MIMO体制下的毫米波雷达速度解模糊方法及处理设备与流程

mimo体制下的毫米波雷达速度解模糊方法及处理设备
技术领域
1.本发明涉及车载毫米波雷达技术领域，尤其涉及一种mimo体制下的毫米波雷达速度解模糊方法及处理设备。


背景技术：

2.毫米波雷达已经成为目前汽车的主要传感器之一，毫米波雷达所特有的全天时和全天候工作的优势使其突出于车载光学摄像头和激光雷达等传感器，此外相较于激光雷达其价格也更低廉。传统的车载毫米波雷达收发天线数量很少，发射天线数量一般只有一至两根，其水平向角分辨率不高，一般也不具备测高能力的劣势使其在辅助驾驶领域的作用有限。而mimo(multiple input multiple output，多发多收)技术的广泛使用乃至近年来4d毫米波雷达的出现，使得毫米波雷达的角度分辨率有迫近激光雷达的趋势。
3.现阶段，角分辨率的提高主要是依靠在水平和俯仰向布置更多的收发天线。mimo雷达主要有频分复用(fdm)、码分复用(cdm)和时分复用(tdm)几种具体实现方式，频分复用和码分复用其实现复杂度以及对半导体器件的要求都更高，同时码分复用也并不能减小由发射天线数量增加带来的天线发射总时长的增加。现阶段车载毫米波雷达大多采用了基于时分复用(tdm)技术的mimo，使用tdm-mimo的发射模式加之发射天线数量的增加，这会导致雷达每帧下天线发射总时长的大幅增长，同时也成倍地降低了速度维(慢时间维)的采样率，使得不模糊测速范围显著降低，无法达到车载毫米波雷达产品对单帧的更新时间和不模糊测速范围的要求（一般而言单帧的更新时间要求不低于20hz，对前向雷达的不模糊测速范围要求不小于
±
150kph）。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种mimo体制下的毫米波雷达速度解模糊方法及处理设备，以解决mimo模式下现有技术中存在的不模糊测速范围低的技术问题。本发明提供的诸多技术方案中的优选技术方案所能产生的诸多技术效果详见下文阐述。
5.为实现上述目的，本发明提供了以下技术方案：本发明提供了一种mimo体制下的毫米波雷达速度解模糊方法，速度解模糊方法毫米波雷达设置有t1个发射天线，所述速度解模糊方法通过预设的发射模式运行；所述发射模式包括快模式与慢模式；在所述快模式下，从 t1个所述发射天线中任选一个所述发射天线连续发射n个线性调频信号；在所述慢模式下，t1个所述发射天线均以设定时序各自连续发射n个所述线性调频信号。
6.进一步地，所述毫米波雷达还设置有r1个接收天线，所述速度解模糊方法包括如下步骤：s10、对所述快模式与慢模式进行系统设置；s20、在当前帧下，t1个所述发射天线在所述快模式、慢模式下分别按照第一发射周期tc_fast发射n个所述线性调频信号、按照第二发射周期tc_slow发射t1
×
n个所述线性
调频信号；r1个所述接收天线分别接收经所有目标对象反射的n个所述线性调频信号的回波、t1
×
n个所述线性调频信号的回波，分别形成r1个第一回波矩阵、r1
×
t1个第二回波矩阵；s30、分别对所述第一回波矩阵、第二回波矩阵进行数据预处理，得到所述第一回波矩阵对应的第一最大不模糊速度vmax_fast和所述第二回波矩阵对应的第二最大不模糊速度vmax_slow，以及所有目标对象的位置和速度在所述第一回波矩阵、第二回波矩阵中的索引值；s40、逐一对每个所述目标对象的速度进行解模糊，输出所述目标对象对应的模糊倍数；s50、返回步骤s20，执行下一帧下所有目标对象的速度解模糊。
7.进一步地，步骤s10中，包括如下步骤：s101、确定所述快模式与慢模式的先后顺序；s102、设定所述慢模式的时序；s103、设定adc的采样率和采样点数；s104、设定所述第一发射周期tc_fast、第二发射周期tc_slow、n的值。
8.进一步地，步骤s30包括如下步骤：s301、分别对所述第一回波矩阵、第二回波矩阵做二维fft处理；s302、对二维fft处理后的所述第一回波矩阵、第二回波矩阵分别进行非相干累加后取均值，分别得到第一处理矩阵、第二处理矩阵；s303、根据所述第一发射周期tc_fast、第二发射周期tc_slow分别计算所述第一最大不模糊速度vmax_fast、第二最大不模糊速度vmax_slow。
