CN108267721A - 雷达及交通工具 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种雷达及交通工具。其中，该雷达包括：至少一个发射天线，用于发射电磁波信号，以探测交通工具周围的目标物，其中，电磁波信号的波长频段为毫米波频段；至少一个接收天线，用于接收经交通工具周围的目标物反射回来的回波信号，回波信号的波长频段为毫米波频段；其中，至少一个发射天线与至少一个接收天线排列成一个平面，以使雷达在探测交通工具周围的目标物后生成三维雷达图像。本发明解决了相关技术中以激光雷达为传感器获取汽车周围环境的三维图像数据时受天气影响大的技术问题。

Description

雷达及交通工具
技术领域
本发明涉及雷达领域，具体而言，涉及一种雷达及交通工具。
背景技术
利用安装在车上的传感器，在行驶过程中随时采集并分析汽车周围的三维图像数据，从而预先让驾驶者察觉到可能发生的危险，能够有效增加汽车驾驶的舒适性和安全性。
现有技术方案，主要用激光雷达来感知汽车周围环境。其技术原理是，通过多线激光器对汽车周围物体进行实时监测，形成高精度高实时性三维点云，重建汽车周围环境，从而实现车道偏离警告、前车防撞、行人探测等功能。然而以激光雷达为传感器来获取汽车周围环境的三维图像数据，其缺陷在于：在大雾、雨雪等环境下，激光雷达性能受到严重影响。价格昂贵，以Velodyne的HDL-64E为例，其价格近百万人民币(2016年夏季)
针对上述的问题，目前尚未提出有效的解决方案。
发明内容
本发明实施例提供了一种雷达及交通工具，以至少解决相关技术中以激光雷达为传感器获取汽车周围环境的三维图像数据时受天气影响大的技术问题。
根据本发明实施例的一个方面，提供了一种雷达，包括：至少一个发射天线，用于发射电磁波信号，以探测交通工具周围的目标物，其中，上述电磁波信号的波长频段为毫米波频段；至少一个接收天线，用于接收经上述交通工具周围的目标物反射回来的回波信号，上述回波信号的波长频段为毫米波频段，其中，上述至少一个发射天线与上述至少一个接收天线排列成一个平面，以使上述雷达在探测上述交通工具周围的目标物后生成三维雷达图像。
进一步地，上述至少一个发射天线与上述至少一个接收天线排列成一个平面包括：上述至少一个发射天线之间按照第一预定距离排列；和/或上述至少一个接收天线之间按照第二预定距离排列。
进一步地，上述雷达还包括：射频模块，与上述至少一个发射天线和上述至少一个接收天线耦合，用于处理上述至少一个发射天线发射的电磁波信号与上述至少一个接收天线接收的回波信号。
进一步地，上述射频模块包括：压控振荡器，用于产生发射信号，并将上述发射信号传输至上述至少一个发射天线，以使上述至少一个发射天线发射电磁波信号。
进一步地，上述射频模块包括：多个第一功率放大器，分别耦合至上述压控振荡器和上述至少一个发射天线发射中的每个发射天线，用于对上述压控振荡器产生的发射信号放大并将放大后的发射信号传输至上述每个发射天线进行发射；多个第二功率放大器，分别耦合至混频器和上述至少一个接收天线中的每个接收天线，用于对上述至少一个接收天线接收的回波信号进行放大，并将放大后的回波信号传输至上述混频器；上述混频器，与上述压控振荡器耦合，用于将上述压控振荡器产生的发射信号和经上述功率放大器放大后的上述至少一个接收天线接收的回波信号混频，得到混频后的回波数据。
进一步地，上述雷达还包括：信号处理模块，与上述射频模块耦合，用于接收并处理上述混频器混频后的回波数据。
进一步地，上述信号处理模块包括：变换子模块，用于将上述混频器混频后的回波数据按第一时间进行傅里叶变换，得到变换后的第一回波数据；计算子模块，用于根据上述变换后的第一回波数据确定像素点，并计算上述像素的距离历史和散射强度；生成子模块，用于根据上述距离历史和上述散射强度生成三维雷达图像。
进一步地，上述变换子模块按照以下公式将上述混频器混频后的回波数据按第一时间进行傅里叶变换，得到变换后的第一回波数据：
S(f；k,l)＝∫s(t；k,l)exp(-j2πft)dt，
其中，k表示第k个发射天线，l表示第l个接收天线，s(t；k,l)表示上述混频器混频后回波数据，其中，t表示快时间，S(f；k,l)表示上述第一回波数据。
进一步地，上述计算子模块根据上述变换后的第一回波数据确定的像素点按照以下公式计算上述距离历史：
