CN114674256B - 一种基于雷达极化方向判定目标旋转角度的方法 - Google Patents

一种基于雷达极化方向判定目标旋转角度的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及的基于雷达极化方向判定目标旋转角度的方法，包括以下步骤：向待测目标发送雷达信号，雷达信号经待测目标反射形成反射信号；雷达接收到待测目标反射信号后，测量目标的距离和目标的反射信号强度，然后根据雷达方程计算出目标的当前雷达散射截面积；获得待测目标的当前的雷达散射截面积后，将当前雷达散射截面积与待测目标不同旋转角度下的多组不同的雷达散射截面积值进行对比，评估待测目标的旋转角度。本发明的有益效果是：可以在雷达静止状态下判定静止目标当前的所放置处的角度，雷达和待测目标可以相对静止，应用范围更广。

Description

一种基于雷达极化方向判定目标旋转角度的方法
技术领域
本发明涉及了雷达测量技术领域，具体的是一种基于雷达极化方向判定目标旋转角度的方法。
背景技术
很多户外应用环境恶劣，可见光和红外线难以穿透空气中和设备表面的烟雾、雨雾、粉尘，导致摄像头、激光雷达等光学传感器无法正常工作。与之相比，波长在1毫米到10毫米之间的电磁波(毫米波)可以穿透烟雾、雨雾、粉尘，故而毫米波雷达是户外环境下全天候工作的可靠传感器。毫米波雷达的缺点是相比光学传感器角度分辨率低，无法准确判断前方目标绕雷达法线的旋转角度，例如判定雷达前方的挡杆、金属护板是水平还是垂直放置。毫米波雷达可以检测到目标，但是当雷达角度分辨率不足时，雷达无法通过目标反射点的分布来判定挡杆和护板是水平还是垂直放置。
发明内容
为了克服现有技术中的至少部分缺陷，本发明涉及的一种基于雷达极化方向判定目标旋转角度的方法，利用条状金属物体的雷达散射截面积随金属条和雷达电磁波极化方向夹角增大而减小的性质，通过毫米波雷达发射和接收线极化电磁波判定前方截面为长条形的金属物体相对于基准面的旋转状态。
本发明涉及的一种基于雷达极化方向判定目标旋转角度的方法，包括以下步骤：
S1、向待测目标发送雷达信号，雷达信号经待测目标反射形成反射信号；
S2、雷达接收到待测目标反射信号后，测量目标的距离和目标的反射信号强度，然后根据雷达方程计算出目标当前的雷达散射截面积；
S3、获得待测目标的当前的雷达散射截面积后，将当前雷达散射截面积与数据库中存储的待测目标不同旋转角度下的雷达散射截面积值进行对比，评估待测目标的旋转角度，当目标与电场方向呈0到90°之间的夹角时，目标的雷达散射截面积值小于目标平行于电场方向时的雷达散射截面积，大于目标垂直于电场方向时的雷达散射截面积。
进一步地，所述雷达方程其中雷达和目标之间距离R，雷达发射功率，发射天线增益，接收天线有效面积，目标的雷达散射截面积(RCS)，雷达接收到的信号强度；
在雷达测量过程中，雷达发射功率，发射天线增益，接收天线有效面积，这三个参数是已知的，雷达测量目标时获得目标的接收信号强度，和目标距离R，则可以依据雷达方程计算出目标的雷达散射截面积。
进一步地，还包括对目标进行多次雷达散射截面积测量，统计出目标水平和垂直于电场方向时雷达散射截面积值的分布。
进一步地，包括在相同位置多次测量目标的雷达散射截面积，取多次测量得值的平均值、中值、加权平均值或最大值，修正待测目标不同旋转角度下的雷达散射截面积值，以提高对目标的雷达散射截面积的测量精度。
进一步地，待测目标不同旋转角度下的雷达散射截面积值的获取方法包括在前期实验或者现场标定对待测目标进行测量或通过电磁计算获得待测目标的不同旋转角度下的雷达散射截面积。
进一步地，在所述步骤S3中，当测得的目标雷达散射截面积最小时，则目标和雷达电场极化方向垂直，当测得的目标雷达散射截面积最大时，目标和雷达电场极化方向平行。
进一步地，还包括替换不同的待测目标，针对不同的待测目标进行待测目标不同旋转角度下的雷达散射截面积值进行分别获取，并将获取的数据保存在数据库中。
进一步地，还包括通过人机交互接口对存储在数据库中的待测目标不同旋转角度下的雷达散射截面积值的数据进行手动调整。
