第一层反射板和第二层反射板的距离d₁和d₂，以及两层反射板之间的距离差

通过ZoomFFT算法、跟踪算法和数据处理，确保测量目标可靠和准确性，消除多径和其它反射物回波影响，测量距离精度达到毫米级；能够解决复杂环境使用场景中的多径干扰和其它反射物反射干扰问题，测量出运动物体移动距离和速度，成本低廉，结构简单，操作方便。

Description

用于运动物体高精度测距的雷达装置及其测量方法

技术领域

本发明属于无线电行业的雷达近程高精度测距技术领域，具体涉及一种用于运动物体高精度测距的雷达装置及其测量方法。

背景技术

雷达近程高精度测距领域中通常由雷达发射FMCW波，而发射出去的电磁波和接收到的反射物反射回波之间存在时间差Δτ，造成频率和此刻本振频率不一致；利用这一差异，通过接收下变频器形成差拍频率Δf，ADC采样后，经过ZoomFFT细化放大，计算出反射物距离，从而通过二维FFT计算出相对反射物的速度，实现测距目的；但是在使用环境复杂的场景，例如电梯井道位置定位、物流码头仓库吊装定位和传送带车辆定位等应用场所中，由于复杂环境存在众多干扰信号，造成雷达接收到的电磁波包含有周围环境的多径频率分量和其它反射物反射频率分量，降低了有用反射体信号信噪比，影响了测距精度，需要分辨出多径频率分量和其它反射物干扰频率分量；现有技术中一般采用收窄波束(空间可分辨)或者提高距离分辨率(频率可分辨)的方式，达到分辨出多径频率分量和其它反射物干扰频率分量的目的，但是波束的收窄要提高天线的口径，天线口径的提高又受到工程施工、空间布置和制造成本的限制，很难提高；而距离分辨率受到雷达的扫频带宽限制，以及器件能力和无线电频谱监管的限制，也不易提高。

并且传统方法中通常在单反射体情况下依靠物体反射能量强度来跟踪反射体，移动过程容易受到其他物体干扰，甚至造成反射体丢失，影响测距效果；受到机械振动或其他环境因素干扰，最终获得的测距结果会存在扰动现象。

发明内容

为了解决现有技术存在的上述问题，本发明目的在于提供一种能够解决复杂环境使用场景中的多径干扰和其它反射物反射干扰问题，测量出反射体与毫米波雷达之间的相对移动距离和速度，成本低廉，结构简单，操作方便，用于运动物体高精度测距的雷达装置及其测量方法。

本发明所采用的技术方案为：

包括有依次并排设置的毫米波雷达、反射体，毫米波雷达固定于运动物体上，反射体通过固定背景墙固定安装；反射体设置有多层沿竖直方向延伸的反射板，多层反射板的反射面积按照远离毫米波雷达的方向逐渐增加；每层反射板中心位置与毫米波雷达的中心位置位于同一水平面内，距离毫米波雷达最远的最后一层反射板与固定背景墙之间距离大于等于距离分辨率d_res的6倍，每层反射板与其后一层反射板之间的距离也大于等于距离分辨率d_res的6倍；所述距离分辨率d_res由公式

求出，其中c是光速，B是FMCW波扫频带宽。

所述毫米波雷达的天线单元采用收发共用天线单元，其收发波束对称设置，波束指向方向为0°。

所述毫米波雷达的天线采用圆极化透镜天线，其3dB波束宽度小于等于±1.25°。

所述毫米波雷达设置有Langer耦合器，Langer耦合器能够给天线单元正交馈电，发天线的极化方式与收天线的极化方式方向互相相反。

所述反射体设置有第一层反射板和第二层反射板两层反射板，第一层反射板的半径为5mm，第二层反射板的半径为30mm；每层反射板都为铝板。

本发明还涉及一种根据上述用于运动物体高精度测距的雷达装置的测量方法，包括以下步骤：

S1、雷达初始上电反射体寻找：

毫米波雷达发射调频连续波，并接收反射体的第一层反射板和第二层反射板分别反射回来的电磁波，产生两个差拍频率Δf₁和Δf₂，分别经过高精度算法ZoomFFT变换，根据公式

其中d是雷达与反射体距离，Δf是差拍频率，T是FMCW波的扫频时间周期，c是光速，B是FMCW波扫频带宽；求出毫米波雷达与第一层反射板的距离d₁，和毫米波雷达与第二层反射板的距离d₂，两者距离差为

S2、确定反射体：

测量第一层反射板和第二层反射板与毫米波雷达之间距离，优选满足条件d₂-d₁＝Δd_real±d_res的目标为预设的反射板目标；所有反射物都不能满足预设条件时，根据反射物的二维FFT幅度谱值选取能量最大的反射物作为反射体目标；

