CN115453511A - 基于毫米波雷达芯片的合作式目标精确定距方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及微波领域定位技术，尤其涉及一种精度高、节约成本的基于毫米波雷达芯片的合作式目标精确定距方法。本发明的基于毫米波雷达芯片的合作式目标精确定距方法，首先建立起A、B两站点之间的同步，然后站点A发起测距，站点B接收到信号，测得第一次差拍频率；然后站点B发起测距，站点A接收到信号，测得第二次差拍频率；然后站点A发起测距，站点B接收到信号，测得第三次差拍频率；然后站点B发起测距，站点A接收到信号，测得第四次差拍频率；利用四次差拍频率构建方程组，求解获取距离，消除了计算延时、时钟偏差等因素的影响，实现测距定位，将两个站点之间的距离精确到0.1m量级，具有精度高、节约成本的特点。

Description

基于毫米波雷达芯片的合作式目标精确定距方法
技术领域
本发明涉及微波领域定位技术，尤其涉及一种精度高、节约成本的基于毫米波雷达芯片的合作式目标精确定距方法。
背景技术
随着无人机群、飞行器编队、自动驾驶等技术的发展，电子设备对定位精度的需求日益提高，而传统的GNSS技术只能达到5~10m的定位精度。双频、多频RTK（载波相位差分）技术可达到亚米甚至厘米级定位精度，但是目前成本较高，而且会受到恶劣天气、楼宇遮挡等因素的影响。
GNSS终端需要被动接收卫星信号，而超宽带（Ultra Wide Band, UWB）定位技术是一种主动发射信号的定位技术。UWB采用纳秒级宽度的脉冲信号，可实现近程通信和厘米级精确定位，非常适于室内定位、楼宇内部导航。
然而UWB信号功率较小限制了其作用距离，在室外移动场景，如城区道路、高速公路上，尤其是空中飞行场景，大量部署UWB基站并不现实。基于5G移动通信的精确定位尚无明确的实现方案，高精度定位缺乏高效、低成本的手段。
近年来，毫米波雷达在汽车防撞预警获得广泛应用，能测量车道内其它车辆的距离、方位和相对速度，但是这种测量是非合作的，误差大，视野小，作用距离近。除了对周围目标进行非合作探测，毫米波雷达芯片还具备合作式的雷达间相对精确定位的潜力。利用多部雷达构成分布式雷达网络，可以在不增加额外硬件的前提下，实现多部车辆、无人机群、飞行编队等场景的防撞预警、距离保持和高精度定位一体化。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明提供一种精度高、节约成本的基于毫米波雷达芯片的合作式目标精确定距方法。
本发明采用的技术方案是：基于毫米波雷达芯片的合作式目标精确定距方法，包括以下步骤:
a、设置A、B两个站点，首先建立起A、B两站之间的同步，A、B两个站点的锯齿波LFM信号之间的时间差记为T D；
b、由站点A发起测距，站点B接收到信号，站点B经混频测得第一次差拍频率；
c、延时T P后，由站点B发射锯齿LFM信号，站点A接收并测频，相对时间差变为
Figure 445321DEST_PATH_IMAGE001
，由站点A测得第二次差拍频率；
d、再延时T P后，由站点A发射锯齿LFM信号，信号带宽改为B 2，调频斜率记为：
Figure 457139DEST_PATH_IMAGE002
，站点B接收并测频，相对时间差变为
Figure 421684DEST_PATH_IMAGE003
，站点B测得第三次差拍频率；
e、再延时一个T P后，再由站点B发射锯齿LFM信号，相对时间差为
Figure 809940DEST_PATH_IMAGE001
站点A接收并测频，由站点A测得第四次差拍频率；
f、利用四次差拍频率构建方程组，求解获取距离，实现测距定位。
为更好地实现本发明，在所述的步骤b中，由站点A发起测距，站点A发射一个锯齿LFM信号，时宽为T，带宽为B 1，记调频斜率为
Figure 409287DEST_PATH_IMAGE004
；
站点B接收到信号，站点B的本振信号与站点A的发射信号相对时间差为
Figure 592006DEST_PATH_IMAGE003
，站点B经混频测得第一次差拍频率：
Figure 43847DEST_PATH_IMAGE005
，其中
Figure 970215DEST_PATH_IMAGE006
为电磁波在空中传播的时间，R为距离，c为光速，T D为站点B接收到信号的同步时间差，f d为多普勒频率。
