CN115113157B - 一种基于车路协同雷达的波束指向校准方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于车路协同雷达的波束指向校准方法，包括以下步骤：S1：在道路上放置车路协同雷达和便携式毫米波发射机装置；S2：利用便携式毫米波发射机装置向车路协同雷达发送载频信号，并利用车路协同雷达接收载频信号；S3：根据接收的载频信号，进行波束指向校准。本发明采用基于基线上放置的毫米波发射机装置发射多个单载频信号，利用高速公路车路协同雷达识别发射机装置发射的信号，测量发射机装置的相对角度，利用相对角度值调整车路协同雷达的安装指向，达到对高速公路车路协同雷达的快速精确校准。

Description

一种基于车路协同雷达的波束指向校准方法
技术领域
本发明属于雷达技术领域，具体涉及一种基于车路协同雷达的波束指向校准方法。
背景技术
车路协同检测雷达是应用于高速公路场景，对道路路面上行驶的车辆、行人或抛洒物等目标进行检测的一种雷达系统，工作在80GHz毫米波频段。车路协同检测雷达具有作用距离远（达到约1000m），探测车道数量多，目标探测角度分辨率高，全天时全天候工作和完全免维护等优点。车路协同探测雷达安装在高速公路路侧，架设高度超过6m，对高速公路上雷达作用距离范围和车道（含应急车道）宽度内行驶的所有车辆进行探测，识别车辆的行驶车道和非法占用应急车道。
车路协同检测雷达工作环境极为复杂，且要求具备作用距离远，测角精度高，要满足以上要求，需采用高增益天线的雷达技术方案，高增益天线意味着雷达的天线波束较窄，雷达要覆盖高速公路的所有行驶车道范围，故采用波束扫描技术，常规的波束扫描方法有两种：电子扫描方式和机械扫描方式，电子扫描方式具有速度快，延时短等特点，适合于高速公路车辆探测应用。雷达实际应用时，雷达波束可以从左侧扫描到右侧，或从右侧扫描到左侧。
车路协同探测雷达用于实时检测行驶车辆的相对距离、相对速度和相对角度数据，通过计算得到车辆的行驶车道分布，车辆行驶车道的准确性完全依赖于雷达测量数据的正确性。车路协同雷达测量目标的距离、速度和角度数据均是以雷达为基准，若雷达安装基准出现偏差，特别是雷达的安装指向角度出现偏差，该偏差就会直接体现到目标的测量数据中，雷达测量车辆的角度数据就不准确，车辆的车道分布就难于区分，容易出现车道误判，故每套雷达在外场安装时，需要对雷达的安装角度方向进行严格校准。常规的雷达安装校准方法是采用传统的雷达目标模拟设备校准方法，或采用雷达测量目标模拟航迹比对方法。采用传统的雷达目标模拟设备校准方法，由于需要在雷达和目标模拟之间连接同步信号，这种方法仅适合于试验室场景使用，在外场是不适用的。采用雷达测量目标模拟航迹比对方法，雷达测量到目标实际数据后，根据测量目标数据拟合出目标的运动轨迹和实际目标行驶轨迹进行比对方法，再通过人工调整雷达安装指向角度。这种校准方法耗费时间长，效率很低，外场操作极为不便，且安装时没有运动目标存在的应用场景，无法采用该校准方法。
发明内容
本发明为了解决上述问题，提出了一种基于车路协同雷达的波束指向校准方法。
本发明的技术方案是：一种基于车路协同雷达的波束指向校准方法包括以下步骤：
S1：在道路上放置车路协同雷达和便携式毫米波发射机装置；
S2：利用便携式毫米波发射机装置向车路协同雷达发送载频信号，并利用车路协同雷达接收载频信号；
S3：根据接收的载频信号，进行波束指向校准。
进一步地，步骤S1中，放置车路协同雷达和便携式毫米波发射机装置的具体方法为：将车路协同雷达和便携式毫米波发射机装置放置于道路同侧，且便携式毫米波发射机装置的发射天线指向车路协同雷达。
进一步地，步骤S2中，利用便携式毫米波发射机装置依次向车路协同雷达发送周期性的三个固定载频信号，其中，三个固定载频信号的信号频率分别为80.002GHz、80.004GHz和80.006GHz，且三个固定载频信号之间的频率间隔为2MHz。
进一步地，步骤S3包括以下子步骤：
S31：根据车路协同雷达接收信号的频谱数据特征，判断车路协同雷达接收信号是否为便携式毫米波发射机装置发射的载频信号，若是则进入步骤S32，否则利用自动转动装置调整车路协同雷达的波束指向，直至继续判断车路协同雷达接收信号；
