CN116105830A - 毫米波雷达的三维成像物位测量方法、装置及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种毫米波雷达的三维成像物位测量方法、装置及系统，该方法包括：接收多个基带信号，基带信号是对回波信号进行转换获得的，回波信号是使用MIMO毫米波雷达对目标物体发射多个FMCW信号后再接收到的；对多个基带信号进行3D‑FFT转换，获得距离数据、方向角数据和俯仰角数据，并生成距离‑角度热图；对所述距离‑角度热图进行目标检测，获得多个的检测点，从多个检测点中提取目标物体的参数数据，获得三维点云数据；获得目标物体的三维轮廓图；采用干涉雷达，对目标物体的位置变化前后的两个三维轮廓图进行干涉处理，获得目标物体的物位信息，所述物位信息为位置变化的距离信息。本发明可以实现三维成像物位的准确测量。

Description

毫米波雷达的三维成像物位测量方法、装置及系统
技术领域
本发明涉及MIMO(Multiple-input Multiple-output,多输入多输出)毫米波雷达成像技术和干涉雷达领域，尤其涉及一种毫米波雷达的三维成像物位测量方法、装置及系统。
背景技术
本部分旨在为权利要求书中陈述的本发明实施例提供背景或上下文。此处的描述不因为包括在本部分中就承认是现有技术。
物位测量主要用于工业仓储容器内物料高度及体积的测量，其应用领域非常广泛。应用行业包括食品、水泥、电力、采矿等。其次，在某些行业中也可以用于生产过程监控，例如金属冶炼的高炉，需要连续准确的监控料面的高度以及形状。目前随着工业领域的不断拓展，仓储容器的高度不断增大，容量也大大增加，常常几厘米的误差就会带来较大的经济损失，同时也可能存在严重的安全隐患，因此在生产过程中准确地掌控储存罐中物料的高度和体积十分必要。
物位测量主要传感器是各种类型的物位计。总体而言，按测量方式可以分为接触式与非接触式物位计。其中接触式物位计常见的有电容式物位计、导波式物位计等，而非接触式的物位计有雷达物位计、激光测距仪和超声波物位计。总体而言，非接触式物位计具有测量效率高、安装简便、精度高、易于维护等优点，将逐步取代接触式物位计。而雷达物位计具有测量距离远，粉末、烟雾的影响小，基本不受物料材质的影响等优点，其使用越来越广泛。
雷达物位计测量技术中包括相控阵雷达、单点雷达以及采用分集技术的MIMO(Multiple-input Multiple-output,多输入多输出)体制雷达。但由于固体仓储物料表面不是平面，随着物料的加入和输出，物料的各个区域会出现不同的形状和高度。物料从容器顶端加入时，物料堆积形状普遍会呈现沙丘形(类似锥形)，而物料从容器底部输出时，则会出现漏斗状。如果只采用单点式测高方式的物位计，会带来很大的物料体积统计的误差，导致很多安全和效率的问题。为了解决雷达物位计的目前普遍存在的问题，研究具有三维形状测量的雷达物位测量具有重要意义。
发明内容
本发明实施例提供一种毫米波雷达的三维成像物位测量方法，用以实现三维成像物位的准确测量，该方法包括：
接收多个基带信号，所述基带信号是对回波信号进行转换获得的，所述回波信号是使用MIMO毫米波雷达对目标物体发射多个FMCW信号后再接收到的；
对多个基带信号进行3D-FFT转换，获得距离数据、方向角数据和俯仰角数据，并生成距离-角度热图；
对所述距离-角度热图进行目标检测，获得多个的检测点，从多个检测点中提取目标物体的参数数据，根据所述参数数据，获得三维点云数据，所述参数数据包括目标物体的距离数据、方向角数据和俯仰角数据；
根据所述三维点云数据，获得目标物体的三维轮廓图；
采用干涉雷达，对目标物体的位置变化前后的两个三维轮廓图进行干涉处理，获得目标物体的物位信息，所述物位信息为位置变化的距离信息。
本发明实施例还提供一种毫米波雷达的三维成像物位测量装置，用以实现三维成像物位的准确测量，该装置包括：
基带信号获得模块，用于接收多个基带信号，所述基带信号是对回波信号进行转换获得的，所述回波信号是使用MIMO毫米波雷达对目标物体发射多个FMCW信号后再接收到的；
热图生成模块，用于对多个基带信号进行3D-FFT转换，获得距离数据、方向角数据和俯仰角数据，并生成距离-角度热图；
目标检测模块，用于对所述距离-角度热图进行目标检测，获得多个的检测点，从多个检测点中提取目标物体的参数数据，根据所述参数数据，获得三维点云数据，所述参数数据包括目标物体的距离数据、方向角数据和俯仰角数据；
三维轮廓图生成模块，用于根据所述三维点云数据，获得目标物体的三维轮廓图；
物位信息获得模块，用于采用干涉雷达，对目标物体的位置变化前后的两个三维轮廓图进行干涉处理，获得目标物体的物位信息，所述物位信息为位置变化的距离信息。
