一种四维连续波超声雷达及四维信息测量方法与流程

本发明实施例涉及超声雷达探测技术领域，尤其涉及一种四维连续波超声雷达及四维信息测量方法。

背景技术：

超声雷达作为一种有效的障碍物检测手段，被广泛应用于汽车智能驾驶、智能机器人等领域。

传统的超声雷达通常仅包含一个超声发射换能器和一个超声接收换能器，只能实现对待测目标距离信息和速度信息的检测，而无法精确获取波束范围内不同目标的方位信息。

因此，现在需要一种四维连续波超声雷达及四维信息测量方法来获取待测目标更全面的定位信息。

技术实现要素：

为了解决上述问题，本发明实施例提供一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的一种四维连续波超声雷达及四维信息测量方法。

第一方面本发明实施例提供一种四维连续波超声雷达，包括：

超声换能器阵列以及与所述超声换能器连接的控制处理系统；

所述超声换能器阵列包括位于阵列中央的超声发射换能器、沿水平轴向对称于所述超声发射换能器布置的第一水平超声接收换能器和第二水平超声接收换能器、沿竖直轴向对称于所述超声发射换能器布置的第一垂直超声接收换能器和第二垂直超声接收换能器；

所述控制处理系统用于控制所述超声发射换能器向待测目标发射信号，并接收所述第一水平超声接收换能器的回波信号、所述第二水平超声接收换能器的回波信号、所述第一垂直超声接收换能器的回波信号以及所述第二垂直超声接收换能器的回波信号，并对所有回波信号进行信号处理，获取所述待测目标的四维信息。

第二方面本发明实施例还提供了一种四维信息测量方法，所述方法包括：

接收第一水平超声接收换能器的回波信号、第二水平超声接收换能器的回波信号、第一垂直超声接收换能器的回波信号以及第二垂直超声接收换能器的回波信号；

根据第一水平超声接收换能器的回波信号和第二水平超声接收换能器的回波信号，计算水平连续波超声雷达的距离、速度和方位角信息，并根据所述第一垂直超声接收换能器的回波信号以及第二垂直超声接收换能器的回波信号，计算垂直连续波超声雷达的距离、速度和方位角信息；

融合所述水平连续波超声雷达的距离、速度和方位角信息与所述垂直连续波超声雷达的距离、速度和方位角信息，获取所述待测目标的四维信息。

本发明实施例提供的一种四维连续波超声雷达及四维信息测量方法，通过自设的超声换能器阵列对待测目标进行探测，由阵列中央的超声发射换能器和两个水平超声接收换能器构成水平连续波探测雷达，用于检测待测目标的距离、速度和方位角；由超声发射换能器和两个垂直超声接收换能器构成垂直连续波探测雷达，用于检测待测目标的距离、速度和俯仰角。再将信息进行数据匹配融合，确定最终待测目标的四维信息，从而获取了待测目标的全方位定位信息。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的超声换能器阵列结构示意图；

图2是本发明实施例提供的一种四维连续波超声雷达结构示意图；

图3是本发明实施例提供的计算处理模块的结构示意图；

图4是本发明实施例提供的四维信息测量方法流程示意图；

图5是本发明实施例提供的一种发射信号与回波信号频率曲线示意图；

附图标记：1、超声发射换能器；2、第二垂直超声接收换能器；3、第一垂直超声接收换能器；4、第一水平超声接收换能器；5、第二水平超声接收换能器；6、待测目标；7、接收调理模块；8、发射激励模块；9、第一接收频率测量模块；10、第二接收频率测量模块；11、连续调频模块；12、第一相位差测量模块；13、第二相位差测量模块；14、计算处理模块。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

目前，现有技术提供的超声雷达只能对待测目标的距离信息和速度信进行检测，并不能精确获取波束范围内不同目标的全方位信息。

针对上述现有技术中存在的问题，本发明实施例提供了一种四维连续波超声雷达，包括：

超声换能器阵列以及与所述超声换能器连接的控制处理系统；

图1是本发明实施例提供的超声换能器阵列结构示意图，如图1所示，所述超声换能器阵列包括位于阵列中央的超声发射换能器1、沿水平轴向对称于所述超声发射换能器布置的第一水平超声接收换能器4和第二水平超声接收换能器5、沿竖直轴向对称于所述超声发射换能器布置的第一垂直超声接收换能器3和第二垂直超声接收换能器2；

