一种目标检测方法、天线系统及毫米波雷达与流程

1.本发明涉及天线技术领域，特别是涉及一种目标检测方法、天线系统及毫米波雷达。


背景技术：

2.4d毫米波雷达又被称为“成像雷达”，是指在原有速度、距离和方位的基础上增加了对目标的高度维数据解析以实现四个维度的信息感知的雷达。“成像”的概念指其具备超高的分辨率，从而可以有效地解析目标的轮廓、类别和行为，这意味着4d毫米波雷达可以适应更多复杂路况，包括识别较小的物体、被遮挡的部分物体、静止物体和横向移动障碍物的检测等。
3.目前，车载毫米波雷达系统由于tr通道数目的限制，一般只能实现对目标的水平角度的测量，无法实现对目标的垂直角度的测量，也就不具备4d毫米波雷达必备的测高能力，难以判断前方静止物体是在地面还是在空中，从而无法细化刹车场景，存在发生安全事故的风险。


技术实现要素：

4.本发明实施例提供了一种目标检测方法、天线系统及毫米波雷达，能够改善相关技术中无法对目标进行测高的技术问题。
5.本发明实施例为改善上述技术问题提供了如下技术方案：
6.在第一方面，本发明实施例提供了一种目标检测方法，应用于由发射天线和接收天线组成的虚拟阵列，所述虚拟阵列包括在垂直方向上间隔排列的至少两个虚拟天线，所述方法包括：
7.控制发射天线依次工作在规律变化的频率；
8.获取所述至少两个虚拟天线在所述发射天线工作在每个频率下的多组第一回波信号；
9.根据所述多组第一回波信号，确定待测目标的高度。
10.可选的，所述根据所述多组第一回波信号，确定待测目标的高度包括：
11.根据测角算法分别对每组第一回波信号进行计算，得到多个垂直角度信息；
12.根据所述多个垂直角度信息，确定待测目标的高度。
13.可选的，所述测角算法为相位比较法。
14.可选的，所述虚拟阵列还包括多个在水平方向上间隔排列的多个虚拟天线，所述方法还包括：
15.获取所述多个虚拟天线在所述发射天线工作在至少一个频率下的至少一组第二回波信号；
16.根据所述至少一组第二回波信号，计算待测目标的速度和/或距离和/或水平角度。
17.可选的，所述根据所述第二回波信号，计算待测目标的速度和/或距离和/或水平角度包括：
18.对所述至少一组第二回波信号进行一维fft处理，得到一维fft数据，根据所述一维fft数据，得到所述待测目标的速度；和/或
19.对所述一维fft数据进行二维fft处理，得到二维fft数据，根据所述二维fft数据，得到所述待测目标的距离；和/或
20.对所述二维fft数据进行三维fft处理，得到三维fft数据，根据所述三维fft数据，得到所述待测目标的水平角度。
21.在第二方面，本发明实施例提供了一种天线系统，包括：
22.发射天线阵列，包括m个发射天线，所述发射天线用于发射检测信号，其中，m≥2；
23.接收天线阵列，包括n个接收天线，与所述m个发射天线组成包括m*n个虚拟天线的虚拟阵列，所述虚拟阵列用于接收回波信号，至少两个所述虚拟天线在垂直方向上间隔排列，其中，n≥2；
24.控制器，分别与所述m个发射天线和所述n个接收天线电连接，用于执行如上所述的目标检测方法。
25.可选的，所述虚拟阵列还包括多个在水平方向间隔排列的多个虚拟天线，所述控制器还用于执行如上所述的方法。
26.在第三方面，本发明实施例提供了一种毫米波雷达，包括：
27.基座；以及
28.如上所述的天线系统，所述天线系统安装于所述基座。
29.本发明实施例的有益效果包括：提供一种目标检测方法、天线系统及毫米波雷达。目标检测方法应用于由发射天线和接收天线组成的虚拟阵列，虚拟阵列包括在垂直方向上间隔排列的至少两个虚拟天线，目标检测方法包括控制发射天线依次工作在规律变化的频率，获取至少两个虚拟天线在发射天线工作在每个频率下的多组第一回波信号，根据多组第一回波信号，确定待测目标的高度。本实施例通过控制发射天线工作在不同频率，将能量聚焦在垂直方向上的不同位置，并通过所述至少两个虚拟天线在发射天线工作在每个频率下的多组回波信号来检测待测目标的高度，能够可靠辨别待测目标类别。
附图说明
30.一个或多个实施例通过与之对应的附图中的图片仅作为示例性说明，这些示例性说明并不构成对实施例的限定，附图中具有相同参考数字标号的元件表示为类似的元件，除非有特别申明，附图中的图不构成比例限制。
31.图1是本发明实施例提供的一种毫米波雷达的结构示意图；
32.图2是本发明实施例提供的一种天线系统的结构示意图；
33.图3是本发明实施例提供的一种虚拟阵列的结构示意图；
34.图4是本发明实施例提供的一种对发射天线进行频率扫描的原理示意图；
35.图5是本发明实施例提供的一种高度测量原理的示意图；
36.图6是本发明实施例提供的一种相位比较法的原理示意图；
37.图7是本发明实施例提供的一种目标检测方法的第一种流程示意图；
38.图8是本发明实施例提供的一种目标检测方法的第二种流程示意图；
39.图9是本发明实施例提供的一种目标检测装置的结构示意图；
