CN112505702A - 一种雷达障碍物探测方法、装置及存储介质 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种雷达障碍物探测方法、装置及存储介质，所述雷达障碍物探测方法包括：按照预设的时间周期发射调频连续波信号；通过至少两个接收天线连续接收来自雷达视场中障碍物的雷达回波；对所述雷达回波进行时域锯齿滤波、障碍物径向距离转换，以及快速傅立叶变换转换处理后使用中值过滤器进行自适应噪音过滤处理，并进行峰值点检测和目标范围计算，以识别所述雷达视场中障碍物的目标信令；对所述目标信令与不同接收天线之间的相位差进行目标方位计算以获得障碍物的目标方位；通过通用异步收发传输输出所述障碍物。同时提供了雷达障碍物探测装置及存储介质。本发明提供的技术方案，能够适用于无人机、机器人和汽车进行障碍物探测和定位。

Description

一种雷达障碍物探测方法、装置及存储介质
技术领域
本发明涉及雷达障碍物探测技术领域，尤其涉及一种雷达障碍物探测方法、装置及存储介质。
背景技术
现今有许多障碍物探测技术，例如超声、激光、激光雷达和照相机等，超声波具有许多优点，例如可靠性、检测角度广和成本低。但是，由于声音的扩散特性，其范围通常限制在4m以下，因此不适用于速度更快的自动驾驶汽车和需要更长探测距离的应用。此外，由于它能感应声音，因此很容易被环境中的声音错误地触发。
激光传感器使用飞行时间(Time-of-Flight，ToF)方法来检测障碍物，它们的范围检测准确，并且由于极窄的光束宽度(小于0.5-1°)而不会轻易受到周围物体的干扰。但是，它们很容易被周围的光线遮蔽，这使其难以预测，并且难以在户外使用。另外，由于光束非常窄，它们倾向于错过狭窄的物体(如灯柱)或具有大穿孔的物体(如栅栏、电源线)。激光雷达使用与激光类似的技术，但通常具有旋转机制以覆盖特定角度。与激光类似，它更重，成本更高，并且还容易被周围的光线遮挡。与激光相比，激光雷达的主要优势在于它能够识别周围目标的角度，这主要是由于旋转机制。
由于多年来成倍地降低了成本，因此相机也已广泛用于障碍物探测。但是，由于依赖于从物体反射的光，因此它在照明受控的地方表现最佳。但在刺眼的灯光(例如阳光、车辆前照灯、照明设备)和可见度不足(例如黑暗、雨、雾、灰尘、沙土)，其性能就会下降。同时由于其基于视觉，因此深度感知能力有限。
雷达由于成本高昂，传统上一直用于军用雷达，而很少用于商业部署。近年来，雷达的成本已大大降低，并且已成为需要检测和测距的典型消费者和商业应用所能接近的。获得目标范围信息的主要方法有脉冲和调频连续波(Frequency Modulated ContinuousWave，FMCW)。脉冲雷达发送一个非常短的脉冲，该脉冲从目标反射并从目标接收反射的脉冲。根据发送和接收之间的时间差，可以计算到目标的距离。为了获得目标的角度，传统雷达使用机械马达旋转天线可达360°，后端处理将马达的位置与计算范围同步，以提供目标与雷达的相对位置。脉冲雷达通常用于需要千米范围的应用。由于只能以窄脉冲存储的能量有限，因此必须发出千瓦的微波功率，并且通常远离公众。因此，脉冲雷达不常用于地面检测的商业目的。FMCW不需要高功率脉冲，因而更适合于商业、低功率、短距离应用。但现有技术中，使用FMCW进行目标检测多用于静态目标或专用测量时使用，检测装置大且复杂，在应用于机器人、无人机、无人汽车领域时存在过大、不灵活且检测不准确和效率低的问题。
发明内容
本发明提供一种雷达障碍物探测方法、装置及存储介质，旨在解决上述的障碍物探测技术中的不足。
为实现上述目的，本发明提供一种雷达障碍物探测方法，所述雷达障碍物探测方法包括：
步骤S10：按照预设的时间周期发射调频连续波信号；
步骤S20：通过至少两个接收天线连续接收来自雷达视场中障碍物的雷达回波；
步骤S30：对所述雷达回波进行时域锯齿滤波，以得到成拍频率；
步骤S40：对所述成拍频率进行障碍物径向距离转换，以得到转换后的第一信令；
步骤S50：将所述第一信令进行零填充及快速傅立叶变换转换处理以得到转换后的第二信令；
步骤S60：对所述第二信令使用中值过滤器进行自适应噪音过滤处理，并进行峰值点检测和目标范围计算，以识别所述雷达视场中障碍物的目标信令；
步骤S70：对所述目标信令与不同接收天线之间的相位差进行目标方位计算以获得障碍物的目标方位；
步骤S80：通过通用异步收发传输输出所述障碍物。
进一步地，所述成拍频率进行障碍物径向距离转换的转换公式为：
Figure BDA0002642402500000031
