Fmcw防碰撞雷達(dá)多目標(biāo)檢測與跟蹤系統(tǒng)及方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種FMCW防碰撞雷達(dá)多目標(biāo)檢測與跟蹤方法及方法。該系統(tǒng)包括雷達(dá)陣列處理單元、目標(biāo)檢測和估計(jì)單元、后處理單元和調(diào)試單元。所述雷達(dá)陣列處理單元通過CAN總線將車輛前方的目標(biāo)信息發(fā)送至目標(biāo)檢測和估計(jì)單元進(jìn)行多目標(biāo)快速檢測和跟蹤，并將跟蹤結(jié)果及避障預(yù)警信息分別通過RS422串口發(fā)送至后處理單元和調(diào)試單元；后處理單元將接收到的目標(biāo)跟蹤結(jié)果和避障預(yù)警信息進(jìn)行顯示，并以語音進(jìn)行提醒；調(diào)試單元在系統(tǒng)調(diào)試過程中對中間數(shù)據(jù)及跟蹤效果進(jìn)行顯示和評估，并控制目標(biāo)檢測和估計(jì)單元進(jìn)行啟動和關(guān)閉。本發(fā)明將雷達(dá)數(shù)據(jù)的處理問題轉(zhuǎn)換為圖像處理問題，針對汽車及有軌電車等交通系統(tǒng)對高可靠性的防碰撞雷達(dá)多目標(biāo)檢測的應(yīng)用需求提供了一種有效的手段。
【專利說明】FMCW防碰撞雷達(dá)多目標(biāo)檢測與跟蹤系統(tǒng)及方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及智能信息處理【技術(shù)領(lǐng)域】，特別是一種FMCW防碰撞雷達(dá)多目標(biāo)檢測與 跟蹤系統(tǒng)及方法。

【背景技術(shù)】
[0002] FMCW防碰撞雷達(dá)多目標(biāo)檢測與跟蹤系統(tǒng)的功能包括；通過硬件連接FMCW雷達(dá)陣 列處理單元、目標(biāo)檢測和估計(jì)單元、后處理單元和調(diào)試單元，構(gòu)成多目標(biāo)檢測與跟蹤系統(tǒng)。 雷達(dá)陣列處理單元采用FMCW體制，測量距離最大為200m。測距采用LFM信號，分辨率為Im 左右；測速采用大時寬常載頻脈沖信號；雷達(dá)采用兩幅收發(fā)分置的天線，發(fā)射天線的波束 寬度為20°，方位角度覆蓋范圍為±10° ;接收天線共有16個子天線，子天線的信號分別 跟隨獨(dú)立的接收通道，接收通道為16路，接收信號的方位測量采用陣列信號處理技術(shù)。雷 達(dá)發(fā)射一組信號，可W瞬時得到方位覆蓋范圍內(nèi)的高分辨角度和距離信息W及信號強(qiáng)度。 FMCW雷達(dá)在每20ms時發(fā)送一組前方目標(biāo)的角度、距離和信號強(qiáng)度信息至目標(biāo)檢測和估計(jì) 單元，目標(biāo)檢測和估計(jì)單元接收到前方多個目標(biāo)的距離信息、方位信息和信號強(qiáng)度信息后， 目標(biāo)檢測和估計(jì)單元在線轉(zhuǎn)換為圖像信息，然后運(yùn)行多目標(biāo)快速檢測和跟蹤程序，得到多 目標(biāo)的跟蹤結(jié)果和對前方多個目標(biāo)進(jìn)行航跡解算，然后將多目標(biāo)跟蹤結(jié)果及避障預(yù)警信息 分別通過RS422串口發(fā)送至后處理單元和調(diào)試單元；后處理單元用于將接收到的目標(biāo)跟蹤 結(jié)果和避障預(yù)警信息顯示到顯示屏上，并W語音作為提醒方式；調(diào)試單元用于系統(tǒng)調(diào)試過 程中對中間數(shù)據(jù)及跟蹤效果進(jìn)行顯示和評估并可控制目標(biāo)檢測和估計(jì)單元進(jìn)行啟動和關(guān) 閉。本發(fā)明將W往雷達(dá)數(shù)據(jù)的處理問題轉(zhuǎn)換為圖像處理問題，針對汽車及有軌電車等交通 系統(tǒng)對高可靠性的防碰撞雷達(dá)多目標(biāo)檢測的應(yīng)用需求提供了一種有效的手段，具有非常重 要的應(yīng)用價值。
