毫米波雷達(dá)房間尺寸測(cè)量方法研究

1、毫米波雷達(dá)房間尺寸測(cè)量方法研究摘要毫米波雷達(dá)在工業(yè)界有著廣泛的應(yīng)用，尤其在室內(nèi)態(tài)勢(shì)感知和人員目標(biāo)跟蹤上有著精確度高、魯棒性強(qiáng)、全時(shí)段可用的特點(diǎn)。毫米波雷達(dá)室內(nèi)應(yīng)用的根底是房間大小的自動(dòng)測(cè)量。本文針對(duì)毫米波雷達(dá)室內(nèi)大小測(cè)量的問(wèn)題，對(duì)接收到的雷達(dá)數(shù)據(jù)立方進(jìn)行數(shù)據(jù)重整、距離維脈沖壓縮、capon波束形成譜估計(jì)得到靜態(tài)熱度圖，然后對(duì)熱度圖數(shù)據(jù)做恒虛警率檢測(cè)得到點(diǎn)云數(shù)據(jù)，最后在點(diǎn)云數(shù)據(jù)的根底上進(jìn)行最小二乘得到房間尺寸。關(guān)鍵詞毫米波雷達(dá);室內(nèi)測(cè)量;脈沖壓縮;恒虛警率檢測(cè)中圖分類號(hào)：TM935.4         &#

2、160; 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：ADOI：10.19694/j ki.issn2095-2457.2021.11.0210引言毫米波雷達(dá)是最近幾年迅速開(kāi)展起來(lái)的感知設(shè)備，在工業(yè)界有著廣泛的應(yīng)用1-2。毫米波雷達(dá)相對(duì)于傳統(tǒng)雷達(dá)，具有載頻高、穿透性能好、帶寬高的優(yōu)點(diǎn)。波長(zhǎng)較小的特點(diǎn)使其相對(duì)于普通雷達(dá)，發(fā)射天線和接收天線的尺寸更小，發(fā)射功率和輻射功率更低，人體平安性更高，同時(shí)具有更易便攜的特點(diǎn)。除了在自動(dòng)駕駛上的應(yīng)用外，在智慧家庭、智慧城市中也有較好的應(yīng)用。相對(duì)于光學(xué)測(cè)量設(shè)備，毫米波雷達(dá)在室內(nèi)態(tài)勢(shì)感知和人員定位上精度更高、部署更為方便、隱私性更好且不受光照和天氣變化的影響。在毫米波雷達(dá)室內(nèi)應(yīng)用中，房

3、間邊界的計(jì)算和確定是重要的根底，得到精確的房間尺寸后，可以對(duì)測(cè)量得到的噪聲目標(biāo)、雜波目標(biāo)進(jìn)行可靠的篩選剔除，從而得到更為精確有效的測(cè)量結(jié)果。由于受噪聲、雜波、多徑效應(yīng)的影響，房間尺寸的測(cè)量較為困難。本文針對(duì)基于毫米波雷達(dá)房間尺寸測(cè)量這一問(wèn)題，結(jié)合高分辨率到達(dá)角估計(jì)算法capon-BF、恒虛警率檢測(cè)及最小二乘估計(jì)方法，得到一種實(shí)用魯棒的房間尺寸測(cè)量方法。工程應(yīng)用說(shuō)明，這種方法能較好地測(cè)量房間尺寸。本文提出的房間尺寸方法流程圖如圖1所示。1毫米波雷達(dá)房間尺寸測(cè)量方法1.1距離脈沖壓縮本文采用的毫米波雷達(dá)為調(diào)頻連續(xù)波FMCW，F(xiàn)requency-ModulatedContinuousWave體制，在

4、這種體制下，同一個(gè)發(fā)射陣元發(fā)射出去的信號(hào)，在經(jīng)過(guò)不同目標(biāo)發(fā)射之后，不同距離上的被探測(cè)目標(biāo)對(duì)應(yīng)的回波信號(hào)被同一個(gè)接收單元接收，得到的回波因?yàn)榫嚯x不同會(huì)引起接受回波頻率上的不同調(diào)制，因此，將同一接收單元得到的不同啁啾周期對(duì)應(yīng)的回波序列進(jìn)行最優(yōu)匹配濾波后，所得到的中頻信號(hào)中包含的頻率信息即為目標(biāo)對(duì)應(yīng)的距離信息。由于在得到的回波數(shù)據(jù)立方體中，距離引起的頻率調(diào)制分量完全分散到不同的速度和角度單元中，因此需要采用脈沖壓縮的方法將分散的距離調(diào)制頻率分量集中到一起，這個(gè)過(guò)程從形式上與雷達(dá)波形脈沖壓縮一致【3】。具體的做法為：對(duì)數(shù)據(jù)立方DataCube根據(jù)發(fā)射單元、接收單元進(jìn)行數(shù)據(jù)重整，提取同一個(gè)發(fā)射單元和同一

