CN114114230A - 一种动态定位方法、装置、***及计算机可读存储介质 - Google Patents

一种动态定位方法、装置、***及计算机可读存储介质 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种动态定位方法，包括处理器，包括以下步骤：设置有源标签及接收机；有源标签发射信号；多个接收机接收信号；多个接收机分别将信号经过各自内置的功分器或耦合器分为第一信号和第二信号，所述第一信号直接进入混频器，所述第二信号经过时延器延时后进入混频器；混频器对第一信号和第二信号进行处理后输出数字采样信号；处理器根据数字采样信号对动态目标进行定位。本发明利用FMCW扫频雷达作为有源标签标定欲被观测的目标点，利用时延毫米波接收机和数字处理对有源标签移动位置进行追踪观测，利用多个接收机在不同角度观测，进而利用三角关系对有源标签进行三维空间精确定位，有效避免雷达回波反射点游走的问题。

Description

一种动态定位方法、装置、***及计算机可读存储介质
技术领域
本发明涉及雷达技术领域，特别是涉及一种动态定位方法、装置、***及计算机刻度存储介质。
背景技术
在工业应用场景之中，利用雷达进行监测可以作为有效的质量监测和安全监控手段，特别是在航空航天领域，技术人员经常需要对动态目标进行动态定位，但现有技术中的各种方案的效果还不能达到毫米波级的定位精度，且定位***设计复杂、算法运算量较大，***迟延度高。
2020年3月15日发表在IEEE的论文，名称为：用于距离测量和监控的毫米波精度相位调制雷达（Micrometer Accuracy Phase Modulated Radar for Distance Measurementand Monitoring），该方案提出一种提高精度的随机二进制相位调制雷达，论文地址：https://ieeexplore.ieee.org/document/8911417，该论文的方案可用于制造业的高精度监控，与使用调频连续波（FMCW，Frequency Modulated Continuous Wave）的传统高精度雷达相比，该论文的雷达***可以在多用户场景中使用而不会占用更多带宽，其引入两步距离估计方法来估计距离，首先，通过分析相位调制信号的包络，将距离估计精度缩小到半载波波长；然后载波相位信息将距离精度提高到几个微米，且引入均衡方法来解决 I/Q 不平衡问题，该论文提出的雷达***在 80 GHz 的载波频率和 2 GHz 的带宽下进行了演示，测得的距离误差在±7μm以内，此外，还达到了 500 kHz 的高测量重复率，适用于自动化制造中的实时监控。该论文的方案仍然不能有效解决在动态目标场景下的动态定位问题。
现有技术中还采用成像雷达利用多天线技术对目标场的目标解析成像，进而实现图像定位，但在多目标的复杂情况下，背景反射会造成虚假影像，从而影响成像质量，提高目标检测难度，另外因为采用多天线体制，造成成像雷达具有较高的硬件成本和信号处理难度。
因此，有必要针对现有技术的不足，开发一种动态目标的动态定位方法及装置。
发明内容
本发明提出一种动态目标的动态定位方法、装置及计算机可读存储介质，技术方案如下：
第一方面，本发明提供一种动态定位方法，包括处理器，包括以下步骤：
设置有源标签及接收机；
有源标签发射信号；
多个接收机接收信号；
多个接收机分别将信号经过功分器分为第一信号和第二信号，第一信号直接进入混频器，第二信号进入时延器延迟后进入混频器；
混频器对第一信号和第二信号进行处理后输出数字采样信号；
处理器根据数字采样信号对动态目标进行定位。
进一步的，所述接收机至少为一个。
进一步的，所述功分器还可以是耦合器，所述时延器和耦合器联合设计。
进一步的，所述有源标签是FMCW扫频雷达。
进一步的，所述FMCW扫频雷达的工作频率是76.5GHz~77.5GHz。
进一步的，所述接收机是毫米波接收机。
第二方面，本发明提供一种动态定位装置，包括发射端和接收端，所述发射端是有源标签，所述接收端是毫米波接收机，所述接收端接收发射端发射的信号后采用如第一方面任一项所述的动态定位方法进行目标定位。
进一步的，所述有源标签是FMCW扫频雷达。
进一步的，所述FMCW扫频雷达的工作频率是76.5GHz~77.5GHz。
进一步的，所述毫米波接收机由天线、功分器、时延器、混频器、低通滤波器和DSP组成，所述天线接收到有源标签的信号后经过功分器分为第一信号和第二信号，第一信号直接输出至混频器，第二信号进入时延器经过时延τ再进入混频器，混频器生成正交IQ基带信号，经过低通滤波器平滑后进入DSP，将基带信号采样为数字信号。
进一步的，所述功分器还可以是耦合器，所述时延器和耦合器联合设计。
第三方面，本发明提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如第一方面任一项所述的动态定位方法的步骤。
第四方面，本发明提供一种动态定位***，包括：
一个或多个处理器；
存储器；以及
