CN113791394A - 一种道路监视雷达正北标定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种道路监视雷达正北标定方法，涉及雷达监控技术领域。本发明包括如下步骤：步骤S1：构建正北标定基本模型；步骤S2：车辆目标跟踪坐标系选择和距离维参数修正模型；步骤S3：对标定数据处理；步骤S4：正北标定值计算。本发明通过建立正北标定基本模型，设计基础数据采集点，中间数据计算模型，标定用动态数据处理，直至完成雷达正北标定和正北偏差监测任，为道路监视雷达组网提供了雷达数据接入目标航迹数据空间统一技术实现模型和工程解决方案，为道路监视雷达网的建设提供了坚实的技术基础。

Description

一种道路监视雷达正北标定方法

技术领域

本发明属于雷达监控技术领域，基于道路监视雷达组网系统集成技术和多源信息融合系统设计，特别是涉及一种道路监视雷达正北标定方法。

背景技术

为适应智慧高速交通建设发展的需要，构建全新的高速公路感知体系，道路监视雷达组网系统应用而生。单个道路监视雷达探测威力一般在500米以内，可以对同向多车道的车辆目标同时检测和跟踪；卡口摄像机提供车辆的车牌识别和视频图像获取。不同于军用雷达组网，道路监视雷达自身不具有定北功能(无定北仪、惯导等设备)，工程安装时也不会安排专业的测量人员进行正北标定工作(基于成本和专业人员受限等实际考虑)；另外雷达换装维护和自然环境影响，组网雷达在线正北偏差监测和重新标定，也是系统必须要考虑的。可见，道路监视雷达组网首先需要解决单雷达正北标定，这不仅仅是技术问题，更是雷达工程安装/架设成本问题；如何找到一种简便的、高效的、可靠的正北标定方法，具有重要的实际应用价值。

发明内容

本发明的目的在于提供一种道路监视雷达正北标定方法，通过建立正北标定基本模型，设计基础数据采集点，中间数据计算模型，标定用动态数据处理，直至完成雷达正北标定和正北偏差监测任务，解决了现有的雷达正北标定不准确、标定效率低的问题。

为解决上述技术问题，本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明为一种道路监视雷达正北标定方法，包括如下步骤：

步骤S1：构建正北标定基本模型；

步骤S2：车辆目标跟踪坐标系选择和距离维参数修正模型；

步骤S3：对标定数据处理；

步骤S4：正北标定值计算。

作为一种优选的技术方案，所述步骤S1中，构建的正北标定基本模型包括：雷达极坐标系、雷达惯性直角坐标系、辅助参考点；所述正北标定基本模型通过在主车道车辆行进方向设置两个参考点，结合雷达阵面和雷达法线方向的构型建立。