40.图10是本发明实施例提供的一种电子设备的硬件结构示意图。
具体实施方式
41.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作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。
42.需要说明的是，如果不冲突，本发明实施例中的各个特征可以相互结合，均在本发明的保护范围之内。另外，虽然在装置示意图中进行了功能模块划分，在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于装置中的模块划分，或流程图中的顺序执行所示出或描述的步骤。再者，本发明所采用的“第一”、“第二”、“第三”等字样并不对数据和执行次序进行限定，仅是对功能和作用基本相同的相同项或相似项进行区分。
43.本发明实施例提供一种毫米波雷达。请参阅图1，毫米波雷达100包括基座11及天线系统12。天线系统12安装于基座11。
44.请参阅图2，天线系统12包括发射天线阵列121、接收天线阵列122和控制器123。
45.发射天线阵列121包括m个发射天线1211，m个发射天线1211可发射检测信号，其中，m≥2。在一些实施例中，m个发射天线1211在水平方向间隔排列，水平方向为平行于水平面的方向。
46.接收天线阵列122包括n个接收天线1221，n个接收天线1221用于接收m个发射天线1211发射的检测信号经由待测目标反射得到的回波信号，其中，n≥2。
47.n个接收天线1221与m个发射天线1211组成m*n个虚拟天线，m*n个虚拟天线构成虚拟阵列。虚拟天线是通过在发射端以时分或者正交编码等方式发射，接收端分时接收或者通过解码进行分离而引入的额外接收通道，相当于由m个发射天线1211与n个接收天线1221进行卷积来实现的，也即虚拟天线的形成是由m个发射天线1211的单向方向图与n个接收天线1221的单向方向图所形成的所有可能的积，如此一来，每个接收天线可分出多个接收通道，例如，发射天线的数量为2，接收天线的数量为3，每个接收天线可分出2个接收通道，共得到3*2＝6个接收通道，每个接收通道均可接收回波信号。
48.虚拟阵列中各个虚拟天线分别以m个发射天线1211的位置作为参考点，复制n个接收天线m次进行排布。举例而言，请参阅图2，发射天线1211的数量m＝3，3个发射天线1211沿一方向间隔排列且位置分别为s1、s2和s3，接收天线1221的数量n＝4，4个接收天线的排布方式如图3所示，以位置为s1的发射天线1211的位置作为参考点，复制4个接收天线，得到虚拟天线d1、d2、d3和d4，以位置为s2的发射天线1211的位置作为参考点，复制4个接收天线，得到虚拟天线d5、d6、d7和d8，以位置为s3的发射天线1211的位置作为参考点，复制4个接收天线，得到虚拟天线d9、d10、d11和d12。
49.请再次参阅图2，控制器123分别与m个发射天线1211和n个接收天线1221电连接，可控制每个发射天线1211依次工作在规律变化(例如逐渐递增或逐渐递减)的频率以使每个发射天线1211发射对应的检测信号，例如，控制器123首先控制向每个发射天线1211馈入
频率为f1的电信号以控制发射天线1211工作在频率f1，从而使得每个发射天线1211发射第一检测信号，接着控制向每个发射天线1211馈入频率为f2的电信号以控制发射天线1211工作在频率f2，从而使得每个发射天线1211发射第二检测信号
……
控制向每个发射天线1211馈入频率为fn的电信号以控制发射天线1211工作在频率fn，从而使得每个发射天线1211发射第n检测信号，其中，频率f1至频率fn是规律变化的，例如频率逐渐递减的、频率逐渐递增的等等。
50.控制器123获取在垂直方向上间隔排列的至少两个虚拟天线在发射天线1211工作在每个频率下的多组第一回波信号，其中，垂直方向与上述水平方向垂直。以图3为例，假设x轴坐标方向为水平方向，y轴坐标方向为垂直方向，虚拟天线d4和d5作为一组虚拟天线在垂直方向上间隔排列，虚拟天线d8和d9作为另一组虚拟天线在垂直方向上间隔排列，可以理解的是，虚拟天线的组数可以为一组，亦可以为多组，例如图3所示的两组，还可以理解的是，每组虚拟天线中虚拟天线的数量至少为两个，例如三个、四个等等，不限于图3所示的两个。
51.控制器123根据多组第一回波信号，计算待测目标的高度。
52.本实施例通过控制发射天线依次工作在不同频率，对发射天线进行频率扫描，将能量聚焦在垂直方向上的不同位置，并通过所述至少两个虚拟天线在发射天线工作在每个频率下的多组回波信号来检测待测目标的高度，能够可靠辨别待测目标类别。
