一种用于隧道内的多雷达时间同步处理方法与流程

本发明涉及多雷达数据融合技术领域，具体涉及一种用于隧道内的多雷达时间同步处理方法。

背景技术：

为了保证隧道内行驶车辆的安全，需要雷达对车辆进行实时监控，仅仅靠单部监控雷达进行探测获取的当前量测数据，其准确性和可靠性很难保障，难以跟踪多个车辆目标，而依靠多个雷达协同合作，获取多源探测数据，并利用多雷达信息融合技术，可以更准确、更全面地获得被测目标的状态信息。

多雷达数据融合处理中，要求各部雷达的数据必须是同一时刻对同一目标的观测数据，由于各部雷达所采用的时间坐标系不同、数据率不统一且设备延迟不一致，若直接采用未经校正的数据，会造成时间上的误差，并对测距和测速数据造成严重的影响，因此在数据融合处理之前，需要对各部雷达的时钟进行时间同步，实时校正雷达情报数据的时间误差，保证后续的多雷达数据融合结果的正确性。

各部雷达之间的时间基准不统一，对准时间轴的方法主要是统一时基法和插值时基法。统一时基法是利用一个最理想的公共处理时间作为所有雷达共同的时间基准，将各部雷达的时钟都同步到基准时钟上，基准时钟可以采用GPS授时，时间同步的精度和授时的方式有关，这种方法需要另加卫星导航接收设备，而隧道内导航信号接收效果无法保证，且每部雷达的输出要另加GPS时间标记，时间延迟无法确定，由于隧道车距密，车辆多，时间误差可能造成航迹关联、航迹融合的失败。插值时基法是构造一个逼近函数将各部雷达输出的观测数据对准到统一的时间轴上，这种方法需要构造逼近函数，并且寻找一个理想的航迹数据来逼近。如果逼近航迹失效或逼近函数构造不合理，将导致航迹关联、融合失效的问题。

雷达时间同步过程作为多雷达数据融合的预处理，直接关系到融合数据的准确性，如果不能有效地同步各个雷达的基准时钟，将直接影响多雷达数据融合处理的效果，从而无法可靠有效地跟踪隧道内的车辆，难以保证隧道车辆行车安全。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明提供了一种用于隧道内的多雷达时间同步处理方法，无需增加任何其他设备，能够实时完成各雷达之间的时间同步，降低了时间同步操作的复杂性，极大地提高了时间同步的效率，适合于各种体制的多雷达数据融合应用。

本发明的用于隧道内的多雷达时间同步处理方法，所述雷达对同一个目标进行观测，获得各自的航迹，针对任意两个雷达的航迹p和航迹q，通过对航迹p和航迹q中各点迹的时间对齐，完成这两个雷达的时间同步，具体包括如下步骤：

步骤一，寻找航迹p中需要对齐的第一个点迹X_n：在航迹p中找到与航迹q的第一个点迹Y₁距离最近的点迹，取该点迹的下一个点迹作为航迹p中需要进行时间对齐的第一个点迹X_n；

步骤二，选择航迹q中与第一个点迹可能对齐的候选点迹：在航迹q中选取与点迹X_n之间的距离落在设定的距离门限范围内的点迹作为与X_n可能对齐的候选点迹：如果距离门限内不存在点迹，则不对点迹X_n进行后续的对齐，选取点迹X_n的下一个点迹作为航迹p中需要对齐的第一个点迹X_n，重复步骤二；如果距离门限内只存在一个点迹，则该点迹即为与点迹X_n对齐的点迹Y_a′，执行步骤六；距离门限内存在多个候选点迹，则执行步骤三；

步骤三，获得p中用于时间对齐的点迹：以航迹p的X_n为起点，连续选其后的b-1个点迹进行航迹拟合，得到与原航迹一一对应的b个拟合点迹，所述b个拟合点迹组成航迹p中用于时间对齐的点迹向量；其中，1≤b≤L，L为航迹p的点迹数量；

步骤四：获取航迹q中用于时间对齐的点迹：

针对各候选点迹，根据步骤三中航迹p中各拟合点迹的时间差，分别以各候选点迹为起点，在航迹q中依次插值求得与拟合点迹的时间差对应一致的b-1个点迹；候选点迹及其差值得到的b-1个点迹构成该候选点迹对应的航迹q中用于时间对齐的点迹向量；从而得到多组航迹q中用于时间对齐的点迹向量；

