CN115867823A - 用于确定抛射体的自旋的方法 - Google Patents

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Abstract

一种用于估计抛射体(110)的自旋的方法，该方法包括：从雷达收发器(100)获得(S1)第一时间序列(201)，所述第一时间序列(201)包括相对于雷达收发器(100)的抛射体(110)的径向速度的观测；从第一时间序列(201)计算(S2)抛射体(110)的中心速度(202)；从第一时间序列(201)提取(S3)第二时间序列(203)，所述第二时间序列(203)包括围绕计算的中心速度(202)的第一时间序列(201)中的变化；估计(S4)第二时间序列(203)的频率；以及基于第二时间序列(203)的估计的频率来确定(S5)抛射体(110)的自旋。

Description

用于确定抛射体的自旋的方法
技术领域
本公开涉及使用雷达收发器来确定抛射体的自旋。
背景技术
在监测抛射体的路径时，能够确定其旋转或自旋速率可能是有利的，因为这将影响抛射体的整体路径。例如，在监测运动球(诸如棒球或高尔夫球)的路径时这可能是重要的。
US8845442公开一种用于确定运动球的自旋的方法，包括从反射雷达信号的调制频率和所述调制频率的谐波来计算自旋。
US9868044公开一种从反射雷达信号的周期性分量来确定抛射体的自旋的方法。
然而，需要更精确的方法来确定抛射体的自旋。
发明内容
本公开的目的是提供一种用于确定抛射体的自旋的方法。
该目的通过一种用于估计抛射体的自旋的方法获得，该方法包括：从雷达收发器获得第一时间序列，第一时间序列包括相对于雷达收发器的抛射体的径向速度的观测；从第一时间序列计算抛射体的中心速度；从第一时间序列提取第二时间序列，第二时间序列包括围绕计算的中心速度的第一时间序列中的变化；估计第二时间序列的频率；以及基于第二时间序列的估计的频率来确定抛射体的自旋。
当抛射体的部件由于自旋而朝向雷达旋转或远离雷达旋转时，由于雷达信号从所述部件的反射导致围绕抛射体的中心速度的第一时间序列中的变化。因此，第二时间序列的频率取决于自旋速率，并且可以容易地从频率确定自旋。
该方法还可以包括将第二时间序列划分为多个时间间隔，估计第二时间序列的多个频率(其中，每个频率对应于多个时间间隔中的相应时间间隔)，以及基于估计的多个频率来确定抛射体的自旋。
有利地，将第二时间序列划分为多个时间间隔可以产生更可靠的自旋的最终估计。对应于时间间隔的频率的估计值可能受到测量噪声或测量误差影响，从而使其潜在地不可靠。通过估计的多个频率，可以应用统计方法来获得自旋的最终估计，与从估计的单个频率导出的估计相比，该最终估计更可靠。
根据方面，基于估计的多个频率来确定抛射体的自旋包括获得估计的多个频率的分布。
根据其他方面，该方法可以包括：第一时间序列中的观测之间的时间间隔至多为抛射体在最高预期自旋下的预期旋转周期的一半。这样的优点是，抛射体每次旋转时获得至少两次径向速度的观测，从而确保在第一时间序列中捕捉到由于自旋所致的径向速度的变化。
根据方面，第一时间序列中的观测之间的时间间隔是恒定的。
根据其他方面，第一时间序列中的观测之间的时间间隔是可变的。
可以通过使用低通滤波器或通过将函数分段拟合到第一时间序列来计算中心速度。有利地，这两种方法都可以产生中心速度的可靠估计。
根据方面，可以通过从第一时间序列减去计算的中心速度来提取第二时间序列。
根据方面，估计第二时间序列的频率可以包括使用从第二时间序列计算的功率谱作为频率的最大似然估计的基础。有利地，功率谱提供与信号中存在的每个频率相关联的功率的度量，这有助于频率的估计。
根据方面，频率可以是信号的基频。有利地，基频通常等同于自旋速率。