其中，上述像素点表示为(xn,yn,zn)(n＝1,2,...,N)，定义y轴为上述交通工具运动方向矢量；x轴为上述交通工具在其与y轴垂直且在位于地平面内的方向矢量；z轴为高度方向；和表示第k个发射天线的切航向位置和高度向位置；和表示第l个接收天线的切航向位置和高度向位置；xn、yn和zn分别表示上述像素点在x、y和z轴的坐标。
进一步地，上述计算子模块根据上述变换后的第一回波数据确定的像素点按照以下公式计算散射强包括：
其中，上述像素点表示为(xn,yn,zn)(n＝1,2,...,N)，B为发射信号带宽；T表示发射信号时宽；fc表示上述雷达工作频率；c表示电磁波信号传播速度。
根据本发明实施例的另一方面，还提供了一种交通工具，包括：上述雷达，其中，上述雷达设置在上述交通工具的前端，以对上述交通工具前方的目标物进行探测。
在本发明实施例中，采用一种雷达，包括：至少一个发射天线，用于发射电磁波信号，以探测交通工具周围的目标物，其中，电磁波信号的波长频段为毫米波频段；至少一个接收天线，用于接收经交通工具周围的目标物反射回来的回波信号，回波信号的波长频段为毫米波频段；其中，至少一个发射天线与至少一个接收天线排列成一个平面，以使雷达在探测交通工具周围的目标物后生成三维雷达图像，达到了毫米波三维成像雷达采集并分析汽车周围的三维图像数据不受天气因素影响的目的，从而实现了能够在任何光照环境、任何天气环境下正常工作，并且其成本远小于激光雷达的技术效果，进而解决了相关技术中以激光雷达为传感器获取汽车周围环境的三维图像数据时受天气影响大的技术问题。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1是根据本发明实施例的一种可选的雷达的示意图；
图2是根据本实施例的一种可选的三维成像雷达的结构框图；
图3是根据本发明实施例的一种可选的射频模块的结构示意图；
图4是根据本实施例的一种可选的信号处理模块内部处理方法的流程图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，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的实施例，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，都应当属于本发明保护的范围。
需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、***、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
实施例1
根据本发明实施例，提供了一种可选的雷达实施例，图1是根据本发明实施例的一种可选的雷达的示意图，如图1所示，包括：至少一个发射天线，用于发射电磁波信号，以探测交通工具周围的目标物，其中，电磁波信号的波长频段为毫米波频段；至少一个接收天线，用于接收经交通工具周围的目标物反射回来的回波信号，回波信号的波长频段为毫米波频段，其中，至少一个发射天线与至少一个接收天线排列成一个平面，以使雷达在探测交通工具周围的目标物后生成三维雷达图像。
也即，包括一个或多个发射天线和一个或多个接收天线的雷达可以对交通工具周围的物体、行人，动物等目标物进行探测，通过该雷达发射的电磁波信号以及接收的经目标物反射回来的回波信号的波长频段为毫米波频段，由于毫米波频段的雷达工作波长短，较小的天线尺寸即能够获得较高的角度分辨率。利用毫米波雷达三维成像雷达，能够实现距离向、切航向和高度向的高分辨。此外，通过将至少一个发射天线与至少一个接收天线排列成一个平面，利用二维实孔径阵列(如图1所示)，对不同方位目标回波的相位存在差异，对其进行波束形成处理，能够实现切航向的高分辨；利用二维实孔径阵列，对不同俯仰目标回波的相位存在差异，对其进行波束形成处理，能够实现高度向的高分辨。
通过上述方式，采用一种雷达，包括：至少一个发射天线，用于发射电磁波信号，以探测交通工具周围的目标物，其中，上述电磁波信号的波长频段为毫米波频段；至少一个接收天线，用于接收经上述交通工具周围的目标物反射回来的回波信号，上述回波信号的波长频段为毫米波频段；其中，上述至少一个发射天线与上述至少一个接收天线排列成一个平面，以使上述雷达在探测上述交通工具周围的目标物后生成三维雷达图像，达到了毫米波三维成像雷达采集并分析汽车周围的三维图像数据不受天气因素影响的目的，从而实现了能够在任何光照环境、任何天气环境下正常工作，并且其成本远小于激光雷达的技术效果，进而解决了相关技术中以激光雷达为传感器获取汽车周围环境的三维图像数据时受天气影响大的技术问题。