步骤五：获取航迹q中与X_n对齐的点迹：针对各候选点迹，计算该候选点迹对应的航迹q中用于时间对齐的点迹向量与步骤三获得的航迹p中用于时间对齐的点迹向量中相对应的两个点迹之间的一次差的标准差；选取最小标准差对应的候选点迹作为航迹q中与航迹p的点迹X_n对齐的点迹Y_a′，执行步骤六；

步骤六：根据点迹Y_a′与点迹X_n的时间差，完成两个雷达在点迹X_n处的时间同步；

步骤七：按照步骤一至步骤六的方法，寻找航迹p中下一个需要对齐的点迹，并进行时间同步计算，直到航迹p中无需要对齐的点迹。

进一步地，所述距离门限ThrR根据下式确定：

其中，R_min为航迹q中点迹与X_n的最短距离，V为目标的速度，T_q为航迹q的采样周期，表示为对齐范围内航迹q的点迹数，表示向下取整。

进一步地，所述步骤二中，所述候选点迹从与X_n距离最近的点迹Y_k及其前后各2N个点迹中选出；或者从航迹q的所有点迹中选出。

进一步地，所述步骤三中，采用三次B样条曲线拟合法对(X_n,X_n+1,...,X_n+b-1)进行航迹拟合。

进一步地，所述步骤五中，获得Y_a′后，先进行判断：如果0.5T_q大于设定的同步精度，则执行步骤六，其中，T_q为航迹q的采样周期；否则，选取候选点迹前后的两个点迹，并线性插值出中间点迹，构成第一层插值向量，然后按照步骤二至步骤五的方法，从第一层插值向量里重新筛选出与航迹p的X_n对齐的点迹Y_a′，如果Y_a′仍然不满足同步精度要求，那么以Y_a′构造新的插值向量，选取Y_a′前后的两点迹，并线性插值出中间点迹形成新的插值向量，重复上述步骤，直到找到满足同步精度要求的点迹，执行步骤六。

有益效果：

本发明能够克服现有方法需要构造逼近函数难度大或增加导航设备成本高以及需要添加GPS时间标记的缺点，具有实时校准，且可以任意提高精度，便于推广应用等优点，能够实现隧道内多雷达的时间同步处理。

附图说明

图1为本发明的确立时间对齐的第一个点流程图。

图2为本发明的候选时间对齐点获取示意图。

图3为本发明的B样条曲线拟合的示意图。

图4为本发明的拟合点计算示意图。

图5为本发明的计算航迹q中用于时间对齐的点示意图。

图6为本发明的插值向量构造示意图。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

本发明提供了一种用于隧道内的多雷达时间同步处理方法，通过来自多部雷达测得的同一目标的航迹，找到时间对齐的点，通过计算并校准航迹之间的时间误差，完成各个雷达的时间同步。

定义：假设航迹p和航迹q分别为两部雷达测得的关于同一个目标的航迹，航迹p内有L个点迹，分别为(X₁，X₂，…，X_L)，航迹q内有M个点迹，分别为(Y₁，Y₂，…，Y_M)。一次时间同步操作将完成航迹p和航迹q里所有点迹的时间对齐。如果遍历所有雷达的所有航迹，即可校准各个雷达之间的时间误差。

步骤一：寻找航迹p中需要进行时间对齐的第一个点X_n

流程如图1所示，航迹q的第一个点为Y₁，遍历航迹p内的所有点迹(X₁，X₂，…，X_L)，在航迹p中找到与Y₁距离最近的点，取它的下一个点作为航迹p中需要进行时间对齐的第一个点X_n。

时间同步算法的目的就是从航迹q的(Y₁，Y₂，…，Y_M)里找到与X_n对齐的点Y_m。

步骤二：选择航迹q中与X_n可能对齐的候选点

已知航迹p需要进行时间对齐操作的点为X_n，设定距离门限ThrR，在航迹q中选取与X_n之间的距离落在门限ThrR范围内的点迹作为与X_n可能对齐的候选点，如Y_a(其中a＝s,s+1,...s+t-1，共t个候选点)，后续步骤将从这些点中筛选出与X_n对齐的点。

