CN115932755A - 交通雷达俯仰角安装误差校准方法、装置及存储介质 - Google Patents

交通雷达俯仰角安装误差校准方法、装置及存储介质 Download PDF

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CN115932755A CN202110977354.1A CN202110977354A CN115932755A CN 115932755 A CN115932755 A CN 115932755A CN 202110977354 A CN202110977354 A CN 202110977354A CN 115932755 A CN115932755 A CN 115932755A
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Abstract

本申请公开了一种交通雷达俯仰角安装误差校准方法、装置及存储介质，该方法包括：在预设频率范围内按照预设策略改变交通雷达的频率；依次获取预设目标的在不同频率下的回波信号能量值；若获取到的回波信号能量值满足预设条件，则将最大的回波信号能量值对应的频率确定为所述交通雷达的工作频率，以校准交通雷达俯仰角安装误差；其中，所述预设目标设置在地面，且在地面水平方向上与所述交通雷达在水平方向的投影点的距离为以期望俯仰角安装时所述交通雷达的中心波束在水平方向投影的长度。该交通雷达俯仰角安装误差校准方法、装置及存储介质，不仅以较低成本对交通雷达俯仰角安装误差进行校准，还解决了俯仰角安装误差影响交通雷达探测范围和捕获率的问题。

Description

交通雷达俯仰角安装误差校准方法、装置及存储介质
技术领域
本申请涉及交通雷达通信技术领域，尤指一种交通雷达俯仰角安装误差校准方法、装置及存储介质。
背景技术
传统视频容易受到强光、雨雪天气等环境因素的影响，使得其在智能交通领域的应用受到了较大的限制。毫米波交通雷达因具有探测距离远、测速精度高、受天气条件影响因素小等特点，在智能交通系统中发挥着不可替代的作用。
在实际应用中，交通雷达一般都安装在路侧的L型立杆上，立杆高度在6米到8米左右，传统交通雷达设计法线方向为天线增益最强的方向，为保证路面覆盖范围，交通雷达在立杆上安装都会有一定的下倾角度，然而交通雷达安装俯仰角的偏差会对交通雷达目标检测覆盖范围、远距目标捕获率造成较大影响。根据当前毫米波交通雷达在城市道路、高架/高速匝道出入口等主要场景上的应用需求，要求交通雷达对目标车辆的探测范围覆盖20m—230m。假设安装交通雷达的L立杆的高度为8米，实际应用中天线增益与FOV角度成反比，为保证交通雷达远距离的探测能力，设计天线俯仰方向3dB FOV为±3°(如图1中的β1)，10dB FOV为±16°(如图2中的β1)，要求交通雷达俯仰安装角度下倾5°(如图1、图2中的β0)。那么交通雷达中心波束在地面水平方向的投影长度为90m左右，3dB天线能量覆盖地面水平方向可以到230m左右，10dB天线能量覆盖地面水平方向近距离可以到20m。如果交通雷达安装俯仰角偏差2度，变成向下倾7°，交通雷达中心波束在地面水平方向的投影长度为65m左右，3dB天线能量覆盖地面水平方向只能到115m，那么必定会造成交通雷达远距离目标捕获率低的问题，这一点在实际应用中已经得到了验证。
目前，可以借助电子传感器解决交通雷达安装角度偏差的问题，但是交通雷达与汽车雷达有较大不同，很少会存在因为颠簸、碰撞等造成交通雷达安装角度发生变化的情况，没有必要去实时监测交通雷达的安装角度变化，而且传感器+电机+控制器这一闭环控制系统必定造成设备成本偏高、体积偏大。
而借助特定目标物或者外围环境，利用软件算法计算出交通雷达安装的偏移角度，利用该偏移角度作为交通雷达角度检测结果的软件补偿参数的方案，只是去补偿角度测量误差，并不能改变交通雷达天线波束指向，不能解决俯仰方向角度安装偏差影响交通雷达探测范围和捕获率的问题。
发明内容