5、個(gè)接收單元對(duì)應(yīng)的回波序列，對(duì)該序列進(jìn)行離散傅里葉變換DiscreteFourierTransform，DFT，得到變換后的序列，即可實(shí)現(xiàn)距離脈沖壓縮。為使方法計(jì)算更為快速，采用實(shí)時(shí)性更高的快速傅里葉變換FastFouriertransform代替DFT來(lái)實(shí)現(xiàn)脈沖壓縮。1.2Capon-BF對(duì)數(shù)據(jù)立方進(jìn)行脈沖壓縮后，得到三維距離序列。為了獲得目標(biāo)的位置，除了需要計(jì)算反映目標(biāo)遠(yuǎn)近的距離信息外，還需要計(jì)算反映目標(biāo)方位的角度信息。角度的測(cè)量主要通過(guò)多個(gè)接收單元之間的相位差來(lái)計(jì)算，因此雷達(dá)采用多發(fā)多收體制。不同方向的目標(biāo)反射得到的雷達(dá)回波，在相同的接收單元序列上會(huì)有不同的相位差調(diào)制，對(duì)接受單元的相位差序

6、列進(jìn)行反解，即可得到目標(biāo)的角度信息。相位序列的反解和距離維脈沖壓縮的實(shí)現(xiàn)方法一樣，同樣可以通過(guò)對(duì)同一發(fā)射單元同一時(shí)刻不同接收單元得到的回波序列做FFT，從而得到不同方向目標(biāo)的發(fā)射角度。但是FFT方法受限于物理角度分辨率的限制，無(wú)法精確地對(duì)角度進(jìn)行測(cè)量，因此，本文采用可以實(shí)現(xiàn)超分辨率測(cè)角的capon波束形成CaponBeamforming，capon-BF算法【4】，從而得到關(guān)于目標(biāo)距離和角度信息的熱度圖heatmap。1.3CFAR熱度圖反映了不同距離單元上不同角度目標(biāo)的回波反射強(qiáng)度，對(duì)熱度圖做頻率上的濾波操作，即可以實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)目標(biāo)的剔除，從而得到靜態(tài)目標(biāo)的熱度圖，簡(jiǎn)稱靜態(tài)熱度圖statiche

7、atmap。靜態(tài)熱度圖包括了所有噪聲、雜波干擾以及感興趣目標(biāo)的距離和角度信息，因此，采用恒虛警率檢測(cè)方法constantfalseratealarm，CFAR即可以將真實(shí)的目標(biāo)從器件噪聲、環(huán)境雜涉及干擾等無(wú)用信息中提取出來(lái)，從而得到房間墻壁及房間內(nèi)各種目標(biāo)的距離和方向【5】。CFAR方法的核心是在保證虛假目標(biāo)檢測(cè)的概率不大于某個(gè)值的情況下，最大可能地將真實(shí)目標(biāo)完全檢測(cè)出來(lái)。在實(shí)現(xiàn)方法上，通過(guò)計(jì)算待檢測(cè)單元附近其他單元的熱度圖強(qiáng)度的平均值，以該平均值和允許的虛警率得到目標(biāo)檢測(cè)的閾值。然后，比較待檢測(cè)單元的強(qiáng)度和該閾值，如果待檢測(cè)單元強(qiáng)度大于該閾值，認(rèn)為待檢測(cè)單元存在目標(biāo);如果待檢測(cè)單元強(qiáng)度小于該

