CN107831489A - 一种连续波4d雷达及其测量多目标方法 - Google Patents

一种连续波4d雷达及其测量多目标方法 Download PDF

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汪志冰
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Abstract

本发明公开了一种连续波4D雷达及其测量多目标方法，连续波4D雷达包括位于同一个平面内的发射天线、两个并列设置的水平接收天线和两个并列设置的垂直接收天线，利用发射天线的发射通道交替发射三角波调频和定频连续波，在定频连续波时间段，用四个接收天线综合计算出多个目标的水平角度、垂直角度和速度，在三角波调频时间段，利用四个接收天线综合计算出多个目标的距离和速度，最终综合得到多目标的水平角度、垂直角度、距离和速度四个参数。本发明的雷达装置利用一个发射天线可以同时探测多个目标的速度、距离、水平方位和垂直方位四个参数，实现了真正的4D雷达。设备结构紧凑、成本低。

Description

一种连续波4D雷达及其测量多目标方法
技术领域
本发明属于雷达技术领域，涉及一种多目标雷达，具体涉及一种连续波4D雷达及其测量多目标方法。
背景技术
随着智慧交通和自动驾驶技术的发展，对交通探测雷达有了更多的需求。比如自动驾驶中的车载前向探测雷达，需要准确、及时地探测出车辆前方的各种目标及其特性，不但要探测运动目标，如前方的运动车辆，还要及时探测出道路上方的目标，如桥梁、广告牌、立交桥不同层的车辆等。为适应自动驾驶的需求，尽早、及时地发现各种目标是一种迫切需求，而且还要求能尽早的区分桥梁、广告牌、立交桥不同层的车辆与道路上的障碍物和行驶的车辆，这就需要确定目标的距离、方位、高度和速度。民用无人机的运行和管理就更需要知道目标的距离、方位、高度和速度。这些应用场合不仅要求探测设备能及时得到目标的三坐标和速度信息，还要求结构紧凑、安装方便、成本低。
微波及毫米波雷达是常用的雷达技术，国内外现有的汽车雷达测量***中，常采用调频连续波(FMCW)雷达作为前端检测传感器。
专利“201610099252.3一种调频连续波测速测距方法”和专利“201610773300.2基于对称三角LFMCW雷达的多目标测速测距”公开了FMCW雷达测速测距方法，专利“201510654175.9一种汽车防撞雷达***及采用其的多目标识别算法”和专利“201610812089.0一种线性调频连续波雷达多运动目标匹配”公开了FMCW雷达检测多目标的方法。但这些专利涉及的都是只能测量速度和距离的雷达，不能测量方位和高度，可简称为2D雷达。
专利“201410171083.0双接收天线的汽车防撞雷达***及运行方法”采用双接收天线来测量目标的距离、速度和角度信息。其角度信息依据两个天线测得的距离差及两个接收天线的间距来计算，实际当中由于两个接收天线的间距要小于距离测量误差，因而其测角误差很大。专利“201610098711.6基于测距测角测速相结合的多车道雷达测速方法及装置”的雷达装置可以有效的测量目标的速度、距离和水平角度，但是不能测量目标的垂直角度或高度，可简称为3D雷达。
军事和航空、航天上使用的三坐标雷达在水平方向(方位角)上机械扫描，垂直方向(高低角)上进行电扫描，可获得目标的距离、方位和高度信息，根据不同时间的目标位置计算目标的速度。这种雷达***复杂、设备庞大、成本高昂，不适于智慧交通和自动驾驶应用。
