CN110058239A - 一种车载毫米波雷达装置及目标探测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种车载毫米波雷达装置及目标探测方法，包括射频前端模块、电源模块和信号处理模块，所述电源模块为射频前端模块和信号处理模块进行供电，所述射频前端模块，用于发射毫米波信号，接收目标的回波信号，并对目标的回波信号进行预处理，所述信号处理模块包括：距离和速度获取单元，用于根据预处理后的信号获取目标的速度信息和距离信息；位置获取单元，用于根据预处理后的信号获取目标的位置信息；目标检测单元，用于根据得到的目标的速度信息、距离信息和位置信息滤除轨道两边的栅栏，并提取栅栏内的目标作为有效目标。本发明能够有效滤除轨道交通两边的栅栏，便于用户进行决策。

Description

一种车载毫米波雷达装置及目标探测方法

技术领域

本发明涉及毫米波雷达探测技术领域，特别是涉及一种车载毫米波雷达装置及目标探测方法。

背景技术

雷达是利用无线电的方法发现目标并检测目标的空间位置。雷达按照信号形式可分为脉冲雷达、连续波雷达、脉冲压缩雷达和频率捷变雷达。而调频连续波(FMCW)雷达因结构简单、容易调制、成本低、信号处理简单等特点在汽车雷达领域得到了应用。调频连续被雷达通过任意时刻的回波信号频率与发射信号的频率差来得到目标的信息。毫米波雷达是指雷达工装在毫米波波段的探测雷达，毫米波的波长介于厘米波和微波之间，波长为1～10mm。

随着智慧交通和无人驾驶的发展，推动了主动探测类传感器的发展。而毫米波雷达是汽车主动探测器的重要一部分，其具有天线口径小、带宽大，抗干扰能力强、不受光线影响，具有全天候工作的特点，故得到了各个国家政府部门、研究所、高校及企业等单位的高度重视。但是，当今毫米波雷达技术不够成熟，大都停留在测距、测速和测角的功能上，其精度也不够高，还不能满足自适应巡航控制(Adaptive Cruise Control,ACC)、前车防撞预警***(Forward Collision Warning System，FCWS)以及高级驾驶辅助***(AdvancedDriver Assistance Systems,ADAS)的应用。

近些年来，毫米波雷达在有轨电车、火车、云轨等领域得到一定的应用。但是，因为该车辆行驶轨道的特殊性，毫米波雷达检测到轨道两边的栅栏目标时会导致决策终端误判。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种车载毫米波雷达装置及目标探测方法，能够有效滤除轨道交通两边的栅栏，便于用户进行决策。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种车载毫米波雷达装置，包括射频前端模块、电源模块和信号处理模块，所述电源模块为射频前端模块和信号处理模块进行供电，所述射频前端模块，用于发射毫米波信号，接收目标的回波信号，并对目标的回波信号进行预处理，所述信号处理模块包括：距离和速度获取单元，用于根据预处理后的信号获取目标的速度信息和距离信息；位置获取单元，用于根据预处理后的信号获取目标的位置信息；目标检测单元，用于根据得到的目标的速度信息、距离信息和位置信息确定是弯道还是直道，并滤除轨道两边的栅栏，提取栅栏内的目标作为有效目标。

所述位置获取单元后设置有数据关联单元，所述数据关联单元通过目标距离不能突变的原理来解决速度模糊的问题。

所述目标检测单元将检测到的目标的速度信息与整车的速度信息进行对比，判断得出检测到的目标是否为静止目标，如果是静止目标，通过RANSAC算法确定当前轨道是直线轨道还是弯道轨道，并确定栅栏位置。

如果不是静止目标，则判断目标的横坐标值是否小于1/2的栅栏间的固定值，如果是则为有效目标，否则为无效目标。

在确定当前轨道后，根据目标的位置信息的横坐标值等于1/2的栅栏间的固定值确定栅栏位置，如果目标的横坐标值小于1/2的栅栏间的固定值，则为有效目标。

所述RANSAC算法处理流程为：任意找出两点构建直线方程，遍历所有的静止目标，设置门限值，如果找到的直线上的静止目标的数目大于门限值时，确定此时的轨道为直线轨道，否则为弯道轨道，并将一条覆盖最多静止目标的直线作为栅栏。

根据得到的所述栅栏，若目标显示位于栅栏内，则该目标为有效目标，若目标显示位于栅栏外，则视为无效目标。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：还提供一种车载毫米波雷达装置的目标探测方法，包括以下步骤：

(1)雷达发射电磁信号，并接收目标的回波信号，并对目标的回波信号进行预处理；

(2)根据预处理后的信号获取目标的速度信息、距离信息和位置信息；

(3)根据得到的目标的速度信息、距离信息和位置信息确定是弯道还是直道，并滤除轨道两边的栅栏，提取栅栏内的目标作为有效目标。

其中目标探测的具体步骤为：

(3.1)将步骤(3)中将检测到的目标的速度信息与整车的速度信息进行对比，判断得出检测到的目标是否为静止目标；

(3.2)如果是静止目标，则通过RANSAC算法确定当前轨道是直线轨道还是弯道轨道，并确定栅栏位置；

在确定当前轨道后根据目标位置信息的横坐标值等于1/2的栅栏间的固定值确定栅栏位置，如果目标的横坐标值小于1/2的栅栏间的固定值，则为有效目标；

(3.2.1)RANSAC算法处理流程为：任意找出两点构建直线方程，遍历所有的静止目标，设置门限值，如果找到的直线上的静止目标的数目大于门限值时，确定此时的轨道为直线轨道，否则为弯道轨道，并将一条覆盖最多静止目标的直线作为栅栏；

(3.3)如果不是静止目标，则判断目标的横坐标值是否小于1/2的栅栏间的固定值，如果是则为有效非静止目标，否则为无效目标。

有益效果

由于采用了上述的技术方案，本发明与现有技术相比，具有以下的优点和积极效果：本发明不仅具有测速、测距、测角的功能，还具有目标跟踪、目标分类和数据后处理的功能，本发明通过判断轨道的类型，根据轨道类型采用不同的方法判断目标是否在轨道内，同时增加了滤除轨道两边的栅栏功能，从而能够准确的确定目标的位置、类别及运动状态，并与整车通信，进而实现主动预警的功能、供整车感知***进行决策。

附图说明

图1是本发明实施方式的***框图；

图2是本发明实施方式中的信号处理流程图；

图3是本发明实施方式中显示模块示意图；

图4是本发明实施方式中数据管理模块示意图；

图5是本发明实施方式中报警模块示意图；

图6是本发明实施方式中直线轨道数据处理流程图；

图7是本发明实施方式中目标检测处理流程图。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

本发明的实施方式涉及一种车载毫米波雷达装置，如图1所示，包含电源模块、射频前端、信号处理模块、通信模块、数据管理模块、故障报警模块和显示模块。其中，电源模块主要是为信号处理模块、射频前端、显示模块、通信模块及数据管理等模块提供相应的工作电源；射频前端主要是发射一定频率的电磁波，该电磁波与目标表面接触时产生回波信号，接收天线接收该回波信号进而通过信号调理电路转换为中频信号，中频信号通过低通滤波电路(滤除雷达探测最大距离以外的目标中频信号)进入模数转换器ADC中；最大测距范围阈与中频信号的频率有关，为了避免距离模糊现象的发生，本装置对中频信号进行了低通滤波器的处理，使其输出信号的频率在ADC采样频率的一半以内。信号处理模块主要是对ADC采集到的数据依次进行快速傅里叶变换(FFT)、恒虚警检测(CFAR)、数字波束形成(DBF)、目标跟踪、目标检测(RANSAC)和目标分类(clustering)。显示模块包括目标距离显示、目标速度显示、目标角度显示、目标类别显示、目标状态显示、显示设置选项；故障报警模块包括声音报警、灯光报警、消声按钮和复位按钮；数据管理包括数据存储、数据打印、数据分析和数据清除。

信号处理模块如图2所示，该模块中的FFT单元主要是对ADC数据进行处理，FFT单元实现时域到频域的转换，通过一维快速傅里叶变换得到目标的距离信息，再通过二维快速傅里叶变换得到目标的速度信息。为了防止频谱泄露，还需进行加窗操作，加窗有汉明窗、切比雪夫窗、布莱克曼窗等方法。本实施方式采用了切比雪夫窗。

