CN115201820A - 基于4d毫米波雷达成像的山间道路环境感知系统 - Google Patents

Abstract

一种基于4D毫米波雷达成像的山间道路环境感知系统，包括：雷达传感器单元、天线阵列单元、波束发射模式和方向控制单元、成像单元、决策与预警单元；雷达传感器单元扫描获得所检测山间道路周围环境的感知数据，传送至成像单元；天线阵列单元实现电磁波以宽俯仰、窄方向的波束形状发射并接收目标的回波信号；波束发射模式和方向控制单元配置天线发射接收模式和天线波束朝向，获取高精度的三维数据；成像单元接收到雷达传感器发送来的基本数据，进行数据处理，绘制三维点云图，将图像输出到决策与预警单元；决策单元对图像进行模板匹配与阈值判断，判断是否会发生异常情况，将判断结果传输至预警单元，预警单元向道路车辆及管理部门进行报警提示。

Description

基于4D毫米波雷达成像的山间道路环境感知系统

技术领域

本发明属于雷达传感器信号处理、雷达成像等技术领域，尤其涉及4D毫米波雷达成像系统用于山间道路环境感知，实现对道路异物和山体滑坡等异常情况的检测。

背景技术

山体滑坡、异物阻碍、道路坍塌等事故的发生给山体建设带来了困难，也给山路交通安全带来了极大的隐患。因此，研究对山间道路环境及山体的监测，为行驶车辆和有关部门提供实时有效的预警信息，保障道路畅通和驾驶员生命安全有着重要的意义。

目前已投入的山体及山间道路监测手段主要有视频、卫星遥感图像、合成孔径雷达。摄像头具有获取丰富直观的环境图像信息的能力，但无法及时感知山体的细微变化、信息处理技术较为复杂也无法对异常情况做出预警；卫星遥感图像检测具有视点高、视域广、可动态检测的功能，但时效性较差，数据传输量较大，代价高；合成孔径雷达可得到高分辨率成像，但是技术要求较高，不具备大范围的推广条件。而毫米波雷达作为一种新型环境感知传感器，具有较强的环境感知能力、强时效性、高分辨率成像、易操作等特点，然而常规的毫米波雷达不仅无法呈现出山体的立体形状，而且缺少对山体异常情况的预测能力。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种基于4D毫米波雷达成像的山间道路环境感知系统，通过特有的天线阵列、波束发射模式和方向控制、成像算法、决策及预警单元，以建立精确度更高、实时性更强的三维立体感知系统，本发明可实现对山体细微变化和道路异常情况的实时监测与及时预警，保证山间道路的畅通和交通安全，同时也为4D毫米波雷达在山间道路检测中的应用提供了一定的基础参考。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

雷达传感器单元，采用4D毫米波雷达，其布设实现对所监视山间道路环境的全覆盖，用于获取所监视山间道路的环境感知数据；

天线阵列单元，用于将雷达传感器单元的电磁波以俯仰维±60°、方向维1°的宽俯仰、窄方向波束形状发射，并接收山间道路环境中的山体、过往车辆、落石、异物等静态目标和动态目标的回波信号；

波束发射模式和方向控制单元，用于配置天线发射接收模式和天线波束朝向，实现对山间道路环境的高精度三维数据获取；

成像单元，用于对接收到的目标回波信号进行处理，实现对山间道路环境的感知和成像，将检测到的山体、过往车辆、落石、异物等静态目标和动态目标的数据信息以三维点云图的形式呈现；

决策与预警单元，用于将成像单元输出的图像与模板进行匹配，执行阈值判断以判别山间道路环境异常情况，并发出预警。

所述雷达传感器单元，包括收发装置单元、基带处理单元、信号与数据处理单元、输出单元。收发装置单元用于发射电磁波和接收静态目标和动态目标的回波信号，从而为雷达提供数据源；基带处理单元用于将获得的回波信号由模拟信号转化为数字信号；信号与数据处理单元用于存放基带处理单元所输出的数字信号，并执行数字信号处理程序，包括频域变换、数字滤波、识别、合成等算法，实现获取山体、过往车辆、落石、异物等静态目标和动态目标的距离、角度、高度、速度等有用信息；输出单元用于将数字信号处理后山体、过往车辆、落石、异物等静态目标和动态目标的距离、角度、高度、速度等各类有用信息进行输出。

所述天线阵列单元，包括发射天线单元、接收天线单元。发射天线单元由12个俯仰天线阵列组成，每个俯仰天线阵列含30个方向维阵元，形成方向维主瓣宽度为1°和俯仰维主瓣宽度为120°的发射波束；接收天线单元由16个方向天线阵列组成，每个方向天线阵列包含8个俯仰维阵元。