9.进一步地，所述第一最大不模糊速度计算公式为：vmax_fast=λ/（4
×
tc_fast）；所述第二最大不模糊速度计算公式为：vmax_slow=λ/（4
×
tc_slow）；其中，λ为毫米波雷达在可使用频率范围下对应的波长，可使用频率范围为76-81ghz。
10.进一步地，步骤s40包括如下步骤：s401、对所述慢模式下的所述第二处理矩阵做cfar处理，找到所有所述目标对象，得到每个所述目标对象的第二幅值amplitude_slow、距离索引idx_r、第二速度索引idx_vs；s402、根据每个所述目标对象的所述第二速度索引idx_vs和第二最大不模糊速度vmax_slow，得到每个所述目标对象的速度测量值v_measure；s403、根据每个所述目标对象的第二最大不模糊速度vmax_slow、速度测量值v_measure，采用基于模糊倍数方法对每一个所述目标对象计算假设速度v_hypothesis；s404、对每个所述目标对象计算的所述假设速度v_hypothesis，计算其在所述第一处理矩阵中的第一速度索引idx_vf，并检索其与所述距离索引idx_r对应的同一个距离门、所述第一速度索引idx_vf对应的速度门下的第一幅值amplitude_fast；s405、逐一将每个所述目标对象的所述第一幅值amplitude_fast与所述第二幅值
amplitude_slow做差运算并取绝对值；将计算的差值小于预设值的所述假设速度v_hypothesis作为备选速度v_candidate，并存储所述假设速度v_hypothesis对应的所述第一幅值amplitude_fast；s406、逐一针对每个所述目标对象在步骤s404计算的所述备选速度v_candidate中查找对应的所述第一幅值amplitude_fast的最大值，将最大值对应的所述假设速度v_hypothesis作为该目标对象最终认可的真实速度；s407、逐一输出每个所述目标对象最终认可的真实速度对应的模糊倍数，完成对所有目标对象的速度解模糊。
11.进一步地，步骤s402中，速度测量值v_measure的计算方法为：；其中，n为所述慢模式下单帧中单个所述发射天线发射的调频信号的数量。
12.进一步地，步骤s403中，基于模糊倍数方法的计算公式为： v_hypothesis=v_measure 2k
×
vmax_slowk=0，
±
1，
±2…±
p；p》=v_max/(2vmax_slow)；其中，k为模糊倍数，v_max为想要解算到的最大不模糊速度。
13.进一步地，在步骤s404中，计算所述第一速度索引idx_vf的公式为：； ；其中，mod为取余数函数。
14.根据本法明的另一方面，还提供了一种处理设备，包括一个或多个处理器以及存储器；存储器，用于存储一个或多个计算机程序，一个或多个所述处理器用于执行所述存储器存储的一个或多个计算机程序，以使一个或多个所述处理器执行如上文所述的mimo体制下的毫米波雷达速度解模糊方法。
15.进一步地，所述的处理设备还包括输出模块；所述输出模块与所述处理器连接，用于对上文所述的速度解模糊方法的解模糊结果进行输出。
16.实施本发明上述技术方案中的一个技术方案，具有如下优点或有益效果：本发明给出的一种基于mimo体制的毫米波雷达天线发射模式设计与速度解模糊方法，通过在每帧的发射时序中设计快慢两种发射模式，这两种模式下可以得到两个不同的最大不模糊速度值，并对两模式下接收的数据在各通道做二维fft处理后，在天线维度做非相干累加得到两个处理矩阵，对慢模式下的矩阵做cfar检测找到目标的距离和速度信息，并由得到的两处理矩阵和两个对应的最大不模糊速度值，基于本发明给出的速度解模糊方法得到目标速度解模糊后的真实速度。本发明的方法有效解决了mimo模式下的速度模糊问题，提高了毫米波雷达的测速范围，扩展了mimo技术在车载毫米波雷达方向的实用价
值。
附图说明