S3、毫米波雷达移动过程中，通过第一层反射板和第二层反射板形成两条跟踪轨迹，当其中一层反射板形成的跟踪轨迹受其它虚假反射物干扰而丢失时，通过另一层反射板形成的跟踪轨迹在Δd_real±d_res附近搜索，重新找回预设反射体；

S4、在S3计算结果基础上，分别计算第一层反射板和第二层反射板的信号能量和信噪比，选择信号能量较大者与毫米波雷达之间距离值为准确值，最终结果采用线性滤波处理实现精确距离和速度信息输出。

所述步骤S1中，毫米波雷达在一次测量过程中发射N个FMCW波形，N为16、32、64、128、256或者512；测量静止反射板距离时，先对多个FMCW波形的时域采样信号进行累加，再通过ZoomFFT频谱细化算法求出反射板精确距离；运动物体相对反射板的移动速度则通过二维FFT求出。

所述步骤S4中，将d₂-d₁与已知距离Δd_real对比，当d₂-d₁与已知距离Δd_real不一致时，则判定测距结果存在多径影响，再采用补偿算法对雷达测得距离进行补偿校正。

所述步骤S1中毫米波雷达在不同时刻发射的N个FMCW波形信号由下式表示：

其中，A_Tk为发射信号幅度，f₀，

为FMCW信号初始频率和初始相位，波形个数N可优选16、32、64、128、256、512；

经反射板反射后，不同时刻接收到信号为：

A_Rk为第k个接收信号幅度，τ_i，

为环境中第i个反射板路径延时和相位，WGN(δ)为环境白噪声，幅度均值δ，相位随机；

系统将发射和接收信号进行混频，滤除高频分量；

中频差拍信号表示为：

其中，反射板的中频频率为

通过距离维傅里叶变换计算出f_Ii，再由公式

求得反射板与雷达距离，式中c为光速；

上述中频信号可进行累加后求平均处理：

处理后，中频信号的有效信号幅度为均值

无效信号幅度由噪声随机相位产生的幅度抵消，噪声幅度均值变为

由此，系统信噪比提升到噪声幅度抵消之前的N倍，通过距离维傅里叶变换，计算出f_Ii；

系统测距精度为

其中，f_s为雷达采样率，m为单个波形采样点数；

并采用ZoomFFT频谱细化算法，对距离维傅里叶变换结果进行内插；

内插倍数为n，m优选128、256、512、1024，n优选64、128、256、512组合；

系统测距精度提高到

并将上一步距离维傅里叶变换结果保存至系统缓存(RAM)；

收集完第N个波形距离维傅里叶变换和ZoomFFT频谱细化的变换结果后，对保存数据进行速度维傅里叶变换；

通过距离-速度二维变换，求得当前运动物体相对反射板的速度，精度为

其中λ为波长。

当环境存在多径干扰时，对于单个反射物，雷达测到的距离为

d_real为反射物与雷达真实距离，d_mult为多径影响产生的测距偏差；

因d_mult远小于雷达距离分辨力

所以设置两个间距满足Δd_real≥6×d_res的反射板，两层反射板距离为d₁＝d_real1+d_mult1和d₂＝d_real2+d_mult2，两层反射板距离的差值为d₁₂＝d₁-d₂＝d_real1-d_real2+d_mult1-d_mult2＝Δd_real+d_mult12；多径影响产生的测距偏差d_mult12＝d₁₂-Δd_real；其中，Δd_real为两层反射板已知间距；