一个或多个计算机程序，其中所述一个或多个计算机程序被存储在所述存储器中，并且被配置成由所述一个或多个处理器执行，所述处理器执行所述计算机程序时实现如第一方面任一项所述的动态定位方法的步骤。
本发明利用扫频雷达作为有源标签标定欲被观测的目标点，利用时延毫米波接收机和数字处理对有源标签移动位置进行追踪观测，利用多个接收机在不同角度观测，进而利用三角关系对有源标签进行三维空间定位。
本发明利用常用的FMCW雷达作为有源标签设置在目标物兴趣点上，并利用多个接收机对有源标签的信号进行分析，从而实现针对目标物固定点的准确位置追踪，有效避免雷达回波反射点游走的问题，实现针对目标的点定位。
附图说明
图1：现有技术的动态目标识别示意图。
图2：现有技术方案的雷达回波示意图。
图3：本发明定位装置的***架构图。
图4：本发明定位装置的雷达处理时序原理示意图。
图5：本发明定位装置的雷达扫频波形图。
图6：本发明定位装置的多接收机***架构图。
图7：本发明的定位装置组成框图。
图8：本发明的定位方法流程图。
具体实施方式
请参考图1所示现有技术的动态目标识别示意图，成像雷达利用多天线技术对目标场的目标解析成像，进而实现图像定位，在图1所示的多目标复杂情况下，背景反射会造成虚假影像，从而影响成像质量，提高目标检测难度。
本发明以针对发电风车的安全监控进行举例，雷达并不需要完全对风车进行成像，因为雷达可以精确的检测风车叶片、风车塔身等关键标识点的距离和位置，因此可以对风车的摆动、叶片形变以及塔身沉降等关键指标进行分析。
成像雷达虽然可以在一定程度上对风车进行监控，但由于风车和雷达的相对位置发生变化，实际的雷达回波反射点在不同时刻实际对应风车叶片不同位置的点，因此并不能保证获得有效的微米级准确度位置信息。
参考图2现有技术方案的雷达回波示意图，当雷达波照射到风车上，在风车叶片上会形成多个反射回路，反射回路随叶片旋转而不断变化，从而导致雷达检测到的反射点距离也随回路变化而产生位置漂移，影响目标定位的准确度，这种局限广泛存在于单机雷达对风车的监控场景中，解决的办法是依靠风车位置、角度及转速等先验知识对雷达数据进行滤波的办法进行规避，但该处理方法需要先验知识，并且提高了雷达信号的处理难度，降低了位置检测的准确度。
参考图3本发明技术方案的***架构图，本发明在风车上设置发射端，优选的，所述发射端是有源标签10，所述有源标签10将传统定位***的雷达信号的反射波变成从有源标签10发射信号，并由接收机接收的单方向传输，避免了多径不确定问题，并且解决了风车检测点相对于风车固定的问题。
优选的，本实施例所述的有源标签10是由一个FMCW扫频雷达，本实施例仅使用所述FMCW扫频雷达的扫频输出端，接收端由一个毫米波类型的接收机20构成，该接收机20由天线201、功分器或耦合器（图中未示出）、时延器202，混频器203、低通滤波器204和DSP（数字信号处理器）205组成。天线201接收到有源标签10的信号之后经过功分器或耦合器分为第一信号和第二信号，第一信号直接输出至混频器203，第二信号进入时延器202后经过时延τ再进入混频器203，混频器203生成的正交IQ基带信号代表混频器203输入的相位差，经过低通滤波器204平滑后再进入DSP205，将基带信号采样为数字信号以备处理。
本领域普通技术人员可以理解，时延器202也可以和耦合器（图中未示出）联合设计实现信号分解和时延，进而实现本发明的动态定位目的，本发明在此不再赘述。
接收机20对位置的判断依据为每次扫频和上一次扫频波形之间的相位差，在接收端因为固定的时延τ等同于扫频间隔，相应的，波形重复时间亦为τ，因此在混频器端每次的波形应该等相位对齐。
图4为本发明技术方案的雷达处理时序原理示意图，在目标发生移动时，因为有源标签10移动之后导致额外时延τ1，使得接收机20收到的连续两个扫频波形不再完全对齐，在目标移动产生的扫频区间将产生一个基带波形输出，通过该基带波形输出可以对目标的位移进行估计，一旦目标的移动动作结束，波形将再次自动对齐，在对齐情况下，基带输出仅为恒定的直流电平。
参考图5本发明技术方案的雷达扫频波形图，对目标标签的位置估计可以依据基带输出的信号依据公式求得，举例说明如下：如果扫频雷达的扫频频率从76.5GHz开始到77.5GHz结束，静默时间10ms，扫频时间50ms，则得到时间t的信号S（t），以公式（一）表示：
Figure DEST_PATH_IMAGE001
，（一），
其中k为正整数，j为虚部算符，f1是起始频率，k为扫频编号，t1为扫频起始时间点，t2为扫频结束起始点，
Figure 617210DEST_PATH_IMAGE002
为扫频速率。当目标移动距离d，会产生额外的延迟τ1=d/c，其中c是光速，延迟的信号记为s’(t)，得到公式（二）：
Figure 69051DEST_PATH_IMAGE004
，（二），
对比
Figure DEST_PATH_IMAGE005
和S(t)，信号经过混频和低通滤波之后，相位差的基带IQ复信号为公式（三）：
Figure 667523DEST_PATH_IMAGE006