作为一种优选的技术方案，所述正北标定基本模型确定后，在道路监视设备安装施工时，需要对设备的安装数据进行采集，具体步骤如下：

步骤S21：测量雷达部署安装的位置以及安装高度；

步骤S22：在任一主车道上选取并测量参考点A(雷达近点)位置(大地坐标系，BLH坐标)；

步骤S23：在同一主车道上选取并测量参考点B(雷达远点)位置(大地坐标系，BLH坐标)。

作为一种优选的技术方案，所述步骤S3中，标定数据处理包括:数据采集、数据遴选、数据加工和参数计算。

作为一种优选的技术方案，所述标定用数据处理流程如下：

步骤S31：接收组网雷达网络数据包；

步骤S32：解析网络数据包，根据雷达通道号分类存储雷达上报数据；

步骤S33：将参考点A(BLH坐标)坐标变换到雷达直角坐标系，进一步变换到雷达极坐标系，其中距离参数即为参考点A相对雷达的距离；

步骤S34：将参考点B(BLH坐标)坐标变换到雷达直角坐标系，进一步变换到雷达极坐标系，其中距离参数即为参考点B相对雷达的距离；

步骤S35：确定采样距离段，即采样距离区间；

步骤S36：根据参考点A、B位置和主跟踪方向标志，计算主跟踪方向

或者

步骤S37：将目标航迹距离参数投影到车道平面上(勾股定理，需要使用雷达架设高度)，其平面投影距离即为目标距离参数修正值；

步骤S38：根据采样距离区间和主跟踪方向，对航迹数据进行初步遴选；

步骤S39：数据采样管理和异常数据剔除。

作为一种优选的技术方案，所述步骤S4中，雷达正北标定值流程如下：

步骤S41：计算参考点A在雷达惯性直角坐标系中的位置；

步骤S42：计算参考点B在雷达惯性直角坐标系中的位置；

步骤S43：根据参考点B(X_B,Y_B)位置，根据航向公式

计算参考航向；

步骤S44：根据参考点A、B位置，计算参考线参数方程；

步骤S45：根据参考点A(X_A,Y_A)、B(X_B,Y_B)位置以及主跟踪方向标志(即确定AB方向还是BA方向)，计算主跟踪方向

或者

步骤S46：航迹数据中方位参数叠加参考航向值后，完成坐标变换，统一到系统中心惯性直角坐标系中；

步骤S47：根据参考线参数方程和目标轨迹空间相似性模型，对航迹数据进行精确遴选，形成采样区间内有效航迹数据集合；

步骤S48：根据参考线参数方程(距离r与方位α构成的参数方程a＝f(r))和采样航迹距离参数，计算采样航迹实际方位值(a_实际方位＝f(r_航迹距离))；

步骤S49：计算采样航迹方位与实际方位值的差值；

步骤S410：对采样区间内同一目标所有采样航迹点的方位差值进行统计并计算差值的均值

(第m号目标，共有n个航迹点)，同时对异常数据进行剔除，估计出雷达初步方位偏差(同一批航迹所有航迹点的方位偏差，计算出来的平均值)；

步骤S411：统计采样区间内多批次有效目标航迹数据，对估算出的初步方位偏差进行统计和均值计算，估算出雷达正北偏差值

(多个航迹的方位偏差的平均值)；

步骤S412：在系统运行期间一直进行雷达正北偏差值估算，对正北偏差超过设定门限进行告警和正北偏差值维护；

步骤S413：根据参考航向和正北偏差值，计算雷达正北标定值α_{正北标定值}＝C_base+Δα；

步骤S414：根据正北标定值，修正雷达航迹数据；

步骤S415：重新将目标航迹数据变换到组网系统惯性直角坐标系中，为后续融合处理做好空间统一准备。

本发明具有以下有益效果：

本发明通过建立正北标定基本模型，设计基础数据采集点，中间数据计算模型，标定用动态数据处理，直至完成雷达正北标定和正北偏差监测任，为道路监视雷达组网提供了雷达数据接入目标航迹数据空间统一技术实现模型和工程解决方案，为道路监视雷达网的建设提供了坚实的技术基础。

当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例中的雷达正北标定基本模型结构示意图；

图2是本发明实施例中的雷达正北标定全流程图；

图3是本发明实施例中的标定用数据处理过程流程图；

图4是本发明实施例中的雷达正北标定参数计算过程流程图；

图5是本发明实施例中的试验系统正北标定效果图。

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作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1所示，本发明为一种道路监视雷达正北标定方法，包括如下步骤：

步骤S1：构建正北标定基本模型；

步骤S2：车辆目标跟踪坐标系选择和距离维参数修正模型；

步骤S3：对标定数据处理；

步骤S4：正北标定值计算。

步骤S1中，构建的正北标定基本模型包括：雷达极坐标系、雷达惯性直角坐标系、辅助参考点；正北标定基本模型通过在主车道车辆行进方向设置两个参考点，结合雷达阵面和雷达法线方向的构型建立。