当d₁₂＝Δd_real时，则判断当前结果准确且不受多径干扰影响；

当d₁₂≠Δd_real时，测距结果中存在干扰影响，需进行下一步补偿校正。

并将测量出的两层反射板反射能量或信噪比作为权值进行补偿校正；

设两层反射板反射的能量为p₁和p₂，信噪比为s₁和s₂；通过以下公式求得校正后的测距结果：

或：

选择反射能量或信噪比大的测距结果作为最终结果输出。

并采用线性滤波处理测距结果，具体包括以下步骤：S11、根据k-1时刻结

果，对状态预测X(k|k-1)；

S12、协方差矩阵P预测，P(k|k-1)＝P(k-1)+Q；

S13、计算线性增益K，K＝P(k|k-1)/(P(k|k-1)+R)；

S14、状态X更新，X(k)＝X(k-1)+K(In(k)-X(k-1))；

S15、协方差矩阵更新，P(k)＝(1-K)×P(k|k-1)；

S16、处理结果输出，Out(k)＝X(k)；

其中Q为过程噪声方差，R为测量噪声方差。

所述过程噪声方差优先选择Q＝0.001；

测量噪声方差优先选择R＝0.002。

本发明的有益效果为：

一种用于运动物体高精度测距的雷达装置及其测量方法，毫米波雷达固定安装于运动物体上,通过测量反射体与运动物体之间相对运动的距离和速度,达到测量出运动物体移动的距离和速度的目的；反射体同时设置两层反射板，有益于测距反射体的跟踪定位；当其中一个反射板的信号受到干扰丢失后，可通过两层反射板的距离关系，在Δd_real±d_res附近，重新搜索满足距离关系的反射板，以保证跟踪测距过程连续；并采用线性滤波处理，可减少结果扰动实现稳定输出，防止机械振动或其他环境因素干扰造成测距最终结果存在扰动现象；能够改进多径和杂散干扰情况下的测距准确性，达到毫米级精度；能够解决复杂环境使用场景中的多径干扰和其它反射物反射干扰问题，测量出运动物体相对反射体移动的距离和速度，成本低廉，结构简单，操作方便。

附图说明

图1是本发明用于运动物体高精度测距的雷达装置系统结构示意图

图2是本发明用于运动物体高精度测距的雷达装置的雷达反射体结构示意图；

图3是本发明用于运动物体高精度测距的雷达装置的圆极化天线反射信号变化示意图；

图4是本发明用于运动物体高精度测距的雷达装置的数字信号处理流程示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，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做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，当组件被称为“固定于”另一个组件，它可以直接在另一个组件上或者也可以存在居中的组件。当一个组件被认为是“连接”另一个组件，它可以是直接连接到另一个组件或者可能同时存在居中组件。当一个组件被认为是“设置于”另一个组件，它可以是直接设置在另一个组件上或者可能同时存在居中组件。本文所使用的术语“竖直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

本文中为部件所编序号本身，例如“第一”、“第二”等，仅用于区分所描述的对象，不具有任何顺序或技术含义。而本申请所说“连接”、“联接”，在合理且不构成自相矛盾的情况下，均包括直接和间接连接。

本发明提供一种用于运动物体高精度测距的雷达装置，总的构思策划方案是：毫米波雷达1安装在移动物体上，通过固定背景墙5固定安装反射体2，反射体2固定静止，毫米波雷达固定安装于运动物体上,通过测量反射体与运动物体之间相对运动的距离和速度,达到测量出运动物体移动的距离和速度的目的。

在反射体2的内部设置多层反射板，每层反射板和固定背景墙都沿竖直方向延伸设置，并且互相平行，多层反射板的反射面积按照远离毫米波雷达的方向逐渐增加；每层反射板中心位置与毫米波雷达的中心位置位于同一水平面内，距离毫米波雷达最远的最后一层反射板与固定背景墙之间距离大于等于距离分辨率d_res的6倍，每层反射板与其后一层反射板之间的距离也大于等于距离分辨率d_res的6倍；距离分辨率d_res由公式

求出，其中c是光速，B是FMCW波扫频带宽。通过多层反射板分别反射毫米波雷达发射的FMCW调频连续波(以下简称FMCW波)，毫米波雷达将发射和接收的信号混频、运算处理后，获得距离精度和速度精度，并根据使用需求选择反射能量或信噪比大的测距结果，作为最终结果输出；并采用线性滤波处理，可减少结果扰动实现稳定输出，防止机械振动或其他环境因素干扰造成测距最终结果存在扰动现象；能够改进多径和杂散干扰情况下的测距准确性，达到毫米级精度；能够解决复杂环境使用场景中的多径干扰和其它反射物反射干扰问题，测量出运动物体相对反射体移动的距离和速度，成本低廉，结构简单，操作方便。

具体用于运动物体高精度测距的雷达装置结构中，毫米波雷达1(以下简称雷达)安装于移动物体上，通过固定背景墙5固定反射体2(下称反射装置)，在反射体2的内部设置第一层反射板3和第二层反射板4两层反射板，第一层反射板3和第二层反射板4两层反射板均由铝板或其他金属材料制成，第一层反射板3的反射面积小于第二层反射板4的反射面积；两层反射板(下称反射面)之间的距离可以根据实际应用调整，第二层反射板4离固定背景墙5安装面的最小距离d_min≥6×d_res，第一层反射板3(下称第一层反射面)与第二层反射板4(下称第二层反射面)的最小距离Δd_real≥6×d_res，防止两层反射板，即两层反射面之间的信号互相干扰。

