CN110988862A - 一种基于极近距离毫米波雷达感知方法及*** - Google Patents
一种基于极近距离毫米波雷达感知方法及*** Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种基于极近距离毫米波雷达感知方法及***，包括了利用射频天线模块向目标辐射FMCW信号，接收所述目标反射回来的雷达回波信号，将所述信号变换为中频信号、利用ADC采样，处理所述接收信号，并输出被检测所述目标，测量所述目标的距离、速度和角度，传输数据。本发明在极近距离范围内可以完善环境建模和物体分类，对于研发先进的驾驶辅助算法和自动驾驶功能非常重要，更大的FOV保证感知周围360°环境所用传感器更少，降低了探测感知成本；且具备测高功能，保证了高度方向的测量。
Description
技术领域
本发明涉及毫米波雷达技术领域，尤其涉及一种基于极近距离毫米波雷达感知方法及***。
背景技术
毫米波雷达的研制是从40年代开始的，50年代出现了用于机场交通管制和船用导航的毫米波雷达(工作波长约为8毫米)，显示出高分辨力、高精度、小天线口径等优越性。但是，由于技术上的困难，毫米波雷达的发展一度受到限制。随着工作频率的提高，功率源输出功率和效率降低，接收机混频器和传输线损失增大，70年代中期以后，毫米波技术有了很大的进展,研制成功一些较好的功率源:固态器件如雪崩管和耿氏振荡器、热离子器件、振荡器、返波管振荡器和回旋管等；脉冲工作的固态功率源多采用雪崩管,其峰值功率可达5～15瓦，磁控管可用作高功率的脉冲功率源，峰值功率可达1～6千瓦或1千瓦，效率约为10％；回旋管是一种新型微波和毫米波振荡器或放大器，在毫米波波段可提供兆瓦级的峰值功率。
毫米波雷达作为汽车辅助驾驶、无人驾驶中极其重要的感知传感器，已经开始在汽车领域大规模的使用，其主要作用是获取汽车周身的运动及静止目标数据，包括位置信息、速度信息等，提供给后续的数据处理***进行使用；现在市场上主要用毫米波雷达对中远距离的目标进行探测感知，距离分辨率在10cm到50cm左右，另外，而对于车身近区的感知，现有毫米波雷达传感器性能难以满足，极近距离高分辨毫米波雷达(ultra shortrange radar,USRR)可以完善环境建模和物体分类，可以对于车身极近距离障碍物进行精准感知，这对于研发先进的驾驶辅助算法和自动驾驶功能非常重要。
发明内容
本部分的目的在于概述本发明的实施例的一些方面以及简要介绍一些较佳实施例。在本部分以及本申请的说明书摘要和发明名称中可能会做些简化或省略以避免使本部分、说明书摘要和发明名称的目的模糊，而这种简化或省略不能用于限制本发明的范围。
鉴于上述现有存在针对极近距离物体探测感知和环境建模应用受限的问题，提出了本发明。
因此，本发明提供了一种基于极近距离毫米波雷达感知方法及***，可以完善物体建模和探测感知。
为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：利用射频天线模块向目标辐射FMCW信号；接收所述目标反射回来的雷达回波信号；将所述信号变换为中频信号，利用ADC采样；处理所述接收信号，并输出被检测所述目标；测量所述目标的距离、速度和角度；传输数据，获取感知信息。
作为本发明所述的一种基于极近距离毫米波雷达感知方法的一种优选方案，其中：输出所述FMCW信号包括，利用射频收发模块接收信号；将发射信号和接收信号根据信号频率分开；控制所述信号，将滤波放大输出并混频；产生振荡信号，利用滤波混频输出；调节所述信号，产生基带信号并输出。
作为本发明所述的一种基于极近距离毫米波雷达感知方法的一种优选方案，其中：输出所述FMCW信号之前还具体包括，利用核心处理器控制DAC生成调制信号；驱动所述射频收发模块产生等幅的调频连续波信号；利用定向耦合器，一部分进入混频器形成本振信号；利用射频天线模块，另一部分进入环形器形成发射信号。
