CN109613474B - 一种适用于短距离车载雷达的测角补偿方法 - Google Patents

一种适用于短距离车载雷达的测角补偿方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种适用于短距离车载雷达的测角补偿方法，所述测角补偿方法基于FFT测角法，利用一种峰值序号查表法对短距离情况下方位角进行精确测量。本发明方法分为以下步骤：首先，建立短距离下目标模型和天线相对于目标的距离关系；其次，根据***要求的短距离下的距离和方位角范围与精度建立峰值序号表；接着，利用待测信号的FFT测角后序号依次与表中内容相匹配，索引得到最接近的目标单元，得到方位角信息。本发明不同于一般测角补偿方法中直接利用天线的几何关系进行补偿，它既利用FFT快速算法进行测角，提高了***的运算速度，又能够在短距离非平面波的情况下进行精确地测角补偿，同时实现了低复杂度和可靠精度。

Description

一种适用于短距离车载雷达的测角补偿方法
技术领域
本发明属于短距离雷达信号处理和汽车电子技术领域，具体是一种适用于短距离车载雷达的测角补偿方法。
背景技术
雷达的研究起始于20世纪30年代中后期，早期受到元器件的限制发展较慢，随着近年来集成电路的进步，雷达信号处理的研究变得活跃。雷达最为基本的问题是对一种物体进行检测，对其位置和速度进行跟踪，通过对目标的位置和径向速度的测量推断目标在三维空间中的运动情况。
信号的空域参数或信源位置估计也是雷达信号处理领域的重要任务之一，该技术决定了在***处理带宽内空间信号的角度估计精度、角度分辨力并影响其他相关参数精度。
空间谱是信号在空间各个方向上的能量分布，得到信号的空间谱就能得到信号的波达方向(direction-of-arrival,DOA)。空间谱估计又常称为“超高分辨谱估计”，这主要是因为空间谱估计技术具有超高的空间信号的分辨能力，能突破并进一步改善一个波束宽度内的空间不同来向信号的分辨能力。
从20世纪70年代末，在空间谱估计方面涌现了大量的研究成果和文献，其中所提出子空间分解类算法较为突出，这一种算法从处理方式上可分为两类：一类是以MUSIC为代表的噪声子空间类算法，另一类是以旋转不变子空间(ESPRIT)为代表的信号子空间类算法。这类算法的一个共同特点就是通过对阵列接收数据的数学分解，如特征分解、奇异值分解以及QR分解等，将接收数据划分为两个相互正交的子空间。
短距离雷达主要关注的是相对于雷达距离很近的物体的检测，以及对其速度的跟踪。由于目标相对于雷达的距离很近，目标反射雷达的发射天线的回波不能被等效为平行波，天线波束需要按照实际情况的球面波进行处理。在这种场景下，如果运用上述一般雷达DOA估计方法对目标的方位角进行检测，会产生无法忽略的偏差，这是因为上述方法在处理天线阵元时，假设前提是目标为远场目标，阵元为均匀线阵。因此在短距离雷达场景下，运用DOA估计方法时，需要对其进行补偿和修正。
目前，在短距离雷达场景下，一般的DOA估计算法的数学分解运算量较大，在工程实践中并不实用。因此，急需找到一种能够保证检测精度可靠的同时提高***运算速度的信号DOA估计方法。
发明内容
发明目的：针对短距离雷达在检测目标的方位角时产生无法忽略的偏差，本发明提出一种低复杂度、精度可靠的短距离车载雷达的测角补偿设计与实现方法，提高***性能。
技术方法：为实现本发明的目的，本发明所采用的技术方法是：一种适用于短距离车载雷达的测角补偿方法，所述方法的步骤包括：
(1)利用***所需的发射天线和接收天线的数目和布局，建立短距球面波情况下目标模型和天线相对于目标的距离关系；
(2)根据***要求的短距离情况下雷达检测目标的距离和方位角分辨率设置间隔，生成行代表距离信息、列代表方位角信息的N行M列的表；
(3)利用(1)中的目标模型和天线相对于目标的距离关系，生成对应表中每个单元距离与方位角信息的信号；
(4)对生成信号进行FFT测角，将FFT测角后的峰值序号填入所建立的表格中；
(5)利用待测信号参数估计得到距离与表格对应行代表的每个距离信息相匹配，直到得到距离值最接近的行；
(6)在(5)中得到的行中，利用待测信号的FFT测角后序号依次与表中内容相匹配，直到索引到两者最接近的列，得到期望单元，从中提取相应的方位角信息，对短距离下FFT测角的方位角进行修正。
进一步的，所述步骤(1)中，利用***所需的发射天线和接收天线的数目和布局，建立短距球面波情况下目标模型和天线相对于目标的距离关系，方法如下：