专利“US2015/0102954A1 4-DIMENSIONAL CONTINUOUS WAVE RADAR SYSTEM FORTRAFFIC SAFETY ENFORCEMENT(一种用于交通安全强制规定的四维连续波雷达***)”公开了一种可以测量目标的速度、距离、方位和高度的雷达装置，可简称为4D雷达。该专利描述的雷达装置实际上是采用两部3D雷达进行位置匹配实现4D雷达，并且是对单目标进行匹配，当有多个目标时，很容易匹配模糊，形成虚假目标或是目标遗漏，同时由于采用两部雷达，也会造成成本和体积的升高。
发明内容
本发明的目的是克服上述各种技术的不足，提供一种简单的单一雷达实现4D多目标探测。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
一种连续波4D雷达，其特征在于：包括位于同一个平面内的发射天线和四个接收天线，四个接收天线分两组设于以发射天线为原点的X轴线上和Y轴线上，位于X轴线上的为两个并列设置的水平接收天线，位于Y轴线上的为两个并列设置的垂直接收天线，发射天线和接收天线均采用平面阵列天线，所述发射天线的发射通道交替发射三角波调频和定频连续波，在定频连续波时间段，利用两个水平接收天线和两个垂直接收天线综合计算出多个目标的水平角度、垂直角度和速度，在三角波调频时间段，利用两个水平接收天线和两个垂直接收天线综合计算出多个目标的距离和速度，最终综合得到多目标的水平角度、垂直角度、距离和速度四个参数。
作为改进，三角波调频时间段和定频连续波时间段的比值范围为1:3-3:1。
作为改进，两个并列设置的水平接收天线之间距离为5-25mm。
作为改进，两个并列设置的垂直接收天线之间距离为6-35mm。
作为改进，包括位于同一个平面内的发射天线、两个并列设置的水平接收天线和两个并列设置的垂直接收天线，利用发射天线的发射通道交替发射三角波调频和定频连续波，在定频连续波时间段t1，用两个水平接收天线和两个垂直接收天线综合计算出多个目标的水平角度、垂直角度和速度，在三角波调频时间段，分为上扫频时间段t2和下扫频时间段t3，利用两个水平接收天线和两个垂直接收天线综合计算出多个目标的距离和速度，最终综合得到多目标的水平角度、垂直角度、距离和速度四个参数。
作为改进，在定频连续波时间段t1，利用两个水平接收天线和两个垂直接收天线综合计算出多个目标的水平角度、垂直角度和速度的具体方法为：
根据多普勒频移原理和双天线测角原理，利用两个水平接收天线测出多个目标的速度{Vhd1,Vhd2,Vhd3…,Vhdn}和水平角度{αh1,αh2,αh3…,αhn}，n为自然数，表示目标数量，利用两个垂直接收天线测出多个目标的速度{Vvd1,Vvd2,Vvd3…,Vvdn}和垂直角度{θv1,θv2,θv3…,θvn}，
一般目标距离R远大于天线尺寸，因此对于第一个目标取：
目标速度：Vcd1＝(Vhd1+Vvd1)/2
目标水平角度：α1＝αh1
目标垂直角度：θ1＝θv1
依次类推，得到：
多目标速度：Vcd＝{Vcd1,Vcd2,…,Vcdn}
多目标水平角度：α＝{α1,α2,…,αn}
多目标垂直角度：θ＝{θ1,θ2,…θn}。
作为改进，在三角波调频时间段，利用两个水平接收天线和两个垂直接收天线综合计算出多个目标的距离和速度的具体方法为：
在上扫频时间段t2和下扫频时间段t3内，利用两个水平接收天线测出多个目标的上扫频段频差{ΔfhU1,ΔfhU2,ΔfhU3…,ΔfhUn}和下扫频段频差{ΔfhD1,ΔfhD2,ΔfhD3…,ΔfhDn}；利用两个垂直接收天线测出多个目标的上扫频段频差{ΔfvU1,ΔfvU2,ΔfvU3…,ΔfvUn}和下扫频段频差{ΔfvD1,ΔfvD2,ΔfvD3…,ΔfvDn}；
对于单目标的情况，根据上扫频时间段t2测出的频差ΔfU1和下扫频时间段t3测出的频差ΔfD1可以计算出目标的距离和速度：
