車(chē)用毫米波雷達傳感器組網(wǎng)技術(shù)研究

2.2 同步控制

雷達組網(wǎng)后,同樣是通過(guò)測量發(fā)射信號和回波信號之間的頻率差來(lái)確定目標的位置。但不同于單個(gè)雷達探測，汽車(chē)雷達網(wǎng)絡(luò )測量目標的距離和速度是通過(guò)對每個(gè)傳感器測得的目標信息進(jìn)行數據融合而得到的。為了測量目標距離以及產(chǎn)生一致的波形，發(fā)射機和接收機要有統一的時(shí)間標準,這就是時(shí)間上的同步。為了能接收和放大回波信號,雷達傳感器的發(fā)射機和接收機必須工作在相同的頻率,當發(fā)射機頻率捷變時(shí),接收機本振要作相應的變化,即要實(shí)現頻率上的同步。汽車(chē)雷達網(wǎng)絡(luò )對傳感器之間的時(shí)間同步控制誤差要求在10ns內。所以高精度時(shí)間頻率同步系統是汽車(chē)雷達傳感器組網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)。圖4給出了基于DDS同步時(shí)鐘源的配置[3]，各個(gè)收發(fā)單元上的DDS同步時(shí)鐘源的參考頻率源應采用高穩定度的原子鐘(如銣、銫原子鐘)。各收發(fā)單元的原子鐘要定期的用同一時(shí)間基準來(lái)校準。用作校準的時(shí)間基準的精度要更高一些,它們可以是GPS(導航星全球定位系統),羅蘭C或彩色電視發(fā)射臺發(fā)射的時(shí)間基準信號.

2.3汽車(chē)雷達網(wǎng)絡(luò )的目標分類(lèi)算法

目標分類(lèi)系統的主要任務(wù)是針對目標回波信號特征計算給定向量的分類(lèi)關(guān)系，分類(lèi)器定義了一組不同的目標類(lèi)別。分類(lèi)器的工作可以分為研究階段和分類(lèi)階段，在研究階段分類(lèi)器對若干特征和經(jīng)過(guò)獨立標記的特征向量進(jìn)行自動(dòng)分析；在分類(lèi)階段，要對每個(gè)被檢測到的目標生成特征向量。與此同時(shí)，識別算法采用最大似然方法進(jìn)行判決，以判別特征向量屬于哪個(gè)類(lèi)，如圖5所示。在汽車(chē)應用中，由于分類(lèi)任務(wù)很復雜，通常一個(gè)給定的向量需要考慮幾個(gè)特征，因而要采用多個(gè)分類(lèi)器，其優(yōu)點(diǎn)是在研究階段能夠在一次迭代過(guò)程中評估某個(gè)特征對決策過(guò)程的影響，并自動(dòng)剔除對決策過(guò)程影響較小的項目。文獻[4]給出了基于汽車(chē)雷達傳感器的目標分類(lèi)系統的系統結構和信號處理過(guò)程，它可以識別六種不同的雷達目標的類(lèi)別，包括：步行者、騎自行車(chē)的人、車(chē)輛、人群、樹(shù)木和交通標志等。

圖5 汽車(chē)雷達對目標的分類(lèi)處理過(guò)程

圖6 汽車(chē)雷達網(wǎng)絡(luò )對單目標

實(shí)現測量

3 運動(dòng)目標位置估算算法

FMCW雷達的基本原理是利用發(fā)射和回波信號之間的頻率差來(lái)確定目標的距離和速度[5]。傳統體制的FMCW采用等周期調頻，在測量單個(gè)目標的情況下，簡(jiǎn)單可行，表現了良好的實(shí)時(shí)性和測距測速功能。但是當前方出現多個(gè)目標的時(shí)候，雷達就會(huì )出現判斷上的困難。為了識別多個(gè)目標的距離和速度，可以采用變周期的 FMCW波形作為發(fā)射信號。文獻[6]給出了采用變周期的發(fā)射信號測量目標的距離和速度的算法。

對于本文所討論的雷達網(wǎng)絡(luò )系統而言，四個(gè)近距離雷達傳感器即是發(fā)射機又是接收機。如圖6所示，通過(guò)電掃開(kāi)關(guān)的控制，其中的一個(gè)NDS擔當發(fā)射機，反射信號被四個(gè)NDS同時(shí)接收。經(jīng)過(guò)信號處理之后，因各個(gè)NDS之間位置的不同，可以得到四組關(guān)于被測目標的距離和相對速度值(r1, 1 v1, 1)、(r1, 2 v1, 2)、(r1, 3 v1, 3)、(r1, 4 v1, 4)。這種采用單基地發(fā)射多基地接收的雷達網(wǎng)絡(luò )體制，盡管對傳感器之間的時(shí)間同步控制要求很高，但是可以避免鄰近傳感器之間的相互干擾。

汽車(chē)雷達網(wǎng)絡(luò )測量目標的距離和速度是通過(guò)對每個(gè)傳感器測得的目標信息進(jìn)行數據融合而得到的。在一個(gè)測量周期中，每個(gè)NDS輪流擔當一次發(fā)射機。因此有16種距離和相對速度的組合，用向量表示為：

在笛卡爾坐標系中用目標的狀態(tài)向量他t來(lái)表述目標的位置矢量和相對速度矢量：

(2)

每個(gè)傳感器在笛卡爾坐標系中的位置用向量s表示為：

(3)

對于每個(gè)傳感器而言，如果已知該傳感器和目標在坐標系中的位置，那么目標的距離可以由下面的非線(xiàn)性方程來(lái)計算：

(4)

同理，得到關(guān)于目標的相對速度的方程：

(5)

綜合方程(1)、(2)、(4)、(5) , 可以得到目標的狀態(tài)向量與四個(gè)傳感器測得的目標的距離速度的多個(gè)非線(xiàn)性方程，用向量函數表示成：

(6)

其導數矩陣，也就是雅可比矩陣為：

(7)