本申请提供了一种交通雷达俯仰角安装误差校准方法、装置及存储介质，不仅以较低成本对交通雷达俯仰角安装误差进行校准，还解决了俯仰角安装误差影响交通雷达探测范围和捕获率的问题。
本申请实施例提供的一种交通雷达俯仰角安装误差校准方法，包括：
在预设频率范围内按照预设策略改变交通雷达的频率；
依次获取预设目标的在不同频率下的回波信号能量值；
若获取到的回波信号能量值满足预设条件，则将最大的回波信号能量值对应的频率确定为所述交通雷达的工作频率，以校准交通雷达俯仰角安装误差；
其中，所述预设目标设置在地面，且在地面水平方向上与所述交通雷达在水平方向的投影点的距离为以期望俯仰角安装时所述交通雷达的中心波束在水平方向投影的长度。
一种示例性的实施例中，所述预设策略包括频率由小到大或由大到小进行改变，且每次改变相同或不同的预设步进频率。
一种示例性的实施例中，根据所述交通雷达的安装高度和预设探测范围确定所述期望俯仰角。
一种示例性的实施例中，所述预设条件包括获取到的回波信号能量值由小变大后，再由大变小。
一种示例性的实施例中，所述预设频率范围根据所述交通雷达的预设最大校准角度和预设最小校准角度确定。
一种示例性的实施例中，根据所述交通雷达的预设最大校准角度和预设最小校准角度确定所述预设频率范围，包括：
根据预设等式，确定计算出所述预设最大校准角度时的第一波长，根据所述第一波长确定第一频率值；
根据预设等式，确定计算出所述预设最小校准角度时的第二波长，根据所述第二波长确定第二频率值；
所述预设频率范围为从所述第一频率值到所述第二频率值得范围，包括所述第一频率值、所述第二频率值。
一种示例性的实施例中，所述预设等式如下：
Figure BDA0003228009550000031
其中，θ表示预设最大校准角度或预设最小校准角度，Lf+LP表示所述交通雷达的天线的两个相邻辐射单元振子之间的距离，λ表示毫米波在空气中的波长，λg表示毫米波在介质基板上的波长。
本申请实施例提供的一种交通雷达俯仰角安装误差校准装置，包括：
所述装置包括频率改变模块、回波信号能量值获取模块、以及工作频率确定模块；
所述频率改变模块，设置为在预设频率范围内按照预设策略改变交通雷达的频率；
所述回波信号能量值获取模块，设置为依次获取预设目标的在不同频率下的回波信号能量值；其中，所述预设目标设置在地面，且在地面水平方向上与所述交通雷达在水平方向的投影点的距离为以期望俯仰角安装时所述交通雷达的中心波束在水平方向投影的长度；
所述工作频率确定模块，设置为若获取到的回波信号能量值满足预设条件，则将最大的回波信号能量值对应的频率确定为所述交通雷达的工作频率，以校准交通雷达俯仰角安装误差。
一种示例性的实施例中，所述预设策略包括频率由小到大或由大到小进行改变，且每次改变相同或不同的预设步进频率。
本申请实施例提供的一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如下操作：
在预设频率范围内按照预设策略改变交通雷达的频率；
依次获取预设目标的在不同频率下的回波信号能量值；
若获取到的回波信号能量值满足预设条件，则将最大的回波信号能量值对应的频率确定为所述交通雷达的工作频率，以校准交通雷达俯仰角安装误差；
其中，所述预设目标设置在地面，且在地面水平方向上与所述交通雷达在水平方向的投影点的距离为以期望俯仰角安装时所述交通雷达的中心波束在水平方向投影的长度。
一种示例性的实施例中，所述预设策略包括频率由小到大或由大到小进行改变，且每次改变相同或不同的预设步进频率。
一种示例性的实施例中，根据所述交通雷达的安装高度和预设探测范围确定所述期望俯仰角。
一种示例性的实施例中，所述预设条件包括获取到的回波信号能量值由小变大后，再由大变小。
一种示例性的实施例中，所述预设频率范围根据所述交通雷达的预设最大校准角度和预设最小校准角度确定。
一种示例性的实施例中，根据所述交通雷达的预设最大校准角度和预设最小校准角度确定所述预设频率范围，包括：
根据预设等式，确定计算出所述预设最大校准角度时的第一波长，根据所述第一波长确定第一频率值；