如图2所示，反射装置中心正对雷达中心，第一层反射面离雷达近，第二层反射面离雷达远；

雷达天线采用圆极化透镜天线，3dB波束小于等于±1.25°；

雷达天线采用收发共用天线单元设计，收发波束对称，波束指向方向0°；

采用Langer耦合器给天线单元正交馈电，发天线的极化方式右旋/左旋，而收天线的极化方式左旋/右旋，实现极化隔离；工作原理如图3所示。

如图1所示，毫米波雷达1设置圆极化透镜天线，圆极化透镜天线通过Langer耦合器同时连接TX放大器和RX放大器，RX放大器依次经下变频器、数模转换器、数字信号处理器、FMCW波产生器连接至TX放大器，其中数字信号处理器连接至ARM处理器。

雷达在一次测量过程中，将发射多个FMCW波形，波形个数N可优选16、32、64、128、256、512。

数字信号处理流程如图4所示，操作步骤如下：

雷达将发射和接收信号进行混频，滤波器滤除高频分量，得到中频信号为f_I；

中频信号进行时域累加求均值降噪处理，有效信号幅度为均值

噪声幅度均值为

通过m点距离维傅里叶变换，可以计算出两层反射板中频频率f₁和f₂，傅里叶变换点数可优选128、256、512、1024，此时距离精度为

采用ZoomFFT算法，对傅里叶变换结果进行内插，求得细化频率f₁'和f₂'。算法内插倍数为n，综合硬件处理能力考虑n可优选64、128、256、512，细化距离精度为

每个波形傅里叶变换结果，保存至系统缓存(RAM)。收集完第N个波形的变换结果后，进行速度维傅里叶变换。通过距离-速度二维变换，求得当前运动物体相对反射板的速度v，精度为

运动物体测距应用中，当其中一个反射板，受到干扰丢失后，可通过两层反射板距离关系，在Δd_real±d_res附近，重新搜索满足距离关系的反射物，认为为预设的反射体。

两层反射板距离d₁＝d_real1+d_mult1和d₂＝d_real2+d_mult2。两者间距差值为d₁₂＝d₁-d₂＝d_real1-d_real2+d_mult1-d_mult2＝Δd_real+d_mult12。当d₁₂＝Δd_real时，可以判断当前结果准确且不受多径干扰影响。当d₁₂≠Δd_real时，测距结果中存在干扰影响，需进行下一步补偿校正。

进一步地，多径情况下由以下公式校正结果：

或：

在某些应用场景中，系统只要求输出一个有效测距结果。此时，可优选反射能量或信噪比大的测距结果，作为最终结果输出；

并采用线性滤波处理，减少结果扰动实现稳定输出；

线性滤波过程和测量噪声方差优选：Q＝0.001和R＝0.002。

本发明涉及雷达系统中的装置及方法，尤其涉及复杂环境中轨道上运动物体近程高精度测距领域。用于复杂干扰环境下对轨道上直线运动物体实现高精度距离测量。雷达系统装置包括毫米波雷达和反射体，其中毫米波雷达安装在移动物体上，使用圆极化透镜天线，反射体固定静止，使用已知间隔距离为Δd_real，半径r1和r₂的双层反射面。毫米波雷达发射电磁波到反射体，通过接收反射回来电磁波，计算出第一层反射面和第二层反射面的距离分别是d₁和d₂，

通过ZoomFFT算法、跟踪算法和数据处理，确定测量反射体可靠和准确性，较好的消除多径和其它反射物回波影响，测量距离精度达到毫米级。

1、雷达发射FMCW波和接收反射体的第一层反射面和第二层反射面反射回来电磁波，产生两个差拍频率Δf₁和Δf₂，分别经过高精度算法ZoomFFT变换，根据公式

其中d是雷达与反射板距离，Δf是差拍频率，T是FMCW波的扫频时间周期，c是光速，B是FMCW波扫频带宽。求出雷达与反射面1和反射面2的距离分别是d₁和d₂，理论上两者距离差为

2、雷达反射装置由铝板做成圆形反射板，分为两层，第一层反射面半径r₁＝5mm，第二层反射面半径r₂＝30mm，但不限于此材料、尺寸和形状，也可以选择矩形反射板，或者根据实际使用条件选择其他材料、其他形状的反射板。两层铝板间距Δd_real≥6×d_res，其中距离分辨率d_res由公式

求出。安装时，铝板中心正对雷达中心，第一层反射面离雷达近，第二层反射面离背景距离d_min≥6×d_res，但不限于此距离。

3、雷达天线采用圆极化透镜天线，TX和RX共用天线单元，Langer耦合器给天线单元正交馈电，形成圆极化电磁波，TX的极化方式右旋/左旋，而RX的极化方式左旋/右旋。