本发明实施例还提供一种毫米波雷达的三维成像物位测量系统，用以实现三维成像物位的准确测量，该系统包括：
毫米波雷达的三维成像物位测量装置、回波信号获取模块、回波信号处理模块，其中，
回波信号获取模块，用于对目标物体发射多个FMCW信号，并接收多个回波信号，根据多个回波信号，获得多个模电的基带信号；
回波信号处理模块，用于对多个模电的基带信号进行转换，获得多个数电的基带信号。
本发明实施例还提供一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述毫米波雷达的三维成像物位测量方法。
本发明实施例还提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述毫米波雷达的三维成像物位测量方法。
本发明实施例还提供一种计算机程序产品，所述计算机程序产品包括计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述毫米波雷达的三维成像物位测量方法。
本发明实施例中，接收多个基带信号，所述基带信号是对回波信号进行转换获得的，所述回波信号是使用MIMO毫米波雷达对目标物体发射多个FMCW信号后再接收到的；对多个基带信号进行3D-FFT转换，获得距离数据、方向角数据和俯仰角数据，并生成距离-角度热图；对所述距离-角度热图进行目标检测，获得多个的检测点，从多个检测点中提取目标物体的参数数据，根据所述参数数据，获得三维点云数据，所述参数数据包括目标物体的距离数据、方向角数据和俯仰角数据；根据所述三维点云数据，获得目标物体的三维轮廓图；采用干涉雷达，对目标物体的位置变化前后的两个三维轮廓图进行干涉处理，获得目标物体的物位信息，所述物位信息为位置变化的距离信息，现有技术中MIMO雷达成像算法难以满足高分辨率三维成像要求，并且运算量较大，对硬件以及运算环境的要求过高，造成系统运行的成本过高，而本发明与现有的单点雷达物位计及绝大多数三维雷达物位计的MIMO三维成像算法相比，在获得接收多个基带信号后，对多个基带信号进行3D-FFT转换，最后得到距离-角度热图，之后获得三维点云数据后，获得目标物体的三维轮廓图，最后采用干涉雷达，对目标物体的位置变化前后的两个三维轮廓图进行干涉处理，可得到准确的物位信息，实现对物料堆有微小变化的目标物体的精准测量，总体具有成像效果佳、精度检测高和低成本的优点。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。在附图中：
图1为本发明实施例中毫米波雷达的三维成像物位测量方法的流程图；
图2为本发明实施例中毫米波雷达的三维成像物位测量装置的示意图；
图3为本发明实施例中毫米波雷达的三维成像物位测量系统的示意图；
图4为本发明实施例中毫米波雷达的天线排布及虚拟天线阵列；
图5为本发明实施例中角度数据的计算示意图；
图6为本发明实施例中距离-角度等高线图和热图的示意图；
图7为本发明实施例中双通道CFAR检测算法的原理图；
图8为本发明实施例中最小二乘法对主图和副图进行相位解缠绕的示意图；
图9为本发明实施例中场景一方位角和俯仰角处的等高线图和热图；
图10为本发明实施例中场景二方位角和俯仰角处的等高线图和热图；
图11为本发明实施例中场景一下目标物体在球坐标系下的三维点云数据；
图12为本发明实施例中场景二下目标物体在球坐标系下的三维点云数据；
图13为本发明实施例中场景一下目标物体在直角坐标系下的三维点云图；
图14为本发明实施例中场景二下目标物体在直角坐标系下的三维点云图；
图15为本发明实施例中场景一插值处理后得到的三维轮廓图；
图16为本发明实施例中场景二插值处理后得到的三维轮廓图；
图17为本发明实施例中计算机设备的示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合附图对本发明实施例做进一步详细说明。在此，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，但并不作为对本发明的限定。
发明人认为，毫米波雷达可实现高精度的距离、速度、角度等信息的测量，但很难实现实时的距离变化测量。而干涉雷达可对有距离差的图像进行干涉，得到干涉图可直接显示地形的距离变化，使用场景也非常广泛。为解决雷达物位计实现距离差的测量，将干涉雷达应用到毫米波雷达实现高精度的距离变化测量具有重要意义。
新型毫米波雷达普遍采用MIMO体制，具有并置发射和接收天线的MIMO雷达，可提供较大的虚拟孔径来提高角度分辨率，从而改善通信质量。为了能实现仓储容器内部的三维成像能力，需要组成的虚拟阵列是对称的。常用的MIMO雷达成像算法难以满足高分辨率三维成像要求，并且运算量较大，对硬件以及运算环境的要求过高，造成系统运行的成本过高，因此选择一种针对物料堆等典型扩展目标的低成本、兼容性良好并且成像效果良好的高分辨率测角算法显得尤为重要。