ΔfU1＝(ΔfhU1+ΔfvU1)/2 公式一
ΔfD1＝(ΔfvD1+ΔhvD1)/2 公式二
其中c为光速，f1为扫频的最小频率，f2为扫频最大频率，对于单目标：Vd＝Vmd＝Vcd，R＝Rm，这样就得到目标的四个运动参数速度Vd、距离R、水平角度α和垂直角度θ；
对于多目标：利用公式三和公式四计算距离和速度时产生n2个组合，其中只有n个是真正的目标，其余为虚假目标，利用{ΔfhU1,ΔfhU2,ΔfhU3…,ΔfhUn}和{ΔfhD1,ΔfhD2,ΔfhD3…,ΔfhDn}逐一用公式三和公式四计算得到：
水平天线距离矩阵
水平天线速度矩阵
利用{ΔfvU1,ΔfvU2,ΔfvU3…,ΔfvUn}和{ΔfvD1,ΔfvD2,ΔfvD3…,ΔfvDn}逐一用公式三和公式四计算得到：
垂直天线距离矩阵
垂直天线速度矩阵
对于同一目标，Rh＝Rv＝R，Vhd＝Vvd＝Vcd＝Vd；
考虑测量误差，针对距离和速度分别设定一个误差范围ΔR和ΔV，将Rh和Rv进行比对满足|Rh-Rv|≤ΔR，则取该值作为真实距离R；将Vhd、Vvd和Vcd进行比对满足两两之间差值小于或等于ΔV，则取该值作为真实的速度Vd；并利用Vcd与α和θ之间对应关系得到n个真实目标的四维参数：
Vd＝{Vd1,Vd2,…,Vdn}
R＝{R1,R2,…,Rn}
α＝{α1,α2,…,αn}
θ＝{θ1,θ2,…θn}
通过坐标变换即可得n个目标的速度和X、Y、Z坐标。
作为改进，上述得到的目标速度Vd是目标速度在雷达天线平面法线方向的一个投影速度，将一个扫频周期定义为一帧，在每一帧都得到n个目标的四维参数，根据连续m帧的m组三坐标参数就可以计算出每个目标的运动方向以及目标运动方向与雷达天线平面法线之间的夹角β＝{β1,β2,…,βn}，根据公式V＝Vd/cosβ就可以计算出目标的真实速度V＝{V1,V2,…,Vn}。
本发明的有益效果是：
本发明的雷达装置利用一个雷达可以探测多个目标的速度、距离、水平方位和垂直方位四个参数，实现了真正的4D雷达。采用平板矩阵天线和调频连续波工作方式，设备结构紧凑、运算量不大、成本低，可以广泛应用于智慧交通、自动驾驶、近距离低空探测等领域。
附图说明
图1连续波4D多目标雷达示意图。
100-发射天线(含发射通道)，111-第一水平接收天线(含接收通道)，112-第二水平接收天线(含接收通道)，121-第一垂直接收天线(含接收通道)，122-第二垂直接收天线(含接收通道)，200-待探测目标，R-待探测目标与雷达的距离，α-待探测目标水平方向角度，即目标在天线所在平面XOY上的投影跟原点连线与X轴的夹角，θ-待探测目标垂直方向角度，即为目标跟原点(发射天线中点)连线与天线所在平面XOY的夹角，
图2发射通道发射的调频波形。
图3连续波4D多目标雷达方框图。
图中：LNA为低噪声放大器，PA为功率放大器，IF为中频放大、滤波，ADC为模数转换器，X4为4倍频器，Synth为频率综合器，Generator为调频信号发生器。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行举例说明，如图1所示，一种连续波4D雷达，包括位于同一个平面内的发射天线和四个接收天线，四个接收天线分两组设于以发射天线为原点的X轴线上和Y轴线上，位于X轴线上的为两个并列设置的水平接收天线，位于Y轴线上的为两个并列设置的垂直接收天线，发射天线和接收天线均采用平面阵列天线，所述发射天线的发射通道交替发射三角波调频和定频连续波，在定频连续波时间段，利用两个水平接收天线和两个垂直接收天线综合计算出多个目标的水平角度、垂直角度和速度，在三角波调频时间段，利用两个水平接收天线和两个垂直接收天线综合计算出多个目标的距离和速度，最终综合得到多目标的水平角度、垂直角度、距离和速度四个参数。