本发明的有益之处在于：
1.毫米波雷达对于遮挡物和烟雾尘土具有一定的穿透能力，可以在矿山，工地，野外，雨雾天等恶劣环境中工作，雷达表面不需要清洁。
2.和采用高角度分辨率毫米波雷达来对目标成像，从而判断目标旋转角度方案相比，本发明中的毫米波雷达不需要为了提高角度分辨率增加雷达收发通道，扩大雷达面积，采用复杂的雷达波达角度计算算法，雷达体积小，成本低，便于安装。
3.和合成孔径雷达、逆合成孔径雷达利用雷达和被测物体相对运动来对目标成像，进而判断出目标旋转角度方案相比，本发明中的毫米波雷达可以在雷达静止状态下判定静止目标当前的所放置处的角度，雷达和待测目标可以相对静止，应用范围更广。
为让本发明的上述和其他目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附图式，作详细说明如下。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中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是基于雷达极化方向判定目标旋转角度的方法的步骤示意图。
图2是与水平面平行的条形金属物品的电场方向示意图。
图3是与水平面平行的倾斜金属物品的电场方向示意图。
图4是板状金属物品不同角度情况下雷达极化方向示意图。
图5是杆形金属物品不同角度情况下雷达极化方向示意图。
图6是贴上金属条的非金属物品在不同角度情况下雷达极化方向示意图。
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。
在本发明一较佳实施例中的本发明涉及的一种基于雷达极化方向判定目标旋转角度的方法，包括以下步骤：
S1、向待测目标发送雷达信号，雷达信号经待测目标反射形成反射信号；
S2、雷达接收到待测目标反射信号后，测量目标的距离和目标的反射信号强度，然后根据雷达方程计算出目标当前的雷达散射截面积；
S3、获得待测目标的当前的雷达散射截面积后，将当前雷达散射截面积与数据库中存储的待测目标不同旋转角度下的雷达散射截面积值进行对比，评估待测目标的旋转角度。
参照图2和图3，由于毫米波雷达发射线极化的电磁波，也就是电磁波里面的电场方向始终处于一个固定的平面内(不会绕着雷达法线旋转)，比如始终平行于地面(水平极化)，始终垂直于地面(垂直极化)，始终与地面呈固定角度。当电场方向和金属杆平行时，金属杆雷达散射截面积大(radar cross section,RCS)，导致金属杆反射的电磁波能量高，雷达接收到的反射信号强度高；当电场方向和金属杆垂直时，金属杆雷达散射截面积小，金属杆反射的电磁波能量低，雷达接收到的反射信号强度低，当目标与电场方向呈0到90°之间的角度时，目标的雷达散射截面积值小于目标平行于电场方向时的雷达散射截面积，大于目标垂直于电场方向时的雷达散射截面积。
参照图4，图5和图6，无论是板状金属物品还是杆状物品还是贴上金属条的非金属物品，在实际测试过程中，电场方向始终位于同一平面内，不会绕着雷达法线旋转，而雷达位置不变的情况下，雷达法线的位置也是固定的，因此当雷达测得的目标雷达散射截面积最小时，则待测目标和雷达电场极化方向垂直，当雷达测得的待测目标雷达散射截面积最大时，待测目标和雷达电场极化方向平行。
在上述实施例中，所述雷达方程其中雷达和目标之间距离R，雷达发射功率，发射天线增益，接收天线有效面积，目标的雷达散射截面积(RCS)，雷达接收到的信号强度；
在雷达测量过程中，雷达发射功率，发射天线增益，接收天线有效面积，这三个参数是已知的，雷达测量目标时获得目标的接收信号强度，和目标距离R，则可以依据雷达方程计算出目标的雷达散射截面积。
在上述实施例中，还包括对目标进行多次雷达散射截面积测量，在散射截面积测量过程中，统计出目标水平和垂直于电场方向时雷达散射截面积值的分布。通过统计出目标水平和垂直于电场方向时雷达散射截面积值，能够确认雷达散射截面积测量的上限值和下限值，当雷达测量的雷达散射截面积高于上限值或低于下限值，则表明雷达的检测范围内没有待测目标或者雷达本体出现故障。