17.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的介绍，显而易见，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，附图中：图1是本发明的一种毫米波雷达发射模式的设计图；图2是本发明实施例的一种4发4收雷达的阵列排布布局图；图3是本发明的一种速度解模糊方法的流程图；图4是本发明的一种速度解模糊方法中步骤s10的具体步骤流程图的流程图；图5是本发明的一种速度解模糊方法中步骤s30的具体步骤流程图的流程图；图6是本发明的一种速度解模糊方法中步骤s40的具体步骤流程图的流程图；图7是本发明实施例的一种4发4收mimo体制雷达发射模式图。
具体实施方式
18.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下文将要描述的各种示例性实施例将要参考相应的附图，这些附图构成了示例性实施例的一部分，其中描述了实现本发明可能采用的各种示例性实施例。除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本公开相一致的所有实施方式。应明白，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本发明公开的一些方面相一致的流程、方法和装置等的例子，还可使用其他的实施例，或者对本文列举的实施例进行结构和功能上的修改，而不会脱离本发明的范围和实质。
19.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”等指示的是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元件必须具有的特定的方位、以特定的方位构造和操作。术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。术语“多个”的含义是两个或两个以上。术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接、可拆卸连接、一体连接、机械连接、电连接、通信连接、直接相连、通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
20.为了说明本发明所述的技术方案，下面通过具体实施例来进行说明，仅示出了与本发明实施例相关的部分。
21.实施例一：如图1-2所示，本发明提供了一种mimo体制下的毫米波雷达速度解模糊方法，毫米波雷达设置有t1个发射天线和r1个接收天线，速度解模糊方法通过预设的发射模式运行。其中，发射模式包括快模式与慢模式。在所述快模式下，从 t1个所述发射天线中任选一个所述发射天线连续发射n个线性调频信号（chirp）；在所述慢模式下，t1个所述发射天线均
以设定时序各自连续发射n个所述线性调频信号，t1个发射天线共发射m个线性调频信号。
22.一般情况下，一个快模式加上一个慢模式便构成了一帧，在实际应用中，可以先执行快模式，然后再执行慢模式，当然，还可以先执行慢模式再执行快模式，具体根据实际情况而定。进一步地，n和m数量的确定需要保证在接收天线的矩阵中其速度维度相等，特别地，当慢模式下以设定时序（如时分复用模式）发射时，m = n
×
t1。需说明的是，本发明是建立在mimo(multiple input multiple output，多发多收)这种体制下而设计的一种基于车载毫米波雷达发射模式，而快模式与慢模式的划分标准是单帧下发射天线发射的线性调频信号的总时长，通常情况下，将单天线发射时称为快模式，将t1个天线都发射时称为慢模式。
23.进一步地，本实施例提供了一种4发4收的mimo体制雷达下的具体应用，即4个发射天线tx1、tx2、tx3、tx4，4个接收天线rx1、rx2、rx3、rx4。具体的，该mimo雷达包含4个发射天线，4个接收天线，同一水平上的发射天线tx1、tx2、tx3间距2λ，tx4和tx2在同一竖直线上，其与tx2间距0.5λ。四个接收天线两两之间间距0.5λ。其中，λ为毫米波雷达（mimo雷达）在可使用频率范围下对应的波长，可使用频率范围为76-81ghz。本实施例中，波长λ为77ghz。
