CN114814778B - 一种基于毫米波雷达的载体速度解算方法 - Google Patents

一种基于毫米波雷达的载体速度解算方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了基于毫米波雷达的载体速度解算方法，包括：毫米波雷达对回波信号进行二维FFT处理，生成距离多普勒热图矩阵；毫米波雷达视野内，计算所有目标在距离多普勒热图矩阵中的回波能量值；通过计算地面静止目标相对雷达的速度；在距离多普勒热图矩阵上按多普勒单元数生成数组，并对所有多普勒单元对应的所有距离单元回波能量求和，并赋值给数组；对数组进行排序计算，最大的多普勒索引即为当前帧载体速度单元索引；根据当前帧载体速度单元索引与已知的速度分辨率，计算出当前帧的载体速度并滤波输出。本发明能有效区分地面静止目标与运动目标；载体速度估算精度高，能有效滤除雷达视野内运动目标的干扰。

Description

一种基于毫米波雷达的载体速度解算方法
技术领域
本发明属于雷达技术领域，尤其涉及一种基于毫米波雷达的载体速度解算方法。
背景技术
毫米波雷达体积小、重量轻、测量精度高，且穿透烟雾、灰尘能力强，具有全天时全天候工作能力等优点，已广泛使用于汽车辅助驾驶、交通流量检测、无人机定高避障、智慧交通等领域，主要应用于雷达视场内典型目标的检测与跟踪。在毫米波雷达安装在机器人、汽车、无人机等运动载体上时，往往需要通过接入到运动载体系统来获取平台速度信息，以此来辅助雷达区分相对地面静止与运动目标；而应用在摩托车、电动车上时，往往难以获取到载体的速度信息。
现有毫米波雷达解算载体速度的方法，都是基于雷达检测的点云结果，来进行载体速度的解算。
专利公开号CN112946623A的中国专利，通过判断点云数据集对应X轴正负两侧的点云数据的数量同时大于一个点且速度相等，则确定该点云数据为有效点云数据，利用该有效点云数据进行载体速度的计算。
专利公开号CN113075661A的中国专利，通过探测区域内的所在物体与车辆的相对速度 ，通过众数运算将该探测区域内的所在物体中相同速度最多的判断为静止物。
专利公开号CN113911173A的中国专利，通过依靠毫米波雷达和加速度计两种传感器实现列车速度的可靠测量。
专利公开号CN113911174A的中国专利，通过相邻两帧点云图像时间差内的运行距离，来计算列车的运行速度；融合点云匹配测速与毫米波雷达测速实现对列车速度的确定。
以上专利中，利用毫米波雷达进行载体速度的估算可以分为两大类，一是利用毫米波雷达与其他传感器融合进行载体速度估算；一是利用毫米波雷达单传感器，通过毫米波雷达检测到的目标点云信息，进行载体速度的估算。这些方法，对静止目标的识别率较低，容易受运动目标干扰。在特定场景下，在雷达视野内存在其他运动目标，且地面较为空旷，雷达探测到地面静止目标点云较少,甚至没有地面静止目标点云时，会存在将雷达视野内其他运动目标相对于雷达的速度，计算成载体运动的速度，导致出现明显的速度偏差。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种毫米波雷达的载体速度解算方法，通过距离多普勒热图进行能量积累，完成对地面静止目标的识别；通过识别的地面静止目标，与其对应的载体速度单元索引，直接计算当前帧的载体速度；采用滑动平均滤波法对载体速度进行滤波；可实现准确识别地面静止目标，降低运动目标的干扰，较为准确的估算毫米波雷达的载体速度，解决特定场景下出现明显的速度偏差的问题。
本发明公开的一种基于毫米波雷达的载体速度解算方法，包括以下步骤：
毫米波雷达对回波信号进行二维FFT处理，生成距离多普勒热图矩阵；
毫米波雷达视野内，计算所有目标在距离多普勒热图矩阵中的回波能量值；
通过计算地面静止目标相对雷达的速度，此速度即为毫米波雷达载体相对于地面的速度；
地面静止目标的判别，在距离多普勒热图矩阵上按多普勒单元数生成数组，并对所有多普勒单元对应的所有距离单元回波能量求和，并赋值给数组；对数组进行排序计算，最大的多普勒索引即为当前帧载体速度单元索引；根据当前帧载体速度单元索引，与已知的速度分辨率，计算出当前帧的载体速度；
采用滑动平均滤波法对载体速度进行滤波输出。
进一步的，S1步骤中所述距离多普勒热图矩阵如下：
Figure DEST_PATH_IMAGE001
其中
Figure 603756DEST_PATH_IMAGE002
对应距离多普勒热图矩阵第i个距离单元第j个多普勒单元；m为距离单元数，n为多普勒单元数。
进一步的，S2步骤中对于不同RCS的目标，在距离多普勒热图矩阵中计算其回波能量值，对于高RCS目标，提取点云目标。
进一步的，S4步骤具体包括如下：
