CN117008130A - 一种基于毫米波雷达的车辆目标速度变化测量方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于毫米波雷达的车辆目标速度变化测量方法及系统，涉及数字信号处理技术领域。方法包括：步骤一：产生LFMCW信号；步骤二、通过无线收发单元进行信号传递；步骤三：获得中频信号；步骤四：提取慢时间信号序列；步骤五：测量车辆目标速度变化量。系统包括信号产生单元、无线收发单元、信号去斜单元、信号校正单元、速度变化量测量单元。本发明实现了对前车速度变化量的高精度、实时的测量，将前方的车辆的速度变化以及其它信息融合及决策，进而帮助驾驶员或自动驾驶系统采取必要的合理措施，提高行车安全。
Description
技术领域
本发明涉及数字信号处理技术领域，尤其涉及一种基于毫米波雷达的车辆目标速度变化测量方法及系统。
背景技术
毫米波雷达探测范围适中，在距离和速度信息测量方面精度高且性能稳定，在常见的雾、雨、尘等天气状况下均能全天候不间断工作。同时随着近几十年来微波半导体器件工艺的进步，毫米波雷达的硬件电路成本得到有效控制，且可以实现高度集成，非常适应车载传感器轻便、易安装、低功率、低成本的需求。在高级驾驶辅助系统中，毫米波雷达被看作传感器系统中的核心传感器之一，成为车载雷达应用的主流。
目前，虽然越来越多的车辆配置了雷达探头，但是传统的傅里叶变换(FourierTransform，FT)是一种全局性变换，只能得到信号的时域或频域信息，所以该变换只适用于研究平稳信号。由于目标速度的突变会引起回波频率的跳变，是典型的非平稳信号。目前，时频分析是研究这类非平稳信号的主要手段之一，它利用以时间、频率为变量的函数来描述信号频率在时间轴上的分布。时频分析主要分为两类：线性时频分析和双线性时频分析。其中线性时频变换的代表是短时傅里叶变换(Short-Time Fourier Transform，STFT)，虽然STFT计算量小，容易实现，但受到窗函数的制约，其时间分辨率和频率分辨率不能同时达到最佳。为了克服STFT的缺点，双线性时频分析方法逐步被提出。其中典型的双线性变换时是魏格纳维尔分布(Wigner-Ville Distribution，WVD)，虽然解决了STFT中窗函数带来的问题，但该方法在分析多分量信号时会不可避免地产生交叉项，造成严重干扰。为了克服这个缺点，伪魏格纳-维尔分布和平滑伪魏格纳-维尔分布概念随后被提出，虽然抑制了交叉项的干扰但是以信号的时频分辨率、算法的运算复杂度为代价。因此需要一种高灵敏、高精度车辆目标速度变化的测量方法，为驾驶人员或智能系统平台制动决策提供及时、准确的信息，避免追尾等事故的发生概率和危害程度。
模糊函数(Ambiguity Function，AF)可以看作是信号能量的分解，因为当它在(θ,τ)平面上积分时，得到的是信号的能量。模糊函数和WVD通过两次傅里叶变换可实现相互转换。根据互模糊项峰值位置和频率差之间的对应关系，对互模糊项的峰值进行搜索并估计频率。针对自模糊项旁瓣对于互模糊项峰值位置偏移导致估计误差较大的现象，在时域内利用合适的窗函数来抑制自模糊项的旁瓣，提高速度变化量的估计的精度。
目前商业化的车载毫米波雷达主要是基于线性调频连续波(Linear FrequencyModulated Continuous Wave,LFMCW)体制，该体制具有信号产生简单、发射功率较低、抗干扰能力强等优点。LFMCW波形主要分为三角波和锯齿波两种，其中多周期快扫频的锯齿波波形又因为其优越的距离/多普勒分辨性能，更为容易的硬件实现，且没有多目标配对问题成为了车载雷达领域较为成熟主流的雷达波形。
针对上面提到的情况以及实际应用需求，本发明提出了基于毫米波雷达的车辆目标速度变化测量的方法，可以实现当前车发生减速或紧急制动时，能够在尽可能短的时间内对其减速状态进行实时检测、并准确估计其速度变化量。该方法采用LFMCW锯齿波信号，针对回波的慢时间信号序列，利用模糊函数中互模糊项与速度变化量的关系实现车辆目标速度变化的高灵敏、高精度测量。在此基础之上，将获取的车辆目标的速度变化信息传输给智能系统平台，智能系统平台将信息融合、决策分析和判断车辆驾驶模式和将要执行的操作。该方法可以为驾驶人员或智能系统平台制动决策提供及时、准确的信息，可有效避免追尾等事故的发生概率和危害程度。