24.如图3-7所示，基于上文所述的快模式与慢模式，速度解模糊方法包括如下步骤：s10、对快模式与慢模式进行系统设置。具体的系统设置如下：s101、确定快模式与慢模式的先后顺序。在4发4收的mimo雷达发射模式下，本实施例的4个发射天线先执行快模式后执行慢模式；s102、设定慢模式的时序。具体的，可选的设定时序包括时分复用、频分复用、码分复用，本实施例的设定时序为时分复用；s103、根据应用需求设定adc的采样率和采样点数。本实施例采样率可以设为5mhz，采样点数为256个。需说明的是，对前后两个发射模式所发射的线性调频信号，还需要设定线性调频信号的调频斜率、信号的持续时间，对于线性调频信号的调频斜率、信号的持续时间的设定可以根据具体毫米波雷达的应用场景和需求来设定，但需要保证快慢两模式下的调频斜率和信号的持续时间一致；s104、设定第一发射周期tc_fast、第二发射周期tc_slow、n的值。进一步地，这里的发射周期为单个发射天线发射单个线性调频信号的时间，且第一发射周期tc_fast与第二发射周期tc_slow互为质数，因而一种可行的设定为：第一发射周期tc_fast=40微秒，第二发射周期tc_slow = 41微秒。可以通过改变两线性调频信号之间的时间延迟来使得tc_slow和tc_fast之间是互质的关系。对于n，本实施例取n=64，m = 4
×
64 = 256。
25.s20、在当前帧下，t1个发射天线在快模式、慢模式下分别按照第一发射周期tc_fast发射n个线性调频信号、按照第二发射周期tc_slow发射 t1
×
n个线性调频信号；r1个接收天线分别接收经所有目标对象反射的n个线性调频信号的回波、t1
×
n个线性调频信号的回波，分别形成r1个第一回波矩阵、r1
×
t1个第二回波矩阵。本步骤中，发射天线按照先快模式后慢模式的顺序，在快模式下单天线发射n个线性调频信号，然后再慢模式下多天线发射t1
×
n个线性调频信号，一个快模式与一个慢模式组成了一个当前帧，发射周期tc_fast
×
64 tc_slow
×
64构成一个单帧发射时间。发射天线发射的线性调频信号在空间以电磁波的形式传播，遇到目标对象后反射回来，回波被接收天线接收，在快模式下形成r1个接收矩阵即第一回波矩阵，慢模式下得到t1
×
r1个接收矩阵，即第二回波矩阵。具体的，选用
tx1作为快模式下的发射天线，首先发射64个线性调频信号，发射的线性调频信号周期为tc_fast=40微秒，随后按顺序对tx1、tx2、tx3、tx4以时分的模式各发射64个线性调频信号，每个天线发射的线性调频信号周期为tc_slow=163微秒。对前述所有发射的线性调频信号回波的采样率和采样点数一致，采样点数为256个。由此，可得到两种模式下的虚拟阵元接收到的回波矩阵。每个阵元对应为一个256
×
64的接收数据构成的回波矩阵。考虑水平方向，快模式下得到4个第一回波矩阵，慢模式下得到同一水平上的12个第二回波矩阵以及竖直方向上的4个第二回波矩阵；s30、分别对第一回波矩阵、第二回波矩阵进行数据预处理，得到第一回波矩阵对应的第一最大不模糊速度vmax_fast和第二回波矩阵对应的第二最大不模糊速度vmax_slow，以及所有目标对象的位置和速度在第一回波矩阵、第二回波矩阵中的索引值。该步骤分别对前述4个第一回波矩阵和12个第二回波矩阵做2d-fft处理，取幅值，并分别对快模式下的4个第一回波矩阵和慢模式下的12个第二回波矩阵做非相干累加，取均值。得到两个矩阵：第一处理矩阵、第二处理矩阵。具体步骤如下：s301、分别对第一回波矩阵、第二回波矩阵做二维fft处理。得到距离和速度维均压缩后的矩阵。二维fft处理为傅里叶变换，此现有技术在此不再赘述；s302、对二维fft处理后的第一回波矩阵、第二回波矩阵分别进行非相干累加后取均值，分别得到第一处理矩阵、第二处理矩阵。两矩阵大小均为256
×