所述控制处理系统用于控制所述超声发射换能器1向待测目标6发射信号，并接收所述第一水平超声接收换能器4的回波信号、所述第二水平超声接收换能器5的回波信号、所述第一垂直超声接收换能器的回波信号3以及所述第二垂直超声接收换能器2的回波信号，并对所有回波信号进行信号处理，获取所述待测目标6的四维信息。

本发明实施例提供的四维连续波超声雷达主要应用于目标探测与定位，并且区别于现有技术提供的普通超声雷达，本发明实施例提供的四维连续波超声雷达可以检测待测目标的四维信息，该四维信息是指待测目标的距离信息(图1中的r)、待测目标的速度信息(图1中的v)、待测目标的方位角信息(图1中的θ)以及待测目标的俯仰角信息(图1中的α)。

具体的实现方式本发明实施例通过提供了一种特殊设计的超声换能器阵列结构实现，如图1所示，在本发明实施例提供的超声换能器阵列中，包括一个超声发射换能器1、两个水平超声接收换能器(第一水平超声接收换能器4和第二水平超声接收换能器5)以及两个垂直超声接收换能器(第一垂直超声接收换能器3和第二垂直超声接收换能器2)。其中，超声发射换能器1布置在阵列中央，并以超声发射换能器1中心为原点建立空间直角坐标系，在空间直角坐标系的x轴上设置第一水平超声接收换能器4和第二水平超声接收换能器5，且第一水平超声接收换能器4和第二水平超声接收换能器5对称设置于超声发射换能器1，第一水平超声接收换能器4与超声发射换能器1之间的距离可根据实际情况进行调整，本发明实施例对此不作具体限定。

与此同时，在空间直角坐标系的y轴上设置第一垂直超声接收换能器3和第二垂直超声接收换能器2，且第一垂直超声接收换能器3和第二垂直超声接收换能器2也对称设置于超声发射换能器1，第一垂直超声接收换能器3与超声发射换能器1之间的距离可根据实际情况进行调整，本发明实施例对此不作具体限定。

需要说明的是，本发明实施例提供的超声发射换能器1的作用主要是将输入的电功率转换成超声波向待测目标6进行发射，具体的类型本发明实施例不作具体限定。水平超声接收换能器是指能够接收水平方向连续回波信号的接收器，垂直超声接收换能器是指能够接收垂直方向连续回波信号的接收器。

那么通过本发明实施例提供的超声换能器阵列，实现了由超声发射换能器1向待测目标6的发射信号探测以及由4个超声接收换能器接收由待测目标6反射回的回波信号的方式。可以理解的是，为了获取待测目标6的定位信息，需要对回波信号进行信号处理才能获取最终本发明实施例需要的四维信息。在本发明实施例中，提供了控制处理系统来实现该功能。

具体地，控制处理系统会接收第一水平超声接收换能器4的回波信号、第二水平超声接收换能器5的回波信号、第一垂直超声接收换能器的回波信号3以及第二垂直超声接收换能器2的回波信号，并对所有回波信号进行信号处理，信号处理主要是指根据水平方向的回波信号计算水平连续波超声雷达测量的各个测量点的距离、速度和方位角信息，并根据垂直方向的回波信号计算垂直连续波超声雷达测量的各个测量点的距离、速度和方位角信息。再对信息进行匹配和融合，最终输出本发明实施例所需的待测目标四维定位信息。可以理解的是，由于超声雷达的测量范围是波束型，在该波束范围内，无论是水平连续波超声雷达或是垂直连续波超声雷达均可能存在多个待测目标点，对于每一个待测目标点均采用同样的信号处理方式。

本发明实施例提供的一种四维连续波超声雷达，通过自设的超声换能器阵列对待测目标进行探测，由阵列中央的超声发射换能器和两个水平超声接收换能器构成水平连续波探测雷达，用于检测待测目标的距离、速度和方位角；由超声发射换能器和两个垂直超声接收换能器构成垂直连续波探测雷达，用于检测待测目标的距离、速度和俯仰角。再将信息进行数据匹配融合，确定最终待测目标的四维信息，从而获取了待测目标的全方位定位信息。

在上述实施例的基础上，图2是本发明实施例提供的一种四维连续波超声雷达结构示意图，如图2所示，所述控制处理系统包括发射激励模块8和连续调频模块11，其中：

所述连续调频模块11连接所述发射激励模块8，所述连续调频模块11用于产生三角形调制的频率信号，并将所述频率信号发送给所述发射激励模块8；

所述发射激励模块8分别连接所述连续调频模块11和所述超声发射换能器1，所述发射激励模块8用于将接收到的所述频率信号进行放大升压后驱动所述超声发射换能器1振动发出所述发射信号。

