車輛目標信息探測識別系統及其信號處理方法與流程
2023-12-08 07:28:11 2
本發明涉及雷達信號處理技術領域，尤其涉及一種車輛目標信息探測識別系統及其信號處理方法。
背景技術：
車輛目標信息探測識別是汽車防撞類雷達的技術基礎。引入車道識別(方位分辨)作為當前汽車防撞雷達技術的必然趨勢，可以有效提升防撞雷達的性能和目標檢測識別能力。
圖1描述了現有道路汽車探測雷達技術的信號處理流程，雷達發射系統向外發射特定雷達信號並由接收系統接收探測區域回波，經過放大、混頻、A/D採樣後得到差頻信號，對該差頻信號進行距離維FFT，得到距離像，然後進行慢時間FFT即MTD，得二維處理結果，對該二維處理結果進行CFAR檢測，獲得目標模糊的距離速度信息，然後利用相關解模糊手段進行速度解模糊，獲得目標距離速度信息以後，根據雙通道比相測角技術進行目標車道信息解算，從而獲得目標多維信息。傳統方法直接進行了二維處理後再進行CFAR檢測，數據量比較大。另外，傳統處理方法中能夠對目標進行準確車道識別的前提是將雷達波束中心嚴格對準車道線。但是很顯然，在沒有專業標校設備輔助的情況下，由於雷達裝配和安裝過程中引入的誤差，會造成車道識別誤差過大。
汽車防撞雷達的思路看似簡單，但研發的難度卻非常大，不僅受限於檢測環境和毫米波技術，還要綜合考慮民用系統對功率、尺寸、成本、電磁幹擾和穩定性等的苛刻要求，其設計處於諸多相互矛盾的要求中，技術上存在的最大問題是多目標檢測時的虛警問題。
汽車防撞雷達的工作環境惡劣，虛警問題的產生可能起源於多種因素，相鄰車道上的車輛，護欄，路旁的數目，標識牌，以及空中和遠處的建築物都會對雷達系統形成幹擾，導致防撞雷達發出錯誤警報。所以，如何獲得可以接受的低虛警率，是汽車防撞雷達理論研究中的重點和難點。
為了解決虛警問題，大家已經逐漸達成共識，即，要求防撞雷達具備測角能力，目標的方位角信息對於去除虛警是必不可少的。設計出易於產生，抗幹擾性能強的複雜雷達發射信號，配合以實時高效的信號處理和目標檢測算法，以去除虛警。只有以上兩點緊密結合起來，才能保證汽車防撞雷達的工作可靠性。
技術實現要素：
本發明提供一種車輛目標信息探測識別系統及其信號處理方法，可在雷達探測器任意擺放條件下實現中長距離車輛目標的持續跟蹤，實現對車輛目標的距離、速度、車道信息的高精度探測，在降低系統硬體處理複雜性的基礎上實現對運動車輛目標的低虛警率高精度探測，可以在複雜應用背景下，有效濾除幹擾和雜波，解決了沒有專業標校設備標校雷達波束指向情況下對中遠距離車輛目標車道精確識別的難題。
為了達到上述目的，本發明提供一種車輛目標信息探測識別系統，包含：雷達探測器和兩個輔助車道標校導標；
所述的雷達探測器包含：
雷達發射系統，雷達發射系統中的發射機向探測區域發射線性調頻連續波；
雷達接收系統，雷達接收系統中的兩個接收通道分別接收探測區域的回波信號；
信號處理系統，其電性連接雷達接收系統，信號處理系統對接收到回波信號進行目標檢測處理，獲得目標車輛的距離、速度和車道信息；
所述的輔助車道標校導標用於標定車道線。
本發明還提供一種車輛目標信息探測識別系統的信號處理方法，包含以下步驟：
將兩個輔助車道標校導標放置在同一條車道線上，採用雷達探測器測量得到兩個輔助車道標校導標與雷達探測器之間的距離以及兩個輔助車道標校導標之間的相位信息；
