CN110542902A - 一种适用于车载毫米波雷达的简易测高方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种适用于车载毫米波雷达的简易测高方法，包括如下步骤：S1、确定雷达俯仰维天线参数；S2、用比幅法估计目标俯仰角粗略值；S3、用比相法估计目标俯仰角模糊值；S4、利用比幅法估计的目标俯仰角粗略值给目标俯仰角模糊值解模糊，得到目标俯仰角准确值；S5、根据目标俯仰角准确值计算目标高度。本发明的有益效果是：针对传统车载毫米波雷达不具备测高能力的问题，提出了适用于车载毫米波雷达简易测高方法，该方法原理简单，在俯仰维上仅需较少的发射天线，即可使车载毫米波雷达具备测高能力。

Description

一种适用于车载毫米波雷达的简易测高方法
技术领域
本发明属于雷达技术领域，尤其涉及一种适用于车载毫米波雷达的简易测高方法。
背景技术
高级驾驶辅助***(Advanced Driver Assistance System，ADAS)通过安装于车上的雷达和摄像头等传感器进行环境感知，获取目标的类别、运动状态等信息，从而能够让驾驶者提前察觉可能发生的危险，以引起注意和提高安全性的主动安全技术。
ADAS中主要以激光雷达、毫米波雷达和摄像头为主传感器。激光雷达以其较高的分辨率，成为自动驾驶***中普遍适用的传感器，但是其成本高昂，往往只能作为高档汽车的传感器。摄像头的目标识别能力高，成本低，广泛应用于汽车安全驾驶***中，但是，由于其被动感光，外界光线的变化对摄像头的性能影响较大，如在车辆进入底下车库、隧道、高架时光线剧烈变化的瞬间，存在失效的可能。另外激光雷达、摄像头在降雪、大雾等极端恶劣天气，不能保证可靠工作，不具备全天候的工作条件。而毫米波雷达不受外界光线变化及上述极端恶劣条件的影响，可以全天时、全天候工作、并且成本较低，是ADAS中必不可少的传感器。
然而，目前传统的毫米波雷达主要问题在于分辨率不高，只能进行二维平面测量。但是做无人驾驶等应用时，摄像头和激光雷达都是对目标物体的三维立体坐标进行探测，而传统毫米波雷达只能对物体的二维平面坐标探测，当做多传感器数据融合时出现了其他传感器是立体坐标，而毫米波是平面坐标的矛盾。这时标定和数据融合都比较难。另外，为了防止车辆在行驶过程中对某些目标，如天桥、红绿灯、路牌等空中目标及井盖、减速带等低矮目标的误检测，毫米波雷达需要具备探测目标高度的能力。由此可见，具备高度探测能力的毫米波雷达具有一定的参考价值和重大的市场价值。
发明内容
本发明的目的在于针对传统毫米波雷达不具备测高能力的不足，提供一种适用于车载毫米波雷达的简易测高方法，实现对目标的高度探测。
为实现上述目的，本发明的技术方案如下：
本发明一种适用于车载毫米波雷达的简易测高方法，其特征在于，包括如下步骤：S1、确定雷达俯仰维天线参数：假设车载毫米波雷达在俯仰维上设置有两个发射天线，两个发射天线的俯仰维间距为dh，两发射天线的波束指向分别为和两发射天线分时发射信号，接收天线同时接收由两发射天线发射的信号，将同一接收天线上接收到的两回波信号标记为s1和s2；
S2、用比幅法估计目标俯仰角粗略值：利用回波信号s1和s2进行比幅测角，估计目标俯仰角粗略值
S3、用比相法估计目标俯仰角模糊值：利用回波信号s1、s2进行比相测角，估计目标俯仰角模糊值
S4、利用比幅法估计的目标俯仰角粗略值给目标俯仰角模糊值解模糊，得到目标俯仰角准确值：利用目标俯仰角粗略值对目标俯仰角模糊值进行解模糊，得到目标俯仰角准确值
S5、根据目标俯仰角准确值计算目标高度：根据目标俯仰角准确值计算目标高度H：其中：h是目标的安装高度，R是目标的距离；
进一步地：所述步骤S2中目标俯仰角粗略值的计算步骤包括：
S21、利用发射天线方向图计算和信号
其中：分别表示两发射天线的方向图，
S22、利用发射天线方向图计算差信号
S23、利用和信号和差信号构建误差函数
S24、利用回波信号s1、s2计算目标误差信号