(1.1)短距离毫米波车载雷达***发射天线数为Nt、接收天线数为Nr，第nt根发射天线或者第nr根接收天线相对于目标的距离记为
Figure BDA0001908101740000021
或
Figure BDA0001908101740000022
其中1≤nt≤Nt,1≤nr≤Nr；
(2.2)在X-Y-Z三维坐标下，天线布阵的几何参数集为d＝[d1,d2]，2为参数集d的自由度，在三维坐标中，目标的方位角θ为目标在XY平面上投影与原点的连线相对于Y轴的夹角，俯仰角
Figure BDA0001908101740000031
为目标在XY平面上投影与原点的连线相对于目标与原点连线的夹角，以目标T与发射天线T1的径向距离r、方位角θ、俯仰角
Figure BDA0001908101740000032
为参考，发射天线间距为ht，接收天线间距为hr，若***有检测俯仰角的需求，则第一根发射天线与其他发射天线间需要有高度差记为hc，则第nt个发射天线
Figure BDA0001908101740000033
相对于目标的距离
Figure BDA0001908101740000034
和第nr个接收天线
Figure BDA0001908101740000035
相对于目标的距离
Figure BDA0001908101740000036
分别为：
Figure BDA0001908101740000037
Figure BDA0001908101740000038
将上述两个距离将记为
Figure BDA0001908101740000039
进一步的，所述步骤(2)中，根据***要求的短距离情况下距离分辨率Δr和方位角分辨率Δθ，***要求的短距离情况下起始距离r1和起始方位角θ1，设计N行M列的表，表格各行对应分辨率为Δr的距离rn＝r1+nΔr、各列对应分辨率为Δθ的方位角θm＝θ1+mΔθ，其中1≤n≤N，1≤m≤M。
进一步的，所述步骤(3)中，在测角前生成包含N个目标距离，M个目标方位角信息的雷达反射目标回波的生成信号矢量X(rn,θm)，生成信号X(rn,θm)如下式所示：
Figure BDA00019081017400000310
式中，A为发射信号幅度，A0为接收信号幅度，c为光速，fo为载波频率，rn为第n行表示的目标距离，θm为第m列表示的目标方位角，
Figure BDA00019081017400000311
表示为第nr根接收天线接收第nt根发射天线发射信号的导向矢量，导向矢量
Figure BDA00019081017400000312
由每根天线相对于目标的准确的距离
Figure BDA00019081017400000313
确定：
Figure BDA0001908101740000041
进一步的，所述步骤(4)中，将关于一个目标距离rn和一个目标方位角θm的生成信号矢量X(rn,θm)通过J点的FFT运算后找到对应的峰值序号I(rn,θm)，其过程如下式所示：
Figure BDA0001908101740000042
其中，
Figure BDA0001908101740000043
表示对{}中内容做J点FFT运算；
遍历表格的所有N行和M列，此时表格中每一个单元都填写上了对应距离rn和方位角θm信息的生成信号经过FFT之后的峰值序号I(rn,θm)。
进一步的，所述步骤(5)中，利用前端雷达***信号处理已检测出的待检测目标距离信息r，遍历生成表中n行对应的rn，通过下式提取出表格中期望单元的行信息：
Figure BDA0001908101740000044
进一步的，所述步骤(6)中，进入视野的目标反射雷达的回波信号为待测信号
Figure BDA0001908101740000045
对待测信号
Figure BDA0001908101740000046
通过J点的FFT运算后得到峰值序号：
Figure BDA0001908101740000047
通过下式取出期望单元的列信息：
Figure BDA0001908101740000048
此时的列号
Figure BDA0001908101740000049
对应的方位角
Figure BDA00019081017400000410
在短距离情况下生成的准确信号对应方位角。
有益效果：与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下有益技术效果：