採用雷達探測器對目標車輛進行目標檢測處理，獲得目標車輛與雷達探測器之間的距離以及目標車輛與距雷達探測器最近的輔助車道標校導標之間的相位信息；
信號處理系統距雷達探測器根據兩個輔助車道標校導標與雷達探測器之間的距離、兩個輔助車道標校導標之間的相位信息、目標車輛與雷達探測器之間的距離、以及目標車輛與距雷達探測器最近的輔助車道標校導標之間的相位信息，利用點到直線的距離計算公式解算得到目標車輛的車道信息。
所述的兩個輔助車道標校導標設置在雷達探測器的測距盲區之內，輔助車道標校導標的反射面朝向雷達探測器。
所述的車輛目標信息探測識別系統的信號處理方法還包含：在進行探測之前，根據要求距離解析度和速度範圍，確定線性調頻連續波信號的調頻斜率、調頻時寬、參差重頻的數值、以及一個相參處理間隔內的脈衝個數；
距離解析度正比於發射信號帶寬，發射信號帶寬B＝k*τ，其中，k，τ分別表示調頻斜率和調頻時寬；
根據目標速度，確定所需的無模糊速度範圍，設最大無模糊速度為v，則回波最大都卜勒為fd＝2v/λ，其中λ為發射信號波長；
兩組參差重複頻率滿足它們的最小公倍數大於10倍回波最大都卜勒fd，進行相參積累或者非相參積累要求目標在一個相參處理間隔內的距離走動量小於距離分辨單元的大小。
所述的車輛目標信息探測識別系統的信號處理方法還包含：利用卡爾曼濾波技術進行目標的跟蹤濾波，輸出無模糊距離速度和檢測結果，根據預設的距離和速度報警門限判斷目標車輛是否屬於威脅車輛，從而選擇是否進行報警。
在採用雷達探測器測量輔助車道標校導標與雷達探測器的距離和相位信息，以及採用雷達探測器獲得目標車輛的距離和速度時，雷達發射系統中的發射機按照步驟S0中設定的參數向探測區域發射線性調頻連續波，雷達接收系統中的兩個接收通道分別接收探測區域的回波信號，將回波信號進行放大、混頻、A/D轉換後輸出到信號處理系統。
採用雷達探測器對目標車輛進行目標檢測處理的方法具體包含以下步驟：
步驟S2.1、信號處理系統對目標回波經混頻以後得到的差頻信號進行距離FFT；
步驟S2.2、進行動目標顯示處理，濾除固定雜波和靜止目標；
步驟S2.3、將同一個相參處理間隔內的多個相參脈衝進行非相參積累；
步驟S2.4、對距離FFT和動目標顯示處理以及積累以後的結果作恆虛警CFAR檢測，保留存在目標的距離單元；
步驟S2.5、對存在目標的距離單元進行動目標檢測，即沿都卜勒維進行FFT變換；
步驟S2.6、經過動目標檢測以後，沿著速度維進行恆虛警檢測，從而提取出目標點，進而可以獲得目標車輛的模糊距離和速度；
步驟S2.7、根據不同相參處理間隔的速度進行速度解模糊並進行距離補償，獲得目標車輛的精確測量距離和準確測量速度。
所述的信號處理系統解算得到目標車輛的車道信息的方法包含以下步驟：
步驟S3.1、建立以雷達探測器為原點、以雷達探測器與距雷達探測器最近的輔助車道標校導標連線為橫軸的坐標系；
步驟S3.2、根據兩個輔助車道標校導標與雷達探測器之間的距離、兩個輔助車道標校導標之間的相位信息、目標車輛與雷達探測器之間的距離、以及目標車輛與距雷達探測器最近的輔助車道標校導標之間的相位信息，得到兩個輔助車道標校導標和目標車輛在該坐標系中的坐標值；
兩個輔助車道標校導標之間的夾角為θ；