正北标定基本模型确定后，在道路监视设备安装施工时，需要对设备的安装数据进行采集，具体步骤如下：

步骤S21：测量雷达部署安装的位置以及安装高度；

步骤S22：在任一主车道上选取并测量参考点A(雷达近点)位置(大地坐标系，BLH坐标)；

步骤S23：在同一主车道上选取并测量参考点B(雷达远点)位置(大地坐标系，BLH坐标)。

步骤S3中，标定数据处理包括:数据采集、数据遴选、数据加工和参数计算。

标定用数据处理流程如下：

步骤S31：接收组网雷达网络数据包；

步骤S32：解析网络数据包，根据雷达通道号分类存储雷达上报数据；

步骤S33：将参考点A(BLH坐标)坐标变换到雷达直角坐标系，进一步变换到雷达极坐标系，其中距离参数即为参考点A相对雷达的距离；

步骤S34：将参考点B(BLH坐标)坐标变换到雷达直角坐标系，进一步变换到雷达极坐标系，其中距离参数即为参考点B相对雷达的距离；

步骤S35：确定采样距离段，即采样距离区间；

步骤S36：根据参考点A、B位置和主跟踪方向标志，计算主跟踪方向

或者

步骤S37：将目标航迹距离参数投影到车道平面上(勾股定理，需要使用雷达架设高度)，其平面投影距离即为目标距离参数修正值；

步骤S38：根据采样距离区间和主跟踪方向，对航迹数据进行初步遴选；

步骤S39：数据采样管理和异常数据剔除。

步骤S4中，雷达正北标定值流程如下：

步骤S41：计算参考点A在雷达惯性直角坐标系中的位置；

步骤S42：计算参考点B在雷达惯性直角坐标系中的位置；

步骤S43：根据参考点B(X_B,Y_B)位置，根据航向公式

计算参考航向；

步骤S44：根据参考点A、B位置，计算参考线参数方程；

步骤S45：根据参考点A(X_A,Y_A)、B(X_B,Y_B)位置以及主跟踪方向标志(即确定AB方向还是BA方向)，计算主跟踪方向

或者

步骤S46：航迹数据中方位参数叠加参考航向值后，完成坐标变换，统一到系统中心惯性直角坐标系中；

步骤S47：根据参考线参数方程和目标轨迹空间相似性模型，对航迹数据进行精确遴选，形成采样区间内有效航迹数据集合；

步骤S48：根据参考线参数方程(距离r与方位α构成的参数方程a＝f(r))和采样航迹距离参数，计算采样航迹实际方位值(a_实际方位＝f(r_航迹距离))；

步骤S49：计算采样航迹方位与实际方位值的差值；

步骤S410：对采样区间内同一目标所有采样航迹点的方位差值进行统计并计算差值的均值

(第m号目标，共有n个航迹点)，同时对异常数据进行剔除，估计出雷达初步方位偏差(同一批航迹所有航迹点的方位偏差，计算出来的平均值)；

步骤S411：统计采样区间内多批次有效目标航迹数据，对估算出的初步方位偏差进行统计和均值计算，估算出雷达正北偏差值

(多个航迹的方位偏差的平均值)；

步骤S412：在系统运行期间一直进行雷达正北偏差值估算，对正北偏差超过设定门限进行告警和正北偏差值维护；

步骤S413：根据参考航向和正北偏差值，计算雷达正北标定值α_{正北标定值}＝C_base+Δα；

步骤S414：根据正北标定值，修正雷达航迹数据；

步骤S415：重新将目标航迹数据变换到组网系统惯性直角坐标系中，为后续融合处理做好空间统一准备。

实施例一：

如图1所示，按照雷达观测模型、雷达目标跟踪模型和目标运动轨迹空间相似性模型，建立雷达正北标定基本模型；道路监视雷达电扫描角度范围一般在[20°，20°]区间，最大探测距离500米以内，雷达采样(扫描)周期为50毫秒，雷达法线方向与主车道方向平行。考虑到工程安装(一般安装在灯杆或门架上)及自然环境的影响，雷达法线方向与主车道方向存在偏差Δα，雷达不具备基本定北(α_地理北)设备，工程上采用参考航向C_base代替α_地理北，从而雷达正北标定值α_{正北标定值}＝C_base+Δα，也就是要确定Δα和C_base的值。从成本和工程可实施性考虑，按照以下步骤获取雷达正北标定值计算基本模型所需要的基础数据

1、雷达安装时，尽可能确保雷达阵面与主车道面垂直，记录雷达大地经纬高数据和雷达相对主车道路面高度；

2、在主车道方向选取参考点A(近点)，该参考点可根据车道实际情况选取，该位置需满足相对雷达距离在[20，50]d米区间内的基本要求；

3、在主车道方向选取参考点B(远点)，该参考点与参考点A必须都在同一主车道上，且两点连线方向尽可能与车道平行；同时参考点B位置需满足相对雷达距离在[30，100]米区间内的基本要求。