[0003] 在汽車防撞技術(shù)的應(yīng)用方面有雷達(dá)、超聲波、紅外、激光W及視頻等，通過比較，雷 達(dá)具有如下優(yōu)點(diǎn)：能夠適應(yīng)雨、霧、雪、強(qiáng)光等不良天氣，也能適應(yīng)雜音、污染等環(huán)境，并能在 該些惡劣環(huán)境中穩(wěn)定工作；抗干擾性能較強(qiáng)，福射能量能夠保證在相對合理的范圍內(nèi)；擁 有較好的相對速度感應(yīng)，在探測距離、速度、方向等各參數(shù)方面的精度較高；采用平面天線 陣列及高頻器件體積較小，適于安裝在汽車或有軌電車等載體上。但是，W往所采用的對 FMCW雷達(dá)信息進(jìn)行FFT變換和信號強(qiáng)度分析方法已無法滿足和實(shí)現(xiàn)對前方多目標(biāo)檢測和 跟蹤所需要的功能。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的在于提供一種FMCW防碰撞雷達(dá)多目標(biāo)檢測與跟蹤系統(tǒng)及方法，W 實(shí)時高效地對車輛前方多個目標(biāo)進(jìn)行有效檢測和跟蹤，為車輛的安全運(yùn)行提供預(yù)警信息和 保障，提高車輛的安全性能。
[0005] 實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)解決方案為：一種FMCW防碰撞雷達(dá)多目標(biāo)檢測與跟蹤系 統(tǒng)，包括雷達(dá)陣列處理單元、目標(biāo)檢測和估計(jì)單元、后處理單元和調(diào)試單元；所述雷達(dá)陣列 處理單元與目標(biāo)檢測和估計(jì)單元通過CAN總線接口連接，目標(biāo)檢測和估計(jì)單元與后處理單 元通過RS422接口連接，調(diào)試單元通過RS422接口與目標(biāo)檢測和估計(jì)單元雙向連接；
[0006] 雷達(dá)信號經(jīng)模擬濾波、A/D采樣后將數(shù)據(jù)送雷達(dá)陣列處理單元，然后雷達(dá)陣列處理 單元將雷達(dá)檢測數(shù)據(jù)送至目標(biāo)檢測和估計(jì)單元，所述目標(biāo)檢測和估計(jì)單元將雷達(dá)陣列處理 單元發(fā)送過來的雷達(dá)檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行處理檢測出目標(biāo)運(yùn)動信息，目標(biāo)檢測和估計(jì)單元將需要 跟蹤的目標(biāo)運(yùn)動信息通過RS422串口發(fā)送給后處理單元用于直觀顯示和報(bào)警提醒；目標(biāo)檢 測和估計(jì)單元將目標(biāo)運(yùn)動信息通過RS422串口發(fā)送給調(diào)試單元，調(diào)試單元顯示多目標(biāo)的跟 蹤結(jié)果、預(yù)警信息、雷達(dá)原始數(shù)據(jù)信息、原始圖像信息，并給目標(biāo)檢測和估計(jì)單元發(fā)送啟動 和關(guān)閉指令。
[0007] 一種FMCW防碰撞雷達(dá)多目標(biāo)檢測與跟蹤方法，包括W下步驟：
[0008] 步驟1，連接雷達(dá)陣列處理單元、目標(biāo)檢測和估計(jì)單元、后處理單元和調(diào)試單元，上 電并確定各分系統(tǒng)通訊正常；
[0009] 步驟2,所述雷達(dá)陣列處理單元與目標(biāo)檢測和估計(jì)單元通過CAN總線接口連接，目 標(biāo)檢測和估計(jì)單元通過CAN總線接口接收FMCW雷達(dá)原始測量信息，W目標(biāo)方位角9為橫坐 標(biāo)、目標(biāo)距離d為縱坐標(biāo)，W目標(biāo)回波強(qiáng)度e歸一化至[0, 25引為灰度值，對雷達(dá)原始測量 信息進(jìn)行成像，即可將雷達(dá)原始測量信息轉(zhuǎn)換為原始圖像信息；
[0010] 步驟3,首先對原始圖像信息的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行信號濾波處理，采用基于多次中值抽 取的圖像雙邊濾波方法對原始圖像進(jìn)行濾波處理；
[0011] 步驟4,設(shè)定灰度圖像的強(qiáng)度在彩色空間的不同位置，把灰度圖的各個不同灰度按 照線性映射函數(shù)變換成不同的彩色，將灰度圖像轉(zhuