CN110850402A - 一种用于载体车辆的四波束多普勒测速方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种用于载体车辆的四波束多普勒测速方法，运用四波束多普勒测速技术对车体速度进行测量。多普勒测速技术具有精度高、动态响应快、测量范围宽、非接触测量等优点，而且适用于多种被测物体，也可用于对远距离物体进行非接触测量。采用四波束配置方案，可以为车体提供准确的三维速度信息，同时加入冗余结构设计，提高***的可靠性，同时基于三波束模型实现多种解调计算方法，对单个三波束***进行速度校正，提高***测速精度。

Description

一种用于载体车辆的四波束多普勒测速方法

技术领域

本发明涉及载体式测速技术领域，更具体的说是涉及一种用于载体车辆的四波束多普勒测速方法。

背景技术

随着机动车数量的增加，优化车速的测量方法逐渐被越来越多的关注。目前，车载惯性导航***中的速度参数通常是由加速度计或全球定位***(GPS)提供。

但是，这两种测速方式都有明显的自身缺陷：现用的加速度计都是基于测比力原理，它测量的是运动体的视加速度，而不是绝对加速度，另外还需要通过计算引力场产生的加速度，才能得到运动体的绝对加速度，并且其测量的误差项较多，需要经过复杂的计算进行修正；全球定位***(GPS)是美国国防部研制的第2代卫星导航***，属于非自主式的***，无法装配于部队的作战武器。

因此，发明一种高精度、测速范围宽以及动态性能好的自主式测速***是本领域技术人员亟需解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种用于载体车辆的四波束多普勒测速方法。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种用于车辆的四波束多普勒测速方法，包括如下步骤：

S1、雷达收发器发射信号；

S2、雷达收发器接收反射物体的回波信号；

S3、雷达收发器将回波信号与本振信号混频；

S4、AD模数转换模块将混频后的模拟信号转换为数字信号；

S5、信号采集模块采集数字信号；

S6、信号调理模块对信号采集模块采集的数字信号进行调理；

S7、四波束多普勒测速模块对数字信号进行频率提取和速度合成，得到当前载体车辆速度。

优选的，载体车辆设置有四个雷达收发器，任取三个雷达收发器的检测频率即可测得载体车辆的速度。

优选的，用于载体车辆的四波束多普勒测速方法还包括雷达收发器故障自检；若已知载体车辆参考速度，则在四个雷达收发器中任选三个组合进行速度测量，得到四种测量方案，将四种测量方案测得的两个方向的速度分别与参考速度进行对比，仅有一种雷达收发器的组合方式测得的速度与参考速度匹配，则剩余的雷达发射器出现故障，完成故障自检功能。

优选的，用四种测量方案进行测速得到四组共8个速度，分别对两个方向的速度进行对比，若测量方案中含有故障雷达收发器，则至少有一个方向的速度测量出现问题，且同方向上错误的速度数值不同；若测量方案中不含故障雷达收发器，则测得两个方向的速度均正确，两个方向的速度分别与某一个含有故障雷达收发器的测量方案中对应方向的速度数值相等，从而可确定雷达收发器的故障位置，完成自检功能。

优选的，所述四波束多普勒测速模块的建立过程如下：

波束1、2、3、4分别表示四个天线发射出的微波波束，车辆的前方指向为X轴，垂直方向为Z轴，建立右手坐标系O-XYZ和球坐标系

四波束配置方案采用对称Janus方式，波束相互关于坐标轴或者原点对称，波束天线与Z轴的天顶角余角均为α，波束投影与X轴正向的偏转角为θ_i(i＝1,2,3,4)，其中θ₂＝θ，波束天线满足对称Janus方式配置，θ₃＝π-θ，θ₄＝π+θ，θ₁＝2π-θ；