因此，提出一种基于毫米波雷达的车辆目标速度变化测量方法及系统，来解决现有技术存在的困难，是本领域技术人员亟需解决的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种基于毫米波雷达的车辆目标速度变化测量方法及系统，可以通过采用LFMCW锯齿波信号，针对回波的慢时间信号序列，利用模糊函数中互模糊项与速度变化量的关系实现车辆目标速度变化的高灵敏、高精度测量。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种基于毫米波雷达的车辆目标速度变化测量方法，应用于基于毫米波雷达的车辆目标速度变化测量系统，包括以下步骤：
S1、信号生成步骤：信号产生单元生成LFMCW信号，并将LFMCW信号分为两路，一路传输至无线收发单元，另一路传输至信号去斜单元；
S2、信号收发步骤：无线收发单元，一方面将产生的LFMCW信号发射，另一方面接收目标散射的回波信号再传输至信号去斜单元进行处理；
S3、中频信号获得步骤：信号去斜单元将发射信号作为本振信号，将目标散射的回波信号去斜为中频信号，并将中频信号传输至信号校正单元；
S4、慢时间信号序列提取步骤：信号校正单元对中频信号距离徙动校正并提取慢时间信号序列；将提取的慢时间信号序列传输至速度变化测量单元；
S5、速度变化量测量步骤：速度变化测量单元根据速度与多普勒之间的关系计算前车目标的速度变化量。
一种基于毫米波雷达的车辆目标速度变化测量系统，执行上述的一种基于毫米波雷达的车辆目标速度变化测量方法，包括：信号产生单元、无线收发单元、信号去斜单元、信号校正单元、速度变化量测量单元；
信号产生单元与无线收发单元的输入端、信号去斜单元的输入端分别连接，信号产生单元用于生成LFMCW信号，并将LFMCW信号分为两路，一路传输至无线收发单元，另一路传输至信号去斜单元；
无线收发单元，与信号去斜单元的输入端连接，用于LFMCW信号的发射和接收，一方面将产生的LFMCW信号发射，另一方面接收目标散射的回波信号再传输至信号去斜单元进行处理；
信号去斜单元，与信号校正单元的输入端连接，用于将发射信号作为本振信号，将目标散射的回波信号去斜为中频信号，并将中频信号传输至信号校正单元；
信号校正单元，与速度变化量测量单元的输入端连接，用于对中频信号距离徙动校正并提取慢时间信号序列；将提取的慢时间信号序列传输至速度变化测量单元；
速度变化测量单元，用于利用慢时间信号序列提取前车目标的速度变化量。
上述的系统，可选的，信号产生单元，用于发射信号的LFMCW调制，得到LFMCW信号，通过耦合器将LFMCW信号分两路传输，一路通过功率放大器传输至无线收发单元的发射天线，另一路作为信号去斜单元的本振信号。
上述的系统，可选的，无线收发单元包括发射天线和接收天线，用于发射和接收信号，待发射的LFMCW信号传输至发射天线后向当前车辆前部发出，接收天线对前车目标的后向散射回波进行接收。
上述的系统，可选的，信号去斜单元，用于将接收到的目标散射的回波信号通过LNA放大后，并利用LFMCW信号对放大后的回波信号进行去斜处理得到中频信号，最后利用中频放大器对中频信号进一步放大。
上述的系统，可选的，速度变化测量单元，用于将前车目标的速度变化量传输至智能系统平台。
上述的系统，可选的，速度变化量测量单元基于慢时间信号序列，利用模糊函数与频率差的关系测量前车目标的速度变化量。
上述的系统，可选的，将提取的慢时间信号序列先利用窗函数加权，对加窗后的慢时间信号序列作模糊函数；在τ＝Ts/2处对模糊函数作切片，寻找峰值点的坐标估计频率的变化，最后根据速度与多普勒之间的关系计算前车目标的速度变化量。
经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明提供了一种基于毫米波雷达的车辆目标速度变化测量方法及系统，具有以下有益效果：
1)毫米波雷达在常见的雾、雨、尘等天气状况下均能全天候不间断工作；
2)LFMCW信号具有信号产生简单、发射功率较低、抗干扰能力强等优点；
3)加窗后慢时间信号序列的模糊函数可以有效降低副瓣，满足了对前车速度变化测量的高精度的要求；
4)峰值点的检测只需一维搜索减少了运算的时间，满足对前车速度变化测量的高灵敏的要求；
5)为驾驶人员或智能系统平台制动决策提供及时、准确的信息，可有效避免追尾等事故的发生概率和危害程度；该方法在有人/无人驾驶汽车中具有较高的应用价值。