具体的，所述距离门限ThrR可由如下方法确定：

R_min为航迹q中点迹与X_n的最短距离，V为目标车辆的速度，T_q为航迹q的采样点周期，T_p为航迹p的采样点周期，为对齐范围内航迹q的点迹数，表示向下取整；则距离门限ThrR的计算公式如式(1)所示。

如图2所示，选取X_n作为航迹p需要进行时间对齐操作的点，设定距离门限为ThrR，如果是实时处理，则选取与X_n距离最近的点迹Y_k，取点迹Y_k前后若干个点迹，一般前后各2N个，如(Y_k-2N+1,Y_k-1,Y_k,Y_k+1...Y_k+2N-1)，共4N个点迹，遍历这些点，选取与X_n之间的欧式距离落在门限ThrR范围内的全部点迹作为候选点(Y_s,Y_s+1,Y_s+2,Y_s+3...Y_s+t-1)，共t个，后续步骤将从这些点中筛选出与X_n对齐的点。如果是事后处理，则遍历航迹q的所有点迹，选取落在门限ThrR内的点，这种方法数据量大，但是更为准确。

步骤三：航迹拟合获得p中用于时间对齐的点

为了减小雷达的测量误差对时间对齐操作的影响，可以对雷达的航迹进行拟合。以步骤二中的航迹p的X_n作为起点，连续选其后的b-1(1≤b≤L)个点即(X_n,X_n+1,...,X_n+b-1)，对这些点进行航迹拟合，拟合出与原航迹一一对应的b个拟合点(X_n^·,X_n+1^·,...,X_n+b-1^·)，这些拟合点即为航迹p中用于时间对齐的点。

可以采用三次B样条曲线拟合对这些点进行航迹拟合。三次B样条曲线拟合的基本原理如下：如图3所示，三次B样条曲线，每四个点将拟合出一段曲线，如(X_n,X_n+1,X_n+2,X_n+3)拟合出线段X_n+1^·X_n+2^·，X_n+1^·即为X_n+1的拟合点，X_n+2^·即为X_n+2的拟合点。B样条曲线拟合的算法已经非常成熟，因此不再详细赘述，这里只介绍拟合点的计算方法。

如图4所示，从端点位置的公式中，可以通过几何方法来确定始末点。起始点：取X_n和X_n+2的中点A，连接X_n+1A，在X_n+1A线段上，取靠近X_n+1处的处，即为起点。末点：步骤同起点。

步骤四：获取航迹q中用于时间对齐的点

完成步骤三的航迹拟合操作之后，遍历步骤二里航迹q的每个候选点Y_a，以Y_a作为起点，依次求得b个与航迹p拟合点(X_n^·,X_n+1^·,...,X_n+b-1^·)时间相对应的点，即(Y_a,Y_a+1,...,Y_a+b-1)，这些点即为航迹q中用于时间对齐的点。

具体包括如下子步骤：

步骤4.1，完成步骤三的航迹拟合操作之后，遍历航迹q中每一个候选点Y_a(其中a＝s,s+1,...s+t-1，共t个候选点)。

步骤4.2，如图5所示，已知Y_a的时刻和位置以及航迹p各个拟合点的时间和位置，以Y_a作为起点，依次求得b-1个与拟合点相对应的点，构成航迹q中用于时间对齐的向量(Y_a,Y_a+1,...,Y_a+b-1)。计算方法为某点的时间等于它上一个点的时间加上相邻拟合点的时间差。具体计算公式如下式所示，设T(·)表示某点的时间，则b-1个用于时间对齐的点的表达式为

步骤4.3，根据步骤4.2求得的每点的时刻，如果该时刻落在航迹q的两点之间，则线性插值出该点的位置。插值的计算公式如下，其中Y_t，Y_t+1为端点的位置，Y_a+m为插值点的位置，T(Y_t)，T(Y_t+1)，T(Y_a+m)为各点的时刻。

T(Y_t)＜T(Y_a+m)＜T(Y_t+1)

步骤五：获取航迹q中与X_n对齐的点

经过步骤三和步骤四，得到了t组用于时间对齐的航迹p和航迹q的点，分别是(X_n^·,X_n+1^·,...,X_n+b-1^·)和(Y_a,Y_a+1,...,Y_a+b-1)(其中a＝s,s+1,...s+t-1)，对每一个Y_a，分别统计(X_n^·,X_n+1^·,...,X_n+b-1^·)和(Y_a,Y_a+1,...,Y_a+b-1)对应的两点之间一次差的标准差v_a。获取了t组一次差的标准差之后，比较各组的v_a，选取v_amin对应的Y_a作为航迹q与航迹p的X_n对齐的点。