Figure BDA0002642402500000032
其中，R表示雷达与目标之间的径向距离，co表示光速，即3x 108；Δf表示频率带宽；T表示调制频率所需的时间；fb表示成拍频率。
进一步地，所述接收天线包括第一接收天线和第二接收天线。
进一步地，所述目标方位计算的计算公式为：
Figure BDA0002642402500000033
其中，θ为目标方位；
Figure BDA0002642402500000034
为第一接收天线和第二接收天线的相位差；λ为自由空间中发射频率的波长；d为第一接收天线和第二天线之间的距离；fb表示成拍频率。
此外，本发明还提供一种雷达障碍物探测装置，所述雷达障碍物探测装置包括存储器和处理器，所述存储器上存储有可在所述处理器上运行的雷达障碍物探测程序，所述雷达障碍物探测程序被所述处理器执行时实现上述的雷达障碍物探测方法的步骤；所述雷达障碍物探测装置还包括雷达传感器模块、信息处理模块、发射模块和接收模块，所述存储器和处理器设于所述信息处理模块上；所述雷达传感器模块与所述信息处理模块连接，所述发射模块和接收模块均与所述雷达传感器模块连接，所述发射模块包括发射器和与所述发射器连接的发射天线；所述接收模块包括至少两个接收天线，所述接收天线用于接收来自雷达视场中障碍物的雷达回波。
进一步地，所述发射器为基于压控振荡器的发射器，所述发射天线发射调频连续波信号。
进一步地，所述雷达障碍物探测装置还包括I-Q平衡混频器，所述I-Q平衡混频器与所述接收天线连接并用于对接收到的信号进行时移和变频处理并输出I处的信号和Q处的信号。
进一步地，所述雷达障碍物探测装置还包括信号放大器，所述信号放大器与所述I-Q平衡混频器连接并用于对所述I处的信号和Q处的信号进行放大和调节。
同时，本发明还提供一种存储介质，所述存储介质为计算机可读存储介质，所述存储介质上存储有雷达障碍物探测程序，所述雷达障碍物探测程序可被一个或者多个处理器执行，以实现上述的雷达障碍物探测方法的步骤。
本发明提供的雷达障碍物探测方法、装置及存储介质，通过雷达周期发射调频连续波信号并对雷达回波信号进行滤波和信令处理，得到障碍物的目标方位，能够适用于无人机、机器人和汽车进行障碍物探测和定位，并且功耗低、尺寸小、重量轻、成本低，障碍物探测更为准确，效率更高。
附图说明
图1为本发明一实施例提供的雷达障碍物探测方法的流程示意图；
图2为本发明一实施例提供的雷达前端信号处理的结构示意图；
图3为本发明一实施例提供的时域锯齿滤波的FMCW技术的波形示意图；
图4为本发明一实施例提供的一种雷达障碍物探测装置的内部结构示意图；
图5为本发明雷达障碍物探测装置一实施例中的雷达障碍物探测程序的程序模块示意图。
图中，1、存储器；2、处理器；3、雷达传感器模块；4、信息处理模块；5、发射模块；6、接收模块；7、信号放大器；11、发射器；12、发射天线；21、第一接收天线；22、第二接收天线；212、第一I-Q平衡混频器；222、第二I-Q平衡混频器；211、第一LNA；221、第二LNA。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。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。
请结合参阅图1、图2和图3，图1所示为本发明一实施例提供一种雷达障碍物探测方法的流程示意图，所述雷达障碍物探测方法包括：
步骤S10：按照预设的时间周期发射调频连续波信号；
步骤S20：通过至少两个接收天线连续接收来自雷达视场中障碍物的雷达回波；
步骤S30：对所述雷达回波进行时域锯齿滤波，以得到成拍频率；
步骤S40：对所述成拍频率进行障碍物径向距离转换，以得到转换后的第一信令；
步骤S50：将所述第一信令进行零填充及快速傅立叶变换转换处理以得到转换后的第二信令；
步骤S60：对所述第二信令使用中值过滤器进行自适应噪音过滤处理，并进行峰值点检测和目标范围计算，以识别所述雷达视场中障碍物的目标信令；
步骤S70：对所述目标信令与不同接收天线之间的相位差进行目标方位计算以获得障碍物的目标方位；
步骤S80：通过通用异步收发传输输出所述障碍物。