在确定正北标定基本模型后，就需要在系统设计和工程实施过程中展开正北标定全流程设计。

实施例二：

如图2所示，正北标定全流程设计时，工程安装阶段需要进行基础数据采集(采集要求符合基本模型的需要)，具体实施步骤如下：

第一步：测量雷达部署雷达位置(大地经纬高)以及安装高度(雷达相对于车道平面的距离)；

第二步：选取并测量参考点A位置(大地经纬高)；

第三步：选取并测量参考点B位置(大地经纬高)。

在系统设计阶段，需要对标定模型中的基本参数进行设计，主要参数有：

主跟踪方向选择参数(Direct)，参数选项：向站或背站；

雷达采样距离段参数(R_S,R_E)，起点距离(根据参考点A计算)，末点距离(根据参考点B计算)；

参考航向参数C_base，根据参考点A(X_A,Y_A)、B(X_B,Y_B)位以及主跟踪方向，计算参考航向；

当A点到B点连线方向与主跟踪方向一致时，航向参数C_base为：

当A点到B点连线方向与主跟踪方向相反时，航向参数C_base为：

在系统设计阶段，需要对标定用数据采集和正北标定值计算的处理过程进行设计，具体处理流程和实施步骤如下：

第一步：接收集成雷达网络数据包；

第二步：根据雷达通道进行分类采集航迹数据；

第三步：根据采样距离段、主跟踪方向等约束条件进行航迹数据初步遴选；

第四步：在根据参考线(参考点A、B连线)、目标轨迹空间相似性模型等对航迹数据进行精选，完成有效数据采样；

第五步：根据采样点的距离参数和参考线参数方程，计算对应采样点的实际方位值；

第六步：对采样区间内的所有采样点计算采样点方位与实际方位的差值并进行统计，计算差值均值，其结果作为方位偏差值；

第七步：选取采样区间内多组目标数据，并完成第六步的方位偏差计算，计算总体方位偏差均值，最后完成正北标定值的计算(参考航向加上方位偏差)；

第八步：方位偏差计算在系统运行期间一直进行，不断优化正北标定值，同时对方位偏差超出设定门限进行告警。

实施例三：

如图3所示，对标定用数据处理(包括数据采集、数据遴选、数据加工)的流程进行详细设计，形成一套完整的数据处理流程。标定用数据处理过程如下：

第一步：接收组网雷达网络数据包；

第二步：解析网络数据包，根据雷达通道号(雷达ID号)分类存储雷达上报数据(点迹数据、航迹数据)；

第三步：计算参考点A相对雷达的距离；

第四步：计算参考点B相对雷达的距离；

第五步：确定采样距离段(采样距离区间)；

第六步：根据参考点A、B位置和主跟踪方向标志，计算主跟踪方向(航向)；

第七步：对航迹数据中的距离参数进行距离投影处理，完成目标距离参数修正；

第八步：根据采样距离区间和主跟踪方向，对航迹数据进行初步遴选；

第九步：数据采样管理和异常数据剔除。

实施例四：

如图4，在完成定用航迹数据初步遴选后，需要对雷达正北标定值计算和方位偏差估计和监测流程进行详细设计，形成一套完整的雷达正北标定值计算流程，工程试验网标定效果见图5。雷达正北标定值流程如下：

第一步：计算参考点A在雷达惯性直角坐标系中的位置；

第二步：计算参考点B在雷达惯性直角坐标系中的位置；

第三步：根据参考点B(X_B,Y_B)位置，根据航向公式

计算参考航向；

第四步：根据参考点A、B位置，计算参考线参数方程；

第五步：根据参考点A(X_A,Y_A)、B(X_B,Y_B)位置以及主跟踪方向标志(即确定AB方向还是BA方向)，计算主跟踪方向

或者

第六步：航迹数据中方位参数叠加参考航向值后，完成坐标变换，统一到系统中心惯性直角坐标系中；

第七步：根据参考线参数方程和目标轨迹空间相似性模型，对航迹数据进行精确遴选，形成采样区间内有效航迹数据集合；

第八步：根据参考线参数方程(距离r与方位α构成的参数方程a＝f(r))和采样航迹距离参数，计算采样航迹实际方位值(a_实际方位＝f(r_航迹距离))；

第九步：计算采样航迹方位与实际方位值的差值；

第十步：对采样区间内同一目标所有采样航迹点的方位差值进行统计并计算差值的均值

(第m号目标，共有n个航迹点)，同时对异常数据进行剔除，估计出雷达初步方位偏差(同一批航迹所有航迹点的方位偏差，计算出来的平均值)；

第十一步：统计采样区间内多批次有效目标航迹数据，对估算出的初步方位偏差进行统计和均值计算，估算出雷达正北偏差值

(多个航迹的方位偏差的平均值)；

第十二步：在系统运行期间一直进行雷达正北偏差值估算，对正北偏差超过设定门限进行告警和正北偏差值维护；

第十三步：根据参考航向和正北偏差值，计算雷达正北标定值α_{正北标定值}＝C_base+Δα；

第十四步：根据正北标定值，修正雷达航迹数据；

第十五步：重新将目标航迹数据变换到组网系统惯性直角坐标系中，为后续融合处理做好空间统一准备。

值得注意的是，上述系统实施例中，所包括的各个单元只是按照功能逻辑进行划分的，但并不局限于上述的划分，只要能够实现相应的功能即可；另外，各功能单元的具体名称也只是为了便于相互区分，并不用于限制本发明的保护范围。