4、由于存在外部干扰，雷达第一次上电工作时，需确定雷达测量的距离是预设反射体。测量反射体的第一层反射面和第二层反射面与雷达距离，优选满足条件d₂-d₁＝Δd_real±d_res的反射物为预设的反射体，不能满足条件时，再选取能量最大的反射物作为反射体。

5、物体移动过程中，雷达通过第一层反射板和第二层反射板，形成两条跟踪轨迹，某个反射板受其它虚假反射物干扰丢失，通过在另一个反射板在Δd_real±d_res附近进行搜索，重新找回两层反射板。

6、在上一条件基础上，计算第一层反射板和第二层反射板信号能量和信噪比，优选信号能量大的第一层反射板或者第二层反射板与雷达距离为准确值，最终结果采用线性滤波处理实现精确距离和速度信息输出。

7、在上一条件基础上，当求得d₂-d₁与已知距离Δd_real不一致时，则可判断测距结果存在多径影响，可采用补偿算法对雷达测得距离进行补偿校正。

8、雷达发射波形，一帧包含多个FMCW波形(Chirp)。测量静止反射板距离时，先对多个FMCW波形(Chirp)的时域采样信号进行累加，以提升系统信噪比，后通过频谱细化算法求出反射板精确距离；运动物体相对反射板的速度则通过二维FFT求出。

9、雷达和反射体配对使用，用于电梯井道位置定位、物流码头仓库吊装位置定位和传送带车辆位置定位的应用。

10、上述4/5/6/7/8/9的方法用于电梯井道位置定位、物流码头仓库吊装位置定位和传送带车辆位置定位的应用。

具体测量过程及原理如下：

本发明的任务在于，提出一种雷达系统装置和方法，以较低的成本和实现复杂度，在复杂环境下场景，较好的解决多径干扰和其它反射物反射干扰问题，测量出运动物体相对反射体的移动距离和速度，能实现毫米级的测距精度。

雷达反射装置如图2所示，由铝板做成，分为两层反射面，第一层反射面半径r₁＝5mm，第二层反射面半径r₂＝30mm，两层铝板间距Δd_real≥6×d_res，d_res由公式

求出。安装时，铝板中心正对雷达中心，第一层铝板离雷达近，第二层铝板离背景距离d_min≥6×d_res。

天线采用圆极化透镜天线，3dB波束小于等于±1.25°，缩小其它方向反射回波干扰。TX和RX共用天线单元，Langer耦合器给天线单元正交馈电，TX的极化方式右旋/左旋，而RX的极化方式左旋/右旋，这正好利用圆极化电磁波传输特性，发射天线出去右旋/左旋电磁波遇到反射物反射，激起的电磁波变成左旋/右旋，接收天线刚好以相同极化方式接收。而对多径反射回来的电磁波，极化方向相反，极化隔离对多径信号有一定抑制作用，削弱多径对测距精度影响。工作原理如图3所示，图中墙壁6为测量场所四周的墙壁。

雷达初始上电反射体寻找：雷达接收反射体的第一层反射面和第二层反射面反射回来的电磁波，产生两个差拍频率Δf₁和Δf₂，分别经过高精度算法ZoomFFT变换，根据公式

求出距离d₁和d₂，理论上两者距离差值为

通过d₁和d₂关系解决传统方法依靠反射信号强度寻找预设反射体和在移动过程中某一个反射板被相等距离的其它干扰反射物干扰，导致测量距离误差过大，甚至预设反射体丢失。

雷达在一次测量过程中，将发射多个FMCW波形(Chirp)。通常，发射波形个数越多，系统测距测速精度越高。雷达在不同时刻发送的FMCW信号，由下式表示：

其中，A_Tk为发射信号幅度，f₀，

为FMCW信号初始频率和初始相位，波形个数N可优选16、32、64、128、256、512。

经反射板反射后，不同时刻接收到信号为：

A_Rk为第k个接收信号幅度，τ_i，

为环境中第i个反射板路径延时和相位，WGN(δ)为环境白噪声，幅度均值δ，相位随机。

系统将发射和接收信号进行混频，滤除高频分量后。中频差拍信号可表示为：

其中，反射板的中频频率为

通过距离维傅里叶变换可以计算出f_Ii，而目标的距离，可由公式

求得，式中c为光速。

上述中频信号可进行累加后求平均处理：

处理后，中频信号的有效信号幅度为均值

而无效信号幅度，由于噪声随机相位产生的幅度抵消。噪声幅度均值将变为

由此，系统信噪比可至多提升到之前N倍。从而，通过距离维傅里叶变换后，可以计算出更加精确的f_Ii，提升了系统的测距精度。

一般的，由于傅里叶变换的栅栏效应，计算出的f_Ii只是个粗略值，系统测距精度为

其中，f_s为雷达采样率，m为单个波形采样点数。进一步的，为提升系统测距精度，可采用ZoomFFT频谱细化算法，对距离维傅里叶变换结果进行内插。内插倍数为n，综合硬件处理能力考虑，m可优选128、256、512、1024，n可优选64、128、256、512组合。此时，系统测距精度可提高到