对于第i个波束的方向可以用单位矢量表示，其中，i＝1,2,3,4：

载体的速度矢量可以表示成三个速度分量的矢量和：

车辆载体，第i个波束所对应的多普勒频移值为：

展开上式可得：

四个雷达收发器任取三个即可测得载体车辆的速度，得到四种组合方案：方案A为f₁,f₂,f₄、方案B为f₂,f₃,f₄、方案C为f₁,f₃,f₄、方案Df₁,f₂,f₃；

根据方案A进行反演车体速度时，得到载体车辆速度反演方程为：

根据方案B进行反演车体速度时，得到载体车辆速度反演方程为：

根据方案C进行反演车体速度时，得到载体车辆速度反演方程为：

根据方案D进行反演车体速度时，得到载体车辆速度反演方程为：

经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种运用四波束多普勒测速技术对车体速度进行测量。多普勒测速技术具有精度高、动态响应快、测量范围宽、非接触测量等优点，而且适用于多种被测物体，也可用于对远距离物体进行非接触测量。采用四波束配置方案，可以为车体提供准确的三维速度信息，同时加入冗余结构设计，提高***的可靠性，同时基于三波束模型实现多种解调计算方法，对单个三波束***进行速度校正，提高***测速精度的用于载体车辆的四波束多普勒测速方法。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1附图为本发明提供的流程示意图。

图2附图为本发明提供的四波束多普勒测速仪示意图。

图3附图为本发明提供的四波束照射方向示意图。

具体实施方式

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，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例公开了一种用于载体车辆的四波束多普勒测速方法。

雷达收发器发射信号；雷达收发器接收反射物体的回波信号；雷达收发器将回波信号与本振信号混频；AD模数转换模块将混频后的模拟信号转换为数字信号；信号采集模块采集数字信号；信号调理模块对信号采集模块采集的数字信号进行调理；四波束多普勒测速模块对数字信号进行频率提取和速度合成。

当波源与接收器在径向方向上发生相对运动时，接收的回波信号会发生频率偏移；当波源在径向远离接收器时，回波信号的频率会变大，当波源以一定速度接近接收器时，回波信号的频率会变小，这种现象被称为多普勒效应。多普勒频移量只与相对运动速度有关，只要能将物体散射或反射的回波接收进行处理，就可以利用多普勒效应来测量其相对运动速度。

回波信号的多普勒频移为：

其中，λ为波的波长，c为光速，v为目标的相对运动速度，α为波束传播方向与相对运动方向夹角。因此多普勒频移与径向相对速度成正比关系，在测量目标速度时，只需测量回波信号的多普勒频移，根据微波频率和波束传播方向与相对运动方向夹角就能反演出目标的运动速度。

单波束配置的测速***，只能测量径向上的运动物体的速度，当配置多波束***用于测量空间坐标系三个方向的速度时，就可以得出运动物体在空间坐标系内的三维速度。四波束多普勒测速仪的四个波束对称配置，存在两组波束Janus双波束配置，任意三个波束都可以测量载体的三维速度。

假设测速仪的四个天线波束照射方向如图2所示，图中波束1、2、3、4分别表示四个天线发射出的微波波束。令车辆的前方指向为X轴，垂直方向为Z轴，建立右手坐标系O-XYZ和球坐标系

设计四波束配置方案采用对称Janus方式，波束相互关于坐标轴或者原点对称，波束天线与Z轴的夹角(天顶角余角)均为α，波束投影与X轴正向的夹角(偏转角)为θ_i(i＝1,2,3,4)，其中令θ₂＝θ，由于波束天线满足对称Janus方式配置，则θ₃＝π-θ，θ₄＝π+θ，θ₁＝2π-θ。

对于第i(i＝1,2,3,4)个波束的方向可以用单位矢量表示：

载体的速度矢量可以表示成三个速度分量的矢量和：

车辆载体，第i个波束所对应的多普勒频移值为：

展开上式可得：

四个雷达收发器任取三个即可测得载体车辆的速度，则可以由四种组合方案：方案A为f₁,f₂,f₄、方案B为f₂,f₃,f₄、方案C为f₁,f₃,f₄、方案Df₁,f₂,f₃。