另外，本领域普通技术人员可以理解实现上述各实施例方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，相应的程序可以存储于一计算机可读取存储介质中。

以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。

Claims (7)

1.一种道路监视雷达正北标定方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤S1：构建正北标定基本模型；

步骤S2：车辆目标跟踪坐标系选择和距离维参数修正模型；

步骤S3：对标定数据处理；

步骤S4：正北标定值计算。

2.根据权利要求1所述的一种道路监视雷达正北标定方法，其特征在于，所述步骤S1中，构建的正北标定基本模型包括：雷达极坐标系、雷达惯性直角坐标系、辅助参考点；所述正北标定基本模型通过在主车道车辆行进方向设置两个参考点，结合雷达阵面和雷达法线方向的构型建立。

3.根据权利要求1所述的一种道路监视雷达正北标定方法，其特征在于，所述正北标定基本模型确定后，在道路监视设备安装施工时，需要对设备的安装数据进行采集，具体步骤如下：

步骤S21：测量雷达部署安装的位置以及安装高度；

步骤S22：在任一主车道上选取并测量参考点A位置；

步骤S23：在同一主车道上选取并测量参考点B位置。

4.根据权利要求1所述的一种道路监视雷达正北标定方法，其特征在于，所述步骤S2中，跟踪坐标系和距离修正模型通过建立惯性直角坐标系和目标平面投影距离来计算。

5.根据权利要求1所述的一种道路监视雷达正北标定方法，其特征在于，所述步骤S3中，标定数据处理包括:数据采集、数据遴选、数据加工和参数计算。

6.根据权利要求5所述的一种道路监视雷达正北标定方法，其特征在于，所述标定用数据处理流程如下：

步骤S31：接收组网雷达网络数据包；

步骤S32：解析网络数据包，根据雷达通道号分类存储雷达上报数据；

步骤S33：将参考点A坐标变换到雷达直角坐标系，进一步变换到雷达极坐标系，其中距离参数即为参考点A相对雷达的距离；

步骤S34：将参考点B坐标变换到雷达直角坐标系，进一步变换到雷达极坐标系，其中距离参数即为参考点B相对雷达的距离；

步骤S35：确定采样距离段，即采样距离区间；

步骤S36：根据参考点A、B位置和主跟踪方向标志，计算主跟踪方向

或者

步骤S37：将目标航迹距离参数投影到车道平面上(勾股定理，需要使用雷达架设高度)，其平面投影距离即为目标距离参数修正值；

步骤S38：根据采样距离区间和主跟踪方向，对航迹数据进行初步遴选；

步骤S39：数据采样管理和异常数据剔除。

7.根据权利要求1所述的一种道路监视雷达正北标定方法，其特征在于，所述步骤S4中，雷达正北标定值流程如下：

步骤S41：计算参考点A在雷达惯性直角坐标系中的位置；

步骤S42：计算参考点B在雷达惯性直角坐标系中的位置；

步骤S43：根据参考点B(X_B,Y_B)位置，根据航向公式

计算参考航向；

步骤S44：根据参考点A、B位置，计算参考线参数方程；

步骤S45：根据参考点A(X_A,Y_A)、B(X_B,Y_B)位置以及主跟踪方向标志，计算主跟踪方向

或者

步骤S46：航迹数据中方位参数叠加参考航向值后，完成坐标变换，统一到系统中心惯性直角坐标系中；

步骤S47：根据参考线参数方程和目标轨迹空间相似性模型，对航迹数据进行精确遴选，形成采样区间内有效航迹数据集合；

步骤S48：根据参考线参数方程a＝f(r)和采样航迹距离参数，计算采样航迹实际方位值a_实际方位＝f(r_航迹距离)；

步骤S49：计算采样航迹方位与实际方位值的差值；

步骤S410：对采样区间内同一目标所有采样航迹点的方位差值进行统计并计算差值的均值

同时对异常数据进行剔除，估计出雷达初步方位偏差；

步骤S411：统计采样区间内多批次有效目标航迹数据，对估算出的初步方位偏差进行统计和均值计算，估算出雷达正北偏差值

步骤S412：在系统运行期间一直进行雷达正北偏差值估算，对正北偏差超过设定门限进行告警和正北偏差值维护；

步骤S413：根据参考航向和正北偏差值，计算雷达正北标定值α_{正北标定值}＝C_base+Δα；

步骤S414：根据正北标定值，修正雷达航迹数据；

步骤S415：重新将目标航迹数据变换到组网系统惯性直角坐标系中，为后续融合处理做好空间统一准备。

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