本发明提出的短距离车载雷达的测角补偿设计与实现方法，与一般雷达测角方法相比，采用FFT快速算法进行方位角测量，并且能够针对短距离目标进行补偿，降低了硬件实现的复杂度的同时提高雷达检测的精准度。
附图说明
图1为本发明具体实施方式中天线阵列图；
图2为本发明具体实施方式中短距离车载雷达的目标模型；
图3为本发明中确定查表法期望单元的示意图；
图4为本发明方法与简单谱估计和直接FFT测角方法的性能对比图；
图5为本发明的流程图。
具体实施方式
下面结合具体实施案例与方式，对本发明的技术方法作进一步的介绍。
本具体实施方式中，雷达采用二发四收的天线阵列，即Nt＝2，Nr＝4。图1为天线阵列图，图中标出了发射天线间距ht＝1.5λ，接收天线间距hr＝1.0λ，两根发射天线高度差hc＝0.5λ。
本具体实施方式公开了一种适用于短距离车载雷达的测角补偿方法，包括以下步骤：
步骤1：利用***发射天线和接收天线布局关系，建立短距球面波情况下目标模型和目标与天线距离关系。图2为短距离车载雷达的目标模型，目标模型建立在XYZ三维坐标中。
短距离雷达检测目标时，目标反射的回波对于天线不能等效为平行波，天线阵列不能近似为等间隔的虚拟阵列。因此为了生成目标在所有可能的短距离范围于车载雷达中产生的真实的回波信号，需要建立短距球面波情况下目标模型，对每一根天线相对于目标的距离做精确计算。这需要利用雷达***的天线的数目和几何位置关系，而这些参数在雷达***中是易于得到的，本发明所述的短距离一般取值为0-20米。
根据图2中显示，假设2根发射天线和4根接收天线都布局在XZ平面上，天线布局参数为d1和d2，d1为第2根发射天线T2与第1根接收天线R1在X轴上的距离，d2为第2根发射天线T2与第1根接收天线R1在Z轴上的距离，此参数由天线版图设计时给出，即用两个几何参数d1和d2可描述有限个天线在三维坐标下的位置关系。以目标T与发射天线T1的径向距离r、方位角θ、俯仰角
Figure BDA0001908101740000051
为参考，计算出目标T与其他天线之间的距离。其中，方位角θ为目标在XY平面上投影与原点的连线相对于Y轴的夹角，俯仰角
Figure BDA0001908101740000061
为目标在XY平面上投影与原点的连线相对于目标与原点连线的夹角。计算结果如表1所示。
表1短距离情况下目标与各天线间距离
Figure BDA0001908101740000062
若将二发四收的天线阵列推广到Nt发Nr收的情况，计算第nt个发射天线和第nr个接收天线相对于目标的距离。仍以发射天线T1的径向距离r、方位角θ、俯仰角
Figure BDA0001908101740000063
为参考，发射天线间距为ht，接收天线间距为hr，若***有检测俯仰角的需求，则第一根发射天线与其他发射天线间需要有高度差，记为hc。则第nt个发射天线
Figure BDA0001908101740000064
相对于目标的距离
Figure BDA0001908101740000065
和第nr个接收天线
Figure BDA0001908101740000066
相对于目标的距离
Figure BDA0001908101740000067
分别为：
Figure BDA0001908101740000068
Figure BDA0001908101740000069
将上述两个距离将记为
Figure BDA00019081017400000610
其中1≤nt≤Nt,1≤nr≤Nr。
步骤2：根据***要求的短距离情况下测角的距离分辨率Δr和方位角分辨率Δθ设置间隔，距离分辨率Δr＝0.05m，距离范围为0.25m到3m；方位角分辨率Δθ＝0.1°，方位角范围为-75°到75°，生成行代表距离rn、列代表方位角θm的55行1500列的表格。其中表格行和列代表的目标距离rn和方位角θm分别为：
rn＝0.25+0.05n,n＝1,2,…,55
θm＝-75+0.1m,m＝1,2,…,1500
步骤3：利用表1中的每根天线相对目标的准确距离
Figure BDA0001908101740000071
来确定第nr根接收天线接收第nt根发射天线发射信号的导向矢量:
Figure BDA0001908101740000072
其中，计算导向矢量时，将所有的发射天线相对于目标的距离与所有接收天线相对于目标的距离带入上式即可计算出导向矢量。