作为一种更优举例，三角波调频时间段和定频连续波时间段的比值范围为1:3-3:1。
作为一种更优举例，两个并列设置的水平接收天线之间距离为5-25mm。
作为一种更优举例，两个并列设置的垂直接收天线之间距离为6-35mm。
一种连续波4D雷达测量多目标方法，包括位于同一个平面内的发射天线、两个并列设置的水平接收天线和两个并列设置的垂直接收天线，利用发射天线的发射通道交替发射三角波调频和定频连续波，交替三角波调频和定频连续波组合波形图如图2所示。
测量步骤和原理：
在定频连续波时间段t1，根据多普勒频移原理和双天线测角原理，利用两个水平接收天线测出多个目标的速度{Vhd1,Vhd2,Vhd3…,Vhdn}和水平角度{αh1,αh2,αh3…,αhn}，n为自然数，表示目标数量，利用两个垂直接收天线测出多个目标的速度{Vvd1,Vvd2,Vvd3…,Vvdn}和垂直角度{θv1,θv2,θv3…,θvn}，
一般目标距离R远大于天线尺寸，因此对于第一个目标取：
目标速度：Vcd1＝(Vhd1+Vvd1)/2
目标水平角度：α1＝αh1
目标垂直角度：θ1＝θv1
依次类推，得到：
多目标速度：Vcd＝{Vcd1,Vcd2,…,Vcdn}
多目标水平角度：α＝{α1,α2,…,αn}
多目标垂直角度：θ＝{θ1,θ2,…θn}。
在三角波调频的上扫频时间段t2和下扫频时间段t3内，发射波形是对称三角波，利用两个水平接收天线测出多个目标的上扫频段频差{ΔfhU1,ΔfhU2,ΔfhU3…,ΔfhUn}和下扫频段频差{ΔfhD1,ΔfhD2,ΔfhD3…,ΔfhDn}；利用两个垂直接收天线测出多个目标的上扫频段频差{ΔfvU1,ΔfvU2,ΔfvU3…,ΔfvUn}和下扫频段频差{ΔfvD1,ΔfvD2,ΔfvD3…,ΔfvDn}；
对于单目标的情况，根据上扫频时间段t2测出的频差ΔfU1和下扫频时间段t3测出的频差ΔfD1可以计算出目标的距离和速度：
ΔfU1＝(ΔfhU1+ΔfvU1)/2 公式一
ΔfD1＝(ΔfvD1+ΔhvD1)/2 公式二
其中c为光速，f1为扫频的最小频率，f2为扫频最大频率，对于单目标：Vd＝Vmd＝Vcd，R＝Rm，这样就得到目标的四个运动参数速度Vd、距离R、水平角度α和垂直角度θ；
对于多目标：利用公式三和公式四计算距离和速度时产生n2个组合，其中只有n个是真正的目标，其余为虚假目标，利用{ΔfhU1,ΔfhU2,ΔfhU3…,ΔfhUn}和{ΔfhD1,ΔfhD2,ΔfhD3…,ΔfhDn}逐一用公式三和公式四计算得到：
水平天线距离矩阵
水平天线速度矩阵
利用{ΔfvU1,ΔfvU2,ΔfvU3…,ΔfvUn}和{ΔfvD1,ΔfvD2,ΔfvD3…,ΔfvDn}逐一用公式三和公式四计算得到：
垂直天线距离矩阵
垂直天线速度矩阵
对于同一目标，Rh＝Rv＝R，Vhd＝Vvd＝Vcd＝Vd；
考虑测量误差，针对距离和速度分别设定一个误差范围ΔR和ΔV，将Rh和Rv进行比对满足|Rh-Rv|≤ΔR，则取该值作为真实距离R；将Vhd、Vvd和Vcd进行比对满足两两之间差值小于或等于ΔV，则取该值作为真实的速度Vd；并利用Vcd与α和θ之间对应关系得到n个真实目标的四维参数：
Vd＝{Vd1,Vd2,…,Vdn}
R＝{R1,R2,…,Rn}
α＝{α1,α2,…,αn}
θ＝{θ1,θ2,…θn}
通过坐标变换即可得n个目标的速度和X、Y、Z坐标。