具体地，雷达前端设置有发射模块5，所述发射模块5包括基于压控振荡器(Voltage-Controlled Oscillator，VCO)的发射器11和发射天线12，该发射器11通过单个发射天线12发射FMCW信号，并通过第一接收天线21和第二接收天线22连续接收来自雷达视场(Field of View，FOV)中的障碍物的雷达回波，对所述雷达回波进行时域锯齿滤波，以得到成拍频率；如图2所示，第一接收天线21通过第一低噪声放大器(Low Noise Amplifier，LNA)211处理后输入第一I-Q平衡混频器212进行变频获得I1处的信号和Q1处的信号，第二接收天线22通过第二LNA221处理后输入第二I-Q平衡混频器222进行变频获得I2处的信号和Q2处的信号，I1处的信号、Q1处的信号、I2处的信号和Q2处的信号经信号放大器7处理后组成成拍频率。
对所述成拍频率进行障碍物径向距离转换，所述成拍频率进行障碍物径向距离转换的转换公式为：
Figure BDA0002642402500000051
Figure BDA0002642402500000052
其中，R表示雷达与目标之间的径向距离，co表示光速，即3 x 108；Δf表示频率带宽；T表示调制频率所需的时间；fb表示成拍频率。
基于时域锯齿滤波的FMCW技术，对雷达回波进行变频调制后的部分如图3中的A部位。通过障碍物径向距离转换得到第一信令，所述第一信令进行信号放大器放大调节后再经模数转换器(Analog to Digital Converter，ADC)进行转换以及零填充处理，再经快速傅立叶变换FFT处理以得到转换后的第二信令，对所述第二信令使用中值过滤器进行自适应噪音过滤处理，并进行峰值点检测和目标范围计算，以识别所述雷达视场中障碍物的目标信令；对所述目标信令与不同接收天线之间的相位差进行目标方位计算，所进行的目标方位计算发生在图3中的B部分，具体在本实施例中，比较第一接收天线和第二接收天线之间的相位，例如将I1和I2相互比较，然后将Q1和Q2相互比较以获得目标方位，所述目标方位计算的计算公式为：
Figure BDA0002642402500000061
其中，θ为目标方位；
Figure BDA0002642402500000062
为第一接收天线和第二接收天线的相位差；λ为自由空间中发射频率的波长；d为第一接收天线和第二天线之间的距离；fb表示成拍频率。
最后通过通用异步收发传输(Universal Asynchronous Receiver/Transmitter，UART)输出所述障碍物。
请参阅图4，本发明还提供一种雷达障碍物探测装置，所述雷达障碍物探测装置包括存储器1和处理器2，所述存储器1上存储有可在所述处理器2上运行的雷达障碍物探测程序，所述雷达障碍物探测程序被所述处理器2执行时实现上述的雷达障碍物探测方法的步骤；所述雷达障碍物探测装置还包括雷达传感器模块3、信息处理模块4、发射模块5和接收模块6，所述存储器1和处理器2设于所述信息处理模块4上；所述雷达传感器模块3与所述信息处理模块4连接，所述发射模块5和接收模块6均与所述雷达传感器模块3连接，所述发射模块5包括发射器11和与所述发射器11连接的发射天线12；所述发射器11为基于压控振荡器的发射器，所述发射天线12发射调频连续波信号；所述接收模块6包括至少两个接收天线，具体在本实施例中，所述接收模块6包括第一接收天线21和第二接收天线22，所述接收模块6用于接收来自雷达视场中障碍物的雷达回波。所述雷达障碍物探测装置还包括I-Q平衡混频器，所述I-Q平衡混频器与所述接收天线连接并用于对接收到的信号进行时移和变频处理并输出I处的信号和Q处的信号。具体地，第一接收天线21连接第一I-Q平衡混频器212，第二接收天线22连接第二I-Q平衡混频器222；所述雷达障碍物探测装置还包括信号放大器7，所述信号放大器7与所述I-Q平衡混频器连接并用于对所述I处的信号和Q处的信号进行放大和调节。
具体在本发明一实施例提供的雷达障碍物探测装置，其尺寸为64mm×64mm×16mm，重量为40克，并具有：
工作范围：0.8-50米；
功耗：1瓦；
范围精度：0.3米；
范围解析度：0.6米；
同时可探测障碍物数量：可达20个；
雷达视场FOV：70°x 24°；
更新频率：80Hz。
其中，存储器1至少包括一种类型的可读存储介质，所述可读存储介质包括闪存、硬盘、多媒体卡、卡型存储器(例如，SD或DX存储器等)、磁性存储器、磁盘、光盘等。存储器1在一些实施例中可以是雷达障碍物探测装置的内部存储单元，例如该雷达障碍物探测装置的硬盘。存储器1在另一些实施例中也可以是雷达障碍物探测装置的外部存储设备，例如雷达障碍物探测装置上配备的插接式硬盘，智能存储卡(Smart Media Card，SMC)，安全数字(Secure Digital，SD)卡，闪存卡(Flash Card)等。进一步地，存储器1还可以既包括雷达障碍物探测装置的内部存储单元也包括外部存储设备。存储器1不仅可以用于存储安装于雷达障碍物探测装置的应用软件及各类数据，例如雷达障碍物探测程序的代码等，还可以用于暂时地存储已经输出或者将要输出的数据。