根据预设等式，确定计算出所述预设最小校准角度时的第二波长，根据所述第二波长确定第二频率值；
所述预设频率范围为从所述第一频率值到所述第二频率值得范围，包括所述第一频率值、所述第二频率值。
一种示例性的实施例中，所述预设等式如下：
Figure BDA0003228009550000051
其中，θ表示预设最大校准角度或预设最小校准角度，Lf+LP表示所述交通雷达的天线的两个相邻辐射单元振子之间的距离，λ表示毫米波在空气中的波长，λg表示毫米波在介质基板上的波长。
本申请的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本申请而了解。本申请的其他优点可通过在说明书以及附图中所描述的方案来实现和获得。
附图说明
附图用来提供对本申请技术方案的理解，并且构成说明书的一部分，与本申请的实施例一起用于解释本申请的技术方案，并不构成对本申请技术方案的限制。
图1为现有技术中的3dB天线俯仰方向覆盖范围的示意图；
图2为现有技术中的10dB天线俯仰方向覆盖范围的示意图；
图3为本申请实施例的交通雷达俯仰角安装误差校准方法的示意图；
图4为本申请实施例的交通雷达俯仰角安装误差校准方法的流程图；
图5为现有技术中的不同频率下天线俯仰方向波束指向的示意图；
图6为本申请实施例的校准过程中目标能量值随天线频率变化趋势的示意图；
图7为本申请实施例的交通雷达俯仰角安装误差校准装置的示意图。
具体实施方式
图3为本申请实施例的交通雷达俯仰角安装误差校准方法的流程图，如图3所示，本实施例的交通雷达俯仰角安装误差校准方法，包括S11-S13步骤：
S11、在预设频率范围内按照预设策略改变交通雷达的频率；
S12、依次获取预设目标的在不同频率下的回波信号能量值；
S13、若获取到的回波信号能量值满足预设条件，则将最大的回波信号能量值对应的频率确定为所述交通雷达的工作频率。
一种示例性的实施例中，在改变交通雷达的频率之前，该交通雷达是以预设的下倾角进行安装，不可超过设计的最大校准角度，否则无法校准。例如，借助粗略的测角工具，测得下倾角为5度。
一种示例性的实施例中，所述预设策略包括频率由小到大或由大到小进行改变，且每次改变相同或不同的预设步进频率。其中，步进频率可以依据经验进行设置，既要保证校准精度，又要考虑校准时间。频率每次改变的步进频率可以相同，也可以不同，可以根据需要调整。
一种示例性的实施例中，所述预设目标设置在地面，且在地面水平方向上与所述交通雷达在水平方向的投影点的距离为以期望俯仰角安装时所述交通雷达的中心波束在水平方向投影的长度。预设目标可以为角反射器，或者其他强反射目标，预设目标周围不能有其他强反射目标，以免对校准过程产生影响。
一种示例性的实施例中，根据所述交通雷达的安装高度和预设探测范围确定所述期望俯仰角。其中，期望俯仰角就是交通雷达被安装的俯仰角与预设俯仰角一致，没有误差。
一种示例性的实施例中，所述预设条件包括获取到的回波信号能量值由小变大后，再由大变小。
一种示例性的实施例中，所述预设频率范围根据所述交通雷达的预设最大校准角度和预设最小校准角度确定。
其中，预设最大校准角度为正角度值，预设最小校准角度为负角度值；这两个的绝对值取值可以相同，也可以不相同。
一种示例性的实施例中，根据所述交通雷达的预设最大校准角度和预设最小校准角度确定所述预设频率范围，包括：
根据预设等式，确定计算出所述预设最大校准角度时的第一波长，根据所述第一波长确定第一频率值；
根据预设等式，确定计算出所述预设最小校准角度时的第二波长，根据所述第二波长确定第二频率值；
所述预设频率范围为从所述第一频率值到所述第二频率值得范围，包括所述第一频率值、所述第二频率值。
一种示例性的实施例中，根据波长确定频率，可以通过计算的方式推算，并且可以通过实验进行验证。
一种示例性的实施例中，所述预设等式如下：
Figure BDA0003228009550000071
其中，θ表示预设最大校准角度或预设最小校准角度，Lf+LP表示所述交通雷达的天线的两个相邻辐射单元振子之间的距离，λ表示毫米波在空气中的波长，λg表示毫米波在介质基板上的波长。