53.在一些实施例中，控制器123可以包括任意通用处理器、数字信号处理器(dsp)、专用集成电路(asic)、现场可编程门阵列(fpga)、单片机、arm(acorn risc machine)或其它可编程逻辑器件、分立门或晶体管逻辑、分立的硬件组件或者这些部件的任何组合。还有，控制器123还可以包括任何传统处理器、控制器、微控制器或状态机。控制器123也可以被实现为计算设备的组合，例如dsp和微处理器的组合、多个微处理器、一个或多个微处理器结合dsp和/或任何其它这种配置。
54.在一些实施例中，控制器123根据任意合适的测角算法分别对每组第一回波信号进行计算，得到多个垂直角度信息，根据多个垂直角度信息，计算待测目标的高度。
55.举例而言，测角算法采用相位比较法(又称比相法)。首先，控制器123控制发射天线1211工作在特定频率时，获取发射天线1211工作在该频率下，来自在垂直方向上间隔排列的至少两个虚拟天线的一组第一回波信号，然后根据相位比较法对该组第一回波信号进行计算，得到对应的垂直角度信息，结束频率扫描后，控制器123得到多个垂直角度信息，根据多个垂直角度信息，计算待测目标的高度。
56.举例而言，请参阅图4，待测目标为人体，控制器123控制发射天线1211依次工作在频率f1至频率fn，发射天线1211工作的频率不同时，其发射的检测信号的辐射方向也不同，控制器123计算得到的垂直角度信息也不同，在完成频率扫描后，控制器123得到覆盖整个人体的最大垂直角度，然后结合发射点与人体之间的水平距离，计算人体的高度。例如，请参阅图5，假设覆盖整个人体的最大垂直角度α，发射点与人体之间的水平距离为d1，则人体的高度h＝d1*tanα。
57.相位比较法是利用多个天线所接收回波信号之间的相位差进行测角的方法。请参阅图6，b和c为两个接收天线，接收天线b与c之间的间距为d，d《《目标回波信号到振源的距离，因此，通常情况下，可认为通过目标反射到达接收点的电磁波是一个平面波。此处假设
目标到a和接收天线b两点的距离相等，回波到达a接收天线b两点的距离也相等，称为等相位波前，则回波到达接收天线b与到达接收天线c之间的距离差为dsin(θ)，假设回波到达接收天线b与到达接收天线c之间的相位差为φ，一个波长λ的相位差为2π，则对应于距离为dsin(θ)的相位差φ＝2πdsin(θ)/λ，于是，可以得到目标到接收点处的角度θ＝arcsin(φλ/2πd)。
58.在一些实施例中，虚拟阵列包括在水平方向上间隔排列的多个虚拟天线(如图3所示的d1、d2、d3、d5、d6、d7、d9、d10和d11)，控制器123可获取该多个虚拟天线在发射天线1211工作在每个频率下的至少一组第二回波信号，根据至少一组第二回波信号，计算待测目标的速度和/或距离和/或水平角度。
59.具体的，在计算待测目标的速度时，控制器123可对第二回波信号进行一维fft(fast fourier transform，快速傅里叶变换)处理，得到一维fft数据，根据一维fft数据，得到待测目标的速度，例如，对一维fft数据进行筛选，得到待测目标的速度；在计算待测目标的距离时，控制器123可对一维fft数据进行二维fft处理，得到二维fft数据，根据二维fft数据，得到待测目标的距离，例如，对二维fft数据进行筛选，得到待测目标的速度；在计算待测目标的水平角度时，控制器123可对二维fft数据进行三维fft处理，得到三维fft数据，根据三维fft数据，得到待测目标的水平角度，例如，对三维fft数据进行筛选，得到待测目标的速度。可以理解的是，控制器123可以根据第二回波信号，得到待测目标的速度、距离和水平角度中任意一个或多个参数，例如，得到待测目标的速度和水平角度，又例如，得到待测目标的速度、距离和水平角度，具体需要哪些参数可以由用户根据实际需求自定义，在此不作限定。
60.本实施例可通过多个虚拟天线在水平方向上间隔排列所形成水平虚拟大口径进行水平角度测角，具有较强的水平角度分辨力。
61.可以理解的是，本实施例提供的天线系统不仅具备测高能力，还具备速度检测、距离检测和水平角度检测能力，因此，其能够实现目标四个维度(4d)的目标检测。
62.作为本发明实施例的另一方面，本发明实施例提供一种目标检测方法，应用于由发射天线和接收天线组成的虚拟阵列，虚拟阵列包括在垂直方向上间隔排列的至少两个虚拟天线。如图7所示，目标检测方法s700包括：
63.s71、控制发射天线依次工作在规律变化的频率；
64.s72、获取至少两个虚拟天线在所述发射天线工作在每个频率下的多组第一回波信号；
65.s73、根据所述多组第一回波信号，确定待测目标的高度。
66.在本实施例中，规律变化是指按照预先指定的规律进行变化，例如按照逐渐递增的规律变化、按照逐渐递减的规律变化等。
67.在一些实施例中，s73包括：根据测角算法分别对每组回波信号进行计算，得到多个垂直角度。
68.在一些实施例中，测角算法为相位比较法。
69.在一些实施例中，虚拟阵列还包括多个在水平方向上间隔排列的多个虚拟天线，请参阅图8，目标检测方法s700还包括：