S32：根据便携式毫米波发射机装置发射的载频信号的关联性，确定车路协同雷达与便携式毫米波发射机装置的相对角度；
S33：根据车路协同雷达与便携式毫米波发射机装置的相对角度，进行波束指向校准。
进一步地，步骤S31中，若车路协同雷达接收信号的频率间隔为2MHz且频谱幅度差在设定范围内，则为便携式毫米波发射机装置发射的载频信号，否则为道路物体反射的回波信号。
进一步地，步骤S32中，确定车路协同雷达与便携式毫米波发射机装置的相对角度的具体方法为：根据车路协同雷达的发射频率和便携式毫米波发射机装置的三个固定载频信号频率，确定发射频率与三个固定载频信号分别对应的三个差拍频率，对三个差拍频率信号进行采样，计算得到三个初始瞬态相对角度数据，对三个初始瞬态相对角度数据进行角度平滑，得到车路协同雷达与便携式毫米波发射机装置的相对角度
Figure 111355DEST_PATH_IMAGE001
。
进一步地，步骤S32中，三个差拍频率包括第一差拍频率f d1、第二差拍频率f d2和第三差拍频率f d3，其计算公式分别为：
f d1=f 0-f 1
f d2=f 0-f 2
f d3=f 0-f 3
其中，f 0表示车路协同雷达的发射频率，f 1表示便携式毫米波发射机装置的第一载频信号频率，f 2表示便携式毫米波发射机装置的第二载频信号频率，f 3表示便携式毫米波发射机装置的第三载频信号频率。
进一步地，步骤S32中，初始瞬态相对角度
Figure 559654DEST_PATH_IMAGE002
的计算公式为：
Figure 870549DEST_PATH_IMAGE003
其中，
Figure 796917DEST_PATH_IMAGE004
表示接收信号采样数据的虚部，
Figure 142448DEST_PATH_IMAGE005
表示接收信号采样数据的实部，atan(·)表示反正切函数；
车路协同雷达与便携式毫米波发射机装置的相对角度θ的计算公式为：
θ=(θ s1+θ s2+θ s3)/3
其中，θ s1表示车路协同雷达与便携式毫米波发射机装置的第一初始瞬态相对角度，θ s2表示车路协同雷达与便携式毫米波发射机装置的第二初始瞬态相对角度，θ s3表示车路协同雷达与便携式毫米波发射机装置的第三初始瞬态相对角度。
进一步地，步骤S33中，进行波束指向校准的具体方法为：将车路协同雷达与便携式毫米波发射机装置的相对角度数据输入至数据处理板卡中，进行角度比对，直至车路协同雷达测量得到便携式毫米波发射机装置的相对角度在设定的误差范围内。
本发明的有益效果是：
（1）本发明采用基于基线上放置的毫米波发射机装置发射多个单载频信号，利用高速公路车路协同雷达识别发射机装置发射的信号，测量发射机装置的相对角度，利用相对角度值调整车路协同雷达的安装指向，达到对高速公路车路协同雷达的快速精确校准；
（2）本发明操作方便，道路上有无车辆行驶均可开展校准工作，车路协同雷达和发射机装置之间无需连接时钟同步信号，适合外场远距离校准应用。
附图说明
图1为基于车路协同雷达的波束指向校准方法的流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施例作进一步的说明。
在描述本发明的具体实施例之前，为使本发明的方案更加清楚完整，首先对本发明中出现的缩略语和关键术语定义进行说明：
车路协同雷达：安装放置在路侧端，实现对道路上行驶的所有车辆的距离，速度和角度进行实时检测的一种雷达系统。
便携式毫米波发射机装置：工作在毫米波频段，仅发射单载频毫米波信号，用于校准车路协同雷达的方便携带的一种设备。
如图1所示，本发明提供了一种基于车路协同雷达的波束指向校准方法，包括以下步骤：
S1：在道路上放置车路协同雷达和便携式毫米波发射机装置；
S2：利用便携式毫米波发射机装置向车路协同雷达发送载频信号，并利用车路协同雷达接收载频信号；
S3：根据接收的载频信号，进行波束指向校准。
在本发明实施例中，步骤S1中，放置车路协同雷达和便携式毫米波发射机装置的具体方法为：将车路协同雷达和便携式毫米波发射机装置放置于道路同侧，且便携式毫米波发射机装置的发射天线指向车路协同雷达。
车路协同雷达采用波束电子扫描方式实现雷达探测区域的大范围覆盖，若雷达安装在道路最右侧方向，则将便携式毫米波发射机装置放置在道路最右侧车道线上，且距车路协同雷达约50m，反之，两者放置在最左侧。便携式毫米波发射机装置的发射天线指向车路协同雷达，车路协同雷达持续性发射固定的单载频信号，信号频率为80.000GHz。
在本发明实施例中，步骤S2中，利用便携式毫米波发射机装置依次向车路协同雷达发送周期性的三个固定载频信号，其中，三个固定载频信号的信号频率分别为80.002GHz、80.004GHz和80.006GHz，且三个固定载频信号之间的频率间隔为2MHz。
在本发明实施例中，步骤S3包括以下子步骤：
S31：根据车路协同雷达接收信号的频谱数据特征，判断车路协同雷达接收信号是否为便携式毫米波发射机装置发射的载频信号，若是则进入步骤S32，否则利用自动转动装置调整车路协同雷达的波束指向，直至继续判断车路协同雷达接收信号；
S32：根据便携式毫米波发射机装置发射的载频信号的关联性，确定车路协同雷达与便携式毫米波发射机装置的相对角度；
S33：根据车路协同雷达与便携式毫米波发射机装置的相对角度，进行波束指向校准。
在本发明实施例中，步骤S31中，若车路协同雷达接收信号的频率间隔为2MHz且频谱幅度差在设定范围内，则为便携式毫米波发射机装置发射的载频信号，否则为道路物体反射的回波信号。
在本发明实施例中，步骤S32中，确定车路协同雷达与便携式毫米波发射机装置的相对角度的具体方法为：根据车路协同雷达的发射频率和便携式毫米波发射机装置的三个固定载频信号频率，确定发射频率与三个固定载频信号分别对应的三个差拍频率，对三个差拍频率信号进行采样，计算得到三个初始瞬态相对角度数据，对三个初始瞬态相对角度数据进行角度平滑，得到车路协同雷达与便携式毫米波发射机装置的相对角度
Figure 496069DEST_PATH_IMAGE006
。
在本发明实施例中，步骤S32中，三个差拍频率包括第一差拍频率f d1、第二差拍频率f d2和第三差拍频率f d3，其计算公式分别为：
f d1=f 0-f 1
f d2=f 0-f 2
f d3=f 0-f 3
其中，f 0表示车路协同雷达的发射频率，f 1表示便携式毫米波发射机装置的第一载频信号频率，f 2表示便携式毫米波发射机装置的第二载频信号频率，f 3表示便携式毫米波发射机装置的第三载频信号频率。
在本发明实施例中，步骤S32中，初始瞬态相对角度
Figure 622157DEST_PATH_IMAGE002
的计算公式为：
Figure 352215DEST_PATH_IMAGE003
其中，
Figure 552252DEST_PATH_IMAGE004
表示接收信号采样数据的虚部，
Figure 76775DEST_PATH_IMAGE005
表示接收信号采样数据的实部，atan(·)表示反正切函数；
车路协同雷达与便携式毫米波发射机装置的相对角度θ的计算公式为：
θ=(θ s1+θ s2+θ s3)/3
其中，θ s1表示车路协同雷达与便携式毫米波发射机装置的第一初始瞬态相对角度，θ s2表示车路协同雷达与便携式毫米波发射机装置的第二初始瞬态相对角度，θ s3表示车路协同雷达与便携式毫米波发射机装置的第三初始瞬态相对角度。
在本发明实施例中，步骤S33中，进行波束指向校准的具体方法为：将车路协同雷达与便携式毫米波发射机装置的相对角度数据输入至数据处理板卡中，进行角度比对，直至车路协同雷达测量得到便携式毫米波发射机装置的相对角度在设定的误差范围内。若车路协同雷达测量得到便携式毫米波发射机装置的相对角度θ值向右偏，则自动转动装置就向相反方向左边旋转，反之，向右边旋转。
本发明的有益效果为：本发明采用雷达扫描基准线上放置一台便携式毫米波发射机装置，发射多个单载频信号，利用高速公路车路协同雷达探测毫米波发射机装置的角度，通过调整雷达天线波束方向，使其测量角度接近零值即表示校准了雷达天线波束指向。
（1）本发明采用基于基线上放置的毫米波发射机装置发射多个单载频信号，利用高速公路车路协同雷达识别发射机装置发射的信号，测量发射机装置的相对角度，利用相对角度值调整车路协同雷达的安装指向，达到对高速公路车路协同雷达的快速精确校准；
（2）本发明操作方便，道路上有无车辆行驶均可开展校准工作，车路协同雷达和发射机装置之间无需连接时钟同步信号，适合外场远距离校准应用。

Claims (4)

1.一种基于车路协同雷达的波束指向校准方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：在道路上放置车路协同雷达和便携式毫米波发射机装置；
S2：利用便携式毫米波发射机装置向车路协同雷达发送载频信号，并利用车路协同雷达接收载频信号；
S3：根据接收的载频信号，进行波束指向校准；
所述步骤S3包括以下子步骤：
S31：根据车路协同雷达接收信号的频谱数据特征，判断车路协同雷达接收信号是否为便携式毫米波发射机装置发射的载频信号，若是则进入步骤S32，否则利用自动转动装置调整车路协同雷达的波束指向，直至继续判断车路协同雷达接收信号；
S32：根据便携式毫米波发射机装置发射的载频信号的关联性，确定车路协同雷达与便携式毫米波发射机装置的相对角度；
S33：根据车路协同雷达与便携式毫米波发射机装置的相对角度，进行波束指向校准；
所述步骤S31中，若车路协同雷达接收信号的频率间隔为2MHz且频谱幅度差在设定范围内，则为便携式毫米波发射机装置发射的载频信号，否则为道路物体反射的回波信号；
所述步骤S32中，确定车路协同雷达与便携式毫米波发射机装置的相对角度的具体方法为：根据车路协同雷达的发射频率和便携式毫米波发射机装置的三个固定载频信号频率，确定发射频率与三个固定载频信号分别对应的三个差拍频率，对三个差拍频率信号进行采样，计算得到三个初始瞬态相对角度数据，对三个初始瞬态相对角度数据进行角度平滑，得到车路协同雷达与便携式毫米波发射机装置的相对角度θ；
所述步骤S32中，三个差拍频率包括第一差拍频率f d1、第二差拍频率f d2和第三差拍频率f d3，其计算公式分别为：
f d1=f 0-f 1
f d2=f 0-f 2
f d3=f 0-f 3
其中，f 0表示车路协同雷达的发射频率，f 1表示便携式毫米波发射机装置的第一载频信号频率，f 2表示便携式毫米波发射机装置的第二载频信号频率，f 3表示便携式毫米波发射机装置的第三载频信号频率；
所述步骤S32中，初始瞬态相对角度θ s 的计算公式为：
θ s =atan(Imag.A/Real.A)
其中，Imag.A表示接收信号采样数据的虚部，Real.A表示接收信号采样数据的实部，atan(·)表示反正切函数；
车路协同雷达与便携式毫米波发射机装置的相对角度θ的计算公式为：
θ=(θ s1+θ s2+θ s3)/3
其中，θ s1表示车路协同雷达与便携式毫米波发射机装置的第一初始瞬态相对角度，θ s2表示车路协同雷达与便携式毫米波发射机装置的第二初始瞬态相对角度，θ s3表示车路协同雷达与便携式毫米波发射机装置的第三初始瞬态相对角度。
2.根据权利要求1所述的基于车路协同雷达的波束指向校准方法，其特征在于，所述步骤S1中，放置车路协同雷达和便携式毫米波发射机装置的具体方法为：将车路协同雷达和便携式毫米波发射机装置放置于道路同侧，且便携式毫米波发射机装置的发射天线指向车路协同雷达。
3.根据权利要求1所述的基于车路协同雷达的波束指向校准方法，其特征在于，所述步骤S2中，利用便携式毫米波发射机装置依次向车路协同雷达发送周期性的三个固定载频信号，其中，三个固定载频信号的信号频率分别为80.002GHz、80.004GHz和80.006GHz，且三个固定载频信号之间的频率间隔为2MHz。
4.根据权利要求1所述的基于车路协同雷达的波束指向校准方法，其特征在于，所述步骤S33中，进行波束指向校准的具体方法为：将车路协同雷达与便携式毫米波发射机装置的相对角度数据输入至数据处理板卡中，进行角度比对，直至车路协同雷达测量得到便携式毫米波发射机装置的相对角度在设定的误差范围内。
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