車(chē)用毫米波雷達(dá)傳感器組網(wǎng)技術(shù)研究

2.2 同步控制

雷達(dá)組網(wǎng)后,同樣是通過(guò)測(cè)量發(fā)射信號(hào)和回波信號(hào)之間的頻率差來(lái)確定目標(biāo)的位置。但不同于單個(gè)雷達(dá)探測(cè)，汽車(chē)?yán)走_(dá)網(wǎng)絡(luò)測(cè)量目標(biāo)的距離和速度是通過(guò)對(duì)每個(gè)傳感器測(cè)得的目標(biāo)信息進(jìn)行數(shù)據(jù)融合而得到的。為了測(cè)量目標(biāo)距離以及產(chǎn)生一致的波形，發(fā)射機(jī)和接收機(jī)要有統(tǒng)一的時(shí)間標(biāo)準(zhǔn),這就是時(shí)間上的同步。為了能接收和放大回波信號(hào),雷達(dá)傳感器的發(fā)射機(jī)和接收機(jī)必須工作在相同的頻率,當(dāng)發(fā)射機(jī)頻率捷變時(shí),接收機(jī)本振要作相應(yīng)的變化,即要實(shí)現(xiàn)頻率上的同步。汽車(chē)?yán)走_(dá)網(wǎng)絡(luò)對(duì)傳感器之間的時(shí)間同步控制誤差要求在10ns內(nèi)。所以高精度時(shí)間頻率同步系統(tǒng)是汽車(chē)雷達(dá)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(yīng)采用高穩(wěn)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(zhǔn)來(lái)校準(zhǔn)。用作校準(zhǔn)的時(shí)間基準(zhǔn)的精度要更高一些,它們可以是GPS(導(dǎo)航星全球定位系統(tǒng)),羅蘭C或彩色電視發(fā)射臺(tái)發(fā)射的時(shí)間基準(zhǔn)信號(hào).

2.3汽車(chē)?yán)走_(dá)網(wǎng)絡(luò)的目標(biāo)分類(lèi)算法

目標(biāo)分類(lèi)系統(tǒng)的主要任務(wù)是針對(duì)目標(biāo)回波信號(hào)特征計(jì)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(biāo)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(duì)若干特征和經(jīng)過(guò)獨(dú)立標(biāo)記的特征向量進(jìn)行自動(dòng)分析；在分類(lèi)階段，要對(duì)每個(gè)被檢測(cè)到的目標(biāo)生成特征向量。與此同時(shí)，識(shí)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(yīng)用中，由于分類(lèi)任務(wù)很復(fù)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(píng)估某個(gè)特征對(duì)決策過(guò)程的影響，并自動(dòng)剔除對(duì)決策過(guò)程影響較小的項(xiàng)目。文獻(xiàn)[4]給出了基于汽車(chē)雷達(dá)傳感器的目標(biāo)分類(lèi)系統(tǒng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和信號(hào)處理過(guò)程，它可以識(shí)別六種不同的雷達(dá)目標(biāo)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(biāo)志等。

圖5 汽車(chē)?yán)走_(dá)對(duì)目標(biāo)的分類(lèi)處理過(guò)程

圖6 汽車(chē)?yán)走_(dá)網(wǎng)絡(luò)對(duì)單目標(biāo)

實(shí)現(xiàn)測(cè)量

3 運(yùn)動(dòng)目標(biāo)位置估算算法

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

對(duì)于本文所討論的雷達(dá)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)而言，四個(gè)近距離雷達(dá)傳感器即是發(fā)射機(jī)又是接收機(jī)。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(dān)當(dāng)發(fā)射機(jī)，反射信號(hào)被四個(gè)NDS同時(shí)接收。經(jīng)過(guò)信號(hào)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(cè)目標(biāo)的距離和相對(duì)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(dá)網(wǎng)絡(luò)體制，盡管對(duì)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)?yán)走_(dá)網(wǎng)絡(luò)測(cè)量目標(biāo)的距離和速度是通過(guò)對(duì)每個(gè)傳感器測(cè)得的目標(biāo)信息進(jìn)行數(shù)據(jù)融合而得到的。在一個(gè)測(cè)量周期中，每個(gè)NDS輪流擔(dān)當(dāng)一次發(fā)射機(jī)。因此有16種距離和相對(duì)速度的組合，用向量表示為：

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

(2)

每個(gè)傳感器在笛卡爾坐標(biāo)系中的位置用向量s表示為：

(3)

對(duì)于每個(gè)傳感器而言，如果已知該傳感器和目標(biāo)在坐標(biāo)系中的位置，那么目標(biāo)的距離可以由下面的非線性方程來(lái)計(jì)算：

(4)

同理，得到關(guān)于目標(biāo)的相對(duì)速度的方程：

(5)

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

(6)

其導(dǎo)數(shù)矩陣，也就是雅可比矩陣為：

(7)