FFT单元计算得到的目标的速度信息和距离信息中含有一定的虚警和杂波信息，需对FFT单元的结果进行CFAR处理，经过CFAR处理得到的结果为真实目标的信息；本实施方式中，为了减少遮蔽效应，距离信息采用OS-CFAR算法(有序统计类恒虚警检测)进行处理；为减少运算量，速度信息使用CA-CFAR算法(单元平均法恒虚警检测)进行处理。

当两个或多个目标的速度和距离一样时，为了准确得到目标的具***置需对目标进行角度测量。DBF主要是计算求出目标相对雷达角度位置，进而区别多个目标及确定多个目标的具***置。

由于车辆行驶的路况较为复杂，因此在DBF后加入了数据关联单元，为了进一步解决速度模糊问题，所述数据关联单元在不确定雷达返回的目标速度是否发生速度模糊现象的情况下，根据目标的距离不能突变的原理，可以根据速度与距离的公式进行计算出准确的目标速度。假设t时刻目标所在的位置为R_t，t-1时刻的位置为R_t-1，V_t为t时刻的雷达返回的速度，V_t-1为t-1时刻的雷达返回的速度，Δt为时间差。速度与距离的公式为R_t＝R_t-1+V_t-1*Δt，可知 为根据目标位置计算得到的目标t-1时刻的真实速度，因为雷达刷新率为毫秒级，Δt足够小，可认为目标t-1时刻的速度和t时刻的速度基本相同，此时比较和雷达返回的V_t的差别是否很大，速度模糊的时候差别是会非常大的。若目标值V_t与V_t-1差别很大，则认为为虚警或者产生了速度模糊，需剔除该目标。

本装置的目标检测单元的主要目的是滤除轨道两边的栅栏，提取栅栏内的目标并输出给用户，其检测过程如下：轨道交通的目标检测，包括确定轨道是直线还是弯道，根据直线轨道和弯道的不同采用不同的方法判断目标是否在轨道内，进而输出有效目标。

本实施方式的车载毫米波雷达装置的目标探测方法，包括以下步骤：(1)雷达发射毫米波信号，并接收目标的回波信号，并对目标的回波信号进行预处理；(2)根据预处理后的信号获取目标的速度信息、距离信息和位置信息；(3)根据得到的目标的速度信息、距离信息和位置信息滤除轨道两边的栅栏，并提取栅栏内的目标作为有效目标。具体如下：

判断目标是否在轨道栅栏内，雷达检测到的目标信息有距离、速度和角度，其距离、速度和角度信息可用(R_x、R_y，V_x、V_y，A_x、A_y)表示。通过雷达的CAN接口与整车通信，引入整车的速度，将雷达检测到目标的速度与整车的速度进行对比，进而可判断得出雷达检测的目标是否为静止目标。当雷达检测的目标速度与整车速度相等且方向相反，则判为该目标为静止目标(相对大地静止)。车辆在沿着轨道行驶时，轨道两边的栅栏间距为固定值r，目标所处位置为R_x(目标位置矢量分解后，x轴方向的距离)。检测时，首先判断目标是否相对大地静止，如果不是静止的，判断目标是否R_x＜r/2，如果是，则为有效目标，输出目标，如果不是，则为无效目标不输出。若为静止目标，则通过RANSAC算法(随机抽样一致算法)进行处理，处理流程为：首先，任意找出两点(R_x1、R_y1)、(R_x2、R_y2)两点构建y＝ax+b的直线方程；其次，遍历所有的静止目标，找出一条覆盖到最多静止目标的直线作为栅栏。此处仅对速度为0的目标进行遍历，可以减少遍历时间，其目的是为了判断当前是在直线轨道上运行还是在弯道轨道上运行，以及静止目标是否为栅栏。此时设置一个RANSAC门限值α，若在这条直线上的目标数β大于α，则确定此时的轨道为直线轨道，此时可求出该直线y＝ax+b并确定为栅栏，并进行滤除不显示。当检测的静止目标在栅栏内时，则输出该目标给用户，若静止目标在栅栏外，则滤除不显示。如图7所示，在车辆直线行驶时，有效目标的判定标准为，目标速度V＝0、R_x＝r/2，则目标在符合RANSAC算法检测的直线上，是栅栏，不输出；若R_x＜r/2则目标在栅栏内，则目标为有效目标，输出该目标。若在这条直线上的目标数β小于α，则确定此时进入了弯道轨道，有效目标的判定标准为，目标速度V＝0、R_x＝r/2，则目标在符合RANSAC算法检测的直线上，是栅栏，不输出；若R_x＜r/2则目标在栅栏内，则目标为有效目标，输出该目标。