基于此，本发明实施例提出一种毫米波雷达的三维成像物位测量方法，参见图1，包括：
步骤101，接收多个基带信号，所述基带信号是对回波信号进行转换获得的，所述回波信号是使用MIMO毫米波雷达对目标物体发射多个FMCW信号后再接收到的；
步骤102，对多个基带信号进行3D-FFT转换，获得距离数据、方向角数据和俯仰角数据，并生成距离-角度热图；
步骤103，对所述距离-角度热图进行目标检测，获得多个的检测点，从多个检测点中提取目标物体的参数数据，根据所述参数数据，获得三维点云数据，所述参数数据包括目标物体的距离数据、方向角数据和俯仰角数据；
步骤104，根据所述三维点云数据，获得目标物体的三维轮廓图；
步骤105，采用干涉雷达，对目标物体的位置变化前后的两个三维轮廓图进行干涉处理，获得目标物体的物位信息，所述物位信息为位置变化的距离信息。
与现有技术相比，现有技术中MIMO雷达成像算法难以满足高分辨率三维成像要求，并且运算量较大，对硬件以及运算环境的要求过高，造成系统运行的成本过高，而本发明中，在获得接收多个基带信号后，对多个基带信号进行3D-FFT转换，最后得到距离-角度热图，之后获得三维点云数据后，获得目标物体的三维轮廓图，最后采用干涉雷达，对目标物体的位置变化前后的两个三维轮廓图进行干涉处理，可得到准确的物位信息，实现对物料堆有微小变化的目标物体的精准测量。
本发明实施例还提出一种毫米波雷达的三维成像物位测量装置，参见图2，包括：
基带信号获得模块201，用于接收多个基带信号，所述基带信号是对回波信号进行转换获得的，所述回波信号是使用MIMO毫米波雷达对目标物体发射多个FMCW信号后再接收到的；
热图生成模块202，用于对多个基带信号进行3D-FFT转换，获得距离数据、方向角数据和俯仰角数据，并生成距离-角度热图；
目标检测模块203，用于对所述距离-角度热图进行目标检测，获得多个的检测点，从多个检测点中提取目标物体的参数数据，根据所述参数数据，获得三维点云数据，所述参数数据包括目标物体的距离数据、方向角数据和俯仰角数据；
三维轮廓图生成模块204，用于根据所述三维点云数据，获得目标物体的三维轮廓图；
物位信息获得模块205，用于采用干涉雷达，对目标物体的位置变化前后的两个三维轮廓图进行干涉处理，获得目标物体的物位信息，所述物位信息为位置变化的距离信息。
本发明实施例还提出一种毫米波雷达的三维成像物位测量系统，参见图3，包括：前述的毫米波雷达的三维成像物位测量装置301、回波信号获取模块302、回波信号处理模块303，其中，
回波信号获取模块302，用于对目标物体发射多个FMCW信号，并接收多个回波信号，根据多个回波信号，获得多个模电的基带信号；
回波信号处理模块303，用于对多个模电的基带信号进行转换，获得多个数电的基带信号。
在一实施例中，回波信号获取模块包括MIMO毫米波雷达、发射功率放大器、接收低噪声放大器和混频单元，其中，
MIMO毫米波雷达包括压控振荡器、多个发射天线单元和多个接收天线单元，且所述发射天线单元和接收天线单元采用微带形式设计；
所述压控振荡器，用于产生发射信号；
所述发射功率放大器，分别与压控振荡器和发射天线单元连接，用于接收发射信号并放大，然后输出至发射天线单元；
所述发射天线单元，用于在接收到放大的发射信号后，发送多个FMCW信号；
所述接收天线单元，用于接收多个回波信号；
接收低噪声放大器，与接收天线单元连接，用于放大回波信号；
混频单元，用于将FMCW信号和放大的回波信号进行混频，获得模电的基带信号。
其中，上述多个发射天线单元和多个接收天线单元形成了虚拟阵列，得到更大的天线孔径，提高了角度分辨率。微带形式设计可降低成本。多个发射天线单元和多个接收天线单元的数量可根据实际情况而定，例如，20个时，可适配62-69GHz频率范围内的FMCW信号和回波信号。图4为本发明实施例中毫米波雷达的天线排布及虚拟天线阵列。其中，TX1-TX20为发射天线单元，RX1-RX20为接收天线单元。
具体地，多个发射天线单元对目标物体发射多个FMCW信号可采用分时发射技术。
在一实施例中，回波信号处理模块为ADC单元。压控振荡器可采用大宽带的。发射功率放大器可以有多个。具体实施时，压控振荡器产生FMCW信号，通过发射功率放大器后连接至发射天线单元，接收天线单元接收到回波信号连接至接收低噪声放大器，与FMCW信号混频后得到基带信号并通过ADC单元转换为数电的基带信号。
其中，基带信号的频率fIF表示如下：
Figure BDA0003982787970000071