64，256对应单个线性调频信号下adc的采样点数，64对应单天线所发射的线性调频信号个数。由于有多个接收天线（接收通道）需要做非相关累加。具体步骤为：首先对4个第一回波矩阵、12第二回波矩阵的各个元素求模（，x、y分别为各个元素x向分量、y向分量），分别得到4个回波幅值矩阵（快模式下）、12个回波幅值矩阵（慢模式下）；然后对4个回波幅值矩阵进行累加求和，最后对求和后的矩阵的每个元素除以4得到一个第一处理矩阵matrix_fast，对12回波幅值矩阵进行累加求和，最后对求和后的矩阵的每个元素除以12得到一个第二处理矩阵matrix_slow；s303、根据第一发射周期tc_fast、第二发射周期tc_slow分别计算第一最大不模糊速度vmax_fast、第二最大不模糊速度vmax_slow。具体的，第一最大不模糊速度计算公式为：vmax_fast=λ/（4
×
tc_fast）（1）；第二最大不模糊速度计算公式为：vmax_slow=λ/（4
×
tc_slow）（2）；本实施例中，vmax_fast=3
×
10^8/（（77
×
10^9）（4*40）
×
10^(-6)）≈24.35m/s、vmax-slow≈5.98m/s，3
×
10^8m/s为光速；s40、逐一对每个目标对象的速度进行解模糊，输出目标对象对应的模糊倍数。该步骤的具体步骤如下：s401、对慢模式下的第二处理矩阵做cfar处理，找到所有目标对象，得到每个目标对象的第二幅值amplitude_slow、距离索引idx_r、第二速度索引idx_vs。需说明的是，由于接收到的回波有时候是干扰，有时候是目标对象。比如：若需检测运动车辆，则地面杂波、噪声及人为干扰就是干扰项，若对地面某一区域进行成像，那么地面杂波就可看作目标对象，
因此需要对回波进行检测。采用的方法为恒虚警率检测（constantfalsealarmrate，cfar）。cfar首先对输入的噪声进行处理后确定一个门限（根据实际情况确定），将此门限与输入端信号相比，如输入端信号超过了此门限，则判为有目标对象，否则，判为无目标对象。一般信号由信号源发出，在传播的过程中受到各种干扰，到达接收机后经过处理，输出到检测器，然后检测器根据适当的准则对输入的信号做出判决。对得到的幅值矩阵，判断每个值与其周围值的大小关系，进行峰值的搜索，得到带有峰值点标记的幅值矩阵。峰值表示在某距离上存在一定速度的目标，是否为虚假目标需要通过cfar去判断。此为现有技术，在此不再赘述；s402、根据每个目标对象的第二速度索引idx_vs和第二最大不模糊速度vmax_slow，得到每个目标对象的速度测量值v_measure。具体的，速度测量值v_measure的计算方法为：（3）；其中，n为上文所述的慢模式或快模式下单帧中单个发射天线发射的调频信号的数量；s403、根据每个目标对象的第二最大不模糊速度vmax_slow、速度测量值v_measure，采用基于模糊倍数方法对每一个目标对象计算假设速度v_hypothesis，该假设速度为真实速度的假设值。具体的，基于模糊倍数方法的计算公式为：v_hypothesis=v_measure 2k
×
vmax_slowk=0，
±
1，
±2…±
p(4)；p》=v_max/(2vmax_slow)（5）；其中，k为模糊倍数，v_max为想要解算到的最大不模糊速度。本实施例中v_max可设置为55m/s，或者200kph，则本实施例中其对应的p最小取值为5（2
×
p
×
5.98》55）；s404、对每个目标对象计算的假设速度v_hypothesis，计算其在第一处理矩阵中的第一速度索引idx_vf，并检索其在第一处理矩阵中与距离索引idx_r对应的同一个距离门、第一速度索引idx_vf对应的同一个速度门下的第一幅值amplitude_fast。具体的，计算第一速度索引idx_vf的公式为：(6);（7）；其中，mod为取余数函数，idx_vf1为过渡计算参数。
26.s405、逐一将每个目标对象的第一幅值amplitude_fast与第二幅值amplitude_slow做差运算并取绝对值；将计算的差值小于预设值的假设速度v_hypothesis作为备选速度v_candidate，并存储该假设速度v_hypothesis对应的第一幅值amplitude_fast。需说明的是，预设值是要根据具体的应用场景去确定的，本实施例中，预设值可以为：1/10