对距离多普勒热图矩阵，按多普勒单元数生成数组doppler[n]，数组长度为多普勒单元数n；
在距离多普勒热图矩阵中，对所有多普勒单元对应的所有距离单元回波能量求和，并赋值给数组doppler[n]：
Figure DEST_PATH_IMAGE003
j为第j个多普勒单元；
对数组 doppler[n]的值进行排序计算，得到数组值从大到小排序中，最大的三个值的多普勒索引值
Figure 862175DEST_PATH_IMAGE004
,
Figure DEST_PATH_IMAGE005
,
Figure 438649DEST_PATH_IMAGE006
，且
Figure DEST_PATH_IMAGE007
；
当三个多普勒索引值相邻时，判断
Figure 178066DEST_PATH_IMAGE004
为地面静止目标在距离多普勒热图上的多普勒索引，取
Figure 71067DEST_PATH_IMAGE008
，
Figure DEST_PATH_IMAGE009
为当前帧载体速度单元索引；当三个多普勒索引值不相邻时，
Figure 690267DEST_PATH_IMAGE009
取
Figure 35929DEST_PATH_IMAGE004
,
Figure 500409DEST_PATH_IMAGE005
,
Figure 700446DEST_PATH_IMAGE006
中最接近上一帧载体速度单元索引的值；
根据当前帧载体速度单元索引，计算当前帧的载体速度：
Figure 763649DEST_PATH_IMAGE010
其中，t为当前帧，
Figure DEST_PATH_IMAGE011
为当前帧估算的载体速度，
Figure 314716DEST_PATH_IMAGE012
为毫米波雷达的速度分辨率，n为多普勒单元数。
进一步的，S5步骤采用滑动平均滤波法对载体速度进行滤波，具体包括如下：
连续取N帧估算的载体速度，组成一个循环队列，采用先进先出的原则，当前帧估算的载体速度放入队尾，并舍弃掉原来队首的数据，对当前队列中的N个数据取算术平均值
Figure DEST_PATH_IMAGE013
其中，
Figure 395936DEST_PATH_IMAGE014
为雷达计算输出的最终载体速度，
Figure 247217DEST_PATH_IMAGE011
为循环队列中前N帧估算的载体速度。
本发明的有益效果如下：
1)毫米波雷达能够有效区分地面静止目标与运动目标；
2)毫米波雷达载体速度估算精度高，场景适用性强，鲁棒性好。
3)在雷达视野内存在其他运动目标，且地面较为空旷，雷达探测到地面点云目标较少,甚至没有地面目标点云时，也能够有效估算毫米波雷达载体速度，能有效滤除雷达视野内运动目标的干扰。
4)无需根据目标相对与雷达的位置进行极坐标转换，计算简单，运算速度快，准确性高，实时性好，能够很好得应用于产品中。
附图说明
图1本发明毫米波雷达的载体速度解算方法流程图；
图2只有地面静止目标时的距离多普勒热图；
图3运动目标与地面目标距离的多普勒热图；
图4载体速度计算结果示例图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步的说明，但不以任何方式对本发明加以限制，基于本发明教导所作的任何变换或替换，均属于本发明的保护范围。
本发明提供的基于毫米波雷达的载体速度解算方法技术方案如下：
S1毫米波雷达对回波信号进行二维FFT处理，生成距离多普勒热图矩阵；
S2毫米波雷达视野内，所有目标都在距离多普勒热图矩阵中有回波能量值；
S3通过计算地面静止目标相对雷达的速度，此速度即为毫米波雷达载体相对于地面的速度；
S4地面静止目标的判别，在距离多普勒热图矩阵上进行；
首先，对距离多普勒热图矩阵，按多普勒单元数生成数组；
其次，在距离多普勒热图矩阵中，对所有多普勒单元对应的所有距离单元回波能量求和，并赋值给数组；
然后，对数组进行排序计算，得到数组值从大到小排序中，最大的多普勒索引值；最大的多普勒索引即为当前帧载体速度单元索引；
根据当前帧载体速度单元索引，与已知的速度分辨率，即可计算出当前帧的载体速度；
S5采用滑动平均滤波法对载体速度进行滤波输出。
在一个实施例中，毫米波雷达的载体速度解算方法，包括以下步骤：
S1毫米波雷达对回波信号进行二维FFT处理，生成距离多普勒热图矩阵：
Figure 958952DEST_PATH_IMAGE001
其中
Figure 466157DEST_PATH_IMAGE002
对应距离多普勒热图矩阵第i个距离单元第j个多普勒单元；m为距离单元数，n为多普勒单元数。
S2毫米波雷达视野内，不同RCS的目标，都在距离多普勒热图矩阵中有不同的回波能量值。低RCS目标回波能量较低，不能通过cfar算法形成点云目标，高RCS目标回波能量较高，可以形成点云目标。