作为本发明所述的一种基于极近距离毫米波雷达感知方法的一种优选方案，其中：接收所述雷达回波信号包括，射频信号利用所述发射天线辐射到空间；所述发射信号被目标反射后形成回波信号；所述接收天线接收所述回波信号；输送至所述射频收发模块内。
作为本发明所述的一种基于极近距离毫米波雷达感知方法的一种优选方案，其中：转换所述信号包括，所述射频收发模块中的接收机将所述接收信号与所述本振信号相乘；利用低通滤波器获得变频后的中频信号；利用ADC将所述中频信号转换为数字信号，并采样。
作为本发明所述的一种基于极近距离毫米波雷达感知方法的一种优选方案，其中：处理所述接收信号包括，将下变频后的所述中频信号输出到信号处理模块；所述中频信号从模拟域转换到数字域，获得所述数字信号；利用DSP对所述数字信号进行数值计算加工；输出被检测所述目标。
作为本发明所述的一种基于极近距离毫米波雷达感知方法的一种优选方案，其中：测量、传输数据包括，利用三角形频率变化中的所述回波信号延时，测量上升沿和下降沿之间的距离；利用上升沿和下降沿之间的频率差，算的所述目标的距离和速度；所述信号处理器对所述接收天线阵列接收的信号进行二维FFT，再联合处理二维FFT矩阵，获得所述目标到达角度；利用数据输入输出模块将所述数据传输出去。
作为本发明所述的一种基于极近距离毫米波雷达感知***的一种优选方案，其中：所述射频天线模块采用贴片单阵元天线，包括发射天线和接收天线，所述发射天线为两个，所述接收天线为四个，在馈线长度上保持一致，所述射频信号通过所述发射天线辐射到空间，所述接收天线接收所述空间内的电磁波信号，并输出到所述射频收发模块内的所述接收机；所述射频收发模块采用线性调频连续波体制，包括接收机、发射通道及接受通道，所述射频收发模块产生所述FMCW基带信号，通过所述接收机将所述信号下变频到所述中频信号，以格式化形式输出到所述信号处理模块。
作为本发明所述的一种基于极近距离毫米波雷达感知***的一种优选方案，其中：所述信号处理模块与所述射频收发模块相连，其包括MCU和DSP，所述MCU控制所述射频收发模块的工作时序、***逻辑、雷达处理结果数据的输出接口以及所述数字信号的采集，并将所述数据传输给所述DSP，得到所述数据信息后，所述DSP对所述被检测目标进行跟踪测量；所述数据输入输出模块通过CAN总线进行数据传输，将雷达处理结果向外部传输使用，并建立数据交互，将所述雷达***所需要的信息从所述外部传入到所述***内部。
本发明的有益效果：本发明在极近距离范围内可以完善环境建模和物体分类，对于研发先进的驾驶辅助算法和自动驾驶功能非常重要，更大的FOV保证感知周围360°环境所用传感器更少，降低了探测感知成本；且具备测高功能，保证了高度方向的测量。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例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一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。其中：
图1为本发明提供的一种基于极近距离毫米波雷达感知方法的流程示意图；
图2为本发明提供的一种基于极近距离毫米波雷达感知***的天线布置示意图；
图3为本发明提供的一种基于极近距离毫米波雷达感知***的模块结构分布示意图；
图4为本发明提供的一种基于极近距离毫米波雷达感知***的模块结构又一种示意图；
图5为本发明提供的一种基于极近距离毫米波雷达感知***的射频收发组成示意图；
图6为本发明提供的一种基于极近距离毫米波雷达感知***的组成框图；