上述得到的目标速度Vd是目标速度在雷达天线平面法线方向的一个投影速度，得到目标的真实速度，将一个扫频周期定义为一帧，在每一帧都得到n个目标的四维参数，根据连续m帧的m组三坐标参数就可以计算出每个目标的运动方向以及目标运动方向与雷达天线平面法线之间的夹角β＝{β1,β2,…,βn}，根据公式V＝Vd/cosβ就可以计算出目标的真实速度V＝{V1,V2,…,Vn}，m为自然数。
实施例1
整个雷达方框图如图3所示，天线采用图1的结构，工作频率24GHz～24.25GHz，发射天线波束宽度24°X24°，发射功率10dBm；两个水平接收天线波束宽度37°X24°，两个水平接收天线之间距离19mm；两个垂直接收天线波束宽度24°X32°，两个垂直接收天线之间距离26mm；扫频波形采用图2的波形，扫频波形参数t1＝8mS，t2＝t3＝5mS，f1＝24GHz，f2＝24.25GHz；采用前述的步骤进行速度、距离、水平方位角及垂直方位角的测量与匹配。该雷达可以在前方24°X24°的范围内探测30个以上的目标，测速范围2～250km/h，测距范围5m～100m，测距精度1m，水平测角精度0.15°，垂直测角精度0.1°。
实施例2
整个雷达方框图如图3所示，天线采用图1的结构，工作频率77GHz～78GHz，发射天线波束宽度20°X20°，发射功率10dBm；两个水平接收天线波束宽度30°X20°，两个水平接收天线之间距离6mm；两个垂直接收天线波束宽度20°X26°，两个垂直接收天线之间距离9mm；扫频波形采用图2的波形，扫频波形参数t1＝0.8mS，t2＝t3＝0.4mS，f1＝77GHz，f2＝78GHz；采用前述的步骤进行速度、距离、水平方位角及垂直方位角的测量与匹配。该雷达可以在前方20°X20°的范围内探测60个以上的目标，测速范围2～400km/h，测距范围1m～150m，测距精度0.3m，水平测角精度0.1°，垂直测角精度0.1°。

Claims (8)

1.一种连续波4D雷达，其特征在于：包括位于同一个平面内的发射天线和四个接收天线，四个接收天线分两组设于以发射天线为原点的X轴线上和Y轴线上，位于X轴线上的为两个并列设置的水平接收天线，位于Y轴线上的为两个并列设置的垂直接收天线，发射天线和接收天线均采用平面阵列天线，所述发射天线的发射通道交替发射三角波调频和定频连续波，在定频连续波时间段，利用两个水平接收天线和两个垂直接收天线综合计算出多个目标的水平角度、垂直角度和速度，在三角波调频时间段，利用两个水平接收天线和两个垂直接收天线综合计算出多个目标的距离和速度，最终综合得到多目标的水平角度、垂直角度、距离和速度四个参数。
2.如权利要求1所述的一种连续波4D雷达，其特征在于：三角波调频时间段和定频连续波时间段的比值范围为1:3-3:1。
3.如权利要求1所述的一种连续波4D雷达，其特征在于：两个并列设置的水平接收天线之间距离为5-25mm。
4.如权利要求1所述的一种连续波4D雷达，其特征在于：两个并列设置的垂直接收天线之间距离为6-35mm。
5.一种连续波4D雷达测量多目标方法，其特征在于：包括位于同一个平面内的发射天线、两个并列设置的水平接收天线和两个并列设置的垂直接收天线，利用发射天线的发射通道交替发射三角波调频和定频连续波，在定频连续波时间段t1，用两个水平接收天线和两个垂直接收天线综合计算出多个目标的水平角度、垂直角度和速度，在三角波调频时间段，分为上扫频时间段t2和下扫频时间段t3，利用两个水平接收天线和两个垂直接收天线综合计算出多个目标的距离和速度，最终综合得到多目标的水平角度、垂直角度、距离和速度四个参数。
6.如权利要求5所述的一种连续波4D雷达测量多目标方法，其特征在于：在定频连续波时间段t1，利用两个水平接收天线和两个垂直接收天线综合计算出多个目标的水平角度、垂直角度和速度的具体方法为：