距雷達探測器最近的輔助車道標校導標D1與雷達探測器O之間的距離為R1，D1的坐標為(x1,y1)，x1＝R1，y1＝0；
另一個輔助車道標校導標D2與雷達探測器O之間的距離的坐標為R1，D2的坐標為(x2,y2)，x2＝R2cosθ，y2＝R2sinθ；
目標車輛T與雷達探測器O之間的距離為R0，目標車輛T與輔助車道標校導標D1之間的夾角為目標車輛點T的坐標為(x0,y0)，
步驟S3.3、計算目標車輛到車道線的距離為：
其中，A＝R2sinθ，B＝R1-R2cosθ，C＝-R1R2cosθ。
本發明可在雷達探測器任意擺放條件下實現中長距離車輛目標的持續跟蹤，實現對車輛目標的距離、速度、車道信息的高精度探測，在降低系統硬體處理複雜性的基礎上實現對運動車輛目標的低虛警率高精度探測，可以在複雜應用背景下，有效濾除幹擾和雜波，解決了沒有專業標校設備標校雷達波束指向情況下對中遠距離車輛目標車道精確識別的難題。
附圖說明
圖1是背景技術中現有道路汽車探測雷達技術的信號處理流程。
圖2是信號處理方法的流程圖。
圖3是對目標車輛進行目標檢測處理的流程圖。
圖4是車道信息解算的幾何示意圖。
具體實施方式
以下根據圖2～圖4，具體說明本發明的較佳實施例。
本發明提供一種車輛目標信息探測識別系統，包含：雷達探測器和兩個輔助車道標校導標。
所述的雷達探測器包含：
雷達發射系統，雷達發射系統中的發射機向探測區域發射線性調頻連續波；
所述的線性調頻連續波的調頻斜率、調頻時寬、參差重頻的數值、以及一個相參處理間隔內的脈衝個數根據所需的距離解析度、速度解析度以及目標檢測所需的信噪比要求確定。
雷達接收系統，雷達接收系統中的兩個接收通道分別接收探測區域的回波信號，將回波信號進行放大、混頻、A/D轉換後輸出到信號處理系統；
信號處理系統，其電性連接雷達接收系統，信號處理系統對接收到回波信號進行目標檢測處理，獲得目標車輛的距離、速度和車道信息。
所述的輔助車道標校導標用於標定車道線。
如圖2所示，本發明還提供一種車輛目標信息探測識別系統的信號處理方法，包含以下步驟：
步驟S0、根據要求距離解析度和速度範圍，確定線性調頻連續波信號的調頻斜率、調頻時寬、參差重頻的數值、以及一個相參處理間隔(CPI)內的脈衝個數；
其中，距離解析度正比於發射信號帶寬，發射信號帶寬B＝k*τ，其中，k，τ分別表示調頻斜率和調頻時寬；
根據目標速度，確定所需的無模糊速度範圍，設最大無模糊速度為v，則回波最大都卜勒為fd＝2v/λ，其中λ為發射信號波長；
兩組參差重複頻率需要滿足它們的最小公倍數大於10倍回波最大都卜勒fd，進行相參積累或者非相參積累要求目標在一個相參處理間隔內的距離走動量小於距離分辨單元的大小，如果設最大無模糊速度為v，一個CPI中由N個脈衝組成，T為相參處理間隔，那麼需要滿足v*N*T<ΔR，其中ΔR表示雷達距離解析度；
步驟S1、將兩個輔助車道標校導標放置在同一條車道線上，採用雷達探測器測量得到兩個輔助車道標校導標與雷達探測器的距離和相位信息；