其中，c是光速，
Figure BDA0003982787970000072
为调频斜率，B是基带信号带宽，Tc为基带信号周期，R为目标物体与雷达的距离。
下面对本发明方案进行详细介绍。
在步骤101，接收多个基带信号，所述基带信号是对回波信号进行转换获得的，所述回波信号是使用MIMO毫米波雷达对目标物体发射多个FMCW信号后再接收到的；在回波信号处理模块得到基带信号后，发送至本发明实施例提出的装置，所述装置接收该基带信号。
在步骤102，对多个基带信号进行3D-FFT转换，获得距离数据、方向角数据和俯仰角数据，并生成距离-角度热图；
在一实施例中，对多个基带信号进行3D-FFT转换，获得距离数据、方向角数据和俯仰角数据，包括：
对多个基带信号中的每一个脉冲信号进行距离的FFT变换，获得距离数据；
对多个基带信号中的每一个脉冲信号进行方位角的FFT变换，获得方位角数据；
对多个基带信号中的每一个脉冲信号进行俯仰角的FFT变换，获得俯仰角数据。
具体实施时，由于雷达的距离估计由基带信号的频率所决定，不同距离处的目标物体所产生的回波信号经过混频后所得到的基带信号频率不同，所以当雷达探测到多个目标物体时，通过对基带信号进行傅里叶变换(FFT)可以分离出不同的基带信号的中频频率及其对应的幅值大小，可通过以下公式计算目标物体的距离数据R：
Figure BDA0003982787970000081
使用FMCW毫米波雷达测量角度估计至少需要两个接收天线单元，待测目标物体到每根接收天线单元的波程差将导致回波信号的峰值相位产生变化，利用相位差即可计算目标物体的角度数据，所述角度数据包括方位角数据和俯仰角数据。
图5为本发明实施例中角度数据的计算示意图，图5中所有接收天线单元间隔距离为d，假设目标物体相对雷达的角度为θ，接收天线单元接收到目标物体的反射信号时，通过图5中接收天线单元RX2与接收天线单元RX1存在的波程差ΔΦ＝dsin(θ)，即可通过以下公式计算角度数据：
Figure BDA0003982787970000082
其中，θ为角度数据，可以是俯仰角数据，可以是方位角数据，都可采用此公式计算角度数据的值，只是俯仰角和方位角最后的角度方向不同。λ为发射天线单元波长。
之后，根据距离数据、角度数据，可生成距离-角度热图。图6为本发明实施例中距离-角度等高线图和热图的示意图。其中，图6的上半部分为等高线图，下半部分为热图。
在步骤103，对所述距离-角度热图进行目标检测，获得多个的检测点，从多个检测点中提取目标物体的参数数据，根据所述参数数据，获得三维点云数据，所述参数数据包括目标物体的距离数据、方向角数据和俯仰角数据；
在一实施例中，对所述距离-角度热图进行目标检测，获得多个的检测点，从多个检测点中提取目标物体的参数数据，根据所述参数数据，获得三维点云数据，包括：
使用双通道CFAR检测算法对距离-角度热图进行目标检测，确定多个检测点；
采用峰值检索从多个检测点中提取参数数据，获得三维点云数据。
其中，使用双通道CFAR检测算法对距离-角度热图进行目标检测，确定多个检测点时，由于雷达接收到的回波信号中不仅包含了目标物体的信号，还包含了环境噪音和非待测物体的反射信号，通过双通道CFAR检测算法判断热图中每个点是否为目标的检测点。要先采用双通道CFAR检测算法对距离-角度热图的距离维进行检测，得到疑似检测点，然后，采用双通道CFAR检测算法对距离-角度热图的角度维(俯仰角和方位角)进行检测，从疑似检测点中确定检测点。
双通道CFAR检测算法通过对所有基带信号进行处理后确定一个功率阈值，超过功率阈值的所有基带信号视作目标信号，即检测点，反之则当作杂波信号处理。
图7为本发明实施例中双通道CFAR检测算法的原理图，双通道CFAR检测算法主要是通过计算待测检测点(CUT)周围的参考检测点的平均值来确定功率阈值大小，每个CUT两边所有的参考检测点的功率通过求和取平均后得到的值为噪声功率。为了避免来自CUT本身的功率值对功率阈值的影响，同时将CUT两边紧邻的检测点设置为保护检测点来避免CUT对功率阈值的影响，保护检测点同时可以防止从待测检测点漏入参考检测点，对参考检测点产生噪声影响。
双通道CFAR检测算法的功率阈值T计算公式如下所示，如果当前CUT的功率值大于CUT两边所有参考检测点的平均功率，则确定当前CUT为检测点。
Figure BDA0003982787970000091
其中，α是阈值因子(一般取0.1-0.5)，N为检测点总数，xi为左侧第i个参考检测点，yi为右侧第i个参考检测点。
在步骤104，根据所述三维点云数据，获得目标物体的三维轮廓图；
在一实施例中，根据所述三维点云数据，获得目标物体的三维轮廓图，包括：
对三维点云数据进行三维笛卡尔坐标转换，形成目标物体的三维点云图；
对所述三维点云图进行插值处理和曲面平滑处理，得到目标物体的三维轮廓图。
其中，三维笛卡尔坐标转换公式为
Figure BDA0003982787970000101
Figure BDA0003982787970000102
z＝r·sin(θ)
其中，r为目标距离；
Figure BDA0003982787970000103
是俯仰角；θ是方位角。
在一实施例中，对所述三维点云图进行双线性插值处理和曲面平滑处理，得到目标物体的三维轮廓图，包括：
对所述三维点云图进行双线性插值处理，获得双线性插值处理后的三维点云图；
根据双线性插值处理后的三维点云图，使用MATLAB的surf函数生成三维曲面图；
对三维曲面图使用色彩插值处理，得到目标物体的三维轮廓图。
具体实施时，双线性插值算法计算简单，在数学中是对单线性插值在二维直角网络中的拓展，用于对两个变量函数进行插值拓展，其核心是通过在二维直角网络中对两个方向进行单线性插值，可完成双线性插值计算，双线性插值公式可以表示为：
Figure BDA0003982787970000104
对三维曲面图使用色彩插值处理，即对三维曲面图的颜色着色进行色彩的插值处理，使色彩平滑过渡。使用MATLAB的shading设置颜色着色，通过shading interp在每个线条或面中对颜色索引或真彩色值进行插值来改变该线条或面中的颜色，得到最终的三维轮廓图。
在步骤105，采用干涉雷达，对目标物体的位置变化前后的两个三维轮廓图进行干涉处理，获得目标物体的物位信息，所述物位信息为位置变化的距离信息。
具体实施时，目标物体的位置变化前的三维轮廓图为主图，目标物体的位置变化后的三维轮廓图为副图。结合干涉雷达实现使用毫米波雷达检测目标物体发现微小变化，提高了毫米波雷达的测距范围，并扩大了干涉雷达的应用范围。
在一实施例中，对目标物体的位置变化前后的两个三维轮廓图进行干涉处理，获得目标物体的物位信息，包括：
将两个三维轮廓图进行图像配准，获得干涉图的初始干涉相位值；
将初始干涉相位值进行相位解缠绕，使干涉图的干涉相位从条纹状变成连续相位，获得真实相位值；
对真实相位值，通过相位差和距离差的关系，反演出目标物体的位置变化的距离信息，目标物体的位置变化的距离信息为目标物体距干涉雷达的距离变化信息。
在一实施例中，将两个三维轮廓图进行图像配准，获得干涉图的初始干涉相位值，包括：
使用最大相关系数法计算两个三维轮廓图在距离和方位上的偏移量，通过校准使目标物体的位置变化后的三维轮廓图在距离和方位上进行补偿，获得初始干涉相位值。
具体实施时，前述得到的距离-角度热图中包含目标物体的距离、方位角和俯仰角，而经过FFT的基带信号在频域上也会包含相位信息。在进行图像配准时，首先寻找主图和副图在距离和方位上各自的偏移量，通过求得的偏移量对图像进行校准，使副图在距离和方位上进行补偿，即两幅图在相同位置的像素能够表示相同的目标。基于强度图像的最大相关系数法为：
Figure BDA0003982787970000111
主图、副图在大小为m×n区域内的相关系数r(Δx,Δy)，在一定范围内逐渐改变偏移量的值，并找到这个范围内r(Δx,Δy)的最大值，其对应的Δx，Δy就是最优配准值，通过此偏移量对副图像进行距离和方位的补偿，可以使两幅图的偏差不超过一个像素单元，再进行主图、副图的干涉，得到干涉图。
具体实施时，将初始干涉相位值进行相位解缠绕，使干涉图的干涉相位从条纹状变成连续相位，获得真实相位值时，使用最小二乘法对主图、副图进行相位解缠绕。
具体实施时，由于主图、副图经图像配准后的相位是绝对干涉相位的缠绕相位，即缠绕相位是真实相位以2π为周期缠绕得到的，但是经配准后的相位不能表示真实的波程差，需要通过相位解缠绕获得真实相位值。
图8为本发明实施例中最小二乘法对主图和副图进行相位解缠绕的示意图，设图像配准后的相位为
Figure BDA0003982787970000112
最小二乘法通过镜面反射和周期延拓解决边界问题，使边界变得光滑且满足绝对相位唯一，即可得到在二维平面上扩展为周期函数。由行和列方向的一阶差分的概念可知：真实相位和缠绕相位的一阶差分在理论分析上相同。因此目标函数可以采用这两者的均方误差来计算，再通过对相位进行FFT和IFFT后得到的就是真实相位
Figure BDA0003982787970000113
且经过相位解缠绕后的干涉相位从条纹状变成了连续的相位。
具体实施时，需要对真实相位值，通过相位差和距离差的关系，反演出目标物体的位置变化的距离信息，FFT算法可将基带信号中的时域信号转换成频域信息，频域信息是每一个值都具有幅度和相位的复数，由经相位解缠绕得到的真实相位值，利用相位差与距离差的关系可推出主图、副图间的距离差，即目标物体的位置变化的距离信息。