本申请实施例通过调整天线工作频率改变天线俯仰方向天线波束最大增益的指向，对交通雷达俯仰方向安装误差进行补偿，解决交通雷达俯仰方向安装误差影响目标探测范围和捕获率的问题，并且节约了成本。
图4为本申请实施例的交通雷达俯仰角安装误差校准方法的流程图，如图4所示，包括S21-S25步骤：
S21、交通雷达上杆，按照预设下倾角度的要求安装；
S22、在地面水平方向距离交通雷达预设距离处放置反射目标；
S23、交通雷达上电，登录调试上位机；
S24、开始自动校准，天线工作频率以预设步进频率在预设频率范围内变化；在每一个频点下交通雷达接收反射目标的回波，得到不同频率下目标的能量值。
S25、记录并保存反射目标的回波能量值最大时刻的天线工作频率，该频率即为交通雷达后续的工作频率。
在步骤S21中，可借助粗略的人工判断方法判断下倾角度，例如手机背靠交通雷达前面板，利用水平仪软件进行简单判断。
毫米波交通雷达要求的探测距离都较远(200米以上)，因此实际情况下要求交通雷达安装的下倾角度也会比较小，一般在3度到8度范围内(与探测距离、L型立杆高度、路面上坡、路面下坡等都有关系)。在交通雷达应用领域，交通雷达有±3度的校准角度即可满足实际的应用需求。由于大校准角度与宽天线工作频率相互对应。但是根据电磁波理论，天线工作频率与中心频率相差较大，会带来天线波束展宽和畸变，甚至会带来波束裂变的情况；因此，设计人员在定校准角度的时候，需要根据实际的天线尺寸、结合产品的实际应用场景综合进行考虑，建议最大校准角度不超过±10度范围。
例如，设计要求校准角度为±3度，天线尺寸确定后，Lf+Lp(Lf+Lp为交通雷达天线的两个相邻辐射单元振子之间的距离)值也就确定，根据天线辐射方向角与天线工作频率的关系可知：通过改变天线的工作频率，就可以改变λ与λg的比值，达到改变天线波束指向角度的效果。
其中，天线辐射方向角与天线工作频率的关系为
Figure BDA0003228009550000091
为毫米波在空气中的波长，λg为毫米波在介质基板上的波长。
天线PCB制作完成后，需要对交通雷达系统进行方向图的测试，测试不同频率下交通雷达主瓣的指向角度。假设天线设计仿真过程中，设计77GHz频率为天线的中心工作频率，即该频率下天线主瓣指向交通雷达法线方向。测试76GHz-78GHz范围内(传统毫米波交通雷达射频芯片的工作范围可以在76GHz-81GHz，比如TI XWR1XXX系列的芯片)各频率下交通雷达主瓣的指向角度。根据测试结果选取符合±3°校准角度的天线工作频率范围，例如最终交通雷达会工作在77GHz-F1到77GHz+F2范围内工作，F1和F2的数值可能不相同，也可能相同。
调整天线工作频率从77GHz-F1到77GHz+F2范围内变化，天线俯仰方向最大增益波束指向以0°(77GHz法线方向)为基准，在-θ～+θ范围内变化，如图5所示。其中+θ为本发明的最大校准角度，-θ为本发明的最小校准角度，交通雷达实际安装误差若超出该范围，无法用本方法进行校准。
在步骤S22中，预设距离根据交通雷达的安装高度、下倾角度、工作频率确定。例如立杆高度为8米，下倾角为5度(无误差情况下)，77GHz频率时天线法线位置与地面水平方向的距离为90米，那么此时预设距离设置为90米。反射目标可以角反射器或者其他强能量反射目标。
在步骤S23中，需要确保90米地面附近没有其他强反射目标，以免对校准过程产生影响。
在步骤S24中，例如，天线工作频率(即交通雷达的工作频率)从在77G-F1到77G+F2范围内变化，以ΔF为步进频率，在每一个频率点下交通雷达接收距离90m处目标物的回波，得到不同频率下目标的能量值；步进频率ΔF的选取要合适，既要保证校准精度，又要考虑校准时间。
在步骤S25中，反射目标的回波能量值最大时刻的天线工作频率如图6中的GA点。若交通雷达安装误差在±θ范围内，此步骤中获取的目标能量值会按照小—大—小的趋势变化(如图6所示)。