在上述实施例中，包括在相同位置多次测量目标的雷达散射截面积，取多次测量得值的平均值、中值、加权平均值或最大值，修正待测目标不同旋转角度下的雷达散射截面积值，以提高对目标的雷达散射截面积的测量精度。
在上述实施例中，待测目标不同旋转角度下的雷达散射截面积值的获取方法包括在前期实验或者现场标定对待测目标进行测量或通过电磁计算获得待测目标的不同旋转角度下的雷达散射截面积。还包括替换不同的待测目标，针对不同的待测目标进行待测目标不同旋转角度下的雷达散射截面积值进行分别获取，并将获取的数据保存在数据库中。通过替换不同待测目标，能够快速填充数据库内容，不断提高雷达对待测目标旋转角度评估的精准性，使得既可以对单个待测目标的旋转角度进行评估，也可以对多个待测目标的旋转角度进行评估。
在上述实施例中，为了进一步提高检测的准确性，还包括通过人机交互接口对存储在数据库中的待测目标不同旋转角度下的雷达散射截面积值的数据进行手动调整。
本发明中应用了具体实施例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (8)

1.一种基于雷达极化方向判定目标旋转角度的方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、向待测目标发送雷达信号，雷达信号经待测目标反射形成反射信号；
S2、雷达接收到待测目标反射信号后，测量目标的距离和目标的反射信号强度，然后根据雷达方程计算出目标当前的雷达散射截面积；
S3、获得待测目标的当前的雷达散射截面积后，将当前雷达散射截面积与数据库中存储的待测目标不同旋转角度下的雷达散射截面积值进行对比，评估待测目标的旋转角度，当目标与电场方向呈0到90°之间的夹角时，目标的雷达散射截面积值小于目标平行于电场方向时的雷达散射截面积，大于目标垂直于电场方向时的雷达散射截面积。
2.根据权利要求1所述的基于雷达极化方向判定目标旋转角度的方法，其特征在于，所述雷达方程其中雷达和目标之间距离R，雷达发射功率Pt，发射天线增益Gt，接收天线有效面积Ae，目标的雷达散射截面积σ，雷达接收到的信号强度S；
在雷达测量过程中，雷达发射功率Pt，发射天线增益Gt，接收天线有效面积Ae，这三个参数是已知的，雷达测量目标时获得目标的接收信号强度S，和目标距离R，则可以依据雷达方程计算出目标的雷达散射截面积σ。
3.根据权利要求1所述的基于雷达极化方向判定目标旋转角度的方法，其特征在于，还包括对目标进行多次雷达散射截面积测量，统计出目标水平和垂直于电场方向时雷达散射截面积值的分布。
4.根据权利要求1所述的基于雷达极化方向判定目标旋转角度的方法，其特征在于，包括在相同位置多次测量目标的雷达散射截面积，取多次测量得值的平均值、中值、加权平均值或最大值，修正待测目标不同旋转角度下的雷达散射截面积值，以提高对目标的雷达散射截面积的测量精度。
5.根据权利要求1所述的基于雷达极化方向判定目标旋转角度的方法，其特征在于，待测目标不同旋转角度下的雷达散射截面积值的获取方法包括在前期实验或者现场标定对待测目标进行测量或通过电磁计算获得待测目标的不同旋转角度下的雷达散射截面积。
6.根据权利要求1所述的基于雷达极化方向判定目标旋转角度的方法，其特征在于，在所述步骤S3中，当测得的目标雷达散射截面积最小时，则目标和雷达电场极化方向垂直，当测得的目标雷达散射截面积最大时，目标和雷达电场极化方向平行。
7.根据权利要求6所述的基于雷达极化方向判定目标旋转角度的方法，其特征在于，还包括替换不同的待测目标，针对不同的待测目标进行待测目标不同旋转角度下的雷达散射截面积值进行分别获取，并将获取的数据保存在数据库中。
8.根据权利要求7所述的基于雷达极化方向判定目标旋转角度的方法，其特征在于：还包括通过人机交互接口对存储在数据库中的待测目标不同旋转角度下的雷达散射截面积值的数据进行手动调整。
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