具体实施时，回波信号之间的相位差与距离差的关系为：
Figure BDA0003982787970000121
其中，Δd为主图、副图之间移动的距离差，ΔΦ是主图、副图之间的真实相位值的真实相位差。由公式可计算出目标物体移动前后的微小距离差Δd。
下面给出一个具体实施例，来说明本发明实施例提出方法的具体应用。
参见步骤101，接收多个基带信号，其中，压控振荡器产生FMCW信号，通过发射功率放大器后连接至发射天线单元，接收天线单元接收到回波信号连接至接收低噪声放大器，与FMCW信号混频后得到基带信号并通过ADC单元转换为数电的基带信号。
安装时，雷达固定在三角架上模拟顶装效果，对地面发射信号，经待测目标反射信号，雷达接收回波信号。分别对两种场景的待测目标进行三维成像，场景一为雷达固定位置不变，将铁球堆积形成椎体形状，对椎体状目标物体进行成像，场景二为雷达固定位置不变，将铁球堆积形成碗形状，对碗状目标物体进行成像。其中，雷达距离待测目标1m。
参见步骤102，对多个基带信号进行3D-FFT转换，获得距离数据、方向角数据和俯仰角数据，并生成距离-角度热图，具体实现时，由于FMCW雷达的距离估计由基带信号的频率所决定，不同距离处的目标物体所产生的回波信号经过混频后所得到的基带信号频率不同，所以当雷达探测到多个目标物体时，通过对基带信号进行傅里叶变换(FFT)可以分离出不同的基带频率及其对应的幅值大小，可通过以下公式计算目标距离。
实施例中，测试了静态目标物体，未使用到速度信息，即未使用多普勒-FFT算法。
MIMO雷达可同时使用多个接收天线单元对目标物体同时测角，在相同谱峰处的相位进行角度FFT可得到多个目标物体的不同角度，通过接收天线单元在信号传输距离的波程差与雷达角度的公式可计算角度数据，包括俯仰角数据和方位角数据。
经3D-FFT算法处理后可得到距离-角度热图，图9为本发明实施例中场景一方位角和俯仰角处的等高线图和热图，其中，图9的上半部分为等高线图，与热图对应，图9的下半部分为热图。纵轴代表与雷达之间的距离，横轴代表角度。具体地，图9的上半部分分别为距离-方位角等高线图和距离-俯仰角等高线图，图9的下半部分为一一对应的热图，从图9中可以得到一个近似椎体形状图。
图10为本发明实施例中场景二方位角和俯仰角处的等高线图和热图，其中纵轴代表与雷达之间的距离，横轴代表角度。图10的上半部分分别为方位角-距离等高线图和俯仰角-距离等高线图，图10的下半部分为一一对应的热图，从图中可以得到一个近似碗状图。
对于距离-角度热图中的所有检测点，第一通道CFAR扫描对每个距离维进行检测，检查在距离维中当前点是否为疑似检测点，当确定当前点是疑似检测点时将其代入下一通道的CFAR检测，反之继续检测距离维中的下一个点。第二通道CFAR扫描检查当前点所在角度维的情况，以确认第一通道检测中的疑似检测点是否确定为目标的检测点，当确定疑似检测点是检测点时，储存当前点的参数数据，反之进入下一个距离维中的点。对于这两个通道，使用双通道CFAR检测算法中的SO-CFAR检测方法(即使用左右参考窗口的最小平均值作为CFAR检测的噪声估计)。双通道CFAR检测示意图如图7所示。
SO-CFAR则是在CA-CAFR的基础上，取CUT两边所有参考检测点平均功率的最小值，当CUT功率值大于参考检测点的平均功率的最小值时，则确定当前CUT为目标检测点，SO-CFAR检测器假定参考单元不包含来自目标物体的任何信号。SO-CFAR的功率阈值计算公式如下所示：
Figure BDA0003982787970000131
根据所述步骤得到的距离数据、方位角数据和俯仰角数据进行三维笛卡尔坐标转换，得到三维点云图。图11为本发明实施例中场景一下目标物体在球坐标系下的三维点云数据。图12为本发明实施例中场景二下目标物体在球坐标系下的三维点云数据。图13为本发明实施例中场景一下目标物体在直角坐标系下的三维点云图，为图11进行三维笛卡尔坐标转换后得到的，图14为本发明实施例中场景二下目标物体在直角坐标系下的三维点云图，图12进行三维笛卡尔坐标转换后得到的。
参见步骤103，对三维点云图进行双线性插值及曲面色彩平滑处理，使色彩平滑过渡。使用MATLAB的shading设置颜色着色，通过shading interp在每个线条或面中对颜色索引或真彩色值进行插值来改变该线条或面中的颜色，得到最终的三维轮廓图。图15为本发明实施例中场景一插值处理后得到的三维轮廓图。图16为本发明实施例中场景二插值处理后得到的三维轮廓图。
参见步骤104，设置图12的热图为干涉过程的主图，将场景一中的铁球堆下面加一层挡板，重复前述步骤并保存热图为干涉过程的副图，如图16所示。