根据多普勒频移原理和双天线测角原理，利用两个水平接收天线测出多个目标的速度{Vhd1,Vhd2,Vhd3…,Vhdn}和水平角度{αh1,αh2,αh3…,αhn}，n为自然数，表示目标数量，利用两个垂直接收天线测出多个目标的速度{Vvd1,Vvd2,Vvd3…,Vvdn}和垂直角度{θv1,θv2,θv3…,θvn}，
一般目标距离R远大于天线尺寸，因此对于第一个目标取：
目标速度：Vcd1＝(Vhd1+Vvd1)/2
目标水平角度：α1＝αh1
目标垂直角度：θ1＝θv1
依次类推，得到：
多目标速度：Vcd＝{Vcd1,Vcd2,…,Vcdn}
多目标水平角度：α＝{α1,α2,…,αn}
多目标垂直角度：θ＝{θ1,θ2,…θn}。
7.如权利要求6所述的一种连续波4D雷达测量多目标方法，其特征在于：在三角波调频时间段，利用两个水平接收天线和两个垂直接收天线综合计算出多个目标的距离和速度的具体方法为：
在上扫频时间段t2和下扫频时间段t3内，利用两个水平接收天线测出多个目标的上扫频段频差{ΔfhU1,ΔfhU2,ΔfhU3…,ΔfhUn}和下扫频段频差{ΔfhD1,ΔfhD2,ΔfhD3…,ΔfhDn}；利用两个垂直接收天线测出多个目标的上扫频段频差{ΔfvU1,ΔfvU2,ΔfvU3…,ΔfvUn}和下扫频段频差{ΔfvD1,ΔfvD2,ΔfvD3…,ΔfvDn}；
对于单目标的情况，根据上扫频时间段t2测出的频差ΔfU1和下扫频时间段t3测出的频差ΔfD1可以计算出目标的距离和速度：
ΔfU1＝(ΔfhU1+ΔfvU1)/2 公式一
ΔfD1＝(ΔfvD1+ΔhvD1)/2 公式二
其中c为光速，f1为扫频的最小频率，f2为扫频最大频率，对于单目标：Vd＝Vmd＝Vcd，R＝Rm，这样就得到目标的四个运动参数速度Vd、距离R、水平角度α和垂直角度θ；
对于多目标：利用公式三和公式四计算距离和速度时产生n2个组合，其中只有n个是真正的目标，其余为虚假目标，利用{ΔfhU1,ΔfhU2,ΔfhU3…,ΔfhUn}和{ΔfhD1,ΔfhD2,ΔfhD3…,ΔfhDn}逐一用公式三和公式四计算得到：
水平天线距离矩阵
水平天线速度矩阵
利用{ΔfvU1,ΔfvU2,ΔfvU3…,ΔfvUn}和{ΔfvD1,ΔfvD2,ΔfvD3…,ΔfvDn}逐一用公式三和公式四计算得到：
垂直天线距离矩阵
垂直天线速度矩阵
对于同一目标，Rh＝Rv＝R，Vhd＝Vvd＝Vcd＝Vd；
考虑测量误差，针对距离和速度分别设定一个误差范围ΔR和ΔV，将Rh和Rv进行比对满足|Rh-Rv|≤ΔR，则取该值作为真实距离R；将Vhd、Vvd和Vcd进行比对满足两两之间差值小于或等于ΔV，则取该值作为真实的速度Vd；并利用Vcd与α和θ之间对应关系得到n个真实目标的四维参数：
Vd＝{Vd1,Vd2,…,Vdn}
R＝{R1,R2,…,Rn}
α＝{α1,α2,…,αn}
θ＝{θ1,θ2,…θn}
通过坐标变换即可得n个目标的速度和X、Y、Z坐标。
8.如权利要求7所述的一种连续波4D雷达测量多目标方法，其特征在于：上述得到的目标速度Vd是目标速度在雷达天线平面法线方向的一个投影速度，将一个扫频周期定义为一帧，在每一帧都得到n个目标的四维参数，根据连续m帧的m组三坐标参数就可以计算出每个目标的运动方向以及目标运动方向与雷达天线平面法线之间的夹角β＝{β1,β2,…,βn}，根据公式V＝Vd/cosβ就可以计算出目标的真实速度V＝{V1,V2,…,Vn}。
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