所述波束发射模式和方向控制单元，包括波束发射模式控制单元、波束方向控制单元。波束发射模式控制单元基于分时复用的发射方式，实现雷达俯仰维多输入多输出(Multiple Input Multiple Output，MIMO)模式；波束方向控制单元采用机械转动的方式实现方向维1°窄波束扫描，扫描范围±60°。

所述成像单元，包括数据接收单元、校准单元、预处理单元、数据处理与图像绘制单元。数据接收单元用于收集雷达传感器单元采集到的山间道路环境感知数据，并对数据进行整合，即将所有接收到的回波信号数据合成为一个新的数据集；校准单元用于对收集整合后的数据进行校准处理，去除天线产生的直流分量，校准由于天线工艺而产生的误差；预处理单元利用2维快速傅里叶变换，即距离维快速傅里叶变换和速度维快速傅里叶变换，获得包含山体、道路上行驶的车辆、落石、异物等静态目标和动态目标的距离、角度、速度、高度信息的距离-多普勒矩阵(Range-Doppler Matrix,RDM)的集合；数据处理与图像绘制单元，从预处理单元输出的距离-多普勒矩阵的集合中获取静态目标的距离、高度、角度信息，以及动态目标的距离、高度、角度、速度信息，并将静态目标与动态目标的数据信息绘制成三维点云图。

数据处理与图像绘制单元包括数据处理单元与图像绘制单元。具体地，数据处理单元对预处理后的距离-多普勒矩阵的集合做零多普勒数据提取与非零多普勒数据提取，得到静态目标与动态目标的信息数据；对静态目标信息数据进行平方律检测、加窗、抑噪、高度维的FFT，获得静态目标的距离、高度、角度信息；对动态目标的信息数据利用恒虚警检测算法、到达角度估计、坐标转换得到其距离、高度、角度、速度信息。图像绘制单元对数据处理单元处理后的数据信息进行三维点云成像。

所述决策与预警单元，包括决策单元、预警单元。决策单元将成像单元输出的图像进行模板匹配，对匹配结果进行阈值判断，实现对山间道路环境异常情况的判别；预警单元向道路上的车辆以及管理部门进行警报和提示。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1)特定的天线阵列和波束模式方向控制单元，实现对波束发射形状、模式和方向的控制。

2)能够将山间道路环境以三维点云图的形式呈现。

3)可对行驶车辆和有关部门做出及时预警。

4)使用成本低、可实施性强。

附图说明

图1为本发明的系统架构图。

图2为发明系统应用示意图。

图3为本发明的雷达传感器单元目标探测原理图。

图4为本发明的天线阵列单元示意图。

图5为波束发射模式和方向控制单元。

图6为成像单元流程图。

图7为云端决策与预警图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例详细说明本发明的实施方式。

为弥补现有的山间道路监测手段中所存在的问题和不足，本发明提供了一种基于4D毫米波雷达成像的山间道路环境感知系统，采用4D毫米波雷达，并利用天线阵列发射宽俯仰、窄方位波束实施目标的俯仰探测；基于分时MIMO的波束发射模式和方位控制波束朝向，获取山间道路环境以及山体的高精度数据；对获取的数据执行高精度的成像算法，呈现山间道路环境及目标的立体点云图；最终将三维点云图进行模板匹配与阈值比较，监测判别山体的细微变化，判决道路是否会发生异常情况，并及时有关部门和行驶车辆预警。

具体地，参照图1，本发明主要包括雷达传感器单元、天线阵列单元、波束发射模式和方向控制单元、成像单元以及决策与预警单元。

其中，雷达传感器单元用于有效获取所监视山间道路的环境感知数据，本发明采用4D毫米波雷达(工作频率76-81GHz)，并将其安装布设于所监视山间道路的沿途，例如山体或者道路周围的路灯上，其安装数量和位置、间距等，需满足对所监视山间道路环境的全覆盖。

天线阵列单元用于将雷达传感器单元的电磁波以俯仰维±60°、方向维1°的宽俯仰、窄方向波束形状发射，并接收山间道路环境中的静态目标和动态目标的回波信号，获得所检测物体的高度信息，实现高精度的三维信息获取。容易理解，本发明中，静态目标一般指道路、山体、道路上的落石、异物、障碍物等。动态目标则一般指行驶的车辆、行人等。

波束发射模式和方向控制单元用于配置天线发射接收模式和天线波束朝向，通过控制雷达天线形成俯仰维±60°、方向维1°的波束，并使波束以方向控制单元中设定的方向进行扫描，实现对山间道路环境的高精度三维数据获取。