在上述实施例的基础上，所述控制处理系统还包括接收频率测量模块和相位差测量模块，其中：

所述第一水平超声接收换能器4连接第一接收频率测量模块9，所述第一垂直超声接收换能器3连接第二接收频率测量模块10，所述接收频率测量模块用于接收回波信号并检测回波信号的频率；

所述第一水平超声接收换能器4和所述第二水平超声接收换能器5连接第一相位差测量模块12，所述第一垂直超声接收换能器3和所述第二垂直超声接收换能器2连接第二相位差测量模块13，所述相位差测量模块用于测量回波信号之间的相位差。

由上述实施例的内容可知，第一水平超声接收换能器4和第二水平超声接收换能器5以及第一垂直超声接收换能器3和所述第二垂直超声接收换能器2均会产生回波信号，而本发明实施例提供的控制处理系统需要对该回波信号进行信号处理。具体的处理过程本发明实施例提供了一个第一接收频率测量模块9和第二接收频率测量模块10来分别测量第一水平超声接收换能器4和第一垂直超声接收换能器3的频率，再和发射信号的频率进行做差从而获得频率差。而通过第一相位差测量模块12能够获取水平回波信号之间的相位差，通过第二相位差测量模块13能够获取垂直回波信号之间的相位差，从而为计算四维信息提供数据基础。

在上述实施例的基础上，如图2所示，所述控制处理系统还包括接收调理模块7，其中：

所述第一水平超声接收换能器4、所述第二水平超声接收换能器5、所述第一垂直超声接收换能器3以及所述第二垂直超声接收换能器2分别连接一个对应的所述接收调理模块7，所述接收调理模块7对回波信号进行放大滤波；

所述第一水平超声接收换能器4对应的接收调理模块的输出端分别连接所述第一相位差测量模块12和所述第一接收频率测量模块9；

所述第二水平超声接收换能器5对应的接收调理模块的输出端连接所述第一相位差测量模块12；

所述第一垂直超声接收换能器3对应的接收调理模块的输出端分别连接所述第二相位差测量模块13和所述第二接收频率测量模块10；

所述第二垂直超声接收换能器2对应的接收调理模块的输出端连接所述第二相位差测量模块13。

由上述实施例可知，本发明实施例提供了接收频率测量模块和相位差测量模块对回波信号进行处理，但原始的回波信号由于噪声干扰等因素，需要对信号进行初步预处理才能使得处理的信号效果更佳。

本发明实施例提供了一个接收调理模块7来解决上述问题，为每一个超声接收换能器均对应连接一个接收调理模块7，该接收调理模块7对回波信号进行放大滤波，再将放大滤波后的信号传递给接收频率测量模块和相位差测量模块，从而使得接收频率测量模块和相位差测量模块的计算结果更加。

在上述实施例的基础上，如图2所示，所述控制处理系统还包括计算处理模块14，其中：

所述计算处理模块14与所有相位差测量模块和所有接收频率测量模块连接，所述计算处理模块14用于获取所述待测目标的四维信息。

可以理解的是，上述实施例提供的接收频率测量模块和相位差测量模块能够计算得到频率差和相位差，但还需要进一步进行计算才能得到本发明实施例所需的四维信息。并且根据第一水平超声接收换能器4和第二水平超声接收换能器5只能计算水平连续波超声雷达目标点的距离、速度和方位角信息，根据第一垂直超声接收换能器3以及第二垂直超声接收换能器2也只能计算垂直连续波超声雷达目标点的距离、速度和俯仰角信息。故而本发明实施例提供的计算处理模块14需要对上述信息进行信息匹配和融合，才能计算得到最后的四维信息。

在上述实施例的基础上，图3是本发明实施例提供的计算处理模块的结构示意图，如图3所示，所述计算处理模块包括：

第一数据获取单元301，所述第一数据获取单元用于根据所述第一接收频率测量模块和所述第一相位差测量模块的测量值，获取水平连续波超声雷达的距离、速度和方位角信息；

第二数据获取单元302，所述第二数据获取单元用于根据所述第二接收频率测量模块和所述第二相位差测量模块的测量值，获取垂直连续波超声雷达所述待测目标的距离、速度和俯仰角信息；

数据融合匹配单元303，所述数据融合匹配单元用于对所述水平连续波超声雷达的距离、速度和方位角信息与垂直连续波超声雷达所述待测目标的距离、速度和俯仰角信息进行数据融合匹配，获取所述待测目标的距离、速度、方位角、俯仰角的四维信息。

具体的，本发明实施例通过第一数据获取单元301获取水平连续波超声雷达的距离、速度和方位角信息。由上述实施例的内容可知，根据发射信号的频率曲线和水平回波信号的频率曲线，可得发射信号与水平回波信号在上升沿阶段的频差δfhup＝ft(t)-fh(t)，以及在下降沿阶段的频差δfhdown＝fh(t)-ft(t)。进而可以通过和计算目标点的距离rh和速度vhd，其中，c为介质中的声速，fc为调频的中心频率，b为调频带宽，tm为调频周期。再根据计算方位角θ，式中，dh为2个水平超声接收换能器的中心距。

类似的，本发明实施例通过第二数据获取单元302获取垂直连续波超声雷达的距离、速度和俯仰角信息。由上述实施例的内容可知，根据发射信号的频率曲线和垂直回波信号的频率曲线，可得发射信号与水平回波信号在上升沿阶段的频差δfvup＝ft(t)-fv(t)，以及在下降沿阶段的频差δfvup＝fv(t)-ft(t)。进而可以通过和计算待测目标点的距离rv和速度vvd，再根据计算俯仰角α，其中，dv为两个垂直超声接收换能器的中心距离。

需要说明的是，当垂直连续波超声雷达的波束内存在多个目标点时，回波信号会存在多个频率成分，对应地也存在多个相位差，从而按照上述计算方式可以得到多个目标点的距离、速度和方位角信息：{{rv(0),vvd(0),α(0)},...,{rv(m),vvd(m),α(m)}}。

最后，本发明实施例通过数据融合匹配单元303进行数据融合匹配，获取所述待测目标的距离、速度、方位角、俯仰角的四维信息。具体的，首先选定一组待匹配的数据，如水平连续波超声雷达检测的第i个目标点{rh(i),vhd(i),θ(i)}和垂直连续波超声雷达检测的第j个目标点{rv(j),vvd(j),α(j)}。然后，对距离信息进行数据匹配，即计算|rh(i)-rv(j)是否小于预设阈值δr，若小于δr则判断距离信息匹配成功。与此同时，对速度信息进行数据匹配，即计算|vhd(i)-vvd(j)|是否小于预设阈值δv，若小于δv则判断速度信息匹配成功。如果距离信息和速度信息均匹配成功，则记录一个成功匹配的待测目标点，该待测目标点的4维信息为{r(k),vd(k),θ(k),α(k)}，其中θ(k)＝θ(i)，α(k)＝α(j)；如果距离信息和速度信息任一匹配不成功，则重新选择下一组待匹配的目标点进行匹配，重复上述匹配过程，直至遍历所有可能的组合。

那么通过本发明实施例提供的数据融合匹配过程能够将所述水平连续波超声雷达的距离、速度和方位角信息与垂直连续波超声雷达所述待测目标的距离、速度和俯仰角信息进行数据融合匹配，从而获得待测目标点的四维数据。

在上述实施例的基础上，图4是本发明实施例提供的四维信息测量方法流程示意图，如图4所示，方法包括：

401、接收第一水平超声接收换能器的回波信号、第二水平超声接收换能器的回波信号、第一垂直超声接收换能器的回波信号以及第二垂直超声接收换能器的回波信号；

402、根据第一水平超声接收换能器的回波信号和第二水平超声接收换能器的回波信号，计算水平连续波超声雷达的距离、速度和方位角信息，并根据所述第一垂直超声接收换能器的回波信号以及第二垂直超声接收换能器的回波信号，计算垂直连续波超声雷达的距离、速度和方位角信息；

403、融合所述水平连续波超声雷达的距离、速度和方位角信息与所述垂直连续波超声雷达的距离、速度和方位角信息，获取所述待测目标的四维信息。

可以利用的是，本发明实施例是基于上述实施例中所提供的四维连续波超声雷达实施的四维信息测量方法，对于任意待测目标均可以采用本发明实施例提供的方法进行四维信息测量，从而对待测目标定位。

具体的，在步骤401中，可以理解的是，本发明实施例可以通过四维连续波超声雷达的第一水平超声接收换能器、第二水平超声接收换能器、第一垂直超声接收换能器以及第二垂直超声接收换能器接收到探测待测目标所产生的回波信号，该回波信号包括水平方向接收的水平连续波信号以及垂直方向接收的垂直连续波信号。

进一步的，在步骤402中，当接收到各个超声接收换能器的回波信号后，本发明实施例将根据水平方向接收的水平连续波信号计算水平连续波超声雷达的距离、速度和方位角信息，同时根据垂直方向接收的垂直连续波信号计算垂直连续波超声雷达的距离、速度和方位角信息。这里的水平连续波超声雷达的距离、速度和方位角信息是指每个待测目标点被水平连续波超声雷达测量计算的距离、速度和方位角信息；同样的，垂直连续波超声雷达的距离、速度和方位角信息是指每个待测目标点被垂直连续波超声雷达测量计算的距离、速度和俯仰角信息。

最后，在步骤403中，本发明实施例根据预设的信息匹配融合算法，对水平连续波超声雷达的距离、速度和方位角信息与所述垂直连续波超声雷达的距离、速度和方位角信息进行融合匹配，从而得到待测目标的四维信息。

本发明实施例提供的四维信息测量方法，通过检测待测目标的距离、速度和方位角，并检测待测目标的距离、速度和俯仰角。再将信息进行数据匹配融合，确定最终待测目标的四维信息，从而获取了待测目标的全方位定位信息。

在上述实施例的基础上，在所述接收第一水平超声接收换能器的回波信号、第二水平超声接收换能器的回波信号、第一垂直超声接收换能器的回波信号以及第二垂直超声接收换能器的回波信号之前，所述方法还包括：

激励所述超声发射换能器，以振动所述超声发射换能器向所述待测目标发射信号。

可以理解的是，若待测目标能够产生回波信号供超声接收换能器接收，需要在此之前发射超声波信号，那么在此之前本方法还包括激励所述超声发射换能器，以振动所述超声发射换能器向所述待测目标发射信号。一般的，本发明实施例激励所发射的波形信号为三角形调制的频率信号，从而经待测目标反射后接收到相应的回波信号，图5是本发明实施例提供的一种发射信号与回波信号频率曲线示意图，如图5所示，其中，ft(t)为发射信号的频率曲线，fh(t)为回波信号的频率曲线，图中的δfhup为上升沿阶段的频差，δfhdown为下降沿阶段的频差，b为调频带宽，tm为调频周期，可根据实际情况进行设置。

在上述实施例的基础上，所述融合所述水平连续波超声雷达的距离、速度和方位角信息与所述垂直连续波超声雷达的距离、速度和方位角信息，获取所述待测目标的四维信息，包括：

将所述水平连续波超声雷达的距离与所述垂直连续波超声雷达的距离进行匹配，并将所述水平连续波超声雷达的速度与所述垂直连续波超声雷达的速度进行匹配；

若匹配成功，则记录所述水平连续波超声雷达的距离与所述垂直连续波超声雷达的距离的均值作为所述待测目标的距离，并记录所述水平连续波超声雷达的速度与所述垂直连续波超声雷达的速度的均值作为所述待测目标的速度。

由上述实施例的内容可知，本发明是实施例提供了一种预设的匹配融合算法对所述水平连续波超声雷达的距离与所述垂直连续波超声雷达的距离进行匹配，并对所述水平连续波超声雷达的速度与所述垂直连续波超声雷达的速度进行匹配。

具体的，首先选定一组待匹配的数据，如水平连续波超声雷达检测的第i个目标点{rh(i),vhd(i),θ(i)}和垂直连续波超声雷达检测的第j个目标点{rv(j),vvd(j),α(j)}。然后，对距离信息进行数据匹配，即计算

rh(i)-rv(j)|是否小于预设阈值δr，若小于δr则判断距离信息匹配成功。与此同时，对速度信息进行数据匹配，即计算|vhd(i)-vvd(j)|是否小于预设阈值δv，若小于δv则判断速度信息匹配成功。如果距离信息和速度信息均匹配成功，则记录一个成功匹配的待测目标点，该待测目标点的4维信息为{r(k),vd(k),θ(k),α(k)}，其中θ(k)＝θ(i)，α(k)＝α(j)；如果距离信息和速度信息任一匹配不成功，则重新选择下一组待匹配的目标点进行匹配，重复上述匹配过程，直至遍历所有可能的目标点组合。

本发明实施例提供的匹配融合算法能够将水平连续波超声雷达的距离与所述垂直连续波超声雷达的距离进行匹配，并对所述水平连续波超声雷达的速度与所述垂直连续波超声雷达的速度进行匹配，并确定满足条件的准确距离和速度信息，从而实现对待测目标的精确定位。

通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如rom/ram、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。