汽车毫米波雷达圆周成像方法及装置与流程

1.本发明涉及雷达成像领域，尤其涉及汽车毫米波雷达圆周成像方法及装置。


背景技术：

2.目前，汽车已经成为人生生活中普遍使用的交通工具，人们在驾驶汽车的过程中，安全性能的提升成为重中之重。
3.现有技术中，通常将汽车毫米波雷达安装于汽车前端和四角进行测距、测速和测角，但是这种方法存在测量数据不准确的问题，很难保证行车安全。
4.因此，亟需一种可以克服上述问题的汽车毫米波雷达成像方案。


技术实现要素：

5.本发明实施例提供一种汽车毫米波雷达圆周成像方法，用以进行汽车毫米波雷达圆周成像，提高成像准确性，保证行车安全，该方法包括：
6.获得毫米波雷达回波信号；
7.利用距离波数一次向补偿函数去除毫米波雷达回波信号中的残留相位误差；
8.对去除误差的毫米波雷达回波信号沿旋转角度方向进行傅里叶变换；
9.对傅里叶变换后的结果进行目标依赖相位误差补偿处理；
10.根据目标依赖相位误差补偿处理后的结果，进行汽车毫米波雷达圆周成像。
11.本发明实施例提供一种汽车毫米波雷达圆周成像装置，用以进行汽车毫米波雷达圆周成像，提高成像准确性，保证行车安全，该装置包括：
12.信号获得模块，用于获得毫米波雷达回波信号；
13.误差去除模块，用于利用距离波数一次向补偿函数去除毫米波雷达回波信号中的残留相位误差；
14.傅里叶变换模块，用于对去除误差的毫米波雷达回波信号沿旋转角度方向进行傅里叶变换；
15.误差补偿模块，用于对傅里叶变换后的结果进行目标依赖相位误差补偿处理；
16.圆周成像模块，用于根据目标依赖相位误差补偿处理后的结果，进行汽车毫米波雷达圆周成像。
17.本发明实施例还提供一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述汽车毫米波雷达圆周成像方法。
18.本发明实施例还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执行上述汽车毫米波雷达圆周成像方法的计算机程序。
19.本发明实施例通过获得毫米波雷达回波信号；利用距离波数一次向补偿函数去除毫米波雷达回波信号中的残留相位误差；对去除误差的毫米波雷达回波信号沿旋转角度方向进行傅里叶变换；对傅里叶变换后的结果进行目标依赖相位误差补偿处理；根据目标依
赖相位误差补偿处理后的结果，进行汽车毫米波雷达圆周成像。本发明实施例通过毫米波雷达旋转运动形成合成孔径并进行圆周合成孔径成像，对于目标相关的残留相位误差利用距离波数一次向补偿函数进行去除，并且发现旋臂旋转引起的目标斜距无关相位误差，因此对去除误差的毫米波雷达回波信号沿旋转角度方向进行傅里叶变换，并对傅里叶变换后的结果进行目标依赖相位误差补偿处理，进而可以根据目标依赖相位误差补偿处理后的结果进行汽车毫米波雷达圆周成像，实现360度成像能力，提高了成像准确性，保证行车安全。
附图说明
20.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的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。在附图中：
21.图1为本发明实施例中汽车毫米波雷达圆周成像方法示意图；
22.图2为本发明实施例中圆周扫描几何示意图；
23.图3为本发明实施例中汽车毫米波雷达圆周成像的系统示意图；
24.图4为本发明实施例中仿真点阵目标布局；
25.图5为本发明实施例中成像方法结果图；
26.图6～图8为本发明实施例中三种算法的切向和径向目标响应结果比对图，其中，图6为p1切向方向和径向方向的响应比较，图7为p2切向方向和径向方向的响应比较，图8为p3切向方向和径向方向的响应比较；
27.图9为本发明实施例中面目标成像结果图；
28.图10为本发明实施例中汽车毫米波雷达圆周成像装置结构图；
29.图11是本发明实施例的计算机设备结构示意图。
具体实施方式
30.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合附图对本发明实施例做进一步详细说明。在此，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，但并不作为对本发明的限定。