成像单元用于山体、过往车辆、落石、异物等目标回波信号进行处理，实现对山间道路环境的感知和成像，并将感知数据信息以三维点云图的形式呈现。

决策与预警单元用于将成像单元输出的图像与模板进行匹配，执行阈值判断以判别山间道路环境异常情况，并发出预警。

参照图2，为本发明系统的一种具体应用实施例，在山间道路旁的路灯上组装多个4D毫米波雷达成像检测系统，形成雷达组网。雷达通过发射方向维1°、俯仰维±60°的波束，实现对山体、过往车辆、落石、异物等目标的覆盖扫描。雷达传感器将得到的山间道路环境感知数据传输给成像单元，经成像单元处理后形成三维点云图。所有三维点云图数据通过网络上传至决策与预警单元，实现对道路异物、山体滑坡等异常情况的判别，并向道路车辆及管理部门及时地发出预警。

参照图1和图3，本发明实施例中，雷达传感器单元主要包括收发装置单元、基带处理单元、信号与数据处理单元以及输出单元。

其中收发装置单元发射电磁波，即由天线阵列单元形成的方向维1°、俯仰维±60°的波束。同时山体、过往车辆、落石、异物等目标回波信号也由收发装置单元完成，从而为雷达提供数据源。

收发装置单元接收的目标回波信号为模拟信号，经过基带处理单元，将其转化为数字信号，以便于后续处理。

转化得到的数字信号在信号与数据处理单元存储，并经过数字信号处理获取包括山体、过往车辆、落石、异物等目标的距离、角度、方位、速度等有用信息，结合传感器位置，可获得山体、过往车辆、落石、异物等目标实际位置和速度。得到的各类有用信息最终由输出单元向下一单元输出。

参照图4，天线阵列包括发射天线单元和接收天线单元。在一个实施例中，由12个俯仰天线阵列组成发射天线单元，每个俯仰天线阵列含30个方向维阵元，形成方向维主瓣宽度为1°和俯仰维主瓣宽度为120°的发射波束，如图4右子图所示。由16个方向天线阵列组成接收天线单元，每个方向天线阵列包含8个俯仰维阵元。

参照图5，本发明波束发射模式和方向控制单元包括波束发射模式控制单元和波束方向控制单元。波束发射模式控制单元控制天线基于分时复用方式发射波束，实现雷达俯仰维多输入多输出(Multiple Input Multiple Output，MIMO)模式；波束方向控制单元，采用机械转动的方式控制波束扫描方向，实现方向维1°窄波束扫描，扫描范围±60°。

参照图6，本发明成像单元主要包括数据接收单元、校准单元、预处理单元及数据处理与图像绘制单元。

每个雷达传感器单元将其检测区域内的山间道路环境感知数据通过网络传至数据接收单元；数据接收单元将接收到的所有原始数据整合为一个数据集，并将原始数据传输到校准单元，校准单元对收集整合的数据进行校准处理，主要是去除天线产生的直流分量，并校准由于天线工艺而产生的误差；校准后得到的数据送入预处理单元，对其进行2维快速傅里叶变换，即距离维快速傅里叶变换及速度维快速傅里叶变换，得到包含山体、道路上行驶的车辆、落石、道路异物等目标的速度、位置、角度信息的距离-多普勒矩阵(RDM)数据集；数据处理与图像绘制单元从预处理单元输出的RDM矩阵中获取山体、过往车辆、落石、异物等目标中静态目标的距离、高度、角度信息，以及动态目标的距离、高度、角度、速度信息，并将静态目标与动态目标的距离、角度、速度、高度信息绘制成三维点云图。

具体地，数据处理与图像绘制单元对RDM数据集分别进行零多普勒提取与非零多普勒数据提取，实现静态目标和动态目标的提取，方法如下：

1)将RDM数据集中的零多普勒数据提取得到静态目标的信息数据，对数据进行平方律检测、加窗、抑噪、高度维的FFT，获得静态目标的高度等信息。进一步获得山间道路环境的静态目标的距离、高度、角度信息。

2)对RDM数据集做非零多普勒数据提取，提取出动态目标数据，利用恒虚警检测算法、到达角度估计与坐标转换后得到速度和位置信息。

最终，将山体、行驶车辆、落石、道路异物等目标中的静态目标和动态目标的距离、高度、角度、速度等信息汇总成三维点云图并输出。

参照图7，决策与预警单元包括决策单元和预警单元，将所呈现的图像在决策单元进行模板匹配，分析匹配结果并进行阈值判断，若判断有道路异物、山体滑坡等异常情况，则通过预警单元向道路车辆和管理部门发出警报(声、光、网络等方式)。