其中，λ为波长。下面生成包含步骤2中每个单元的距离和方位角信息的无噪声无干扰的雷达反射目标回波的生成信号矢量，生成信号矢量X(rn,θm)如下式所示：
Figure BDA0001908101740000073
式中，A为发射信号幅度，A0为接收信号幅度，c为光速，fo为载波频率，rn为第n行表示的目标距离，θm为第m列表示的目标方位角，
Figure BDA0001908101740000074
表示为第nr根接收天线接收第nt根发射天线发射信号的导向矢量。
步骤4：将生成信号矢量X(rn,θm)通过J＝2048点的FFT运算后找到序号峰值，其过程如下式所示：
Figure BDA0001908101740000075
其中，
Figure BDA0001908101740000076
表示对{}中内容做J点FFT运算。FFT运算为离散傅里叶变换(DFT)的快速算法。
遍历表格的所有55行和1500列，此时表格中每一个单元都填写上了对应行n的距离rn和列m的方位角θm信息的生成信号经过FFT之后的峰值序号I(rn,θm)，此时已经完成了生成表的过程，此表的内容是目标在所有可能的短距离范围下无干扰无噪声地进行FFT测角后峰值序号表。生成此表格的过程只需要在配置好的车载雷达检测目标之前生成一次，表格数据保存在***中，雷达在每一次运行到检测目标方位角信息时调用。
步骤5：下面进行雷达对进入视野的目标(车辆)的检测参数的过程。雷达对进入视野的目标(车辆)进行检测，检测目标的距离参数。利用前端雷达***信号处理过程中已检测出的进入视野的待检测目标的距离信息r，遍历生成表中n行对应的rn，通过下式提取出期望单元的行信息：
Figure BDA0001908101740000081
步骤6：进入视野的目标反射雷达的回波信号为待测信号
Figure BDA0001908101740000082
对待测信号
Figure BDA0001908101740000083
通过J＝2048点的FFT运算后得到峰值序号：
Figure BDA0001908101740000084
通过下式取出期望单元的列信息：
Figure BDA0001908101740000085
此时的列号
Figure BDA0001908101740000086
对应的方位角
Figure BDA0001908101740000087
是在短距离情况下生成的准确信号对应方位角，方法更接近于目标真实的波达方向。而直接对待测信号用FFT测角后获得的方位角是在假设目标反射的平行波束的波达方向，而在短距离下目标反射的波束是球面波，因此直接FFT测角的结果误差很大，是不理想的，此时得到的最终的方位角
Figure BDA0001908101740000088
则是对直接FFT测角的误差的修正和补偿。
图3为步骤5和步骤6所阐述的表格期望单元的确定的示意图。
如图4所示，是本发明方法与简单谱估计和直接FFT测角方法的性能对比图。分别对三种方法进行不同距离上定点单目标仿真检测方位角的平均误差的蒙特卡洛仿真，其中纵坐标为方位角的平均误差，单位为度(°)，横坐标为仿真目标与雷达的距离，单位为米(m)。根据性能对比图可以得出，此方法在短距离下的测角性能上远优于简单谱估计测角和直接FFT测角。并且此方法利用FFT快速算法，提高了***的运算速度和效率。

Claims (3)

1.一种适用于短距离车载雷达的测角补偿方法，其特征在于：所述方法的步骤包括：
(1)利用***所需的发射天线和接收天线的数目和布局，建立短距球面波情况下目标模型和天线相对于目标的距离关系；
(2)根据***要求的短距离情况下雷达检测目标的距离和方位角分辨率设置间隔，生成行代表距离信息、列代表方位角信息的N行M列的表；
(3)利用(1)中的目标模型和天线相对于目标的距离关系，生成对应表中每个单元距离与方位角信息的信号；
(4)对生成信号进行FFT测角，将FFT测角后的峰值序号填入所建立的表格中；
(5)利用待测信号参数估计得到距离与表格对应行代表的每个距离信息相匹配，直到得到距离值最接近的行；
(6)在(5)中得到的行中，利用待测信号的FFT测角后的峰值序号依次与表中内容相匹配，直到索引到两者最接近的列，得到期望单元，从中提取相应的方位角信息，对短距离下FFT测角的方位角进行修正；
所述步骤(1)中，利用***所需的发射天线和接收天线的数目和布局，建立短距球面波情况下目标模型和天线相对于目标的距离关系，方法如下：