70.s74、获取多个虚拟天线在发射天线工作在至少一个频率下的至少一组第二回波
信号；
71.s75、根据至少一组第二回波信号，计算待测目标的速度和/或距离和/或水平角度。
72.在一些实施例中，s75包括：对第二回波信号进行一维fft处理，得到一维fft数据，根据一维fft数据，得到待测目标的速度；和/或对一维fft数据进行二维fft处理，得到二维fft数据，根据二维fft数据，得到待测目标的距离；和/或对二维fft数据，进行三维fft处理，得到三维fft数据，根据三维fft数据，得到待测目标的水平角度。
73.需要说明的是，在上述各个实施方式中，上述各步骤之间并不必然存在一定的先后顺序，本领域普通技术人员，根据本发明实施方式的描述可以理解，不同实施方式中，上述各步骤可以有不同的执行顺序，亦即，可以并行执行，亦可以交换执行等等。
74.本发明实施例还提供一种目标检测装置。请参阅图9，目标检测装置900包括控制模块91、获取模块92及确定模块93，控制模块91用于控制发射天线依次工作在规律变化的频率，获取模块92用于获取至少两个虚拟天线在发射天线工作在每个频率下的多组第一回波信号，确定模块93用于根据多组第一回波信号，确定待测目标的高度。
75.需要说明的是，上述目标检测装置可执行本发明实施方式所提供的目标检测方法，具备执行方法相应的功能模块和有益效果。未在目标检测装置实施方式中详尽描述的技术细节，可参见本发明实施方式所提供的目标检测方法。
76.本发明实施例还提供一种电子设备。请参阅图10，电子设备1000包括一个或多个处理器101以及存储器102。其中，图10中以一个处理器101为例。
77.处理器101和存储器102可以通过总线或者其他方式连接，图10中以通过总线连接为例。
78.存储器102作为一种非易失性计算机可读存储介质，可用于存储非易失性软件程序、非易失性计算机可执行程序以及模块，如本发明实施例中的目标检测方法对应的程序指令/模块。处理器101通过运行存储在存储器102中的非易失性软件程序、指令以及模块，从而执行目标检测装置的各种功能应用以及数据处理，即实现上述方法实施例提供的目标检测方法以及上述装置实施例的各个模块或单元的功能。
79.存储器102可以包括高速随机存取存储器，还可以包括非易失性存储器，例如至少一个磁盘存储器件、闪存器件、或其他非易失性固态存储器件。在一些实施例中，存储器102可选包括相对于处理器101远程设置的存储器，这些远程存储器可以通过网络连接至处理器101。上述网络的实例包括但不限于互联网、企业内部网、局域网、移动通信网及其组合。
80.所述程序指令/模块存储在所述存储器102中，当被所述一个或者多个处理器101执行时，执行上述任意方法实施例中的目标检测方法。
81.本发明实施例还提供了一种非易失性计算机存储介质，所述计算机存储介质存储有计算机可执行指令，该计算机可执行指令被一个或多个处理器执行，例如图10中的一个处理器101，可使得上述一个或多个处理器可执行上述任意方法实施例中的目标检测方法。
82.本发明实施例还提供了一种计算机程序产品，所述计算机程序产品包括存储在非易失性计算机可读存储介质上的计算机程序，所述计算机程序包括程序指令，当所述程序指令被电子设备执行时，使所述电子设备执行上述的目标检测方法。
83.以上所描述的装置或设备实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的
单元模块可以是或者也可以不是物理上分开的，作为模块单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络模块单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。
84.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各实施方式可借助软件加通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对相关技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如rom/ram、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。
85.最后要说明的是，本发明可以通过许多不同的形式来实现，并不限于本说明书所描述的实施例，这些实施例不作为对本发明内容的额外限制，提供这些实施方式的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。并且在本发明的思路下，上述各技术特征继续相互组合，并存在如上所述的本发明不同方面的许多其它变化，均视为本发明说明书记载的范围；进一步地，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。