本申请实施例通过调整天线工作频率改变天线俯仰方向天线波束最大增益的指向，对交通雷达俯仰方向安装误差进行补偿，解决交通雷达俯仰方向安装误差影响目标探测范围和捕获率的问题，并且节约了成本。
图7为本申请实施例的交通雷达俯仰角安装误差校准装置的示意图，如图7所示，本实施例的交通雷达俯仰角安装误差校准装置，所述装置包括频率改变模块、回波信号能量值获取模块、以及工作频率确定模块；
所述频率改变模块，设置为在预设频率范围内按照预设策略改变交通雷达的频率；
所述回波信号能量值获取模块，设置为依次获取预设目标的在不同频率下的回波信号能量值；其中，所述预设目标设置在地面，且在地面水平方向上与所述交通雷达在水平方向的投影点的距离为以期望俯仰角安装时所述交通雷达的中心波束在水平方向投影的长度；
所述工作频率确定模块，设置为若获取到的回波信号能量值满足预设条件，则将最大的回波信号能量值对应的频率确定为所述交通雷达的工作频率，以校准交通雷达俯仰角安装误差。
一种示例性的实施例中，所述预设策略包括频率由小到大或由大到小进行改变，且每次改变相同或不同的预设步进频率。
本申请实施例通过调整天线工作频率改变了天线俯仰方向天线波束最大增益的指向，对交通雷达俯仰方向安装误差进行补偿，解决交通雷达俯仰方向安装误差影响目标探测范围和捕获率的问题，并且节约了成本。
本申请实施例提供的一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述的交通雷达俯仰角安装误差校准方法。
本申请描述了多个实施例，但是该描述是示例性的，而不是限制性的，并且对于本领域的普通技术人员来说显而易见的是，在本申请所描述的实施例包含的范围内可以有更多的实施例和实现方案。尽管在附图中示出了许多可能的特征组合，并在具体实施方式中进行了讨论，但是所公开的特征的许多其它组合方式也是可能的。除非特意加以限制的情况以外，任何实施例的任何特征或元件可以与任何其它实施例中的任何其他特征或元件结合使用，或可以替代任何其它实施例中的任何其他特征或元件。
本申请包括并设想了与本领域普通技术人员已知的特征和元件的组合。本申请已经公开的实施例、特征和元件也可以与任何常规特征或元件组合，以形成由权利要求限定的独特的发明方案。任何实施例的任何特征或元件也可以与来自其它发明方案的特征或元件组合，以形成另一个由权利要求限定的独特的发明方案。因此，应当理解，在本申请中示出和/或讨论的任何特征可以单独地或以任何适当的组合来实现。因此，除了根据所附权利要求及其等同替换所做的限制以外，实施例不受其它限制。此外，可以在所附权利要求的保护范围内进行各种修改和改变。
此外，在描述具有代表性的实施例时，说明书可能已经将方法和/或过程呈现为特定的步骤序列。然而，在该方法或过程不依赖于本文所述步骤的特定顺序的程度上，该方法或过程不应限于所述的特定顺序的步骤。如本领域普通技术人员将理解的，其它的步骤顺序也是可能的。因此，说明书中阐述的步骤的特定顺序不应被解释为对权利要求的限制。此外，针对该方法和/或过程的权利要求不应限于按照所写顺序执行它们的步骤，本领域技术人员可以容易地理解，这些顺序可以变化，并且仍然保持在本申请实施例的精神和范围内。
本领域普通技术人员可以理解，上文中所公开方法中的全部或某些步骤、系统、装置中的功能模块/单元可以被实施为软件、固件、硬件及其适当的组合。在硬件实施方式中，在以上描述中提及的功能模块/单元之间的划分不一定对应于物理组件的划分；例如，一个物理组件可以具有多个功能，或者一个功能或步骤可以由若干物理组件合作执行。某些组件或所有组件可以被实施为由处理器，如数字信号处理器或微处理器执行的软件，或者被实施为硬件，或者被实施为集成电路，如专用集成电路。这样的软件可以分布在计算机可读介质上，计算机可读介质可以包括计算机存储介质(或非暂时性介质)和通信介质(或暂时性介质)。如本领域普通技术人员公知的，术语计算机存储介质包括在用于存储信息(诸如计算机可读指令、数据结构、程序模块或其他数据)的任何方法或技术中实施的易失性和非易失性、可移除和不可移除介质。计算机存储介质包括但不限于RAM、ROM、EEPROM、闪存或其他存储器技术、CD-ROM、数字多功能盘(DVD)或其他光盘存储、磁盒、磁带、磁盘存储或其他磁存储装置、或者可以用于存储期望的信息并且可以被计算机访问的任何其他的介质。此外，本领域普通技术人员公知的是，通信介质通常包含计算机可读指令、数据结构、程序模块或者诸如载波或其他传输机制之类的调制数据信号中的其他数据，并且可包括任何信息递送介质。