(1.1)短距离毫米波车载雷达***发射天线数为Nt、接收天线数为Nr，第nt根发射天线或者第nr根接收天线相对于目标的距离记为
Figure FDA0003750831260000011
或
Figure FDA0003750831260000012
其中1≤nt≤Nt,1≤nr≤Nr；
(2.2)在X-Y-Z三维坐标下，天线布阵的几何参数集为d＝[d1,d2]，2为参数集d的自由度，在三维坐标中，目标的方位角θ为目标在XY平面上投影与原点的连线相对于Y轴的夹角，俯仰角
Figure FDA0003750831260000014
为目标在XY平面上投影与原点的连线相对于目标与原点连线的夹角，以目标T与发射天线T1的径向距离r、方位角θ、俯仰角
Figure FDA0003750831260000013
为参考，发射天线间距为ht，接收天线间距为hr，若***有检测俯仰角的需求，则第一根发射天线与其他发射天线间需要有高度差记为hc，则第nt个发射天线
Figure FDA0003750831260000021
相对于目标的距离
Figure FDA0003750831260000022
和第nr个接收天线
Figure FDA0003750831260000023
相对于目标的距离
Figure FDA0003750831260000024
分别为：
Figure FDA0003750831260000025
Figure FDA0003750831260000026
将上述两个距离将记为
Figure FDA0003750831260000027
所述步骤(2)中，根据***要求的短距离情况下距离分辨率Δr和方位角分辨率Δθ，***要求的短距离情况下起始距离r1和起始方位角θ1，设计N行M列的表，表格各行对应分辨率为Δr的距离rn＝r1+nΔr、各列对应分辨率为Δθ的方位角θm＝θ1+mΔθ，其中1≤n≤N，1≤m≤M；
所述步骤(3)中，在测角前生成包含N个目标距离，M个目标方位角信息的雷达反射目标回波的生成信号矢量X(rn,θm)，生成信号X(rn,θm)如下式所示：
Figure FDA0003750831260000028
式中，A为发射信号幅度，A0为接收信号幅度，c为光速，fo为载波频率，rn为第n行表示的目标距离，θm为第m列表示的目标方位角，
Figure FDA0003750831260000029
表示为第nr根接收天线接收第nt根发射天线发射信号的导向矢量，导向矢量
Figure FDA00037508312600000210
由每根天线相对于目标的准确的距离
Figure FDA00037508312600000211
确定：
Figure FDA00037508312600000212
所述步骤(4)中，将关于一个目标距离rn和一个目标方位角θm的生成信号矢量X(rn,θm)通过J点的FFT运算后找到对应的峰值序号I(rn,θm)，其过程如下式所示：
Figure FDA00037508312600000213
其中，
Figure FDA00037508312600000214
表示对{}中内容做J点FFT运算；
遍历表格的所有N行和M列，此时表格中每一个单元都填写上了对应距离rn和方位角θm信息的生成信号经过FFT之后的峰值序号I(rn,θm)。
2.根据权利要求1所述的一种适用于短距离车载雷达的测角补偿方法，其特征在于，所述步骤(5)中，利用前端雷达***信号处理已检测出的待检测目标距离信息r，遍历生成表中n行对应的rn，通过下式提取出表格中期望单元的行信息：
Figure FDA0003750831260000031
3.根据权利要求2所述的一种适用于短距离车载雷达的测角补偿方法，其特征在于，所述步骤(6)中，进入视野的目标反射雷达的回波信号为待测信号
Figure FDA0003750831260000032
对待测信号
Figure FDA0003750831260000033
通过J点的FFT运算后得到峰值序号：
Figure FDA0003750831260000034
通过下式取出期望单元的列信息：
Figure FDA0003750831260000035
此时的列号
Figure FDA0003750831260000036
对应的方位角
Figure FDA0003750831260000037
在短距离情况下生成的准确信号对应方位角。
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