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，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本发明公开的一种基于毫米波雷达的车辆目标速度变化测量系统结构图；
图2为本发明公开的一种基于毫米波雷达的车辆目标速度变化测量方法流程图；
图3为本发明公开的LFMCW锯齿波信号示意图；
图4为本发明公开的速度变化快速测量细节流程图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本申请中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
参照图2，本发明公开了一种基于毫米波雷达的车辆目标速度变化测量方法，应用于基于毫米波雷达的车辆目标速度变化测量系统，包括以下步骤：
S1、信号生成步骤：信号产生单元生成LFMCW信号，并将LFMCW信号分为两路，一路传输至无线收发单元，另一路传输至信号去斜单元；
S2、信号收发步骤：无线收发单元，一方面将产生的LFMCW信号发射，另一方面接收目标散射的回波信号再传输至信号去斜单元进行处理；
S3、中频信号获得步骤：信号去斜单元将发射信号作为本振信号，将目标散射的回波信号去斜为中频信号，并将中频信号传输至信号校正单元；
S4、慢时间信号序列提取步骤：信号校正单元对中频信号距离徙动校正并提取慢时间信号序列；将提取的慢时间信号序列传输至速度变化测量单元；
S5、速度变化量测量步骤：速度变化测量单元根据速度与多普勒之间的关系计算前车目标的速度变化量。
参照图1所示，一种基于毫米波雷达的车辆目标速度变化测量系统，执行上述的一种基于毫米波雷达的车辆目标速度变化测量方法，包括：信号产生单元、无线收发单元、信号去斜单元、信号校正单元、速度变化量测量单元；
信号产生单元与无线收发单元的输入端、信号去斜单元的输入端分别连接，信号产生单元用于生成LFMCW信号，并将LFMCW信号分为两路，一路传输至无线收发单元，另一路传输至信号去斜单元；
无线收发单元，与信号去斜单元的输入端连接，用于LFMCW信号的发射和接收，一方面将产生的LFMCW信号发射，另一方面接收目标散射的回波信号再传输至信号去斜单元进行处理；
信号去斜单元，与信号校正单元的输入端连接，用于将发射信号作为本振信号，将目标散射的回波信号去斜为中频信号，并将中频信号传输至信号校正单元；
信号校正单元，与速度变化量测量单元的输入端连接，用于对中频信号距离徙动校正并提取慢时间信号序列；将提取的慢时间信号序列传输至速度变化测量单元；
速度变化测量单元，用于利用慢时间信号序列提取前车目标的速度变化量。
进一步的，信号产生单元，用于发射信号的LFMCW调制，得到LFMCW信号，通过耦合器将LFMCW信号分两路传输，一路通过功率放大器传输至无线收发单元的发射天线，另一路作为信号去斜单元的本振信号。
具体的，信号产生单元包括信号发生器、数字/模拟转换器、压控振荡器；信号发生器产生的锯齿波信号，使用数字/模拟转换器将生成的锯齿波信号转换为模拟信号，将模拟信号传输到压控振荡器(Voltage-Controlled Oscillator,VCO)进行调制，完成LFMCW信号的调制过程，得到LFMCW信号。LFMCW波形示意图如图3所示。
进一步的，无线收发单元包括发射天线和接收天线，用于发射和接收信号，待发射的LFMCW信号传输至发射天线后向当前车辆前部发出，接收天线对前车目标的后向散射回波进行接收。
具体的，当前车发生减速或紧急制动时，由于速度变化很快可认为前车目标的速度由v1在某个时刻突变到v2，速度变化前后对应的多普勒频率分别为f1和f2，则回波的慢时间信号序列s(t)在0≤t＜T1时间内的表达式为s1(t)＝exp(j2πf1t)，在T1≤t＜T1+T2时间内的表达式为s2(t)＝exp(j2πf2t)，其中，T1和T2分别为速度变化前后的回波观测时间。将回波的慢时间信号序列代入模糊函数表达式可得：
AFs(θ,τ)＝AF11+AF12+AF21+AF22 ①
公式①中，AFs(θ,τ)表示信号S(t)的模糊函数，τ表示时间延迟，θ为表示频率延迟，AF11与AF22表示Si(t)(i＝1,2)自身产生的模糊项即自模糊项，AF22与AF22则表示Si(t)与Sj(t)(i,j＝1,2，i≠j)产生的模糊项即互模糊项。