S25、利用误差信号和误差函数计算满足条件的角度角度即为目标的俯仰角的粗略值
进一步地，所述步骤S3中目标俯仰角模糊值的计算步骤包括：
S31、计算回波信号s1、s2信号的相位差
S32、利用相位差计算目标俯仰角模糊值
其中：λ为载波波长。
进一步地，所述步骤S4中目标俯仰角准确值的计算步骤包括：
S41、根据雷达俯仰角指标确定比相法的模糊次数k,k≥0，且k为整数；
S42、计算目标俯仰角的可能值的集合
S43、计算满足条件的即为目标俯仰角准确值
进一步地，所述步骤3中，雷达俯仰角无模糊范围为：
与现有技术相比，本发明的有益效果是：针对传统车载毫米波雷达不具备测高能力的问题，提出了适用于车载毫米波雷达简易测高方法，该方法原理简单，在俯仰维上仅需较少的发射天线，即可使车载毫米波雷达具备测高能力。
附图说明
图1为本发明适用于车载毫米波雷达简易测高方法的流程示意图；
图2为本发明中比幅法估计目标的俯仰角时构造的误差函数曲线图；
图3是本发明中比相法估计目标的俯仰角时构造的两回波信号相位差曲线图；
图4是本发明中比相测角和比幅解模糊估计目标俯仰角的均方根误差随信噪比变化的曲线图，及比幅法估计目标俯仰角的均方根误差随信噪比变化的曲线图。
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。
下面结合附图对本发明的具体实施过程和效果作进一步的说明。
如图1，本发明的实施步骤如下：
S1、确定雷达俯仰维天线参数；
设车载毫米波雷达在俯仰维上放置两个发射天线，两发射天线的俯仰维间距为dh，两发射天线的波束指向分别为和两发射天线分时发射信号，接收天线同时接收信号由两发射天线发射的信号，将同一接收天线接收到的两回波信号记为s1和s2；
S2、用比幅法估计目标俯仰角粗略值；
本步骤的具体实现如下：利用回波信号s1和s2进行比幅测角，估计目标俯仰角粗略值
S21、利用发射天线方向图计算和信号
其中：分别表示两发射天线的方向图；
S22、利用发射天线方向图计算差信号
S23、利用和信号和差信号构建误差函数
S24、利用回波信号s1和s2计算目标的误差信号
S25、利用误差信号和误差函数计算满足条件的角度角度即为目标俯仰角粗略值
S3、用比相法估计目标俯仰角模糊值；
本步骤的具体实现如下：利用回波信号s1和s2进行比相测角，估计目标俯仰角模糊值
S31、计算回波信号s1和s2的相位差
S32、利用相位差计算目标俯仰角模糊值其中：λ为载波波长；
S4、用比幅法估计的目标俯仰角粗略值给比相法估计的目标俯仰角模糊值解模糊。
本步骤的具体实现如下：利用目标俯仰角粗略值对目标俯仰角模糊值进行解模糊，得到目标俯仰角准确值
S41、根据雷达俯仰角指标确定比相法的模糊次数k,k≥0，且k为整数；
S42、计算目标俯仰角的可能值的集合
S43、计算满足条件的即为目标俯仰角准确值
S5、利用目标俯仰角准确值计算目标高度；
根据估计出的目标俯仰角准确值计算目标的高度H：其中：h是目标的安装高度，R是目标的距离。
本发明的效果通过以下计算机仿真及实测数据处理结果进一步说明。
1.仿真条件：
1)计算机环境配置：本发明仿真实验中计算机硬件配置环境为Intel(R)Core(i5-4210)1.70GHZ中央处理器、内存4G、WINDOWS 7操作***，计算机仿真软件采用MATLABR2017b软件。
2)仿真参数设置
2a)雷达相关参数
雷达在俯仰维上设置有2个发射天线，2个发射天线在俯仰维间距为5λ，两天线的波束指向分别为5°、-5°，雷达俯仰角的检测范围为-10°～10°；
2b)目标仿真参数：
目标的距离为R＝25m,俯仰角度为雷达安装高度h＝0.5m，目标高度H＝3.98m；
2.本发明的仿真实验有两个：
仿真1：在上述仿真参数条件下，本发明中比幅法构造的误差函数随目标俯仰角的变化曲线仿真结果如图2所示，本发明中用比相法构造的相位差函数随目标俯仰角的变化曲线仿真结果如图3所示.