图7为本发明提供的一种基于极近距离毫米波雷达感知***的工作示意图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式做详细的说明，显然所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通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，都应当属于本发明的保护的范围。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
其次，此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非均指同一个实施例，也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。
本发明结合示意图进行详细描述，在详述本发明实施例时，为便于说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。
同时在本发明的描述中，需要说明的是，术语中的“上、下、内和外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一、第二或第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
本发明中除非另有明确的规定和限定，术语“安装、相连、连接”应做广义理解，例如：可以是固定连接、可拆卸连接或一体式连接；同样可以是机械连接、电连接或直接连接，也可以通过中间媒介间接相连，也可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
实施例1
参照图1，为本发明的第一个实施例，提供了一种基于极近距离毫米波雷达感知方法，如图1，一种基于极近距离毫米波雷达感知方法包括利用射频天线模块100向目标辐射FMCW信号；接收目标反射回来的雷达回波信号；将信号变换为中频信号，利用ADC采样；处理接收信号，并输出被检测目标；测量目标的距离、速度和角度；传输数据，获取感知信息。毫米波利用大气窗口传播时的衰减小，受自然光和热辐射源影响小，利用毫米波天线的窄波束和低旁瓣性能可实现低仰角精密跟踪雷达和成像雷达；而FMCW雷达在扫频周期内发射频率变化的连续波，被物体反射后的回波与发射信号有一定的频率差，通过测量频率差可以获得目标与雷达之间的距离和速度信息，且FMCW雷达测量目标的距离和速度的性能与周围环境的光照情况无关，并不需要额外的辅助光源提供照明。
参照图1，本实施例提出的一种基于极近距离毫米波雷达感知方法包括以下步骤，
S1：利用射频天线模块100向目标辐射FMCW信号。本步骤需要说明的是，输出FMCW信号包括，
利用核心处理器控制DAC生成调制信号；
驱动射频收发模块200产生等幅的调频连续波信号；
利用定向耦合器，一部分进入混频器形成本振信号；
利用射频天线模块100，另一部分进入环形器形成发射信号。
进一步的，输出信号还具体包括，
利用射频收发模块200接收信号，将发射信号和接收信号根据信号频率分开；
控制信号，将滤波放大输出并混频；
产生振荡信号，利用滤波混频输出；
调节信号，产生基带信号并输出。
S2：接收目标反射回来的雷达回波信号。其中需要说明的是，接收雷达回波信号包括，
射频信号利用发射天线101辐射到空间；
发射信号被目标反射后形成回波信号；
接收天线102接收回波信号；
输送至射频收发模块200内。
S3：将信号变换为中频信号，利用ADC采样。本步骤还需要说明的是，转换信号包括，
射频收发模块200中的接收机201将接收信号与本振信号相乘；
利用低通滤波器获得变频后的中频信号；
利用ADC将中频信号转换为数字信号，并采样；其中，采样处理满足奈奎斯特采样定理前提下，减少数据量。
S4：处理接收信号，并输出被检测目标。其中还需要说明的是，
将下变频后的中频信号输出到信号处理模块300；
中频信号从模拟域转换到数字域，获得数字信号；
利用DSP对数字信号进行数值计算加工；
输出被检测目标。
S5：测量目标的距离、速度和角度。本步骤需要说明的是，