根据方案A进行反演车体速度时，得到载体车辆速度反演方程为：

根据方案B进行反演车体速度时，得到载体车辆速度反演方程为：

根据方案C进行反演车体速度时，得到载体车辆速度反演方程为：

根据方案D进行反演车体速度时，得到载体车辆速度反演方程为：

通过式(7)(8)(9)(10)可以看出，只要获得每个波束所对应的多普勒频移值即可解调出速度信息。四波束多普勒测速仪中任意三个波束都能测量载体车辆的三维速度，如图3所示。

其中，雷达收发器可以进行故障自检，具体步骤如下：

1)已知载体车辆参考速度。分别将通过方案测得的V_x、V_y与通过惯导/GPS组合导航***测得的参考速度进行对比。有以下四种情况出现：

(1)通过方案A测得的速度V_x和V_y与载体车辆参考速度一致，则雷达收发器3出现故障。

(2)通过方案B测得的速度V_x和V_y与载体车辆参考速度一致，则雷达收发器1出现故障。

(3)通过方案C测得的速度V_x和V_y与载体车辆参考速度一致，则雷达收发器2出现故障。

(4)通过方案D测得的速度V_x和V_y与载体车辆参考速度一致，则雷达收发器4出现故障。

2)载体车辆参考速度未知。雷达收发器1、2、3、4其中一个发生故障时，有以下四种状况发生：

(1)若雷达收发器1发生故障，组合方式和载体车辆速度对应关系如表1所示。

分别用四种方案对载体车辆速度进行测量，同方向的速度进行对比发现，方案B中V_x值与方案C中V_x值相等，方案B中的V_y值与方案D中V_y值相等，证明方案B中的V_x和V_y测量值均正确；同时方案A中V_x值与方案C中V_x值不相等，且方案A中的V_y值与方案D中V_y值不相等，则代表方案A中的V_x和V_y值，方案C中的V_x值，方案D中的V_y值均错误。由此可以得出只有方案B测得的V_x和V_y值均正确，证明雷达收发器1发生故障，完成故障自检功能。

表1雷达收发器1发生故障

(2)若雷达收发器2发生故障，组合方式和载体车辆速度对应关系如表2所示。

分别用四种方案对载体车辆速度进行测量，同方向的速度进行对比发现，方案C中V_x值与方案A中V_x值相等，方案C中的V_y值与方案B中V_y值相等，证明方案C中的V_x和V_y测量值均正确；同时方案D中V_x值与方案B中V_x值不相等，且方案D中的V_y值与方案A中V_y值不相等，则代表方案D中的V_x和V_y值，方案B中的V_x值，方案A中的V_y值均错误。由此可以得出只有方案C测得的V_x和V_y值均正确，证明雷达收发器2发生故障，完成故障自检功能。

表2雷达收发器2发生故障

(3)若雷达收发器3发生故障，组合方式和载体车辆速度对应关系如表3所示。

分别用四种方案对载体车辆速度进行测量，同方向的速度进行对比发现，方案A中V_x值与方案C中V_x值相等，方案A中的V_y值与方案D中V_y值相等，证明方案A中的V_x和V_y测量值均正确；同时方案B中V_x值与方案D中V_x值不相等，且方案B中的V_y值与方案C中V_y值不相等，则代表方案B中的V_x和V_y值，方案D中的V_x值，方案C中的V_y值均错误。由此可以得出只有方案A测得的V_x和V_y值均正确，证明雷达收发器3发生故障，完成故障自检功能。

表3雷达收发器3发生故障

(4)若雷达收发器4发生故障，组合方式和载体车辆速度对应关系如表4所示。

分别用四种方案对载体车辆速度进行测量，同方向的速度进行对比发现，方案D中V_x值与方案B中V_x值相等，方案D中的V_y值与方案A中V_y值相等，证明方案D中的V_x和V_y测量值均正确；同时方案C中V_x值与方案A中V_x值不相等，且方案C中的V_y值与方案B中V_y值不相等，则代表方案C中的V_x和V_y值，方案A中的V_x值，方案B中的V_y值均错误。由此可以得出只有方案D测得的V_x和V_y值均正确，证明雷达收发器4发生故障，完成故障自检功能。

表4雷达收发器4发生故障

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (5)

1.一种用于载体车辆的四波束多普勒测速方法，其特征在于，步骤如下：

S1、雷达收发器发射信号；

S2、雷达收发器接收反射物体的回波信号；

S3、雷达收发器将回波信号与本振信号混频；

S4、AD模数转换模块将混频后的模拟信号转换为数字信号；

S5、信号采集模块采集数字信号；

S6、信号调理模块对信号采集模块采集的数字信号进行调理；

S7、四波束多普勒测速模块对数字信号进行频率提取和速度合成，得到当前载体车辆速度。

2.根据权利要求1所述的一种用于载体车辆的四波束多普勒测速方法，其特征在于，所述载体车辆设置有四个雷达收发器，任取三个雷达收发器的检测频率即可测得载体车辆的速度。

3.根据权利要求1所述的一种用于载体车辆的四波束多普勒测速方法，其特征在于，所述用于载体车辆的四波束多普勒测速方法还包括雷达收发器故障自检；若已知载体车辆参考速度，则在四个雷达收发器中任选三个组合进行速度测量，得到四种测量方案，将四种测量方案测得的两个方向的速度分别与参考速度进行对比，仅有一种雷达收发器的组合方式测得的速度与参考速度匹配，则判定剩余的雷达发射器出现故障，完成故障自检功能。

4.根据权利要求3所述的一种用于载体车辆的四波束多普勒测速方法，其特征在于，当载体车辆参考速度未知时，用四种测量方案进行测速得到四组共8个速度，分别对两个方向的速度进行对比，若测量方案中含有故障雷达收发器，则至少有一个方向的速度测量出现问题，且同方向上错误的速度数值不同；若测量方案中不含故障雷达收发器，则测得两个方向的速度均正确，两个方向的速度分别与某一个含有故障雷达收发器的测量方案中对应方向的速度数值相等，从而可确定雷达收发器的故障位置，完成自检功能。

5.根据权利要求1所述的一种用于载体车辆的四波束多普勒测速方法，其特征在于，所述四波束多普勒测速模块的建立过程如下：

波束1、2、3、4分别表示四个天线发射出的微波波束，车辆的前方指向为X轴，垂直方向为Z轴，建立右手坐标系O-XYZ和球坐标系

四波束配置方案采用对称Janus方式，波束相互关于坐标轴或者原点对称，波束天线与Z轴的天顶角余角均为α，波束投影与X轴正向的偏转角为θ_i，其中θ₂＝θ，波束天线满足对称Janus方式配置，θ₃＝π-θ，θ₄＝π+θ，θ₁＝2π-θ；

对于第i个波束的方向可以用单位矢量表示，其中，i＝1,2,3,4：

载体的速度矢量可以表示成三个速度分量的矢量和：

车辆载体，第i个波束所对应的多普勒频移值为：

展开上式可得：

四个雷达收发器任取三个即可测得载体车辆的速度，得到四种组合方案：方案A为f₁,f₂,f₄、方案B为f₂,f₃,f₄、方案C为f₁,f₃,f₄、方案Df₁,f₂,f₃；

根据方案A进行反演车体速度时，得到载体车辆速度反演方程为：

根据方案B进行反演车体速度时，得到载体车辆速度反演方程为：

根据方案C进行反演车体速度时，得到载体车辆速度反演方程为：

根据方案D进行反演车体速度时，得到载体车辆速度反演方程为：

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