S3计算地面静止目标相对雷达的速度，此速度即为毫米波雷达载体相对于地面的速度。
S4在距离多普勒热图矩阵上进行地面静止目标的判别。
首先，对距离多普勒热图矩阵，按多普勒单元数生成数组doppler[n]，数组长度为多普勒单元数n。
其次，在距离多普勒热图矩阵中，对所有多普勒单元对应的所有距离单元回波能量求和，并赋值给数组doppler[n]：
Figure 69177DEST_PATH_IMAGE003
j为第j个多普勒单元。
然后，对数组 doppler[n]的值进行排序计算，得到数组值从大到小排序中，最大的三个值的多普勒索引值
Figure 728959DEST_PATH_IMAGE004
,
Figure 595284DEST_PATH_IMAGE005
,
Figure 652102DEST_PATH_IMAGE006
，且
Figure 744298DEST_PATH_IMAGE007
。
最后，当三个多普勒索引值相邻时，判断
Figure 773434DEST_PATH_IMAGE004
为地面静止目标在距离多普勒热图上的多普勒索引，取
Figure 872977DEST_PATH_IMAGE008
，
Figure 105506DEST_PATH_IMAGE009
为当前帧载体速度单元索引；当三个多普勒索引值不相邻时，
Figure 253591DEST_PATH_IMAGE009
取
Figure 933971DEST_PATH_IMAGE004
,
Figure 892831DEST_PATH_IMAGE005
,
Figure 861924DEST_PATH_IMAGE006
中最接近上一帧载体速度单元索引的值。
根据当前帧载体速度单元索引，计算当前帧的载体速度：
Figure 610437DEST_PATH_IMAGE010
其中，t为当前帧，
Figure 630477DEST_PATH_IMAGE011
为当前帧估算的载体速度，
Figure 275085DEST_PATH_IMAGE012
为毫米波雷达的速度分辨率，n为多普勒单元数。
S5采用滑动平均滤波法对载体速度进行滤波。
具体实现方式为连续取N帧估算的载体速度，组成一个循环队列，采用先进先出的原则，当前帧估算的载体速度放入队尾，并舍弃掉原来队首的数据，对当前队列中的N个数据取算术平均值。
Figure 281874DEST_PATH_IMAGE013
其中，
Figure 771761DEST_PATH_IMAGE014
为雷达计算输出的最终载体速度，
Figure 364416DEST_PATH_IMAGE011
为循环队列中前N帧估算的载体速度。
参考图2和图3，图2为只有地面静止目标时的距离多普勒热图，静止目标的分布，随着距离的增加（即图中距离索引越来越大），静止目标分布在同一个多普勒索引附近；图3为运动目标与地面目标的距离多普勒热图，静止目标的分布，随着距离的增加（即图中距离索引越来越大），静止目标分布在同一个多普勒索引附近，而运动目标分布在其他远离静止目标的多普勒索引附近；图4载体速度的计算结果，虚线为当前帧计算的载体速度，实线为经过滑动平均滤波法对载体速度进行滤波后的载体速度。
本发明的有益效果如下：
1)毫米波雷达能够有效区分地面静止目标与运动目标；
2)毫米波雷达载体速度估算精度高，场景适用性强，鲁棒性好。
3)在雷达视野内存在其他运动目标，且地面较为空旷，雷达探测到地面点云目标较少,甚至没有地面目标点云时，也能够有效估算毫米波雷达载体速度，能有效滤除雷达视野内运动目标的干扰。
4)无需根据目标相对与雷达的位置进行极坐标转换，计算简单，运算速度快，准确性高，实时性好，能够很好得应用于产品中。
本文所使用的词语“优选的”意指用作实例、示例或例证。本文描述为“优选的”任意方面或设计不必被解释为比其他方面或设计更有利。相反，词语“优选的”的使用旨在以具体方式提出概念。如本申请中所使用的术语“或”旨在意指包含的“或”而非排除的“或”。即，除非另外指定或从上下文中清楚，“X使用A或B”意指自然包括排列的任意一个。即，如果X使用A；X使用B；或X使用A和B二者，则“X使用A或B”在前述任一示例中得到满足。
而且，尽管已经相对于一个或实现方式示出并描述了本公开，但是本领域技术人员基于对本说明书和附图的阅读和理解将会想到等价变型和修改。本公开包括所有这样的修改和变型，并且仅由所附权利要求的范围限制。特别地关于由上述组件(例如元件等)执行的各种功能，用于描述这样的组件的术语旨在对应于执行所述组件的指定功能(例如其在功能上是等价的)的任意组件(除非另外指示)，即使在结构上与执行本文所示的本公开的示范性实现方式中的功能的公开结构不等同。此外，尽管本公开的特定特征已经相对于若干实现方式中的仅一个被公开，但是这种特征可以与如可以对给定或特定应用而言是期望和有利的其他实现方式的一个或其他特征组合。而且，就术语“包括”、“具有”、“含有”或其变形被用在具体实施方式或权利要求中而言，这样的术语旨在以与术语“包含”相似的方式包括。