由于自模糊项的模|AF11|与|AF22|对应的信号具有相同的频率成分，故自模糊项的θ中心为0，|AF11|与|AF22|变量τ的取值范围分别为|τ|≤T1、|τ|≤T2。由于频谱泄露，对于固定的时延τ自模糊项并不会在θ＝0处形成一个冲激而是以θ＝0为中心的sinc函数；随着|τ|的增大，峰值的模线性减小至0。由于两个互模糊项的模关于中心对称，只需对其中一个分析。互模糊项的模|AF21|的中心对应于信号不同频率成分的频率差，τ的取值范围为0≤τ≤Ts，故确定互模糊项峰值位置即可确定前车目标的速度变化。与自模糊项类似，对于固定的时延τ，互模糊项为峰值点在的sinc函数。假设Tmin＝min(T1,T2)，Tmax＝max(T1,T2),Ts＝T1+T2，则|AF21|在取峰值时τ的取值范围为Tmin≤τ≤Tmax。综合分析速度变化前后观测时间,|AF21|均在τ＝Ts/2处取得最大值为Tmin。故沿着τ为Ts/2作切片，θ＞0时峰值点的位置即由于速度变化产生的频率差，根据频率差就可以计算出前车目标的速度变化量。由于在速度变化前后观测时间不同时，沿着τ为Ts/2作切片自模糊项不为零，其旁瓣会对互模糊项的峰值点造成偏移，故在对慢时间信号序列作模糊函数之前首先在时域上加窗以降低自模糊函数的旁瓣影响，可抑制自模糊项对互模糊项的干扰。速度变化快速测量细节流程图如图4所示。
进一步的，信号去斜单元，用于将接收到的目标散射的回波信号通过LNA放大后，并利用LFMCW信号对放大后的回波信号进行去斜处理得到中频信号，最后利用中频放大器对中频信号进一步放大。
进一步的，速度变化测量单元，用于将前车目标的速度变化量传输至智能系统平台。
进一步的，速度变化量测量单元基于慢时间信号序列，利用模糊函数与频率差的关系测量前车目标的速度变化量。
具体的，速度变化测量单元根据目标速度v与多普勒频率fd之间的关系(即fd＝2v/λ，λ为雷达波长)计算前车目标的速度变化量
更进一步的，在此基础之上，可将测量的速度变化量传输至智能系统平台，为有人/无人驾驶汽车提供必要的辅助信息；
进一步的，将提取的慢时间信号序列先利用窗函数加权，对加窗后的慢时间信号序列作模糊函数；在τ＝Ts/2处对模糊函数作切片，寻找峰值点的坐标估计频率的变化，最后根据速度与多普勒之间的关系计算前车目标的速度变化量。
具体的，在回波在慢时间维上，雷达与目标的距离是有差别的，当差别大于距离分辨率时，目标信息会表现在不同的距离单元里，产生距离徙动。对这部分距离徙动量，要加以校正。为了在慢时间维上对回波处理，需要对校正后的信号距离压缩并提取慢时间信号序列。
提取慢时间信号序列的方法：对放大后的中频信号ADC转换并距离徙动校正，对校正后的信号距离压缩并提取慢时间信号序列。
在一个具体实施例中，本发明提出的一种基于毫米波雷达的车辆目标速度变化测量方法，包括：
S1、信号生成步骤：将信号发生器产生锯齿波信号，使用数字模拟转换器转换为模拟信号；再将模拟信号传输到压控振荡器(Voltage-Controlled Oscillator,VCO)进行调制，最终得到特定频率范围的LFMCW锯齿波信号；
S2、信号收发步骤：生成的LFMCW锯齿波信号经过发射天线从车辆的前部发出，当电磁波遇到目标后产生后向散射回波并由接收天线接收；
S3、中频信号获得步骤：将从天线接收回来的后向散射回波信号通过低噪声放大器放大，并对信号去斜处理得到第一中频信号，最后利用中频放大器对中频信号进一步放大，得到第二中频信号；
S4、慢时间信号序列提取步骤：对第二中频信号ADC转换并距离徙动校正，对校正后的信号距离压缩并提取慢时间信号序列；
S5、速度变化量测量步骤：将提取的慢时间信号序列加权、作模糊函数；寻找模糊函数峰值点的坐标估计频率的变化，最后根据速度与多普勒之间的关系计算前车目标的速度变化量。
本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于系统或系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述得比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。以上所描述的系统及系统实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (8)
1.一种基于毫米波雷达的车辆目标速度变化测量方法，其特征在于应用于基于毫米波雷达的车辆目标速度变化测量系统，包括以下步骤：