Claims (10)

1.一种交通雷达俯仰角安装误差校准方法，其特征在于，
在预设频率范围内按照预设策略改变交通雷达的频率；
依次获取预设目标的在不同频率下的回波信号能量值；
若获取到的回波信号能量值满足预设条件，则将最大的回波信号能量值对应的频率确定为所述交通雷达的工作频率，以校准交通雷达俯仰角安装误差；
其中，所述预设目标设置在地面，且在地面水平方向上与所述交通雷达在水平方向的投影点的距离为以期望俯仰角安装时所述交通雷达的中心波束在水平方向投影的长度。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，
所述预设策略包括频率由小到大或由大到小进行改变，且每次改变相同或不同的预设步进频率。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，
根据所述交通雷达的安装高度和预设探测范围确定所述期望俯仰角。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，
所述预设条件包括获取到的回波信号能量值由小变大后，再由大变小。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，
所述预设频率范围根据所述交通雷达的预设最大校准角度和预设最小校准角度确定。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，
根据所述交通雷达的预设最大校准角度和预设最小校准角度确定所述预设频率范围，包括：
根据预设等式，确定计算出所述预设最大校准角度时的第一波长，根据所述第一波长确定第一频率值；
根据预设等式，确定计算出所述预设最小校准角度时的第二波长，根据所述第二波长确定第二频率值；
所述预设频率范围为从所述第一频率值到所述第二频率值得范围，包括所述第一频率值、所述第二频率值。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，
所述预设等式如下：
Figure FDA0003228009540000021
其中，θ表示预设最大校准角度或预设最小校准角度，Lf+LP表示所述交通雷达的天线的两个相邻辐射单元振子之间的距离，λ表示毫米波在空气中的波长，λg表示毫米波在介质基板上的波长。
8.一种交通雷达俯仰角安装误差校准装置，其特征在于：
所述装置包括频率改变模块、回波信号能量值获取模块、以及工作频率确定模块；
所述频率改变模块，设置为在预设频率范围内按照预设策略改变交通雷达的频率；
所述回波信号能量值获取模块，设置为依次获取预设目标的在不同频率下的回波信号能量值；其中，所述预设目标设置在地面，且在地面水平方向上与所述交通雷达在水平方向的投影点的距离为以期望俯仰角安装时所述交通雷达的中心波束在水平方向投影的长度；
所述工作频率确定模块，设置为若获取到的回波信号能量值满足预设条件，则将最大的回波信号能量值对应的频率确定为所述交通雷达的工作频率，以校准交通雷达俯仰角安装误差。
9.如权利要求1所述的装置，其特征在于，
所述预设策略包括频率由小到大或由大到小进行改变，且每次改变相同或不同的预设步进频率。
10.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现权利要求1-7中任一项所述的交通雷达俯仰角安装误差校准方法。
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