该目的还通过雷达收发器获得，雷达收发器被布置为：获得第一时间序列(第一时间序列包括相对于雷达收发器的抛射体的径向速度的观测)；以及从第一时间序列计算抛射体的中心速度。雷达收发器还被布置为：提取第二时间序列(第二时间序列包括围绕中心速度的第一时间序列中的变化)；估计第二时间序列的频率；以及基于第二时间序列的频率来确定抛射体的自旋。
雷达收发器还可以被布置为将第二时间序列划分为多个时间间隔，估计第二时间序列的多个频率(其中，每个频率对应于多个时间间隔中的相应时间间隔)，以及基于估计的多个频率来确定抛射体的自旋。
根据方面，雷达收发器可以是调频连续波(FMCW)雷达收发器。
该目的还通过用于测量抛射体的自旋的系统获得，该系统包括如上所述的雷达收发器以及用于显示所确定的自旋的至少一个装置。有利地，包含显示所确定的旋转的装置使得使用系统的人能够更容易地访问所确定的自旋。
根据方面，该系统可以包括辅助传感器，并且来自雷达收发器的自旋估计与从辅助传感器获得的数据相组合。有利地，将自旋估计与从辅助传感器获得的数据相组合可以帮助使用系统的人对抛射体轨迹的评估。
本文公开的雷达收发器和系统与以上关于不同方法讨论的相同优点相关联。
根据方面，该目的还可以通过被布置为执行根据以上所述方法的处理器或通过包括雷达收发器和被布置为执行本文所述方法之一的处理器的系统来获得。
最后，该目的还通过用于操作雷达收发器以确定抛射体的自旋的计算机程序来获得，计算机程序包括计算机代码，当在雷达收发器的处理电路上运行时，计算机代码使得雷达收发器执行本文所述的任何方法，该目的还通过包括如上所述的计算机程序和其上存储计算机程序的计算机可读存储介质的计算机程序产品来获得。
通常，除非本文另有明确定义，否则权利要求书中使用的所有术语应根据它们在本领域中的一般含义进行解释。除非另有明确说明，否则对“一/所述元件、设备、组件、装置、步骤等”的所有引用均应公开解释为引用元件、设备、组件、装置、步骤等的至少一个实例。除非明确说明，否则本文公开的任何方法的步骤不必按照公开的确切顺序进行。在学习所附权利要求和以下描述时，本发明的其他特征和优点将变得显而易见。本领域技术人员理解，在不脱离本发明范围的情况下，可以将本发明的不同特征组合，以创建除以下所述实施例之外的实施例。
附图说明
下面参考附图更详细地描述本公开，其中：
图1示意性地示出通过雷达收发器对抛射体的观测；
图2示意性地示出抛射体的径向速度随时间的变化；
图3示意性地示出抛射体的自旋的估计的分布；
图4示意性地示出功率谱；
图5是示出根据本公开的雷达收发器中的方法的流程图；
图6是包括雷达收发器的系统的方框图；以及
图7是包括雷达收发器和处理器的系统的方框图。
具体实施方式
下面参考附图更全面地描述本公开的各个方面。然而，本文公开的不同装置和方法可以通过很多不同的形式来实现，并且不应解释为限于本文给出的各个方面。附图中相似的标记表示相似的元件。
本文使用的术语仅用于描述本公开的方面，并非要限制本发明。如本文使用的，单数形式的不定冠词和定冠词意图也包括复数形式，除非上下文另有明确说明。
用雷达收发器测量抛射体轨迹涉及雷达收发器发射雷达信号，雷达信号至少部分地被抛射体反射，且收发器接收反射信号。从引入到通过对抛射体的反射的信号的调制，可以通过本领域公知的方法来提取诸如抛射体的位置和速度这样的轨迹参数。具体而言，可以从反射信号中的多普勒频移来获得相对于雷达收发器的抛射体的径向速度。
雷达信号的最强反射通常发生在抛射体的不对称或不均匀部分。对于其他基本上为球对称的抛射体(诸如运动球)，反射可能发生在运动球的两半接合(例如胶粘在一起)的地方。如果抛射体的材料对于无线电波至少部分透明，就像很多聚合物基材料的情况一样，由于抛射体内材料的不均匀性，也会出现反射。有时候，在运动球上添加标记来帮助通过雷达收发器或其他传感器进行观测和跟踪，并且这些标记也可以反射雷达信号。一些运动球还可以被配置为方便使用电磁信号确定自旋。例如，可以将导电材料布置在运动球内部。