处理器2在一些实施例中可以是一中央处理器(Central Processing Unit，CPU)、控制器、微控制器、微处理器或其他数据处理芯片，用于运行存储器1中存储的程序代码或处理数据，例如执行雷达障碍物探测程序等。
图4仅示出了具有雷达障碍物探测程序的雷达障碍物探测装置，本领域技术人员可以理解的是，图4示出的结构并不构成对雷达障碍物探测装置的限定，可以包括比图示更少或者更多的部件，或者组合某些部件，或者不同的部件布置。
在图4所示的雷达障碍物探测装置实施例中，存储器1中存储有雷达障碍物探测程序；处理器2执行存储器1中存储的雷达障碍物探测程序时实现如下步骤：
步骤S10：按照预设的时间周期发射调频连续波信号；
步骤S20：通过至少两个接收天线连续接收来自雷达视场中障碍物的雷达回波；
步骤S30：对所述雷达回波进行时域锯齿滤波，以得到成拍频率；
步骤S40：对所述成拍频率进行障碍物径向距离转换，以得到转换后的第一信令；
步骤S50：将所述第一信令进行零填充及快速傅立叶变换转换处理以得到转换后的第二信令；
步骤S60：对所述第二信令使用中值过滤器进行自适应噪音过滤处理，并进行峰值点检测和目标范围计算，以识别所述雷达视场中障碍物的目标信令；
步骤S70：对所述目标信令与不同接收天线之间的相位差进行目标方位计算以获得障碍物的目标方位；
步骤S80：通过通用异步收发传输输出所述障碍物。
此外，本发明提供一种存储介质，所述存储介质为计算机可读存储介质，所述存储介质上存储有雷达障碍物探测程序，所述雷达障碍物探测程序可被一个或者多个处理器执行，以实现上述的雷达障碍物探测方法的步骤。
参照图5所示，为本发明雷达障碍物探测装置一实施例中的雷达障碍物探测程序的程序模块示意图，该实施例中，雷达障碍物探测程序可以被分割为发射处理模块100、接收处理模块200、分析模块300和输出模块400，示例性地：
发射处理模块100，用于执行按照预设的时间周期发射调频连续波信号；
接收处理模块200，用于接收来自雷达视场中障碍物的雷达回波；
分析模块300，用于对所述雷达回波进行分析处理得到障碍物的目标方位；
输出模块400，用于输出所述障碍物。
上述发射处理模块100、接收处理模块200、分析模块300和输出模块400等程序模块被执行时所实现的功能或操作步骤与上述实施例大体相同，在此不再赘述。
此外，本发明实施例还提出一种存储介质，所述存储介质为计算机可读存储介质，所述存储介质上存储有雷达障碍物探测程序，所述雷达障碍物探测程序可被一个或多个处理器执行，以实现如下操作：
步骤S10：按照预设的时间周期发射调频连续波信号；
步骤S20：通过至少两个接收天线连续接收来自雷达视场中障碍物的雷达回波；
步骤S30：对所述雷达回波进行时域锯齿滤波，以得到成拍频率；
步骤S40：对所述成拍频率进行障碍物径向距离转换，以得到转换后的第一信令；
步骤S50：将所述第一信令进行零填充及快速傅立叶变换转换处理以得到转换后的第二信令；
步骤S60：对所述第二信令使用中值过滤器进行自适应噪音过滤处理，并进行峰值点检测和目标范围计算，以识别所述雷达视场中障碍物的目标信令；
步骤S70：对所述目标信令与不同接收天线之间的相位差进行目标方位计算以获得障碍物的目标方位；
步骤S80：通过通用异步收发传输输出所述障碍物。
本发明的存储介质具体实施方式与上述雷达障碍物探测方法和装置各实施例基本相同，在此不作累述。
与现有技术相比，本发明提供的雷达障碍物探测方法、装置及存储介质，通过雷达周期发射调频连续波信号并对雷达回波信号进行滤波和信令处理，得到障碍物的目标方位，能够适用于无人机、机器人和汽车进行障碍物探测和定位，并且功耗低、尺寸小、重量轻、成本低，障碍物探测更为准确，效率更高。
需要说明的是，上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。并且本文中的术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、装置、物品或者方法不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、装置、物品或者方法所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一……”限定的要素，并不排除在包括该要素的过程、装置、物品或者方法中还存在另外的相同要素。