具体的，一组用于时间对齐的航迹p和航迹q的点，分别为{X_c^·}c＝n,n+1...,n+b-1和{Y_c}c＝a,a+1...,a+b-1，利用公式(5)计算求得X_c^·数据与Y_c数据位置一次差的标准差v_a：

开始循环，重复步骤四，遍历航迹q中每一个候选点Y_a(a＝s,s+1,...s+t-1)，并计算一次差的标准差v_a，获取了t组一次差的标准差之后，比较各组的v_a，选取v_amin的航迹q的候选点作为Y_a与航迹p的X_n对齐的点。

至此，完成时间对齐的操作，当前时间对齐的精度为0.5T_q，如果精度满足要求，则无需进行步骤六，Y_a即为航迹q中与航迹p的X_n对齐的点；或者采用步骤六提高时间对齐精度。

步骤六：提高时间对齐的精度

如果时间对齐的精度不满足要求，则需要提高精度，可以采用插值的方法来实现，选取Y_a前后的两点，即(Y_a-1,Y_a,Y_a+1)，并线性插值出中点，构成第一层插值向量(Y_a-1,Y_(a-1,a),Y_a,Y_(a,a+1),Y_a+1)，重复步骤一至步骤五，从(Y_a-1,Y_(a-1,a),Y_a,Y_(a,a+1),Y_a+1)里重新筛选出与航迹p的X_n对齐的点，假设为Y_b，如果仍然不满足时间对齐的精度要求，那么以Y_b构造新的插值向量，选取Y_b前后的两点，并线性插值出中点形成新的插值向量，重复上述步骤，直到找到满足时间精度要求的点。

具体做法如下：

步骤6.1，经过步骤五，已经获得了与X_n对齐的点Y_a，取Y_a的前后两个点，构成第一层插值向量，即[Y_a-1,Y_a,Y_a+1]，取[Y_a-1,Y_a,Y_a+1]为[A₁,A₂,A₃]，插值向量即为与X_n时间对齐的候选点。

步骤6.2，假设已经获得第K层插值向量，并且此插值向量不满足时间精度要求，则依据线性插值的方法构造第K+1层向量，如图6所示。

构造的方法如下：

构造出新的待评估的插值向量[a₁,a₂,a₃,a₄,a₅]，其中a₁＝A₁,a₃＝A₂,a₅＝A₃，利用[a₁,a₂,a₃,a₄,a₅]，按照步骤四、步骤五时间对齐基本原理的方法进行评估，得到评估向量[v₁,v₂,v₃,v₄,v₅]。其中最小的v_min＝v_i。取第i个点前后两点，构造第K+1层插值向量[A₁,A₂,A₃]，即为[a_i-1,a_i,a_i+1]。

步骤6.3，判断新的插值向量是否满足时间精度要求，若不满足，则重复上述步骤；若满足，则A₂即为插值与X_n对齐的航迹q的点迹。

步骤七：更新航迹p中下一个需要进行时间对齐的点

由于雷达之间的时间误差包含随机误差，因此它们的时间误差是不固定的，需要每个点都进行时间对齐，实时地校准雷达之间的时间误差，方法如下。

从X_n开始，下一个需要对齐的点为X_n+1，如果X_n+1在航迹q中找不到候选点与之可能对齐，即距离门限ThrR内不存在点迹，则跳过X_n+1，选取它之后的点进行对齐操作，以此类推，直到找到航迹q中存在候选点与之对齐的点X_n，该X_n即为航迹p中下一个需要进行时间对齐的点，然后重复步骤一至步骤七，即可完成航迹p和航迹q里所有的点迹的时间对齐，且可以任意提高时间对齐的精度。

通过上述步骤，可以找到航迹p与航迹q时间对齐的点，通过计算每对对齐的点之间的时间误差，即确定为航迹p与航迹q的实时时间误差。以其中一部雷达的时间为标准时间，依次校准其他雷达的所有航迹的时间误差，即完成了这些雷达之间的时间同步。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。