同时，上一步变换的结果将保存至系统缓存(RAM)。当收集完第N个波形的变换结果后，可对保存数据进行速度维傅里叶变换。通过距离-速度二维变换，便可求得当前运动物体相对反射板的移动速度，精度为

λ为波长。

特别的，当环境存在多径干扰时。对于单个反射物，雷达测到的距离为

d_real为反射物与雷达真实距离，d_mult为多径影响产生的测距偏差。由于d_mult远小于雷达距离分辨力

此时，雷达将无法判断测距结果是否受到多径影响，从而导致测距精度下降。

本发明通过设置两层反射板，间距需满足Δd_real≥6×d_res，以避免物体间相互干扰。在一次测距过程中，通过上述步骤可以得出两个物体距离d₁＝d_real1+d_mult1和d₂＝d_real2+d_mult2，两层反射板的差值为d₁₂＝d₁-d₂＝d_real1-d_real2+d_mult1-d_mult2＝Δd_real+d_mult12，其中，Δd_real为两层反射板已知间距。当d₁₂＝Δd_real时，可以判断当前结果准确且不受多径干扰影响。当d₁₂≠Δd_real时，测距结果中存在干扰影响，需进行下一步补偿校正。

本发明中，将根据测量两层反射板反射能量或信噪比，作为权值进行补偿校正。设两层反射板反射能量为p₁和p₂，信噪比为s₁和s₂。通过以下公式求得校正后的测距结果：

或：

一般情况下，系统只要求输出一个有效测距结果。此时，可优选反射能量或信噪比大的测距结果，作为最终结果输出。

运动物体测距应用中，本发明通过设置两层反射板，有益于测距反射体的跟踪定位。传统单反射体情况下，通常依靠物体反射能量强度来跟踪目标，移动过程容易受到其他物体干扰，造成反射体丢失。本发明中，当其中一个反射板，受到干扰丢失后，可通过两层反射板距离关系，在Δd_real±d_res附近，重新搜索满足距离关系的反射物。作为预设反射体，保证跟踪测距过程连续。

实际中，由于受到机械振动或其他环境因素干扰，测距最终结果会存在扰动现象。本发明采用以下步骤进行线性滤波处理，可以减少结果扰动实现稳定输出：

1.根据k-1时刻结果，对状态预测X(k|k-1)；

2.协方差矩阵P预测，P(k|k-1)＝P(k-1)+Q；

3.计算线性增益K，K＝P(k|k-1)/(P(k|k-1)+R)；

4.状态X更新，X(k)＝X(k-1)+K(In(k)-X(k-1))；

5.协方差矩阵更新，P(k)＝(1-K)×P(k|k-1)；

6.处理结果输出，Out(k)＝X(k)；

过程中，Q为过程噪声方差，R为测量噪声方差。根据应用环境可以进行调整，本发明中优选：Q＝0.001和R＝0.002可实现测距结果稳定输出。

实施例一：

1.雷达反射装置由铝板或其他金属做成，分为两层，第一层反射面积小于第二层反射面积；

2.两层反射板之间距离可以根据实际应用调整，第二层反射面离安装面最小距离d_min≥6×d_res，第一层反射面与第二层反射面最小距离Δd_real≥6×d_res。防止反射物体间的互相干扰；

3.反射装置中心正对雷达中心，第一层反射面离雷达近，第二层反射面离雷达远；

4.雷达天线采用圆极化透镜天线，3dB波束小于等于±1.25°；

5.雷达天线采用收发共用天线单元设计，收发波束对称，波束指向方向0°；

6.Langer耦合器给天线单元正交馈电，发天线的极化方式右旋/左旋，而收天线的极化方式左旋/右旋，实现极化隔离；

7.雷达在一次测量过程中，将发射多个FMCW波形，波形个数N可优选16、32、64、128、256、512。

8.雷达将发射和接收信号进行混频，滤波器滤除高频分量，得到中频信号为f_I；

9.中频信号进行时域累加求均值降噪处理，有效信号幅度为均值

噪声幅度均值为

10.通过m点距离维傅里叶变换，可以计算出两层反射板中频频率f₁和f₂，傅里叶变换点数可优选128、256、512、1024，此时距离精度为

11.采用ZoomFFT算法，对傅里叶变换结果进行内插，求得细化频率f₁'和f₂'。算法内插倍数为n，综合硬件处理能力考虑n可优选64、128、256、512，细化距离精度为