8、閾值，那么認(rèn)為待檢測(cè)單元不存在目標(biāo)。1.4最小二乘估計(jì)完成CFAR檢測(cè)后，既可以得到房間墻壁在空間上的角度和距離分布，又可以得到房間內(nèi)人員及物體桌子、椅子、風(fēng)扇等的角度和距離分布。計(jì)算房間的尺寸大小就是要保證在存在這些人員和物體目標(biāo)的前提下，利用房間墻壁的反射回波信息，將房間的尺寸計(jì)算出來(lái)。從CFAR得到的目標(biāo)距離和角度分布信息上看，墻壁附近目標(biāo)點(diǎn)數(shù)較多，且沿著強(qiáng)度分布比較均勻，而房間內(nèi)人員及物體點(diǎn)數(shù)相對(duì)較少，沒(méi)有明顯的方向或者距離上的均勻性，即非墻壁目標(biāo)的空間位置分布比較零散雜亂，利用這一特性，本文采用最小二乘法，計(jì)算三面墻壁的位置。以左面墻壁為例，首先我們假設(shè)左面墻壁在某一位置，然后計(jì)算毫

9、米波雷達(dá)左邊陣面通過(guò)CFAR得到的所有的目標(biāo)點(diǎn)離該墻壁的距離平方之和，由于真實(shí)墻壁附近目標(biāo)點(diǎn)數(shù)目較多而且目標(biāo)點(diǎn)沿著墻壁方向呈均勻稠密分布，因此墻壁真實(shí)位置對(duì)應(yīng)的該距離平方之和應(yīng)該最小，這種方法從原理上類似于數(shù)學(xué)上的最小二乘法【6】，通過(guò)這種方法即可以簡(jiǎn)單準(zhǔn)確地定位墻壁的位置。右邊的墻壁以及前方的墻壁位置可以通過(guò)同樣的方法計(jì)算得到。計(jì)算得到三面墻壁的位置，結(jié)合已經(jīng)知道的毫米波雷達(dá)安裝的位置，即可以將房間大小計(jì)算出來(lái)。2實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析在本文涉及的實(shí)驗(yàn)中，選用的毫米波雷達(dá)為美國(guó)德州儀器公司TexasInstruments，TI制造的工業(yè)級(jí)毫米波雷達(dá)解決方案，如圖2所示。IWR6843發(fā)射載頻為60G

10、Hz到64GHz，帶寬為4GHz，天線設(shè)計(jì)采用MIMO體制，有3個(gè)呈L狀排列的反射單元和4個(gè)呈田字型排列的接收單元，高分辨率的IWR6843傳感器是專為工業(yè)性能所設(shè)計(jì)，可提供高達(dá)4GHz的超寬寬帶，此解決方案能夠以高于24GHz窄頻達(dá)16倍的準(zhǔn)確度來(lái)偵測(cè)物體及其動(dòng)作。為了驗(yàn)證本文方法的有效性，在大小會(huì)議室及一個(gè)生產(chǎn)車間進(jìn)行驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)相關(guān)代碼采用標(biāo)準(zhǔn)c語(yǔ)言和matlab語(yǔ)言混合編程，編譯平臺(tái)為gcc及matlab2021b。工程應(yīng)用上認(rèn)為計(jì)算精度在1m之內(nèi)即可認(rèn)為計(jì)算準(zhǔn)確。表1為三個(gè)房間的計(jì)算結(jié)果和真實(shí)尺寸。其中，計(jì)算結(jié)果和真實(shí)尺寸中分別為左邊墻壁、右邊墻壁和前方墻壁的參數(shù)值，從表格中可以看出，

11、所有場(chǎng)景的計(jì)算誤差都小于1m，即所提出的方法在三個(gè)房間內(nèi)都實(shí)現(xiàn)了準(zhǔn)確的尺寸測(cè)量。圖3為小會(huì)議室單次測(cè)量結(jié)果為小會(huì)議室的一次測(cè)量結(jié)果，其中藍(lán)色的點(diǎn)表示經(jīng)過(guò)cfar檢測(cè)以后的目標(biāo)點(diǎn)云，而紅色的線表示本文所提方法在最小二乘之后的結(jié)果，可以看出，在點(diǎn)云密集分布的前提下，本文所提方法仍能得到墻壁的位置。3總結(jié)本文采用FMCW體制的毫米波雷達(dá)，提出了一種方法對(duì)房間的尺寸大小進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量，實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景說(shuō)明，本文所提出的方法是準(zhǔn)確可行的。參考文獻(xiàn)【1】馬曉巖.現(xiàn)代雷達(dá)信號(hào)處理M.國(guó)防工業(yè)出版社.【2】孫美玲，熊毅.淺談智能網(wǎng)連系統(tǒng)中77GHz毫米波雷達(dá)的應(yīng)用J.科技視界，2021，2714：31-32.【3】鄭大青，陳偉民，陳麗等.基于幅度調(diào)制的連續(xù)微波雷達(dá)測(cè)距