，（三）；
对SBB(t)进行数字采样之后，其中∆f为已知的扫频频率变化率，利用公式（一）及公式（二）得到未知的位移量τ1，因为基带信号仅在
Figure 153999DEST_PATH_IMAGE005
和S(t)交错时间内产生，在目标移动速度不高的情况下，可以通过对每次基带信号的位移进行累加，进而对目标的移动路径进行跟踪。
进一步参考图6本发明技术方案的多接收机***架构图，通过多个接收机Rx1、Rx2及Rx3在不同角度对同一个有源标签10的距离进行测量，进而通过三角关系对有源标签10进行三维定位。
请参考图7本发明的定位装置组成框图，该定位装置包括定位装置100、存储器101及处理器102，本领域普通技术人员可以理解上述实施例中的目标定位方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，该程序可以存储于一计算机可读存储介质中，存储器包括：只读存储器(ROM，Read Only Memory)、随机存取记忆体(RAM，RandomAccess Memory)、磁盘或光盘等。
请参考图8本发明的定位方法流程图，该定位方法包括以下步骤：
步骤301：设置有源标签及接收机，所述接收机至少为一个；步骤302：有源标签发射信号，所述有源标签例如可以是FMCW扫频雷达；步骤303：多个接收机接收信号，接着步骤304多个接收机分别将信号经过功分器或耦合器分为第一信号和第二信号，第一信号直接进入混频器，第二信号进入时延器延迟后进入混频器；步骤305：混频器对第一信号和第二信号进行处理后输出数字采样信号；步骤306：处理器根据数字采样信号对动态目标进行定位。
本发明利用扫频雷达作为有源标签标定欲被观测的目标点，利用时延毫米波接收机和数字处理对有源标签移动位置进行追踪观测，利用多个接收机在不同角度观测，进而利用三角关系对有源标签进行三维空间定位。
本发明利用常用的FMCW雷达作为有源标签设置在目标物兴趣点上，并利用多个接收机对有源标签的信号进行分析，从而实现针对目标物固定点的准确位置追踪，有效避免雷达回波反射点游走的问题，实现针对目标的点定位。
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之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (13)

1.一种动态定位方法，包括处理器，其特征在于，包括以下步骤：
设置有源标签及接收机；
有源标签发射信号；
多个接收机接收信号；
多个接收机分别将信号经过各自内置的功分器分为第一信号和第二信号，第一信号直接进入混频器，第二信号进入时延器延迟后进入混频器；
混频器对第一信号和第二信号进行处理后输出数字采样信号；
处理器根据数字采样信号对动态目标进行定位。
2.如权利要求1所述的动态定位方法，其特征在于，所述接收机至少为一个。
3.如权利要求1所述的动态定位方法，其特征在于，所述功分器还可以是耦合器，所述时延器和耦合器联合设计。
4.如权利要求1所述的动态定位方法，其特征在于，所述有源标签是FMCW扫频雷达。
5.如权利要求4所述的动态定位方法，其特征在于，所述FMCW扫频雷达的工作频率是76.5GHz~77.5GHz。
6.如权利要求1所述的动态定位方法，其特征在于，所述接收机是毫米波接收机。
7.一种动态定位装置，其特征在于，包括发射端和接收端，所述发射端是有源标签，所述接收端是毫米波接收机，所述接收端接收发射端发射的信号后采用如权利要求1至5任一项所述的动态定位方法进行目标定位。
8.如权利要求7所述的动态定位装置，其特征在于，所述有源标签是FMCW扫频雷达。
9.如权利要求8所述的动态定位装置，其特征在于，所述FMCW扫频雷达的工作频率是76.5GHz~77.5GHz。
10.如权利要求7所述的动态定位装置，其特征在于，所述毫米波接收机由天线、功分器、时延器、混频器、低通滤波器和DSP组成，所述天线接收到有源标签的信号后经过功分器分为第一信号和第二信号，第一信号直接输出至混频器，第二信号进入时延器经过时延τ再进入混频器，混频器生成正交IQ基带信号，经过低通滤波器平滑后进入DSP，将基带信号采样为数字信号。
11.如权利要求10所述的动态定位装置，其特征在于，所述功分器还可以是耦合器，所述时延器和耦合器联合设计。
12.一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1至6任一项所述的动态定位方法的步骤。
13.一种动态定位***，包括：
一个或多个处理器；
存储器；以及
一个或多个计算机程序，其中所述一个或多个计算机程序被存储在所述存储器中，并且被配置成由所述一个或多个处理器执行，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现如权利要求1至6任一项所述的动态定位方法的步骤。
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