本发明实施例中的各功能单元可以集成在一个处理模块中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以多个或多个以上单元集成在一个模块中。上述集成的模块既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。所述集成的模块如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，也可以存储在一个计算机可读取存储介质中。上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。上述的各装置或系统，可以执行相应方法实施例中的存储方法。
综上所述，上述实施例为本发明的一种实施方式，但本发明的实施方式并不受所述实施例的限制，其他的任何背离本发明的精神实质与原理下所做的改变、修饰、代替、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于毫米波雷达的载体速度解算方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：毫米波雷达对回波信号进行二维FFT处理，生成距离多普勒热图矩阵；
S2：毫米波雷达视野内，计算所有目标在距离多普勒热图矩阵中的回波能量值；
S3：通过计算地面静止目标相对雷达的速度，此速度即为毫米波雷达载体相对于地面的速度；
S4：地面静止目标的判别，在距离多普勒热图矩阵上按多普勒单元数生成数组，并对所有多普勒单元对应的所有距离单元回波能量求和，并赋值给数组；对数组进行排序计算，计算得到当前帧载体速度单元索引；根据当前帧载体速度单元索引，与已知的速度分辨率，计算出当前帧的载体速度；
S5：对载体速度进行滤波输出；
其中S4步骤中计算得到当前帧载体速度单元索引，包括如下：
对距离多普勒热图矩阵，按多普勒单元数生成数组doppler[n]，数组长度为多普勒单元数n；
在距离多普勒热图矩阵中，对所有多普勒单元对应的所有距离单元回波能量求和，并赋值给数组doppler[n]：
Figure FDA0003797770260000011
j为第j个多普勒单元；
对数组doppler[n]的值进行排序计算，得到数组值从大到小排序中，最大的三个值的多普勒索引值Idxmax1,Idxmax2,Idxmax3，且
doppler[Idxmax1]≥doppler[Idxmax2]≥doppler[Idxmax3]；
当三个多普勒索引值相邻时，判断Idxmax1为地面静止目标在距离多普勒热图上的多普勒索引，取Idxmax＝Idxmax1，Idxmax为当前帧载体速度单元索引；当三个多普勒索引值不相邻时，Idxmax取Idxmax1,Idxmax2,Idxmax3中最接近上一帧载体速度单元索引的值。
2.根据权利要求1所述的基于毫米波雷达的载体速度解算方法，其特征在于，S1步骤中所述距离多普勒热图矩阵如下：
RD＝(aij)m×n
其中aij对应距离多普勒热图矩阵第i个距离单元第j个多普勒单元；m为距离单元数，n为多普勒单元数。
3.根据权利要求1所述的基于毫米波雷达的载体速度解算方法，其特征在于，S2步骤中对于不同RCS的目标，在距离多普勒热图矩阵中计算其回波能量值，对于高RCS目标，提取点云目标。
4.根据权利要求1所述的基于毫米波雷达的载体速度解算方法，其特征在于，S4步骤中根据当前帧载体速度单元索引，计算当前帧的载体速度，包括：
Figure FDA0003797770260000021
其中，t为当前帧，Vt为当前帧估算的载体速度，Vres为毫米波雷达的速度分辨率，n为多普勒单元数。
5.根据权利要求1所述的基于毫米波雷达的载体速度解算方法，其特征在于，S5采用滑动平均滤波法对载体速度进行滤波，具体包括如下：
连续取N帧估算的载体速度，组成一个循环队列，采用先进先出的原则，当前帧估算的载体速度放入队尾，并舍弃掉原来队首的数据，对当前队列中的N个数据取算术平均值：
Figure FDA0003797770260000022
其中，
Figure FDA0003797770260000023
为雷达计算输出的最终载体速度，Vt为循环队列中前N帧估算的载体速度。
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