作为示例，考虑球形抛射体，例如移动远离雷达收发器且同时围绕球的轴线自旋的球。在这种情况下，对观测的径向速度的最大贡献将是抛射体的中心径向速度，即，如果抛射体不自旋所观测的径向速度。该中心径向速度通常与相对于雷达收发器的抛射体质心的径向速度一致。然而，对于自旋抛射体而言，相对于雷达收发器的抛射体瞬时观测径向速度将取决于抛射体引起最强反射的部分围绕旋转轴的运动。当抛射体引起最强反射的部分旋转远离收发器时，瞬时观测的径向速度将高于中心径向速度。相反，当抛射体引起最强反射的部分处于朝向收发器旋转的一侧时，瞬时观测的径向速度将低于中心径向速度。可以将观测的径向速度围绕中心径向速度的这种周期性变化用于提取抛射体的自旋速率。对于旋转轴的大多数取向，可以用这种方式来确定自旋速率。例外情况是，在抛射体轨迹的每个点，旋转轴都指向收发器。然而，这种情况非常罕见。
图1示出通过发射的雷达信号101和反射的雷达信号102监测抛射体110的路径的雷达收发器100。雷达生成抛射体的路径的一系列观测，包括与相对于雷达收发器的抛射体的径向速度有关的信息。抛射体110以旋转频率或自旋速率112绕轴111旋转。这里，自旋是自旋速率，通常按照抛射体每单位时间围绕其旋转轴的完整转数来测量，例如以每分钟转数(RPM)或每秒钟转数(RPS)为单位。
图2a连同中心径向速度202一起示出径向速度观测的第一时间序列201，例如假设以m/s为单位。注意，径向速度的观测表现出围绕中心径向速度的变化。事实上，可以将中心径向速度视为相对于雷达收发器的抛射体的平均径向速度，而径向速度的观测围绕该中心速度变化。图2b示意性地示出观测的径向速度与中心速度之间的差异随时间的变化，即，它示出包括围绕中心径向速度的径向速度中的变化的第二时间序列203。
此处公开并在图5中示出的用于估计抛射体110的自旋的方法包括从雷达收发器100获得S1第一时间序列201，并从第一时间序列201计算S2抛射体110的中心速度202，第一时间序列201包括相对于雷达收发器100的抛射体110的径向速度的观测。该方法还包括提取S3包括围绕中心速度202的第一时间序列中的变化的第二时间序列203，估计S4第二时间序列203的频率，以及基于第二时间序列203的频率来确定S5抛射体110的自旋。抛射体可以是运动球，诸如棒球、足球或高尔夫球。
第二时间序列203的频率与抛射体110的自旋之间的关联通常是，第二时间序列203的频率也是旋转频率，并且因此等于自旋速率。然而应当注意，第二时间序列203的频率例如也可以是旋转频率的较高次谐波。旋转频率的谐波或整数倍将出现在第二时间序列203中，并且旋转频率和每个较高次谐波这两者都将与信号强度相关联。谐波的强度相对于旋转频率的强度可以取决于这样的事情：抛射体的一个以上部分是否引起雷达信号的反射。注意，谐波的信号强度可以为零。
取决于怎样来发射抛射体，它也可以在其轨迹的一部分期间经历暂时变形，对于诸如高尔夫球(被诸如高尔夫球杆这样的器具击打)这样的运动球而言情况可能就是这样。撞击会导致运动球的暂时压缩，然后导致运动球在飞行过程中逐渐减小的暂时变形。然后这种变形影响雷达信号的反射，并且可能引入频率与自旋速率不直接相关的第二周期变化。
可选地，该方法还可以包括将第二时间序列203划分S31为多个时间间隔210a、210b、210c，估计S41第二时间序列203的多个频率(其中每个频率对应于多个时间间隔210a、210、210c中的相应时间间隔)，以及基于估计的多个频率来确定S51抛射体110的自旋。时间间隔的长度可以是抛射体将覆盖设定距离的时间，其中使用已知的抛射体的中心速度来计算所述时间。设定距离例如可以是30至40m。时间间隔的长度也可以设置为使得对于估计频率获得期望的信噪比和转数。可选地，时间间隔的长度可以在250至500毫秒之间。