為了抑制近距地面雜波，雷達探測器的接收機中所採用的帶通濾波器的下邊帶決定了雷達盲區，所述的兩個輔助車道標校導標設置在雷達探測器的測距盲區之內，因此，雷達探測器的工作中有兩種工作模式，探測導標時採用導標模式，在該種模式下採用較高的調頻斜率保證近距離導標回波頻率位於系統低通濾波器的通帶內，輔助車道標校的導標，其反射面朝向雷達探測器，兩個輔助車道標校導標與雷達探測器之間的距離根據系統參數確定，第一個輔助車道標校導標(距離雷達近的為第一個)與雷達探測器之間的距離取決於雷達探測盲區，要求其位於雷達盲區之外儘量靠近雷達探測器以獲得最佳探測精度的位置，第二個輔助車道標校導標與雷達探測器之間的距離取決於所需的角度測量精度，在一定範圍內距離越大角度分辨性能越好；
所述的相位信息是指兩個輔助車道標校導標之間的夾角角度；
步驟S2、採用雷達探測器對目標車輛進行目標檢測處理，獲得目標車輛的距離和相位信息；
步驟S3、信號處理系統進行車道信息解算；
根據兩個輔助車道標校導標的距離和相位信息，將雷達自身坐標系變換到以雷達探測器作為原點、以雷達探測器和第一個導標的連線作為橫軸的坐標系中，將雷達探測器測量得到的目標車輛的相位信息和距離信息轉換為該坐標系下的坐標值，利用點到直線的距離計算公式獲得目標車輛的車道信息；
所述的步驟S3中，雷達探測器與目標車輛以及兩個輔助車道標校導標的幾何關係如圖4所示，其中點D1，D2分別代表兩個導標，O表示雷達探測器，T表示目標車輛；
設導標D1到雷達探測器的距離為R1，導標D2到雷達探測器的距離為R2，，設雷達探測器測得兩個導標之間的夾角為θ，目標車輛與導標D1之間的夾角為目標車輛到雷達探測器的距離為R0，以雷達探測器作為坐標系原點，以雷達探測器和導標D1的連線作為x軸，形成新的坐標系；
如果設D1點的坐標為(x1,y1)，D2點的坐標為(x2,y2)，目標車輛點T的坐標為(x0,y0)，那麼在新坐標系中，兩個導標與目標點的橫縱坐標分別表示為：
x1＝R1
y1＝0
x2＝R2cosθ
y2＝R2sinθ
根據直角坐標系中兩點式直線表示法，那麼可以得到兩個導標連線即車道線的方程為：
如果用一般式直線表示法表示車道線方程為：
Ax+By+C＝0
其中，A＝R2sinθ，B＝R1-R2cosθ，C＝-R1R2cosθ；
根據點到直線距離的計算公式，那麼可以得到目標車輛到車道線的距離為：
由於導標和目標的距離是絕對且可信的，與雷達波束指向無關，根據雙通道比相測角技術可知回波相位(雙通道相位差)正比於目標與雷達波束軸線夾角的正弦值，而波束指向不同獲得導標和目標的角度信息均不同，因此絕對的角度信息是不可信的，而在上述距離表達公式中，直線方程中參數A、B、C以及目標坐標(x0,y0)是根據兩個導標的距離和相對角度信息(即夾角)確定，此處的相對角度信息涉及第二個導標與第一個導標的相對角度，目標車輛與第一個導標的相對角度，相對角度信息是可信的，不隨雷達波束指向而變換，從而實現對目標車輛的車道識別；
從上述推導過程中可以看出，兩個導標之間的夾角θ和目標車輛與導標D1之間的夾角均是與雷達波束指向無關的量，這樣便實現在雷達任意擺放(保證目標在雷達波束照射範圍之內)情況下對目標角度的準確測量；
步驟S4、利用卡爾曼濾波技術進行目標的跟蹤濾波，輸出無模糊距離速度和檢測結果，提高結果可信度；
步驟S5、根據預設的距離和速度報警門限判斷目標車輛是否屬於威脅車輛，從而選擇是否進行報警。