可选地，至少一个发射天线与至少一个接收天线排列成一个平面包括：至少一个发射天线之间按照第一预定距离排列；和/或至少一个接收天线之间按照第二预定距离排列。
也即，为了达到对目标物精确地探测，可以将至少一个发射天线之间按照第一预定距离排列，至少一个接收天线之间按照第二预定距离排列，其中，第一预定距离和第二预定距离可以相同或也可以不同，例如，至少一个发射天线之间或至少一个接收天线之间间距可以小于电磁波波长的一半。毫米波三维成像雷达，可以置于汽车前方(如图1所示)，利用宽带信号形成距离向高分辨。
可选地，雷达还包括：射频模块，与至少一个发射天线和至少一个接收天线耦合，用于处理至少一个发射天线发射的电磁波信号与至少一个接收天线接收的回波信号。
具体的，如图2所示，图2是根据本实施例的一种可选的三维成像雷达的结构框图，其中，三维成像雷达包含K个发射天线和L个接收天线。射频模块配置发射信号，由发射天线发射电磁波；电磁波经由观测区域内目标物的散射，由接收天线接收目标散射信号及(即回波信号)，并由射频模块将回波信号转化后的回波数据传输至信号处理机(即信号处理模块)。射频模块的接收和发射芯片集成度高，整个雷达射频前端都可以用一个毫米波射频芯片完成，基于高集成度的雷达射频前端，整机雷达成本相对较低。
可选地，射频模块包括：压控振荡器，用于产生发射信号，并将发射信号传输至至少一个发射天线，以使至少一个发射天线发射电磁波信号。可选地，射频模块包括：多个第一功率放大器，分别耦合至压控振荡器和至少一个发射天线发射中的每个发射天线，用于对压控振荡器产生的发射信号放大并将放大后的发射信号传输至每个发射天线进行发射；多个第二功率放大器，分别耦合至混频器和至少一个接收天线中的每个接收天线，用于对至少一个接收天线接收的回波信号进行放大，并将放大后的回波信号传输至混频器；混频器，与压控振荡器耦合，用于将压控振荡器产生的发射信号和经功率放大器放大后的至少一个接收天线接收的回波信号混频，得到混频后的回波数据。
射频模块的实现方式也有很多种，在本实施例中提供了一种可选的实施方式，具体的，如图3所示，图3是根据本发明实施例的一种可选的射频模块的结构示意图；可以由压控振荡器产生发射信号，经过功率放大器由发射天线发射。接收天线接收目标回波，经过功率放大器，并与压控振荡器产生的发射信号混频，最后将混频后的雷达回波数据传输至信号处理机。
可选地，雷达还包括：信号处理模块，与射频模块耦合，用于接收并处理混频器混频后的回波数据。其中，信号处理模块(即信号处理机)内部的处理方式也有很多种，图4提供了一种可选的方式，图4是根据本实施例的一种可选的信号处理模块内部处理方法的流程图，第K个发射天线发射电磁波信号，并且被第L个接收天线接收到的雷达回波数据用s(t；k,l)表示，其中t表示快时间。
可选地，信号处理模块包括：变换子模块，用于将混频器混频后的回波数据按第一时间进行傅里叶变换，得到变换后的第一回波数据；计算子模块，用于根据变换后的第一回波数据确定像素点，并计算像素的距离历史和散射强度；生成子模块，用于根据距离历史和散射强度生成三维雷达图像。
可选地，变换子模块按照以下公式将混频器混频后的回波数据按第一时间进行傅里叶变换，得到变换后的第一回波数据：
S(f；k,l)＝∫s(t；k,l)exp(-j2πft)dt，其中，k表示第k个发射天线，l表示第l个接收天线，s(t；k,l)表示混频器混频后回波数据，其中，t表示快时间，S(f；k,l)表示第一回波数据。
可选地，计算子模块根据变换后的第一回波数据确定的像素点按照以下公式计算距离历史：
其中，像素点表示为(xn,yn,zn)(n＝1,2,...,N)，定义y轴为交通工具运动方向矢量；x轴为交通工具在其与y轴垂直且在位于地平面内的方向矢量；z轴为高度方向；和表示第k个发射天线的切航向位置和高度向位置；和表示第l个接收天线的切航向位置和高度向位置；xn、yn和zn分别表示像素点在x、y和z轴的坐标。
可选地，计算子模块根据变换后的第一回波数据确定的像素点按照以下公式计算散射强包括：
其中，像素点表示为(xn,yn,zn)(n＝1,2,...,N)，B为发射信号带宽；T表示发射信号时宽；fc表示雷达工作频率；c表示电磁波信号传播速度。
实施例2