将第二时间序列203划分为多个时间间隔使得可以获得初始估计的多个频率。第二时间序列203的频率的估计值可能受到测量噪声或测量误差影响，从而使得第二时间序列203的估计的单个频率潜在地不可靠。通过估计的多个频率，可以应用统计方法来获得与从单个时间间隔导出的估计相比更可靠的频率的最终估计。
基于估计的多个频率来确定S51抛射体110的自旋还可以包括获得估计的多个频率的分布300。从估计的多个频率的分布，可以提取频率的最终估计。
作为示例，可以通过计算估计的多个频率的概率密度函数310来提取频率的最终估计，可选地，作为具有内核(可选地，高斯内核)的估计的多个频率的直方图的卷积。随后，对应于概率密度函数310中所得到的局部最大值311之一的频率被识别为频率的最终估计。正确的局部最大值311的选择例如可以基于与每个局部最大值相关联的概率质量来进行。概率质量对应于包括局部最大值的区间312中概率密度函数的积分。间隔可以由最接近局部最大值的点限制，在该处概率密度函数低于固定阈值或低于对应于局部最大值的高度的百分比的值。
正确的局部最大值311的选择也可以基于估计的多个频率中有多少估计频率等于或接近于对应于局部最大值的频率来进行，可选地，考虑与和对应于局部最大值的频率的谐波对应的其他局部最大值相关联的频率的估计的数量。
如果在第一时间序列201和第二时间序列203中可检测到由于自旋所致的观测径向速度的周期性变化，则时间序列201中的观测之间的时间间隔不能超过由于自旋所致的抛射体的旋转周期。如果已知自旋的最高预期值，则可以将第一时间序列201中的观测之间的时间间隔设置为抛射体110在最高期望自旋下的预期旋转周期的一半。时间间隔也可以小于预期旋转周期的一半。
作为示例，第一时间序列201中的观测之间的时间间隔可以是恒定的。作为另一个示例，第一时间序列201中的观测之间的时间间隔可以是可变的。
作为示例，可以通过使用低通滤波器来进行从第一时间序列201计算S2抛射体110的中心速度202。然后，可以取决于沿抛射体轨迹的预期速度变化来配置低通滤波器的截止频率。作为另一个示例，可以通过将函数分段拟合到第一时间序列201来计算中心速度202。然后，可以通过从第一时间序列201中减去所确定的中心速度202来进行第二时间序列203的提取S3。
估计S4第二时间序列203的频率可以包括使用从第二时间序列203计算的功率谱400作为频率的最大似然估计的基础。功率谱例如可以作为第二时间序列203的傅里叶变换的绝对值的平方来求出。可选地，可以使用不同频率下信号的功率密度的另一种表示，诸如周期图。
频率的最大似然估计例如可以获得如下。可以获得多个候选频率，例如基于功率谱400具有局部最大值401的频率。对于每个候选频率，将对应峰值的高度和候选频率整数倍的峰值(即谐波)相加在一起，以产生与候选频率相关联的信号中的总功率的度量。然后选择具有最高总功率度量的候选频率作为第二时间序列203的估计频率。频率(特别是基频)的最大似然估计为现有技术公知。
可选地，频率可以是基频。本文将基频定义为谐波分析领域中的基频，即周期信号中存在的最低频率，在这种情况下，信号是第二时间序列203。
本文还公开一种雷达收发器100，雷达收发器100被布置为获得S1第一时间序列201，第一时间序列201包括相对于雷达收发器100的抛射体110的径向速度的观测，从第一时间序列201计算S2抛射体110的中心速度202，提取S3包括围绕中心速度202的第一时间序列201中的变化的第二时间序列203，估计S4第二时间序列203的频率，并基于第二时间序列203的估计的频率来确定S5抛射体110的自旋。
雷达收发器还可以被布置为将第二时间序列203划分S31为多个时间间隔，估计S41第二时间序列203的多个频率(其中每个频率对应于多个时间间隔中的相应时间间隔)，并基于估计的多个频率来确定S51抛射体110的自旋。