如图6所示，可以只先判断静止目标，根据RANSAC遍历所有静止目标，得到覆盖静止目标最多的直线栅栏，并确定轨道为直线轨道后，不必对运动目标的R_x＜r/2进行判断，根据直线栅栏，对栅栏内的运动或者静止目标进行显示，作为有效目标，对栅栏外的运动或者静止目标都不显示，作为无效目标，并滤除栅栏，防止误报警。即当检测到目标时，无论目标为静止目标还是运动目标，该目标若不在栅栏内，则该目标不输出给用户，即不在显示屏上输出；若目标在栅栏内，则对该目标进行输出。此时不需要通过比较目标的R_x和r/2的关系来判断运动目标或者静止目标是否为有效目标。

本发明采用迭代的方式从一组包含离散的被观测数据中估算出数学模型的参数，对相对于车速静止的目标进行遍历，以减少迭代次数进而提升计算速度。当检测到相对雷达静止且在同一个方向内的目标时，可采用RANSAC算法对该目标进行处理，进而可向用户滤除栅栏以防止误报警。由于轨道交通领域两边的护栏/栅栏一般为金属材质，雷达检测到栅栏/护栏之后，易出现错误判断(虚假警报)。本发明的发明人发现轨道两边的栅栏间距为固定值，因此可以先判断栅栏后，进而判断目标是否在栅栏内来确定目标是否有效，即帮助判断目标是否在栅栏/护栏内，若是在护栏/栅栏内，判为有效目标并输出给整车。若不是在栅栏/护栏内，判为无效目标，不输出给整车。

为了能够实时检测目标的具***置，需对目标进行跟踪处理。本装置跟踪算法包含但不限于扩展卡尔曼滤波算法(Extended Kalman Filter，EKF)，该算法对目标的距离、速度、角度进行估计跟踪预测，进而可实时跟踪目标的运行状况。

本装置还包含目标分类单元，可根据检测的目标的雷达散射截面积(RadarCross-Section，RCS)的大小进行区分行人、自行车、摩托车、轿车、卡车等目标，进而在显示模块上进行显示以供整车进行决策。该装置不仅限于通过RCS实现目标的分类，还可以构建行人、自行车、摩托车、轿车、卡车等目标的库，当检测到目标时，可通过查表的方法对目标进行准确识别；目标识别的方法，也可采用深度学习、机器学习和神经网络等复杂算法进行人、自行车、摩托车、轿车、卡车等目标的识别。

显示模块如图3所示，该模块分别显示目标的速度、距离、角度、类别和状态。目标的状态包含静止状态、远离状态、靠近状态；显示设置选项为设置显示目标的数量、设置显示检测到目标的距离范围、设置显示目标的角度范围、设置显示目标的状态显示、设置显示目标的类别等信息。

数据管理模块如图4所示，该模块中数据存储是保存ADC数据和信号处理中的FFT(傅里叶变换)、CFAR(恒虚警检测)、tracking(跟踪目标)、clustering(目标分类)的数据；数据打印主要是分别打印数据存储模块中的FFT、CFAR、tracking、clustering的数据；数据清除是清除存储模块中的数据，以便于更多数据进行存储；数据分析是分析ADC数据、FFT、CFAR、tracking、RANSAC、clustering的数据。

报警模块如图5所示，该模块可对各个模块的故障进行报警，并通过声音报警、不同颜色灯光报警通知用户进行检查。根据不同的故障特征，可在显示屏上输出故障码以供用户参考并定位故障位置。该装置还包括消声按钮和复位按钮，当按下消声按钮后，声音报警消除；当按下复位按钮后，***重新启动。该模块不仅限于故障报警，还可对距雷达较近的目标进行报警，以提示用户进行判断是否减速/停车。

该装置中的通信模块通过通信接口与整车控制模块连接，并实时把检测到的目标数据传送到整车控制模块。整车控制模块也可通过通信接口与雷达装置进行通信。另外，通信方式可采用控制器局域网络(ControllerAreaNetwork,CAN)通信、网络通信等方式。