仿真2：在上述仿真参数条件下，当信噪比SNR取不同值时，在不同信噪比条件下，采用本发明提供的技术方案对目标进行测高，每个信噪比下分别进行500次蒙特卡洛仿真实验，得到俯仰角度仿真均方根误差，仿真结果如图4所示。
3.仿真结果分析：
图2是本发明中用比幅法估计目标俯仰角时构造的误差函数曲线，其中横坐标表示目标俯仰角度，单位为度，纵坐标表示两回波信号幅度比值,从图中可以看出，在***的俯仰角观测范围-10°～10°内，两回波信号的幅度比随目标俯仰角近似成线性变化，一个回波信号幅度比对应一个俯仰角，实际中，通过回波信号幅度比值可以计算出目标的俯仰角。
图3是本发明中用比相法估计目标的俯仰角时构造的两回波信号相位差曲线，其中横坐标表示目标俯仰角度，单位为度，纵坐标表示两回波信号相位差，从图中可以看出，在***的俯仰角观测范围-10°～10°内，相位差函数曲线会分成3段，每一段近似为线性曲线，俯仰角无模糊范围为-5.7°～5.7°，目标俯仰角在-10°～5.7°、5.7°～10°这个区间内，比相法估计出的俯仰角会出现模糊，模糊到-5.7°～5.7°内，需要解模糊。
图4是本发明中用比相测角、比幅解模糊估计的目标的俯仰角的均方根误差随信噪比变化的曲线，及只单独用比幅法估计目标的俯仰角的均方根误差随信噪比变化的曲线图。横坐标表示信噪比，单位为分贝，纵坐标表示目标的俯仰角均方根误差，单位为度。从图4中可以看出，两种方法的俯仰角均方根误差均随信噪比的提高在减小，并且采用本发明提供的技术方案所估计的俯仰角均方根误差明显比近用比幅法估计的俯仰角均方根误差小，在信噪比高于15分贝时，本发明估计的俯仰角均方根误差更小，估计值更精确。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则内所做的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种适用于车载毫米波雷达的简易测高方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、确定雷达俯仰维天线参数：假设车载毫米波雷达在俯仰维上设置有两个发射天线，两个发射天线的俯仰维间距为dh，两发射天线的波束指向分别为和两发射天线分时发射信号，接收天线同时接收由两发射天线发射的信号，将同一接收天线上接收到的两回波信号标记为s1和s2；
S2、用比幅法估计目标俯仰角粗略值：利用回波信号s1和s2进行比幅测角，估计目标俯仰角粗略值
S3、用比相法估计目标俯仰角模糊值：利用回波信号s1、s2进行比相测角，估计目标俯仰角模糊值
S4、利用比幅法估计的目标俯仰角粗略值给目标俯仰角模糊值解模糊，得到目标俯仰角准确值：利用目标俯仰角粗略值对目标俯仰角模糊值进行解模糊，得到目标俯仰角准确值
S5、根据目标俯仰角准确值计算目标高度：根据目标俯仰角准确值计算目标高度H：
其中：h是目标的安装高度，R是目标的距离。
2.根据权利要求1所述的适用于车载毫米波雷达的简易测高方法，其特征在于：
所述步S2中目标俯仰角粗略值的计算步骤包括：
S21、利用发射天线方向图计算和信号
其中：分别表示两发射天线的方向图，
S22、利用发射天线方向图计算差信号
S23、利用和信号和差信号构建误差函数
S24、利用回波信号s1、s2计算目标误差信号
S25、利用误差信号和误差函数计算满足条件的角度角度即为目标的俯仰角的粗略值
3.根据权利要求2所述的适用于车载毫米波雷达的简易测高方法，其特征在于：
所述S3中目标俯仰角模糊值的计算步骤包括：
S31、计算回波信号s1、s2信号的相位差
S32、利用相位差计算目标俯仰角模糊值
其中：λ为载波波长。
4.根据权利要求3所述的适用于车载毫米波雷达的简易测高方法，其特征在于：
所述S4中目标俯仰角准确值的计算步骤包括：
S41、根据雷达俯仰角指标确定比相法的模糊次数k,k≥0，且k为整数；
S42、计算目标俯仰角的可能值的集合
S43、计算满足条件的即为目标俯仰角准确值
5.根据权利要求3所述的适用于车载毫米波雷达的简易测高方法，其特征在于：
所述S3中，雷达俯仰角无模糊范围为：
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