作为示例，上述雷达收发器可以是调频连续波(FMCW)雷达收发器。作为另一个示例，雷达收发器可以是脉冲多普勒雷达。雷达收发器可以被布置为测量抛射体轨迹的除自旋之外的其他特性，诸如抛射体110在不同时间的速度和位置。
本文还公开一种用于测量抛射体110的自旋的系统600，系统600包括如上所述的雷达收发器100和至少一个显示所确定的自旋的装置601。显示所确定的自旋的装置601可以是显示器，诸如LED或LCD显示器。显示所确定的自旋的装置601还可以是运行能够显示所确定的自旋的计算机程序的计算机。可选地，可以与确定的自旋一起显示抛射体轨迹的其他特性，诸如抛射体110在不同时间的速度和位置。
系统600还可以包括辅助传感器602，其中来自雷达收发器100的自旋估计与从辅助传感器602获得的数据相组合。作为示例，辅助传感器可以是相机。作为另一个示例，辅助传感器可以是LIDAR或声纳传感器。
本文还公开一种处理器701，处理器701被布置为获得S1第一时间序列201，第一时间序列201包括相对于雷达收发器100的抛射体110的径向速度的观测，从第一时间序列201计算S2抛射体110的中心速度202，提取S3包括围绕中心速度的第一时间序列201中的变化的第二时间序列203，估计S4第二时间序列203的频率，并基于第二时间序列203的估计的频率来确定S5抛射体110的自旋。
处理器701还可以被布置为将第二时间序列203划分S31为多个时间间隔，估计S41第二时间序列203的多个频率(其中每个频率对应于多个时间间隔中的相应时间间隔)，并基于估计的多个频率来确定S51抛射体110的自旋。
此外，公开包括如上所述的雷达收发器100和处理器701的系统700。
最后，本文公开一种用于操作雷达收发器100或处理器701以确定抛射体110的自旋的计算机程序以及一种计算机程序产品，该计算机程序包括计算机代码，当在雷达收发器100的处理电路上运行时，计算机代码使得雷达收发器100执行如上所述的方法，该计算机程序产品包括所述的计算机程序和其上存储所述计算机程序的计算机可读存储介质。

Claims (20)

1.一种用于估计抛射体(110)的自旋的方法，所述方法包括：
从雷达收发器(100)获得(S1)第一时间序列(201)，所述第一时间序列(201)包括相对于所述雷达收发器(100)的所述抛射体(110)的径向速度的观测；
从所述第一时间序列(201)计算(S2)所述抛射体(110)的中心速度(202)；
从所述第一时间序列(201)提取(S3)第二时间序列(203)，所述第二时间序列(203)包括围绕计算的所述中心速度(202)的所述第一时序(201)中的变化；
估计(S4)所述第二时间序列(203)的频率；以及
基于所述第二时间序列(203)的估计的所述频率来确定(S5)所述抛射体(110)的所述自旋。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述方法包括：
将所述第二时间序列(203)划分(S31)为多个时间间隔(210a、210b、210c)；
估计(S41)所述第二时间序列(203)的多个频率，其中，每个频率对应于所述多个时间间隔(210a、210b、210c)中的相应时间间隔；以及
基于估计的所述多个频率来确定(S51)所述抛射体(110)的所述自旋。
3.根据权利要求2所述的方法，其中，基于估计的所述多个频率来确定(S51)所述抛射体(110)的所述自旋包括获得估计的所述多个频率的分布(300)。
4.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中，所述第一时间序列(201)中的观测之间的时间间隔至多为所述抛射体(110)在最高预期自旋下的预期旋转周期的一半。