通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到上述实施例方法可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件，但很多情况下前者是更佳的实施方式。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在如上所述的一个存储介质(如ROM/RAM、磁碟、光盘)中，包括若干指令用以使得一台终端设备(可以是无人机、手机，计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述的方法。
注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (9)

1.一种雷达障碍物探测方法，其特征在于，所述雷达障碍物探测方法包括：
步骤S10：按照预设的时间周期发射调频连续波信号；
步骤S20：通过至少两个接收天线连续接收来自雷达视场中障碍物的雷达回波；
步骤S30：对所述雷达回波进行时域锯齿滤波，以得到成拍频率；
步骤S40：对所述成拍频率进行障碍物径向距离转换，以得到转换后的第一信令；
步骤S50：将所述第一信令进行零填充及快速傅立叶变换转换处理以得到转换后的第二信令；
步骤S60：对所述第二信令使用中值过滤器进行自适应噪音过滤处理，并进行峰值点检测和目标范围计算，以识别所述雷达视场中障碍物的目标信令；
步骤S70：对所述目标信令与不同接收天线之间的相位差进行目标方位计算以获得障碍物的目标方位；
步骤S80：通过通用异步收发传输输出所述障碍物。
2.根据权利要求1所述的雷达障碍物探测方法，其特征在于，所述成拍频率进行障碍物径向距离转换的转换公式为：
Figure FDA0002642402490000011
Figure FDA0002642402490000012
其中，R表示雷达与目标之间的径向距离，co表示光速，即3x108；Δf表示频率带宽；T表示调制频率所需的时间；fb表示成拍频率。
3.根据权利要求1所述的雷达障碍物探测方法，其特征在于，所述接收天线包括第一接收天线和第二接收天线。
4.根据权利要求3所述的雷达障碍物探测方法，其特征在于，所述目标方位计算的计算公式为：
Figure FDA0002642402490000013
其中，θ为目标方位；
Figure FDA0002642402490000014
为第一接收天线和第二接收天线的相位差；λ为自由空间中发射频率的波长；d为第一接收天线和第二天线之间的距离；fb表示成拍频率。
5.一种雷达障碍物探测装置，其特征在于，所述雷达障碍物探测装置包括存储器和处理器，所述存储器上存储有可在所述处理器上运行的雷达障碍物探测程序，所述雷达障碍物探测程序被所述处理器执行时实现如权利要求1至4中任一项所述的雷达障碍物探测方法的步骤；所述雷达障碍物探测装置还包括雷达传感器模块、信息处理模块、发射模块和接收模块，所述存储器和处理器设于所述信息处理模块上；所述雷达传感器模块与所述信息处理模块连接，所述发射模块和接收模块均与所述雷达传感器模块连接，所述发射模块包括发射器和与所述发射器连接的发射天线；所述接收模块包括至少两个接收天线，所述接收天线用于接收来自雷达视场中障碍物的雷达回波。
6.根据权利要求5所述的雷达障碍物探测装置，其特征在于，所述发射器为基于压控振荡器的发射器，所述发射天线发射调频连续波信号。
7.根据权利要求5所述的雷达障碍物探测装置，其特征在于，所述雷达障碍物探测装置还包括I-Q平衡混频器，所述I-Q平衡混频器与所述接收天线连接并用于对接收到的信号进行时移和变频处理并输出I处的信号和Q处的信号。
8.根据权利要求7所述的雷达障碍物探测装置，其特征在于，所述雷达障碍物探测装置还包括信号放大器，所述信号放大器与所述I-Q平衡混频器连接并用于对所述I处的信号和Q处的信号进行放大和调节。
9.一种存储介质，其特征在于，所述存储介质为计算机可读存储介质，所述存储介质上存储有雷达障碍物探测程序，所述雷达障碍物探测程序可被一个或者多个处理器执行，以实现如权利要求1至4中任一项所述的雷达障碍物探测方法的步骤。
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