为更好地实现本发明，在所述的步骤c中，延时T P后，由站点B发射锯齿LFM信号，站点A接收并测频，相对时间差变为
Figure 925533DEST_PATH_IMAGE001
，将累积误差换算为时间差e，由站点A测得第二次差拍频率为：
Figure 747995DEST_PATH_IMAGE007
。
为更好地实现本发明，在所述的步骤d中，再延时T P后，由站点A发射锯齿LFM信号，信号带宽改为B 2，调频斜率记为：
Figure 546187DEST_PATH_IMAGE002
，站点B接收并测频，相对时间差变为
Figure 151612DEST_PATH_IMAGE003
，时钟累积误差变为2e，站点B测得的第三次差拍频率为：
Figure 351649DEST_PATH_IMAGE008
。
为更好地实现本发明，在所述的步骤f中，再延时一个T P后，再由站点B发射，站点A接收，相对时间差为
Figure 515652DEST_PATH_IMAGE001
，时钟累积误差为3e，站点A测得第四次差拍频率为：
Figure 801140DEST_PATH_IMAGE009
；
在所述的步骤f中，联立上面4个方程
Figure 944676DEST_PATH_IMAGE005
、
Figure 202482DEST_PATH_IMAGE007
、
Figure 163485DEST_PATH_IMAGE008
、
Figure 546056DEST_PATH_IMAGE009
，求解线性方程组，可得4个未知数:
Figure 883496DEST_PATH_IMAGE010
再由t转换为距离R，实现测距定位 。
本发明的有益效果体现在：本发明的基于毫米波雷达芯片的合作目标精确定位方法，首先建立起A、B两站之间的同步，然后站点A发起测距，站点B接收到信号，测得第一次差拍频率；然后站点B发起测距，站点A接收到信号，测得第二次差拍频率；然后站点A发起测距，站点B接收到信号，测得第三次差拍频率；然后站点B发起测距，站点A接收到信号，测得第四次差拍频率；通过四次差拍频率，求解获取距离，实现测距定位。利用四次差拍频率，消除了计算延时、时钟偏差等因素的影响，将两个站点之间的距离精确到0.1m量级，具有精度高、节约成本的特点。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。
图1为本发明的基于毫米波雷达芯片的目标精确定位方法的一种信号传递示意图。
图中，上部分为A站的发射、接收过程，下部分为B站的发射、接收过程。横轴为时间t，纵轴为发射、接收的锯齿波调制的射频信号的频率，频率范围是F L 到F H 。
图中，实斜线表示本站的发射信号频率，或本站的本振信号频率。长虚线为本站发射的信号经时间后的延时版本。短虚线为该延时版本的信号由于A、B两站相对运动而产生了多普勒频移f d 后的版本，由对方站点收到。该信号与对方站点的本振信号混频后，得到差拍频率，从而完成一次测量。间隔Tp后，交换收发次序，再进行下一次测量。如此4次测量之后，实现一个完整的测距周期。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明技术方案的实施例进行详细的描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，因此只作为示例，而不能以此来限制本发明的保护范围。
需要注意的是，除非另有说明，本申请使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域技术人员所理解的通常意义。
实施例1：
如图1所示，本发明的基于毫米波雷达芯片的合作目标精确定位方法，包括以下步骤:
a、设置A、B两个站点，首先建立起A、B两站之间的同步，A、B两个站点的锯齿波LFM信号之间的时间差记为T D；
b、由站点A发起测距，站点B接收到信号，站点B经混频测得第一次差拍频率；
c、延时T P后，由站点B发射锯齿LFM信号，站点A接收并测频，相对时间差变为
Figure 933492DEST_PATH_IMAGE001
，由站点A测得第二次差拍频率；
d、再延时T P后，由站点A发射锯齿LFM信号，信号带宽改为B 2，调频斜率记为：
Figure 799817DEST_PATH_IMAGE002