5.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中，所述第一时间序列(201)中的观测之间的所述时间间隔是恒定的。
6.根据权利要求1至4中的任一项所述的方法，其中，所述第一时间序列(201)中的观测之间的所述时间间隔是可变的。
7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，通过使用低通滤波器来计算(S2)所述中心速度(202)。
8.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中，通过将函数分段拟合到所述第一时间序列(201)来计算(S2)所述中心速度(202)。
9.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中，通过从所述第一时间序列(201)减去计算的所述中心速度(202)来提取(S3)所述第二时间序列(203)。
10.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中，估计(S4)所述第二时间序列(203)的所述频率包括使用从所述第二时间序列(203)计算的功率谱(400)作为所述频率的最大似然估计的基础。
11.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中，所述频率是基频。
12.一种雷达收发器(100)，所述雷达收发器(100)被布置为：获得(S1)第一时间序列(201)，所述第一时间序列(201)包括相对于所述雷达收发器(100)的抛射体(110)的径向速度的观测；从所述第一时间序列(201)计算(S2)所述抛射体(110)的中心速度(202)；提取(S3)第二时间序列(203)，所述第二时间序列(203)包括围绕计算的所述中心速度(202)的所述第一时序中的变化；估计(S4)所述第二时间序列(203)的频率；以及基于所述第二时间序列(203)的估计的所述频率来确定(S5)所述抛射体(110)的自旋。
13.根据权利要求12所述的雷达收发器(100)，被进一步布置为：将所述第二时间序列(203)划分(S31)为多个时间间隔；估计(S41)所述第二时间序列(203)的多个频率，其中，每个频率对应于所述多个时间间隔(210a、210b、210c)中的相应时间间隔；以及基于估计的所述多个频率来确定(S51)所述抛射体(110)的所述自旋。
14.根据权利要求12或13所述的雷达收发器，其中，所述雷达收发器(100)是调频连续波FMCW雷达收发器。
15.一种用于测量抛射体(110)的自旋的系统(600)，所述系统包括根据权利要求12至14中的任一项所述的雷达收发器(100)以及用于显示确定的所述自旋的至少一个装置(601)。
16.根据权利要求15所述的系统(600)，包括辅助传感器(602)，其中，来自所述雷达收发器(100)的自旋估计与从所述辅助传感器(602)获得的数据相组合。
17.一种被布置为执行根据权利要求1至11中的任一项所述的方法的处理器(701)。
18.一种包括雷达收发器(100)以及根据权利要求17所述的处理器(701)的系统(700)。
19.一种用于操作雷达收发器(100)以确定抛射体(110)的自旋的计算机程序，所述计算机程序包括计算机代码，当在雷达收发器(100)的处理电路上运行时，所述计算机代码使所述雷达收发器(100)执行根据权利要求1至11中的任一项所述的方法。
20.一种计算机程序产品，所述计算机程序产品包括根据权利要求19所述的计算机程序以及计算机可读存储介质，所述计算机程序存储在所述计算机可读存储介质上。
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