根据本发明实施例的另一方面，还提供了一种交通工具，包括：雷达，其中，上述雷达设置在上述交通工具的前端，以对上述交通工具前方的目标物进行探测。该雷达包括：至少一个发射天线，用于发射电磁波信号，以探测交通工具周围的目标物，其中，上述电磁波信号的波长频段为毫米波频段；至少一个接收天线，用于接收经上述交通工具周围的目标物反射回来的回波信号，上述回波信号的波长频段为毫米波频段；其中，上述至少一个发射天线与上述至少一个接收天线排列成一个平面，以使上述雷达在探测上述交通工具周围的目标物后生成三维雷达图像。进一步地，上述至少一个发射天线与上述至少一个接收天线排列成一个平面包括：上述至少一个发射天线之间按照第一预定距离排列；和/或上述至少一个接收天线之间按照第二预定距离排列。进一步地，上述雷达还包括：射频模块，与上述至少一个发射天线和上述至少一个接收天线耦合，用于处理上述至少一个发射天线发射的电磁波信号与上述至少一个接收天线接收的回波信号。进一步地，上述射频模块包括：压控振荡器，用于产生发射信号，并将上述发射信号传输至上述至少一个发射天线，以使上述至少一个发射天线发射电磁波信号。进一步地，上述射频模块包括：多个第一功率放大器，分别耦合至上述压控振荡器和上述至少一个发射天线发射中的每个发射天线，用于对上述压控振荡器产生的发射信号放大并将放大后的发射信号传输至上述每个发射天线进行发射；多个第二功率放大器，分别耦合至混频器和上述至少一个接收天线中的每个接收天线，用于对上述至少一个接收天线接收的回波信号进行放大，并将放大后的回波信号传输至上述混频器；上述混频器，与上述压控振荡器耦合，用于将上述压控振荡器产生的发射信号和经上述功率放大器放大后的上述至少一个接收天线接收的回波信号混频，得到混频后的回波数据。进一步地，上述雷达还包括：信号处理模块，与上述射频模块耦合，用于接收并处理上述混频器混频后的回波数据。进一步地，上述信号处理模块包括：变换子模块，用于将上述混频器混频后的回波数据按第一时间进行傅里叶变换，得到变换后的第一回波数据；计算子模块，用于根据上述变换后的第一回波数据确定像素点，并计算上述像素的距离历史和散射强度；生成子模块，用于根据上述距离历史和上述散射强度生成三维雷达图像。进一步地，上述变换子模块按照以下公式将上述混频器混频后的回波数据按第一时间进行傅里叶变换，得到变换后的第一回波数据：S(f；k,l)＝∫s(t；k,l)exp(-j2πft)dt，其中，k表示第k个发射天线，l表示第l个接收天线，s(t；k,l)表示上述混频器混频后回波数据，其中，t表示快时间，S(f；k,l)表示上述第一回波数据。进一步地，上述计算子模块根据上述变换后的第一回波数据确定的像素点按照以下公式计算上述距离历史：其中，上述像素点表示为(xn,yn,zn)(n＝1,2,...,N)，定义y轴为上述交通工具运动方向矢量；x轴为上述交通工具在其与y轴垂直且在位于地平面内的方向矢量；z轴为高度方向；和表示第k个发射天线的切航向位置和高度向位置；和表示第l个接收天线的切航向位置和高度向位置；xn、yn和zn分别表示上述像素点在x、y和z轴的坐标。进一步地，上述计算子模块根据上述变换后的第一回波数据确定的像素点按照以下公式计算散射强包括：
其中，上述像素点表示为(xn,yn,zn)(n＝1,2,...,N)，B为发射信号带宽；T表示发射信号时宽；fc表示上述雷达工作频率；c表示电磁波信号传播速度。
通过上述方式，达到了毫米波三维成像雷达采集并分析汽车周围的三维图像数据不受天气因素影响的目的，从而实现了能够在任何光照环境、任何天气环境下正常工作，并且其成本远小于激光雷达的技术效果，进而解决了相关技术中以激光雷达为传感器获取汽车周围环境的三维图像数据时受天气影响大的技术问题。
需要说明的是，实施例2中雷达的各实施方式与实施例1中雷达的实施方式是相对应的，具体描述不再赘述，请参照实施例1中的说明。
上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。
在本发明的上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其他实施例的相关描述。