值得一提的是，该装置具有监视功能，自我监视，即自动故防故障检测设计。能够自动检测故障，并自动输出故障码，进而得到故障信息。该装置不限于用于有轨电车领域，还可应用于铁路、地铁等轨道交通领域。该装置的工作频率不限于77GHz，还可应用24GHz等频段的毫米波雷达。该装置的电源模块分别给显示模块、报警模块、数据处理模块、信号处理模块和通信模块供电。电源模块可与中央处理器进行通信，根据每个模块的工作状态进而控制电源模块的输出，进而降低该装置的功耗。该装置采用的波形不限于锯齿波，也可采用三角波、频移键控(FSK)、相移键控(PSK)或者多种波形的组合。

Claims (9)

1.一种车载毫米波雷达装置，包括射频前端模块、电源模块和信号处理模块，所述电源模块为射频前端模块和信号处理模块进行供电，其特征在于，所述射频前端模块，用于发射毫米波信号，接收目标的回波信号，并对目标的回波信号进行预处理，所述信号处理模块包括：距离和速度获取单元，用于根据预处理后的信号获取目标的速度信息和距离信息；位置获取单元，用于根据预处理后的信号获取目标的位置信息；目标检测单元，用于根据得到的目标的速度信息、距离信息和位置信息确定是弯道还是直道，并滤除轨道两边的栅栏，提取栅栏内的目标作为有效目标。

2.根据权利要求1所述的车载毫米波雷达装置，其特征在于，所述位置获取单元后设置有数据关联单元，所述数据关联单元通过目标距离不能突变的原理来解决速度模糊的问题。

3.根据权利要求1所述的车载毫米波雷达装置，其特征在于，所述目标检测单元将检测到的目标的速度信息与整车的速度信息进行对比，判断得出检测到的目标是否为静止目标，如果是静止目标，通过RANSAC算法确定当前轨道是直线轨道还是弯道轨道，并确定栅栏位置。

4.根据权利要求3所述的车载毫米波雷达装置，其特征在于，如果不是静止目标，则判断目标的横坐标值是否小于1/2的栅栏间的固定值，如果是则为有效目标，否则为无效目标。

5.根据权利要求3所述的车载毫米波雷达装置，其特征在于，在确定当前轨道后，根据目标的位置信息的横坐标值等于1/2的栅栏间的固定值确定栅栏位置，如果目标的横坐标值小于1/2的栅栏间的固定值，则为有效目标。

6.根据权利要求3所述的车载毫米波雷达装置，其特征在于，所述RANSAC算法处理流程为：任意找出两点构建直线方程，遍历所有的静止目标，设置门限值，如果找到的直线上的静止目标的数目大于门限值时，确定此时的轨道为直线轨道，否则为弯道轨道，并将一条覆盖最多静止目标的直线作为栅栏。

7.根据权利要求6所述的车载毫米波雷达装置，其特征在于，根据得到的所述栅栏，若目标显示位于栅栏内，则该目标为有效目标，若目标显示位于栅栏外，则视为无效目标。

8.一种车载毫米波雷达装置的目标探测方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)雷达发射电磁信号，并接收目标的回波信号，并对目标的回波信号进行预处理；

(2)根据预处理后的信号获取目标的速度信息、距离信息和位置信息；

(3)根据得到的目标的速度信息、距离信息和位置信息确定是弯道还是直道，并滤除轨道两边的栅栏，提取栅栏内的目标作为有效目标。

9.根据权利要求8所述的车载毫米波雷达装置的目标探测方法，其特征在于，目标探测的具体步骤为：

(3.1)将步骤(3)中检测到的目标的速度信息与整车的速度信息进行对比，判断得出检测到的目标是否为静止目标；

(3.2)如果是静止目标，则通过RANSAC算法确定当前轨道是直线轨道还是弯道轨道，并确定栅栏位置；

在确定当前轨道后根据目标位置信息的横坐标值等于1/2的栅栏间的固定值确定栅栏位置，如果目标的横坐标值小于1/2的栅栏间的固定值，则为有效目标；

(3.2.1)RANSAC算法处理流程为：任意找出两点构建直线方程，遍历所有的静止目标，设置门限值，如果找到的直线上的静止目标的数目大于门限值时，确定此时的轨道为直线轨道，否则为弯道轨道，并将一条覆盖最多静止目标的直线作为栅栏；

(3.3)如果不是静止目标，则判断目标的横坐标值是否小于1/2的栅栏间的固定值，如果是则为有效非静止目标，否则为无效目标。