12.每个波形傅里叶变换结果，保存至系统缓存(RAM)。收集完第N个波形的变换结果后，进行速度维傅里叶变换。通过距离-速度二维变换，求得当前运动物体相对反射板的速度v，精度为

13.运动物体测距应用中，当其中一个反射板，受到干扰丢失后，可通过两层反射板距离关系，在Δd_real±d_res附近，重新搜索满足距离关系的反射物，作为预设反射体。

14.两层反射板距离d₁＝d_real1+d_mult1和d₂＝d_real2+d_mult2。两者间距差值为d₁₂＝d_real1-d_real2+d_mult1-d_mult2＝Δd_real+d_mult12。当d₁₂＝Δd_real时，可以判断当前结果准确且不受多径干扰影响。当d₁₂≠Δd_real时，测距结果中存在干扰影响，需进行下一步补偿校正。

15.多径情况下由以下公式校正结果：

或：

16.一些情况，系统只要求输出一个有效测距结果。此时，可优选反射能量或信噪比大的测距结果，作为最终结果输出；

17.采用线性滤波处理，减少结果扰动实现稳定输出；

18.线性滤波过程和测量噪声方差优选：Q＝0.001和R＝0.002。

Claims (10)

1.一种用于运动物体高精度测距的雷达装置，其特征在于：包括有依次并排设置的毫米波雷达、反射体，毫米波雷达固定于运动物体上，反射体通过固定背景墙固定安装；反射体设置有多层沿竖直方向延伸的反射板，多层反射板的反射面积按照远离毫米波雷达的方向逐渐增加；每层反射板中心位置与毫米波雷达的中心位置位于同一水平面内，距离毫米波雷达最远的最后一层反射板与固定背景墙之间距离大于等于距离分辨率d_res的6倍，每层反射板与其后一层反射板之间的距离也大于等于距离分辨率d_res的6倍；所述距离分辨率d_res由公式

求出，其中c是光速，B是FMCW波扫频带宽。

2.根据权利要求1所述用于运动物体高精度测距的雷达装置，其特征在于：所述毫米波雷达的天线单元采用收发共用天线单元，其收发波束对称设置，波束指向方向为0°。

3.根据权利要求2所述用于运动物体高精度测距的雷达装置，其特征在于：所述毫米波雷达的天线采用圆极化透镜天线，其3dB波束宽度小于等于±1.25°；所述毫米波雷达设置有Langer耦合器，Langer耦合器能够给天线单元正交馈电，发天线的极化方式与收天线的极化方式方向互相相反。

4.根据权利要求3所述用于运动物体高精度测距的雷达装置，其特征在于：所述反射体设置有第一层反射板和第二层反射板两层反射板，第一层反射板的半径r₁＝5mm，第二层反射板的半径r₂＝30mm；每层反射板都为铝板。

5.一种根据权利要求1～4之一所述用于运动物体高精度测距的雷达装置的测量方法，其特征在于：包括以下步骤：

S1、雷达初始上电反射体寻找：

毫米波雷达发射调频连续波，并接收反射体的第一层反射板和第二层反射板分别反射回来的电磁波，产生两个差拍频率Δf₁和Δf₂，分别经过高精度算法ZoomFFT变换，根据公式

求出毫米波雷达与第一层反射板的距离d₁，和毫米波雷达与第二层反射板的距离d₂，两者距离差为

其中d是雷达与反射板距离，Δf是差拍频率，T是FMCW波的扫频时间周期，c是光速，B是FMCW波扫频带宽；

S2、确定反射体：

分别测量第一层反射板与毫米波雷达之间距离d₁，和第二层反射板与毫米波雷达之间距离d₂，优选满足条件d₂-d₁＝Δd_real±d_res的反射物为预设的反射体；所有反射物都不能满足预设条件时，根据反射物的二维FFT幅度谱值选取能量最大的反射物作为反射体目标；

S3、安装毫米波雷达的运动物体移动过程中，通过第一层反射板和第二层反射板形成两条跟踪轨迹，当其中一层反射板形成的跟踪轨迹受其它虚假目标干扰而丢失时，通过另一层反射板形成的跟踪轨迹在Δd_real±d_res附近搜索，重新找回两个反射板位置；

S4、在S3计算结果基础上，分别计算第一层反射板和第二层反射板的信号能量和信噪比，选择信号能量较大者与毫米波雷达之间距离值为准确值，最终结果采用线性滤波处理测距结果，实现精确距离和速度信息输出。