，站点B接收并测频，相对时间差变为
Figure 263159DEST_PATH_IMAGE003
，站点B测得的第三次差拍频率；
e、再延时一个T P后，再由站点B发射锯齿LFM信号，相对时间差为
Figure 247033DEST_PATH_IMAGE001
站点A接收并测频，由站点A测得第四次差拍频率；
f、利用四次差拍频率构建方程组，求解获取距离，实现测距定位。
作为优选的，在所述的步骤b中，由站点A发起测距，站点A发射一个锯齿LFM信号，时宽为T，带宽为B 1，记调频斜率为
Figure 276169DEST_PATH_IMAGE004
。
站点B接收到信号，站点B的本振信号与站点A的发射信号相对时间差为
Figure 454341DEST_PATH_IMAGE003
，站点B经混频测得第一次差拍频率：
Figure 201717DEST_PATH_IMAGE005
，其中
Figure 490747DEST_PATH_IMAGE006
为电磁波在空中传播的时间，R为距离，c为光速，T D为站点B接收到信号的同步时间差，f d为多普勒频率。
作为优选的，在所述的步骤c中，延时T P后，由站点B发射锯齿LFM信号，站点A接收并测频，相对时间差变为
Figure 577652DEST_PATH_IMAGE001
，将累积误差换算为时间差e，由站点A测得第二次差拍频率为：
Figure 51358DEST_PATH_IMAGE007
。
作为优选的，在所述的步骤d中，再延时T P后，由站点A发射锯齿LFM信号，信号带宽改为B 2，调频斜率记为：
Figure 895818DEST_PATH_IMAGE002
，站点B接收并测频，相对时间差变为
Figure 113172DEST_PATH_IMAGE003
，时钟累积误差则变为2e，则站点B测得的第三次差拍频率为：
Figure 508380DEST_PATH_IMAGE008
。
作为优选的，在所述的步骤f中，再延时一个T P后，再由站点B发射，站点A接收，相对时间差为
Figure 887409DEST_PATH_IMAGE001
，时钟累积误差为3e，站点A测得第四次差拍频率为：
Figure 219164DEST_PATH_IMAGE009
。
在所述的步骤f中，联立上面4个方程
Figure 177893DEST_PATH_IMAGE005
、
Figure 36127DEST_PATH_IMAGE007
、
Figure 992582DEST_PATH_IMAGE008
、
Figure 936267DEST_PATH_IMAGE009
，求解线性方程组，可得4个未知数:
Figure 105211DEST_PATH_IMAGE010
再由转换为距离R，实现测距定位。
作为一种优选的实施方式，假设A、B间距15m，相对速度10m/s。雷达工作频率为77GHz，发射信号带宽B 1=150MHz，B 2=200MHz，时宽T=50us，脉冲周期T P=80us。同步延时T D=0.5us。
假设两设备时钟偏差相当于20ppm，则4个脉冲周期之后，时钟偏差为：
Figure 21215DEST_PATH_IMAGE011
，该偏差相当于距离为1.92m。
多普勒频率为：
Figure 7625DEST_PATH_IMAGE012
如果不加校正，将会得到距离偏差为：
Figure 812508DEST_PATH_IMAGE013
因此必须消除掉e和f d的影响。按照前述公式，进行4次测频得到4个差拍频率分别为：
Figure 175356DEST_PATH_IMAGE014
雷达的频率测量精度是有限的，假设采样率为10MHz，在50us的回波期间，可采集500个点，去掉首尾一些无效点，再用512点FFT计算频率，其频率精度为10e6/512=19.53kHz，再采用相位法等高分辨算法，可将精度提升约20倍左右，此处假设提高为1kHz，于是上述的4个频率的测量值为：
Figure 617970DEST_PATH_IMAGE015
利用前述公式计算得到τ=49.7ns，合距离R=14.91m，误差0.09m。适当调整信号的参数，改进频率测量算法，还可以进一步降低测距误差。
值得注意的是，可利用毫米波雷达芯片的BPSK调制功能，设立专用频道进行通信，以实现多雷达的时钟同步，将T D控制在0.1us量级。如果T D太大，差拍信号的频率可能会超出基带的带宽，导致无法测量频率。
需要进行灵活的收发控制，有的芯片具有外置的TX使能引脚，便于时序控制，有的必须通过SPI命令进行软件控制，需要MCU或FPGA参与。
需要在第二次测量之后要立即改变信号带宽，而且不破坏信号的同步性。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。

Claims (5)

1.基于毫米波雷达芯片的合作式目标精确定距方法，其特征在于包括以下步骤：
a、设置A、B两个站点，首先建立起A、B两站之间的同步，A、B两个站点的锯齿波LFM信号之间的时间差记为T D；
b、由站点A发起测距，站点B接收到信号，站点B经混频测得第一次差拍频率；
c、延时T P后，由站点B发射锯齿LFM信号，站点A接收并测频，相对时间差变为
Figure 810072DEST_PATH_IMAGE001
，由站点A测得第二次差拍频率；
d、再延时T P后，由站点A发射锯齿LFM信号，信号带宽改为B 2，调频斜率记为：
Figure 565538DEST_PATH_IMAGE002
，站点B接收并测频，相对时间差变为
Figure 33560DEST_PATH_IMAGE003
，站点B测得第三次差拍频率；
e、再延时一个T P后，再由站点B发射锯齿LFM信号，相对时间差为
Figure 849069DEST_PATH_IMAGE001
站点A接收并测频，由站点A测得第四次差拍频率；
f、利用四次差拍频率构建方程组，求解获取距离，实现测距定位。
2.根据权利要求1所述的基于毫米波雷达芯片的合作式目标精确定距方法，其特征在于：在所述的步骤b中，由站点A发起测距，站点A发射一个锯齿LFM信号，时宽为T，带宽为B 1，记调频斜率为
Figure 668121DEST_PATH_IMAGE004
;站点B接收到信号，站点B的本振信号与站点A的发射信号相对时间差为
Figure 227278DEST_PATH_IMAGE003
，站点B经混频测得第一次差拍频率：
Figure 815385DEST_PATH_IMAGE005
，其中
Figure 270637DEST_PATH_IMAGE006
为电磁波在空中传播的时间，R为距离，c为光速，T D为站点B接收到信号的同步时间差，f d为多普勒频率。
3.根据权利要求2所述的基于毫米波雷达芯片的合作式目标精确定距方法，其特征在于：在所述的步骤c中，延时T P后，由站点B发射锯齿LFM信号，站点A接收并测频，相对时间差变为
Figure 576985DEST_PATH_IMAGE001
，将累积误差换算为时间差e，由站点A测得第二次差拍频率为：
Figure 674254DEST_PATH_IMAGE007
。
4.根据权利要求3所述的基于毫米波雷达芯片的合作式目标精确定距方法，其特征在于：在所述的步骤d中，再延时T P后，由站点A发射锯齿LFM信号，信号带宽改为B 2，调频斜率记为：
Figure 382447DEST_PATH_IMAGE002
，站点B接收并测频，相对时间差变为
Figure 274180DEST_PATH_IMAGE003
，时钟累积误差则变为2e，则站点B测得的第三次差拍频率为：
Figure 926878DEST_PATH_IMAGE008
。
5.根据权利要求4所述的基于毫米波雷达芯片的合作式目标精确定距方法，其特征在于:在所述的步骤f中，再延时一个T P后，再由站点B发射，站点A接收，相对时间差为
Figure 703204DEST_PATH_IMAGE001
，时钟累积误差为3e，站点A测得第四次差拍频率为：
Figure 124958DEST_PATH_IMAGE009
；
在所述的步骤f中，联立上面4个方程
Figure 328537DEST_PATH_IMAGE005
、
Figure 468532DEST_PATH_IMAGE007
、
Figure 48549DEST_PATH_IMAGE008
、
Figure 324809DEST_PATH_IMAGE009
，求解线性方程组，可解算出4个未知数:
Figure 699290DEST_PATH_IMAGE010
再由转换为距离R，实现测距定位。
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