将主图、副图内的数据经最大相关系数法进行图像配准。找到范围内r(Δx,Δy)的最大值，其对应的Δx，Δy就是最优配准值，通过此偏移量对副图像进行距离向和方位向的补偿，可以使两幅图像的偏差不超过一个像素单元，再进行主图、副图的干涉。
使用最小二乘法对主图、副图进行相位解缠绕。设图像配准后的相位为
Figure BDA0003982787970000142
最小二乘法通过镜面反射和周期延拓解决边界问题，使边界变得光滑且满足绝对相位唯一，即可得到在二维平面上扩展为周期函数。由行和列方向的一阶差分的概念可知：真实相位和缠绕相位的一阶差分在理论分析上相同。因此目标函数可以采用这两者的均方误差来计算，再通过对相位进行FFT和IFFT后得到的就是真实相位值。且经过相位解缠绕后的干涉相位从条纹状变成了连续的相位。
根据主图、副图之间的真实相位差
Figure BDA0003982787970000141
即可得到主图、副图之间移动的距离差Δd。实现使用毫米波雷达结合干涉雷达实现毫米级检测精度的距离变化检测。
本发明实施例所述的方法、装置及系统得到的有益效果如下：
第一，采用MIMO毫米波雷达进行三维雷达轮廓成像研究，这与现有的单点雷达物位计及绝大多数三维雷达物位计(或高炉料面成像雷达)均有很大不同，采用多个发射天线单元和多个接收天线单元的MIMO毫米波雷达，MIMO毫米波雷达为单颗毫米波雷达芯片，所述发射天线单元和接收天线单元采用微带形式设计。上述多个发射天线单元和多个接收天线单元形成了虚拟阵列，得到更大的天线孔径，提高了角度分辨率。微带形式设计可降低成本。
第二，与常规的激光雷达三维成像算法不同，本发明结合MIMO毫米波雷达的高距离分辨率及对信号进行3D-FFT、双通道CFAR算法的处理方法实现雷达点云成像，并且本发明中使用MATLAB对点云图像进行双线性插值及平滑处理得到三维轮廓曲面。
第三，本发明使用毫米波雷达结合干涉雷达的原理，提高了当目标物体据雷达发生微小变化的测量精度，扩大了干涉雷达的应用范围，与常规的使用INSAR雷达对SAR图像干涉、结合干涉雷达和激光雷达成像的应用不同，有独特创新性。
本发明实施例还提供一种计算机设备，图17为本发明实施例中计算机设备的示意图，所述计算机设备1700包括存储器1710、处理器1720及存储在存储器1710上并可在处理器1720上运行的计算机程序1730，所述处理器1720执行所述计算机程序1730时实现上述毫米波雷达的三维成像物位测量方法。
本发明实施例还提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述毫米波雷达的三维成像物位测量方法。
本发明实施例还提供一种计算机程序产品，所述计算机程序产品包括计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述毫米波雷达的三维成像物位测量方法。
本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (14)

1.一种毫米波雷达的三维成像物位测量方法，其特征在于，包括：
接收多个基带信号，所述基带信号是对回波信号进行转换获得的，所述回波信号是使用MIMO毫米波雷达对目标物体发射多个FMCW信号后再接收到的；
对多个基带信号进行3D-FFT转换，获得距离数据、方向角数据和俯仰角数据，并生成距离-角度热图；
对所述距离-角度热图进行目标检测，获得多个的检测点，从多个检测点中提取目标物体的参数数据，根据所述参数数据，获得三维点云数据，所述参数数据包括目标物体的距离数据、方向角数据和俯仰角数据；
根据所述三维点云数据，获得目标物体的三维轮廓图；
采用干涉雷达，对目标物体的位置变化前后的两个三维轮廓图进行干涉处理，获得目标物体的物位信息，所述物位信息为位置变化的距离信息。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，对多个基带信号进行3D-FFT转换，获得距离数据、方向角数据和俯仰角数据，包括：
对多个基带信号中的每一个脉冲信号进行距离的FFT变换，获得距离数据；
对多个基带信号中的每一个脉冲信号进行方位角的FFT变换，获得方位角数据；
对多个基带信号中的每一个脉冲信号进行俯仰角的FFT变换，获得俯仰角数据。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，对所述距离-角度热图进行目标检测，获得多个的检测点，从多个检测点中提取目标物体的参数数据，根据所述参数数据，获得三维点云数据，包括：
使用双通道CFAR检测算法对距离-角度热图进行目标检测，确定多个检测点；
采用峰值检索从多个检测点中提取参数数据，获得三维点云数据。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，根据所述三维点云数据，获得目标物体的三维轮廓图，包括：
对三维点云数据进行三维笛卡尔坐标转换，形成目标物体的三维点云图；
对所述三维点云图进行插值处理和曲面平滑处理，得到目标物体的三维轮廓图。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，对所述三维点云图进行双线性插值处理和曲面平滑处理，得到目标物体的三维轮廓图，包括：
对所述三维点云图进行双线性插值处理，获得双线性插值处理后的三维点云图；
根据双线性插值处理后的三维点云图，使用MATLAB的surf函数生成三维曲面图；
对三维曲面图使用色彩插值处理，得到目标物体的三维轮廓图。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，采用干涉雷达，对目标物体的位置变化前后的两个三维轮廓图进行干涉处理，获得目标物体的物位信息，包括：
将两个三维轮廓图进行图像配准，获得干涉图的初始干涉相位值；
将初始干涉相位值进行相位解缠绕，使干涉图的干涉相位从条纹状变成连续相位，获得真实相位值；
对真实相位值，通过相位差和距离差的关系，反演出目标物体的位置变化的距离信息，目标物体的位置变化的距离信息为目标物体距干涉雷达的距离变化信息。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，将两个三维轮廓图进行图像配准，获得干涉图的初始干涉相位值，包括：
使用最大相关系数法计算两个三维轮廓图在距离和方位上的偏移量，通过校准使目标物体的位置变化后的三维轮廓图在距离和方位上进行补偿，获得初始干涉相位值。
8.一种毫米波雷达的三维成像物位测量装置，其特征在于，包括：
基带信号获得模块，用于接收多个基带信号，所述基带信号是对回波信号进行转换获得的，所述回波信号是使用MIMO毫米波雷达对目标物体发射多个FMCW信号后再接收到的；
热图生成模块，用于对多个基带信号进行3D-FFT转换，获得距离数据、方向角数据和俯仰角数据，并生成距离-角度热图；
目标检测模块，用于对所述距离-角度热图进行目标检测，获得多个的检测点，从多个检测点中提取目标物体的参数数据，根据所述参数数据，获得三维点云数据，所述参数数据包括目标物体的距离数据、方向角数据和俯仰角数据；
三维轮廓图生成模块，用于根据所述三维点云数据，获得目标物体的三维轮廓图；
物位信息获得模块，用于采用干涉雷达，对目标物体的位置变化前后的两个三维轮廓图进行干涉处理，获得目标物体的物位信息，所述物位信息为位置变化的距离信息。
9.一种毫米波雷达的三维成像物位测量系统，其特征在于，包括：权利要求8所述的毫米波雷达的三维成像物位测量装置、回波信号获取模块、回波信号处理模块，其中，
回波信号获取模块，用于对目标物体发射多个FMCW信号，并接收多个回波信号，根据多个回波信号，获得多个模电的基带信号；
回波信号处理模块，用于对多个模电的基带信号进行转换，获得多个数电的基带信号。
10.如权利要求9所述的系统，其特征在于，回波信号获取模块包括MIMO毫米波雷达、发射功率放大器、接收低噪声放大器和混频单元，其中，
MIMO毫米波雷达包括压控振荡器、多个发射天线单元和多个接收天线单元，且所述发射天线单元和接收天线单元采用微带形式设计；
所述压控振荡器，用于产生发射信号；
所述发射功率放大器，分别与压控振荡器和发射天线单元连接，用于接收发射信号并放大，然后输出至发射天线单元；
所述发射天线单元，用于在接收到放大的发射信号后，发送多个FMCW信号；
所述接收天线单元，用于接收多个回波信号；
接收低噪声放大器，与接收天线单元连接，用于放大回波信号；
混频单元，用于将FMCW信号和放大的回波信号进行混频，获得模电的基带信号。
11.如权利要求10所述的系统，其特征在于，回波信号处理模块为ADC单元。
12.一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现权利要求1至7任一所述方法。
13.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现权利要求1至7任一所述方法。
14.一种计算机程序产品，其特征在于，所述计算机程序产品包括计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现权利要求1至7任一所述方法。
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