Claims (8)

1.基于4D毫米波雷达成像的山间道路环境感知系统，其特征在于，包括：

雷达传感器单元，采用4D毫米波雷达，其布设实现对所监视山间道路环境的全覆盖，用于获取所监视山间道路的环境感知数据；

天线阵列单元，用于将雷达传感器单元的电磁波以俯仰维±60°、方向维1°的宽俯仰、窄方向波束形状发射，并接收山间道路环境中的静态目标和动态目标的回波信号；

波束发射模式和方向控制单元，用于配置天线发射接收模式和天线波束朝向，实现对山间道路环境的高精度三维数据获取；

成像单元，用于对接收到的目标回波信号进行处理，实现对山间道路环境的感知和成像，将检测到的静态目标和动态目标的数据信息以三维点云图的形式呈现；

决策与预警单元，用于将成像单元输出的图像与模板进行匹配，执行阈值判断判别山间道路环境异常情况，并发出预警。

2.根据权利要求1所述基于4D毫米波雷达成像的山间道路环境感知系统，其特征在于，所述雷达传感器单元包括：

收发装置单元，用于发射电磁波和接收所述回波信号，从而为雷达提供数据源；

基带处理单元，用于将所述收发装置单元接收的所述回波信号由模拟信号转化为数字信号；

信号与数据处理单元，用于存放所述基带处理单元输出的所述数字信号，并执行数字信号处理程序，获取有用信息；

输出单元，用于将数字信号处理后获得的各类有用信息进行输出。

3.根据权利要求2所述基于4D毫米波雷达成像的山间道路环境感知系统，其特征在于，所述数字信号处理程序包括频域变换、数字滤波、识别以及合成算法，所述有用信息包括静态目标的距离、角度、高度信息，以及动态目标的距离、角度、高度、速度信息。

4.根据权利要求1所述基于4D毫米波雷达成像的山间道路环境感知系统，其特征在于，所述天线阵列单元包括：

发射天线单元，由12个俯仰天线阵列组成，每个俯仰天线阵列含30个方向维阵元，形成方向维主瓣宽度为1°和俯仰维主瓣宽度为120°的发射波束；

接收天线单元，由16个方向天线阵列组成，每个方向天线阵列包含8个俯仰维阵元。

5.根据权利要求1所述基于4D毫米波雷达成像的山间道路环境感知系统，其特征在于，所述波束发射模式和方向控制单元包括：

波束发射模式控制单元，基于分时复用的发射方式，实现雷达俯仰维多输入多输出模式；

波束方向控制单元，采用机械转动的方式实现方向维1°窄波束扫描，扫描范围±60°。

6.根据权利要求1所述基于4D毫米波雷达成像的山间道路环境感知系统，其特征在于，所述成像单元包括：

数据接收单元，用于收集雷达传感器单元采集到的山间道路环境感知数据，并对数据进行整合，即将接收的所有回波信号数据合成为一个新的数据集；

校准单元，用于对收集整合后的数据进行校准处理，去除天线产生的直流分量，校准由于天线工艺而产生的误差；

预处理单元，利用2维快速傅里叶变换，即距离维快速傅里叶变换和速度维快速傅里叶变换，获得包含静态目标的距离、角度、高度信息和动态目标的距离、角度、高度、速度信息的距离-多普勒矩阵(Range-Doppler Matrix,RDM)的集合；

数据处理与图像绘制单元，从预处理单元输出的距离-多普勒矩阵的集合中获取静态目标的距离、高度、角度信息，以及动态目标的距离、高度、角度、速度信息，并将静态目标与动态目标的数据信息绘制成三维点云图。

7.根据权利要求6所述基于4D毫米波雷达成像的山间道路环境感知系统，其特征在于，所述数据处理与图像绘制单元包括：

数据处理单元，对预处理后的距离-多普勒矩阵的集合做零多普勒数据提取与非零多普勒数据提取，得到静态目标与动态目标的信息数据；对静态目标信息数据进行平方律检测、加窗、抑噪、高度维的FFT，获得其距离、高度、角度信息；对动态目标的信息数据利用恒虚警检测算法、到达角度估计、坐标转换得到其距离、高度、角度、速度信息；

图像绘制单元，对数据处理单元处理后的数据信息进行三维点云成像。

8.根据权利要求1所述基于4D毫米波雷达成像的山间道路环境感知系统，其特征在于，所述决策与预警单元包括：

决策单元，将成像单元输出的图像进行模板匹配，对匹配结果进行阈值判断，实现对山间道路环境异常情况的判别；

预警单元，向道路上的车辆以及管理部门进行警报和提示。

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