在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的技术内容，可通过其它的方式实现。其中，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如所述模块的划分，可以为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个模块或组件可以结合或者可以集成到另一个***，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，单元或模块的间接耦合或通信连接，可以是电性或其它的形式。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (11)

1.一种雷达，其特征在于，包括：
至少一个发射天线，用于发射电磁波信号，以探测交通工具周围的目标物，其中，所述电磁波信号的波长频段为毫米波频段；
至少一个接收天线，用于接收经所述交通工具周围的目标物反射回来的回波信号，所述回波信号的波长频段为毫米波频段，
其中，所述至少一个发射天线与所述至少一个接收天线排列成一个平面，以使所述雷达在探测所述交通工具周围的目标物后生成三维雷达图像。
2.根据权利要求1所述的雷达，其特征在于，所述至少一个发射天线与所述至少一个接收天线排列成一个平面包括：
所述至少一个发射天线之间按照第一预定距离排列；和/或
所述至少一个接收天线之间按照第二预定距离排列。
3.根据权利要求1所述的雷达，其特征在于，所述雷达还包括：
射频模块，与所述至少一个发射天线和所述至少一个接收天线耦合，用于处理所述至少一个发射天线发射的电磁波信号与所述至少一个接收天线接收的回波信号。
4.根据权利要求3所述的雷达，其特征在于，所述射频模块包括：
压控振荡器，用于产生发射信号，并将所述发射信号传输至所述至少一个发射天线，以使所述至少一个发射天线发射电磁波信号。
5.根据权利要求4所述的雷达，其特征在于，所述射频模块包括：
多个第一功率放大器，分别耦合至所述压控振荡器和所述至少一个发射天线发射中的每个发射天线，用于对所述压控振荡器产生的发射信号放大并将放大后的发射信号传输至所述每个发射天线进行发射；
多个第二功率放大器，分别耦合至混频器和所述至少一个接收天线中的每个接收天线，用于对所述至少一个接收天线接收的回波信号进行放大，并将放大后的回波信号传输至所述混频器；
所述混频器，与所述压控振荡器耦合，用于将所述压控振荡器产生的发射信号和经所述功率放大器放大后的所述至少一个接收天线接收的回波信号混频，得到混频后的回波数据。
6.根据权利要求5所述的雷达，其特征在于，所述雷达还包括：
信号处理模块，与所述射频模块耦合，用于接收并处理所述混频器混频后的回波数据。
7.根据权利要求6所述的雷达，其特征在于，所述信号处理模块包括：
变换子模块，用于将所述混频器混频后的回波数据按第一时间进行傅里叶变换，得到变换后的第一回波数据；
计算子模块，用于根据所述变换后的第一回波数据确定像素点，并计算所述像素的距离历史和散射强度；
生成子模块，用于根据所述距离历史和所述散射强度生成三维雷达图像。
8.根据权利要求7所述的雷达，其特征在于，所述变换子模块按照以下公式将所述混频器混频后的回波数据按第一时间进行傅里叶变换，得到变换后的第一回波数据：
S(f；k,l)＝∫s(t；k,l)exp(-j2πft)dt，
其中，k表示第k个发射天线，l表示第l个接收天线，s(t；k,l)表示所述混频器混频后回波数据，其中，t表示快时间，S(f；k,l)表示所述第一回波数据。
9.根据权利要求7所述的雷达，其特征在于，所述计算子模块根据所述变换后的第一回波数据确定的像素点按照以下公式计算所述距离历史：
其中，所述像素点表示为(xn,yn,zn)(n＝1,2,...,N)，定义y轴为所述交通工具运动方向矢量；x轴为所述交通工具在其与y轴垂直且在位于地平面内的方向矢量；z轴为高度方向；和表示第k个发射天线的切航向位置和高度向位置；和表示第l个接收天线的切航向位置和高度向位置；xn、yn和zn分别表示所述像素点在x、y和z轴的坐标。
10.根据权利要求7所述的雷达，其特征在于，所述计算子模块根据所述变换后的第一回波数据确定的像素点按照以下公式计算散射强包括：
其中，所述像素点表示为(xn,yn,zn)(n＝1,2,...,N)，B为发射信号带宽；T表示发射信号时宽；fc表示所述雷达工作频率；c表示电磁波信号传播速度。
11.一种交通工具，其特征在于，包括：权利要求1至10中任一项所述雷达，其中，所述雷达设置在所述交通工具的前端，以对所述交通工具前方的目标物进行探测。
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