6.根据权利要求5所述用于运动物体高精度测距的雷达装置的测量方法，其特征在于：所述步骤S1中，毫米波雷达在一次测量过程中发射N个FMCW波形，N为16、32、64、128、256或者512；测量静止反射板距离时，先对多个FMCW波形的时域采样信号进行累加，再通过ZoomFFT频谱细化算法求出反射板精确距离；运动物体相对反射板的移动速度则通过二维FFT求出。

7.根据权利要求6所述用于运动物体高精度测距的雷达装置的测量方法，其特征在于：

所述步骤S1中毫米波雷达在不同时刻发射的N个FMCW波形信号由下式表示：

其中，A_Tk为发射信号幅度，f₀，

为FMCW信号初始频率和初始相位，波形个数N可优选16、32、64、128、256、512；

经反射板反射后，不同时刻接收到信号为：

A_Rk为第k个接收信号幅度，τ_i，

为环境中第i个反射板路径延时和相位，WGN(δ)为环境白噪声，幅度均值δ，相位随机；

系统将发射和接收信号进行混频，滤除高频分量；

中频差拍信号表示为：

其中，反射板的中频频率为

通过距离维傅里叶变换计算出f_Ii，再由公式

求得反射板与雷达距离，式中c为光速；

上述中频信号进行累加后求平均处理：

处理后，中频信号的有效信号幅度为均值

无效信号幅度由噪声随机相位产生的幅度抵消，噪声幅度均值变为

由此，系统信噪比提升到噪声幅度抵消之前的N倍，通过距离维傅里叶变换，计算出f_Ii；

系统测距精度为

其中，f_s为雷达采样率，m为单个波形采样点数；

并采用ZoomFFT频谱细化算法，对距离维傅里叶变换结果进行内插；

内插倍数为n，m优选128、256、512、1024，n优选64、128、256、512组合；

系统测距精度提高到

并将上一步距离维傅里叶变换结果保存至系统缓存(RAM)；

收集完第N个波形距离维傅里叶变换和ZoomFFT频谱细化的变换结果后，对保存数据进行速度维傅里叶变换；

通过距离-速度二维变换，求得当前运动物体相对反射板的速度，精度为

其中λ为波长。

8.根据权利要5所述用于运动物体高精度测距的雷达装置的测量方法，其特征在于：所述步骤S4中，将d₂-d₁与已知距离Δd_real对比，当d₂-d₁与已知距离Δd_real不一致时，则判定测距结果存在多径影响，再采用补偿算法对雷达测得距离进行补偿校正。

9.根据权利要求8所述用于运动物体高精度测距的雷达装置的测量方法，其特征在于：

当环境存在多径干扰时，对于单个反射物，雷达测到的距离为

d_real为反射物与雷达真实距离，d_mult为多径影响产生的测距偏差；

因d_mult远小于雷达距离分辨力

所以设置两层间距满足Δd_real≥6×d_res的反射板，两个反射板距离为d₁＝d_real1+d_mult1和d₂＝d_real2+d_mult2；两个反射板的差值为d₁₂＝d₁-d₂＝d_real1-d_real2+d_mult1-d_mult2＝Δd_real+d_mult12；多径影响产生的测距偏差d_mult12＝d₁₂-Δd_real；其中，Δd_real为两层反射板的已知间距；

当d₁₂＝Δd_real时，则判断当前结果准确且不受多径干扰影响；

当d₁₂≠Δd_real时，测距结果中存在干扰影响，需进行下一步补偿校正。

将测量出的两层反射板反射能量或信噪比作为权值进行补偿校正；

设两层反射板反射能量为p₁和p₂，信噪比为s₁和s₂；通过以下公式求得校正后的测距结果：

或：

选择反射能量或信噪比大的测距结果作为最终结果输出。

10.根据权利要求5所述用于运动物体高精度测距的雷达装置的测量方法，其特征在于：

采用线性滤波处理测距结果，具体包括以下步骤：

S51、根据k-1时刻结果，对状态预测X(k|k-1)；

S52、协方差矩阵P预测，P(k|k-1)＝P(k-1)+Q；

S53、计算线性增益K，K＝P(k|k-1)/(P(k|k-1)+R)；

S54、状态X更新，X(k)＝X(k-1)+K(In(k)-X(k-1))；

S55、协方差矩阵更新，P(k)＝(1-K)×P(k|k-1)；

S56、处理结果输出，Out(k)＝X(k)；

其中Q为过程噪声方差，R为测量噪声方差；

过程噪声方差Q＝0.001；

测量噪声方差R＝0.002。

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