31.如前所述，现有技术中通常将汽车毫米波雷达安装于汽车前端和四角进行测距、测速和测角，但是这种方法不具备高精度成像能力，虽然毫米波雷达可以获得目标点云，但是其本质上并不是成像，存在测量数据不准确的问题，很难保证行车安全。
32.为了进行汽车毫米波雷达圆周成像，提高成像准确性，保证行车安全，本发明实施例提供一种汽车毫米波雷达圆周成像方法，如图1所示，该方法可以包括：
33.步骤101、获得毫米波雷达回波信号；
34.步骤102、利用距离波数一次向补偿函数去除毫米波雷达回波信号中的残留相位误差；
35.步骤103、对去除误差的毫米波雷达回波信号沿旋转角度方向进行傅里叶变换；
36.步骤104、对傅里叶变换后的结果进行目标依赖相位误差补偿处理；
37.步骤105、根据目标依赖相位误差补偿处理后的结果，进行汽车毫米波雷达圆周成
像。
38.由图1所示可以得知，本发明实施例通过获得毫米波雷达回波信号；利用距离波数一次向补偿函数去除毫米波雷达回波信号中的残留相位误差；对去除误差的毫米波雷达回波信号沿旋转角度方向进行傅里叶变换；对傅里叶变换后的结果进行目标依赖相位误差补偿处理；根据目标依赖相位误差补偿处理后的结果，进行汽车毫米波雷达圆周成像。本发明实施例通过毫米波雷达旋转运动形成合成孔径并进行圆周合成孔径成像，对于目标相关的残留相位误差利用距离波数一次向补偿函数进行去除，并且发现旋臂旋转引起的目标斜距无关相位误差，因此对去除误差的毫米波雷达回波信号沿旋转角度方向进行傅里叶变换，并对傅里叶变换后的结果进行目标依赖相位误差补偿处理，进而可以根据目标依赖相位误差补偿处理后的结果进行汽车毫米波雷达圆周成像，实现360度成像能力，提高了成像准确性，保证行车安全。
39.图2为本发明实施例圆周扫描几何示意图。在图2中s表示雷达位置，p表示目标位置，r表示目标到雷达的距离。雷达以点o为圆心做圆周运动，旋转臂长为r
so
。
40.实施例中，获得毫米波雷达回波信号。
41.本实施例中，所述毫米波雷达回波信号为去斜后的回波信号，其信号模型表达式为：
[0042][0043]
其中，w
a
为方位向窗函数，θ
s
为雷达旋转角度，w
r
为距离向窗函数，k
r
为距离向波数，r
so
为雷达旋转半径，r
po
为目标到雷达旋转中心距离，θ
s
为雷达旋转角度，θ
p
为r
po
与ox轴夹角，r
c
为去斜时使用的参考斜距。
[0044]
实施例中，利用距离波数一次向补偿函数去除毫米波雷达回波信号中的残留相位误差。
[0045]
本实施例中，利用距离波数一次向补偿函数去除毫米波雷达回波信号中的残留相位误差，包括：
[0046]
根据参考斜距和距离向波数，构建距离波数一次向补偿函数；
[0047]
将距离波数一次向补偿函数和毫米波雷达回波信号相乘。
[0048]
具体实施时，按如下公式根据参考斜距和距离向波数，构建距离波数一次向补偿函数：
[0049]
s1＝exp{j[
‑
2πk
r
·
r
c
]}
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
[0050]
然后，将距离波数一次向补偿函数和毫米波雷达回波信号相乘得到如下公式，从而可以补偿消除公式(1)中的去斜时使用的参考斜距r
c
调制项：
[0051][0052]
实施例中，对去除误差的毫米波雷达回波信号沿旋转角度方向进行傅里叶变换。
[0053]
本实施例中，对去除误差的毫米波雷达回波信号沿旋转角度方向进行傅里叶变换，包括：
[0054]
确定所述去除误差的毫米波雷达回波信号的相位；
[0055]
根据所述去除误差的毫米波雷达回波信号的相位对旋转角度进行求导，确定旋转
向波数；
[0056]
根据雷达与目标及旋转中心之间的几何关系和旋转向波数，确定傅里叶变换后的结果。
[0057]
具体实施时，将公式(3)沿旋转角度方向进行傅里叶变换，利用驻留相位原理可以确定如下所述去除误差的毫米波雷达回波信号的相位：
[0058][0059]
其中，k
θ
为旋转向波数。然后，按如下公式对雷达旋转角度θ
s
求导数并求解驻留相位点：
[0060][0061]
其中，r表示目标到雷达的距离。从而，可以得到旋转向波数k
θ
：
[0062][0063]
进而，可以根据雷达与目标及旋转中心之间的几何关系和旋转向波数，确定傅里叶变换后的结果。在图2中，根据雷达s与目标p及旋转中心o之间所构成的三角形，可以得出如下等式：
[0064][0065]
其中，φ为雷达相位中心与雷达目标斜距夹角，从而可以利用公式(7)得到：