×
amplitude_fast；
s406、逐一针对每个目标对象在步骤s404计算的备选速度v_candidate中查找对应的第一幅值amplitude_fast的最大值，将最大值对应的假设速度 v_hypothesis作为该目标对象最终认可的真实速度；s407、逐一输出每个目标对象最终认可的真实速度对应的模糊倍数，完成对所有目标对象的速度解模糊。
27.s50、返回步骤s20，执行下一帧下所有目标对象的速度解模糊。
28.上述步骤提供了一种4发4收模式下的发射模式设计与对应的速度解模糊方法，该方法下理论的不模糊测速范围可以被扩展到vmax_fast
×ꢀ
vmax_slow,在实际的应用场景中，线性调频信号的周期一般只有几十微秒，快模式下周期以40微秒计算，波长以77ghz计算，由公式（1）：计算得到vmax_fast 约等于 24m/s，即便慢线性调频信号的周期增加一个量级到400微秒，该算法可拓展的不模糊范围也可以到近58m/s,完全足够满足车载雷达产品所要求的范围。因此，该方案提供的速度解模糊方法极大地扩展了mimo技术在汽车雷达领域的实际应用价值。另外，本发明提供的速度解模糊方法是可以进行简化的。当车行驶在目标对象数量较少的场景中时，上述解模糊算法中的天线维度累加后的矩阵可以不做取均值的处理，同时，在步骤s405中，得到假设速度在快模式矩阵下对应的能量值后，可以不与慢模式下的能量值做阈值比较，而直接将之作为一个v_candidate。并找到对应能量值最大的v_candidate即可。
29.终上所述，本实施给出的一种基于mimo体制的毫米波雷达天线发射模式设计与速度解模糊方法。通过在每帧的发射时序中设计快慢两种先后的发射模式，这两种模式下可以得到两个不同的最大不模糊速度值，并对两模式下接收的数据在各通道做二维fft处理后，在天线维度做非相干累加得到两个处理矩阵。由得到的两处理矩阵和两个对应的最大不模糊速度值，结合本发明给出的速度解模糊方法，解决了mimo模式下的速度模糊问题，提高了测速范围，扩展了mimo技术在车载毫米波雷达方向的实用价值。
30.实施例二：本实施还提供了一种处理设备，包括：一个或多个处理器，以及存储器。具体的，存储器，用于存储一个或多个计算机程序，一个或多个处理器用于执行存储器存储的一个或多个计算机程序，以使一个或多个处理器执行实施例一所述的mimo体制下的毫米波雷达速度解模糊方法。进一步地，处理设备还包括输出模块。输出模块与处理器连接，用于对实施例一所述的mimo体制下的毫米波雷达速度解模糊方法的解模糊结果进行输出。
31.本领域普通技术人员可以理解，实现上述各方法实施例的全部或部分特征/步骤可以通过方法、数据处理系统或计算机程序来实现，这些特征可不采用硬件的方式、全部采用软件的方式或者采用硬件和软件结合的方式来实现。前述的计算机程序可以存储于一种或多种计算机可读的存储介质中，存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被（如处理器）执行时，执行包括上述的毫米波雷达天线速度解模糊方法实施例的步骤。
32.需要说明的是，为了更好的阐述本发明的思路和算法，本文中的前述说明与实施例都是基于时分复用发射模式，但本发明所提供的思路和算法并不局限于时分复用的发射模式，使用包括频分或码分复用等其它的发射模式而达到与本发明所述算法和处理流程类似的处理方式应该都在本专利的保护范围内。
33.以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，本领域技术人员知悉，在不脱离本发明
的精神和范围的情况下，可以对这些特征和实施例进行各种改变或等同替换。另外，在本发明的教导下，可以对这些特征和实施例进行修改以适应具体的情况及材料而不会脱离本发明的精神和范围。因此，本发明不受此处所公开的具体实施例的限制，所有落入本技术的权利要求范围内的实施例都属于本发明的保护范围。