S1、信号生成步骤：信号产生单元生成LFMCW信号，并将LFMCW信号分为两路，一路传输至无线收发单元，另一路传输至信号去斜单元；
S2、信号收发步骤：无线收发单元，一方面将产生的LFMCW信号发射，另一方面接收目标散射的回波信号再传输至信号去斜单元进行处理；
S3、中频信号获得步骤：信号去斜单元将发射信号作为本振信号，将目标散射的回波信号去斜为中频信号，并将中频信号传输至信号校正单元；
S4、慢时间信号序列提取步骤：信号校正单元对中频信号距离徙动校正并提取慢时间信号序列；将提取的慢时间信号序列传输至速度变化测量单元；
S5、速度变化量测量步骤：速度变化测量单元根据速度与多普勒之间的关系计算前车目标的速度变化量。
2.一种基于毫米波雷达的车辆目标速度变化测量系统，其特征在于，执行权利要求1所述的一种基于毫米波雷达的车辆目标速度变化测量方法，包括：信号产生单元、无线收发单元、信号去斜单元、信号校正单元、速度变化量测量单元；
信号产生单元与无线收发单元的输入端、信号去斜单元的输入端分别连接，信号产生单元用于生成LFMCW信号，并将LFMCW信号分为两路，一路传输至无线收发单元，另一路传输至信号去斜单元；
无线收发单元，与信号去斜单元的输入端连接，用于LFMCW信号的发射和接收，一方面将产生的LFMCW信号发射，另一方面接收目标散射的回波信号再传输至信号去斜单元进行处理；
信号去斜单元，与信号校正单元的输入端连接，用于将发射信号作为本振信号，将目标散射的回波信号去斜为中频信号，并将中频信号传输至信号校正单元；
信号校正单元，与速度变化量测量单元的输入端连接，用于对中频信号距离徙动校正并提取慢时间信号序列；将提取的慢时间信号序列传输至速度变化测量单元；
速度变化测量单元，用于利用慢时间信号序列提取前车目标的速度变化量。
3.根据权利要求2所述的一种基于毫米波雷达的车辆目标速度变化测量系统，其特征在于，
信号产生单元，用于发射信号的LFMCW调制，得到LFMCW信号，通过耦合器将LFMCW信号分两路传输，一路通过功率放大器传输至无线收发单元的发射天线，另一路作为信号去斜单元的本振信号。
4.根据权利要求2所述的一种基于毫米波雷达的车辆目标速度变化测量系统，其特征在于，
无线收发单元包括发射天线和接收天线，用于发射和接收信号，将待发射的LFMCW信号传输至发射天线后向当前车辆前部发出，并由接收天线对前车目标的后向散射回波进行接收。
5.根据权利要求2所述的一种基于毫米波雷达的车辆目标速度变化测量系统，其特征在于，
信号去斜单元，用于将接收到的目标散射的回波信号通过LNA放大后，并利用LFMCW信号对放大后的回波信号进行去斜处理得到中频信号，最后利用中频放大器对中频信号进一步放大。
6.根据权利要求2所述的一种基于毫米波雷达的车辆目标速度变化测量系统，其特征在于，
速度变化测量单元，用于将前车目标的速度变化量传输至智能系统平台。
7.根据权利要求2所述的一种基于毫米波雷达的车辆目标速度变化测量系统，其特征在于，
速度变化量测量单元基于慢时间信号序列，利用模糊函数与频率差的关系测量前车目标的速度变化量。
8.根据权利要求7所述的一种基于毫米波雷达的车辆目标速度变化测量系统，其特征在于，
将提取的慢时间信号序列先利用窗函数加权，对加窗后的慢时间信号序列作模糊函数；在τ＝Ts/2处对模糊函数作切片，寻找峰值点的坐标估计频率的变化，最后根据速度与多普勒之间的关系计算前车目标的速度变化量。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202310980077.9A CN117008130A (zh) | 2023-08-04 | 2023-08-04 | 一种基于毫米波雷达的车辆目标速度变化测量方法及系统 |
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202310980077.9A CN117008130A (zh) | 2023-08-04 | 2023-08-04 | 一种基于毫米波雷达的车辆目标速度变化测量方法及系统 |
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| CN117008130A true CN117008130A (zh) | 2023-11-07 |
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