在採用雷達探測器測量輔助車道標校導標與雷達探測器的距離和相位信息，以及採用雷達探測器獲得目標車輛的距離和速度時，雷達發射系統中的發射機按照步驟S0中設定的參數向探測區域發射線性調頻連續波，雷達接收系統中的兩個接收通道分別接收探測區域的回波信號，將回波信號進行放大、混頻、A/D轉換後輸出到信號處理系統。
所述的步驟S2中，信號處理系統分別將不同脈衝重複頻率(PRF)的相參處理間隔(CPI)內的一組回波進行目標檢測處理，得到各自CPI(一個CPI包含32個相參脈衝)的目標檢測結果，並且將不同CPI的檢測結果的距離和都卜勒信息進行解模糊處理。
如圖3所示，採用雷達探測器對目標車輛進行目標檢測處理的方法具體包含以下步驟：
步驟S2.1、信號處理系統對目標回波經混頻以後得到的差頻信號進行距離FFT；
步驟S2.2、進行動目標顯示(MTI)處理，濾除固定雜波和靜止目標；
步驟S2.3、將同一個相參處理間隔內的多個相參脈衝進行非相參積累(即模值相加)；
步驟S2.4、對距離FFT和動目標顯示處理以及積累以後的結果作恆虛警CFAR檢測，保留存在目標的距離單元(即，該距離單元中的目標超過預設門限)；
步驟S2.5、對存在目標的距離單元進行動目標檢測(MTD)(即沿都卜勒維進行FFT變換)；
步驟S2.6、經過動目標檢測以後，沿著速度維進行恆虛警檢測，從而提取出目標點，進而可以獲得目標車輛的模糊距離和速度；
由於第二維處理過程是在第一次恆虛警檢測以後，只是針對有目標存在的距離單元，因而處理的數據量是小於傳統方法的；
步驟S2.7、根據不同相參處理間隔的速度進行速度解模糊並進行距離補償，獲得目標車輛的精確測量距離和準確測量速度。
本發明中利用雙通道比相測角技術實現對於目標方位的測量，尤其需要說明的是，對於方位的測量最終是需要轉換到車道識別才能作為有效檢測結果的，但是能夠正確轉換的前提是雷達波束指向需要與車道線重合，否則會造成巨大的誤差。然而對于波束寬度本身就很窄的汽車防撞雷達而言，發射天線安裝於封閉外殼之中，很難確保波束指向與車道線重合，因此本發明特別引入雙導標輔助標校車道，即利用兩個可攜式導標，將其安放於車道線上，然後雷達探測器任意安放，車道識別之前首先通過對導標的識別將雷達坐標系進行一個等價轉化，使得車道線作為其中一個坐標軸，從而實現目標車輛的車道識別。如果說僅僅利用一個導標，那麼為了標校車道線，使用時必然需要將雷達探測器與導標一同擺在車道線上，這樣對於複雜路況和環境條件下，限制了雷達的使用，但是對於雙導標而言，雷達探測器可以任意位置安放，將兩個導標安放在車道線上實現車道標校。
本發明提供一種基於連續波調頻技術、利用動目標檢測、無盲區參差重頻解速度模糊和雙導標輔助雙通道比相車道識別技術的中長距離運動車輛目標信息探測識別系統及其信號處理方法，可在雷達探測器任意擺放(波束覆蓋探測區域)條件下實現中長距離車輛目標的持續跟蹤，實現對車輛目標的距離、速度、車道信息的高精度探測，在降低系統硬體處理複雜性的基礎上實現對運動車輛目標的低虛警率高精度探測，可以在複雜應用背景下，有效濾除幹擾和雜波，解決了沒有專業標校設備標校雷達波束指向情況下對中遠距離車輛目標車道精確識別的難題。
儘管本發明的內容已經通過上述優選實施例作了詳細介紹，但應當認識到上述的描述不應被認為是對本發明的限制。在本領域技術人員閱讀了上述內容後，對於本發明的多種修改和替代都將是顯而易見的。因此，本發明的保護範圍應由所附的權利要求來限定。