[0066][0067][0068]
将公式(9)代入公式(6)可以得到：
[0069]
k
θ
＝
‑
k
r
·
r
so
·
sinφ
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(10)
[0070]
进而，将公式(10)代入公式(9)可以得到：
[0071][0072]
将公式(11)代入公式(4)可以得到波数域完整相位表达式为：
[0073][0074]
经过进一步简化可以得到：
[0075][0076]
傅里叶变换后的结果可以表示为：
[0077]
ss1(k
θ
,k
r
)＝w
a
(θ
s
)
·
w
r
(k
r
)
·
exp{j
·
φ}
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(14)
[0078]
实施例中，对傅里叶变换后的结果进行目标依赖相位误差补偿处理。
[0079]
具体实施时，按如下公式进行目标依赖相位误差补偿处理：
[0080][0081]
实施例中，根据目标依赖相位误差补偿处理后的结果，进行汽车毫米波雷达圆周成像。
[0082]
本实施例中，根据目标依赖相位误差补偿处理后的结果，进行汽车毫米波雷达圆周成像，包括：
[0083]
对目标依赖相位误差补偿处理后的结果沿距离方向进行逆傅里叶变换；
[0084]
对逆傅里叶变换的结果沿旋转角度方向进行逆傅里叶变换，得到极坐标聚焦结果；
[0085]
对所述极坐标聚焦结果进行插值处理，得到二维空间坐标成像结果。
[0086]
具体实施时，按如下公式对目标依赖相位误差补偿处理后的结果沿距离方向进行逆傅里叶变换：
[0087][0088]
其中，第一个相位项在r
po
的距离单元位置是零，在其他距离单元位置虽然不为零，但是由于模糊度函数δ
r
(
·
)的幅度会极大限制相位项影响，因此实际上这个相位项已经完全被消除。公式(16)中第二个相位项决定了目标的角度方向位置，通过按如下公式对逆傅里叶变换的结果沿旋转角度方向进行逆傅里叶变换得到极坐标聚焦结果：
[0089][0090]
进而，可以对所述极坐标聚焦结果进行插值处理，得到二维空间坐标成像结果。
[0091]
下面给出一个具体实施例，说明本发明实施例中汽车毫米波雷达圆周成像的具体应用。在本具体实施例中，图3为汽车毫米波雷达圆周成像的系统示意图，雷达参数如表1所示。
[0092]
表1
[0093]
系统载频f0＝77ghz发射脉冲时宽t
p
＝20us扫描角度范围θ1＝0
°
θ2＝360
°
方位向波束
‑
3db宽度50
°
发射脉冲带宽1ghz采样频率60mhz
[0094]
图4为仿真点阵目标布局，如图4所示设置一个4m
×
4m的点阵目标，选择p1、p2、p3作为观察点。成像系统中的目标在同一距离、不同角度下具有不变的聚焦特性，因此这三点目标具有分析的通用性。不同方法点目标响应比较如表2所示。
[0095]
表2
[0096][0097]
本发明具体实施例的成像方法结果图如图5所示。然后分别使用后向投影算法(bpa)和距离
‑
多普勒算法(rda)对同一回波进行处理，并对这三种成像算法进行质量分析。分辨率分析是沿着目标的切向和径向方向进行的，这里恰好是在y和x方向。图6～图8分别为三种算法的切向和径向目标响应结果。表2给出了按(σ
x
,σ
y
)m和(plsrx,plsry)db测量点目标响应的结果。可以看出，该方法的总体点目标响应更接近bpa结果，成像精度高于rda。另外，在相同的计算环境下进行了耗时测试。测试回波数据的方位点为7200，距离点为1024。该数据为复数数据，也就是说，包含实部和虚部。数据类型是双精度浮点数。因此，总的数据量是118兆字节。成像场景大小为30米
×
30米，采样间隔为0.05米。表3显示了三种算法的耗时。可以看出，本发明具体实施例方法的时间效率远高于bpa。图9是面目标成像结果。表3为不同方法的计算时间。
[0098]
表3
[0099] 本发明bparda时间4.9s8 min5.0s采样间隔(m)0.050.050.05
[0100]
本发明实施例通过毫米波雷达旋转运动形成合成孔径并进行圆周合成孔径成像，对于目标相关的残留相位误差利用距离波数一次向补偿函数进行去除，并且发现旋臂旋转引起的目标斜距无关相位误差，因此对去除误差的毫米波雷达回波信号沿旋转角度方向进行傅里叶变换，并对傅里叶变换后的结果进行目标依赖相位误差补偿处理，进而可以根据目标依赖相位误差补偿处理后的结果进行汽车毫米波雷达圆周成像，实现360度成像能力，提高了成像准确性，保证行车安全。
[0101]
基于同一发明构思，本发明实施例还提供了一种汽车毫米波雷达圆周成像装置，如下面的实施例所述。由于这些解决问题的原理与汽车毫米波雷达圆周成像方法相似，因此汽车毫米波雷达圆周成像装置的实施可以参见方法的实施，重复之处不再赘述。
[0102]
图10为本发明实施例中汽车毫米波雷达圆周成像装置的结构图，如图10所示，该汽车毫米波雷达圆周成像装置包括：
[0103]
信号获得模块1001，用于获得毫米波雷达回波信号；
[0104]
误差去除模块1002，用于利用距离波数一次向补偿函数去除毫米波雷达回波信号中的残留相位误差；
[0105]
傅里叶变换模块1003，用于对去除误差的毫米波雷达回波信号沿旋转角度方向进行傅里叶变换；
[0106]
误差补偿模块1004，用于对傅里叶变换后的结果进行目标依赖相位误差补偿处理；
[0107]
圆周成像模块1005，用于根据目标依赖相位误差补偿处理后的结果，进行汽车毫米波雷达圆周成像。
[0108]
一个实施例中，所述误差去除模块1002进一步用于：
[0109]
根据参考斜距和距离向波数，构建距离波数一次向补偿函数；
[0110]
将距离波数一次向补偿函数和毫米波雷达回波信号相乘。
[0111]
一个实施例中，所述傅里叶变换模块1003进一步用于：
[0112]
确定所述去除误差的毫米波雷达回波信号的相位；
[0113]
根据所述去除误差的毫米波雷达回波信号的相位对旋转角度进行求导，确定旋转向波数；
[0114]
根据雷达与目标及旋转中心之间的几何关系和旋转向波数，确定傅里叶变换后的结果。
[0115]
一个实施例中，所述圆周成像模块1005进一步用于：
[0116]
对目标依赖相位误差补偿处理后的结果沿距离方向进行逆傅里叶变换；
[0117]
对逆傅里叶变换的结果沿旋转角度方向进行逆傅里叶变换，得到极坐标聚焦结果；
[0118]
对所述极坐标聚焦结果进行插值处理，得到二维空间坐标成像结果。
[0119]
综上所述，本发明实施例通过获得毫米波雷达回波信号；利用距离波数一次向补偿函数去除毫米波雷达回波信号中的残留相位误差；对去除误差的毫米波雷达回波信号沿旋转角度方向进行傅里叶变换；对傅里叶变换后的结果进行目标依赖相位误差补偿处理；根据目标依赖相位误差补偿处理后的结果，进行汽车毫米波雷达圆周成像。本发明实施例通过毫米波雷达旋转运动形成合成孔径并进行圆周合成孔径成像，对于目标相关的残留相位误差利用距离波数一次向补偿函数进行去除，并且发现旋臂旋转引起的目标斜距无关相位误差，因此对去除误差的毫米波雷达回波信号沿旋转角度方向进行傅里叶变换，并对傅里叶变换后的结果进行目标依赖相位误差补偿处理，进而可以根据目标依赖相位误差补偿处理后的结果进行汽车毫米波雷达圆周成像，实现360度成像能力，提高了成像准确性，保证行车安全。
[0120]
基于前述发明构思，如图11所示，本发明还提出了一种计算机设备1100，包括存储
器1110、处理器1120及存储在存储器1110上并可在处理器1120上运行的计算机程序1130，所述处理器1120执行所述计算机程序1130时实现前述汽车毫米波雷达圆周成像方法。
[0121]
基于前述发明构思，本发明提出了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前述汽车毫米波雷达圆周成像方法。
[0122]
本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、cd
‑
rom、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
[0123]
本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
[0124]
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
[0125]
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
[0126]
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。