利用三角形频率变化中的回波信号延时，测量上升沿和下降沿之间的距离；
利用上升沿和下降沿之间的频率差，算的目标的距离和速度；
信号处理器对接收天线102阵列接收的信号进行二维FFT，再联合处理二维FFT矩阵，获得目标到达角度。
S6：利用CAN或以太网形式将数据传输出去，获取感知信息。
优选的是，本实施例方法能够实现有效探测最小距离5cm，测距精度高，探测角度范围广，能提供物体的空间三维信息和速度信息，有效的感知近距离目标。对于自由泊车车位的精准测量，以及车身周围障碍物的精确感知都具有非常大的意义。
场景一：
现有中毫米波雷达对中远距离的目标进行探测感知，距离分辨率在10cm到50cm左右，而对于车身近区的感知，毫米波雷达传感器性能难以满足，在极近距离物体探测感知和环境建模应用受限。为验证本实施例能够实现有效探测最小距离5cm，测距精度高，探测角度范围广，能提供物体的空间三维信息和速度信息，能有效的感知近距离目标。通过设置不同的目标距离分别传统的雷达和本雷达***进行测试，
较佳的，用角反进行距离测试，将角反放在不同的距离处，分别用传统雷达与本雷达进行测试，真实测试结果入下表1、2和3所示。
表1：不同距离下的测试。
通过对距离比测试结果可发现，传统雷达对20cm内不能进行测距，而本雷达能测到8cm的目标；传统雷达测距误差在10cm左右，而本雷达测距误差只有2cm。
表2：角反位置，俯仰角0°，距离5m：
表3：角反位置，方位角0°，距离1m：
对角度比测试结果可发现，本雷达的FOV，俯仰角范围能达到±40°，而传统雷达只有±10°，对于近距离探测时，本雷达盲区大大减小；本雷达测角精度与传统雷达基本一个水平，并没有因为FOV的增大而损失测角精度。
应当认识到，本发明的实施例可以由计算机硬件、硬件和软件的组合、或者通过存储在非暂时性计算机可读存储器中的计算机指令来实现或实施。所述方法可以使用标准编程技术-包括配置有计算机程序的非暂时性计算机可读存储介质在计算机程序中实现，其中如此配置的存储介质使得计算机以特定和预定义的方式操作——根据在具体实施例中描述的方法和附图。每个程序可以以高级过程或面向对象的编程语言来实现以与计算机***通信。然而，若需要，该程序可以以汇编或机器语言实现。在任何情况下，该语言可以是编译或解释的语言。此外，为此目的该程序能够在编程的专用集成电路上运行。
此外，可按任何合适的顺序来执行本文描述的过程的操作，除非本文另外指示或以其他方式明显地与上下文矛盾。本文描述的过程(或变型和/或其组合)可在配置有可执行指令的一个或多个计算机***的控制下执行，并且可作为共同地在一个或多个处理器上执行的代码(例如，可执行指令、一个或多个计算机程序或一个或多个应用)、由硬件或其组合来实现。所述计算机程序包括可由一个或多个处理器执行的多个指令。
进一步，所述方法可以在可操作地连接至合适的任何类型的计算平台中实现，包括但不限于个人电脑、迷你计算机、主框架、工作站、网络或分布式计算环境、单独的或集成的计算机平台、或者与带电粒子工具或其它成像装置通信等等。本发明的各方面可以以存储在非暂时性存储介质或设备上的机器可读代码来实现，无论是可移动的还是集成至计算平台，如硬盘、光学读取和/或写入存储介质、RAM、ROM等，使得其可由可编程计算机读取，当存储介质或设备由计算机读取时可用于配置和操作计算机以执行在此所描述的过程。此外，机器可读代码，或其部分可以通过有线或无线网络传输。当此类媒体包括结合微处理器或其他数据处理器实现上文所述步骤的指令或程序时，本文所述的发明包括这些和其他不同类型的非暂时性计算机可读存储介质。当根据本发明所述的方法和技术编程时，本发明还包括计算机本身。计算机程序能够应用于输入数据以执行本文所述的功能，从而转换输入数据以生成存储至非易失性存储器的输出数据。输出信息还可以应用于一个或多个输出设备如显示器。在本发明优选的实施例中，转换的数据表示物理和有形的对象，包括显示器上产生的物理和有形对象的特定视觉描绘。
实施例2
参照图2～图7，为本发明的第二个实施例，该实施例不同于第一个实施例的是提供了一种基于极近距离毫米波雷达感知***，如图3，一种基于极近距离毫米波雷达感知***包括射频天线模块100、射频收发模块200、信号处理模块300和数据输入输出模块400，射频天线模块100采用贴片单阵元天线，包括发射天线101和接收天线102，发射天线101为两个，接收天线102为四个，在馈线长度上保持一致，射频信号通过发射天线101辐射到空间，接收天线102接收空间内的电磁波信号，并输出到射频收发模块200内的接收机201；射频收发模块200采用线性调频连续波体制，包括接收机201、发射通道202及接受通道203，射频收发模块200产生FMCW基带信号，通过接收机201将信号下变频到中频信号，以格式化形式输出到信号处理模块300；信号处理模块300与射频收发模块200相连，其包括MCU301和DSP302，MCU301控制射频收发模块200的工作时序、***逻辑、雷达处理结果数据的输出接口以及数字信号的采集，并将数据传输给DSP302，得到数据信息后，DSP302对被检测目标进行跟踪测量；数据输入输出模块400通过CAN总线401进行数据传输，将雷达处理结果向外部传输使用，并建立数据交互，将雷达***所需要的信息从外部传入到***内部。
具体的，参照图2，发射天线101和接收天线102在馈线长度保持一致，Y方向天线阵元间距d_EL_2＝8mm；接收天线102内的1与2，X坐标一致，Y方向间隔d_El_1＝8mm；接收天线102内的2、3、4，Y坐标一致，接收天线102内的3与2间隔d_Az,接收天线102内的4与3间隔d_Az，d_Az＝4mm；其中d为阵元间隔，θ为单边最大栅瓣角度，其中C为光速3e8，fc为中心频率79e9Hz，天线阵列间距根据以下公式计算：
阵元间距与最大栅瓣的关系为：
进一步的，参照图5和图6，射频收发模块200完成FMCW基带信号的产生，上变频，然后将所需频率射频信号通过发射天线101将信号辐射到空间中，在接收信号时，空间中信号通过接收天线102输入到接收机201，接收机201完成信号的下变频，并完成ADC工作，然后将下变频后的中频信号输出到信号处理模块300。DSP302完成基带信号处理部分，包括信号的傅里叶变换、目标检测、测量以及目标跟踪，RAM和FLASH会提供必要的内存供计算和烧录程序使用。
较佳的，参照图7，合成器产生FMCW发射信号，通过Tx(发射)天线将信号辐射到空间，例如信号碰到汽车返回雷达回波信号，通过Rx(接收天线)接收回波信号，经过低噪声放大器后，与发射信号的参考信号进行混频，获得中频信号(IF信号)，通过低通滤波器后进行ADC采样，获得数字信号。
如在本申请所使用的，术语“组件”、“模块”、“***”等等旨在指代计算机相关实体，该计算机相关实体可以是硬件、固件、硬件和软件的结合、软件或者运行中的软件。例如，组件可以是，但不限于是：在处理器上运行的处理、处理器、对象、可执行文件、执行中的线程、程序和/或计算机。作为示例，在计算设备上运行的应用和该计算设备都可以是组件。一个或多个组件可以存在于执行中的过程和/或线程中，并且组件可以位于一个计算机中以及/或者分布在两个或更多个计算机之间。此外，这些组件能够从在其上具有各种数据结构的各种计算机可读介质中执行。这些组件可以通过诸如根据具有一个或多个数据分组(例如，来自一个组件的数据，该组件与本地***、分布式***中的另一个组件进行交互和/或以信号的方式通过诸如互联网之类的网络与其它***进行交互)的信号，以本地和/或远程过程的方式进行通信。
应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (9)
1.一种基于极近距离毫米波雷达感知方法，其特征在于：包括，
利用射频天线模块(100)向目标辐射FMCW信号；
接收所述目标反射回来的雷达回波信号；
将所述信号变换为中频信号，利用ADC采样；
处理所述接收信号，并输出被检测所述目标；
测量所述目标的距离、速度和角度；
传输数据，获取感知信息。
2.如权利要求1所述的基于极近距离毫米波雷达感知方法，其特征在于：输出所述FMCW信号包括，
利用射频收发模块(200)接收信号，将发射信号和接收信号根据信号频率分开；
控制所述信号，将滤波放大输出并混频；
产生振荡信号，利用滤波混频输出；
调节所述信号，产生基带信号并输出。
3.如权利要求2所述的基于极近距离毫米波雷达感知方法，其特征在于：输出所述FMCW信号之前还具体包括，
利用核心处理器控制DAC生成调制信号；
驱动所述射频收发模块(200)产生等幅的调频连续波信号；
利用定向耦合器，一部分进入混频器形成本振信号；
利用射频天线模块(100)，另一部分进入环形器形成发射信号。
4.如权利要求1或2所述的基于极近距离毫米波雷达感知方法，其特征在于：接收所述雷达回波信号包括，
射频信号利用所述发射天线(101)辐射到空间；
所述发射信号被目标反射后形成回波信号；
所述接收天线(102)接收所述回波信号；
输送至所述射频收发模块(200)内。
5.如权利要求4所述的基于极近距离毫米波雷达感知方法，其特征在于：转换所述信号包括，
所述射频收发模块(200)中的接收机(201)将所述接收信号与所述本振信号相乘；
利用低通滤波器获得变频后的中频信号；
利用ADC将所述中频信号转换为数字信号，并采样。
6.如权利要求1或5所述的基于极近距离毫米波雷达感知方法，其特征在于：处理所述接收信号包括，
将下变频后的所述中频信号输出到信号处理模块(300)；
所述中频信号从模拟域转换到数字域，获得所述数字信号；
利用DSP对所述数字信号进行数值计算加工；
输出被检测所述目标。
7.如权利要求1所述的基于极近距离毫米波雷达感知方法，其特征在于：测量、传输数据包括，
利用三角形频率变化中的所述回波信号延时，测量上升沿和下降沿之间的距离；
利用上升沿和下降沿之间的频率差，算的所述目标的距离和速度；
所述信号处理器对所述接收天线(102)阵列接收的信号进行二维FFT，再联合处理二维FFT矩阵，获得所述目标到达角度；
利用数据输入输出模块(400)将所述数据传输出去。
8.一种基于极近距离毫米波雷达感知***，其特征在于：包括射频天线模块(100)和射频收发模块(200)，
所述射频天线模块(100)采用贴片单阵元天线，包括发射天线(101)和接收天线(102)，所述发射天线(101)为两个，所述接收天线(102)为四个，在馈线长度上保持一致，所述射频信号通过所述发射天线(101)辐射到空间，所述接收天线(102)接收所述空间内的电磁波信号，并输出到所述射频收发模块(200)内的所述接收机(201)；
所述射频收发模块(200)采用线性调频连续波体制，包括接收机(201)、发射通道(202)及接受通道(203)，所述射频收发模块(200)产生所述FMCW基带信号，通过所述接收机(201)将所述信号下变频到所述中频信号，以格式化形式输出到所述信号处理模块(300)。
9.如权利要求7所述的基于极近距离毫米波雷达感知***，其特征在于：还包括信号处理模块(300)和数据输入输出模块(400)，
所述信号处理模块(300)与所述射频收发模块(200)相连，其包括MCU(301)和DSP(302)，所述MCU(301)控制所述射频收发模块(200)的工作时序、***逻辑、雷达处理结果数据的输出接口以及所述数字信号的采集，并将所述数据传输给所述DSP(302)，得到所述数据信息后，所述DSP(302)对所述被检测目标进行跟踪测量；
所述数据输入输出模块(400)通过CAN总线(401)进行数据传输，将雷达处理结果向外部传输使用，并建立数据交互，将所述雷达***所需要的信息从所述外部传入到所述***内部。
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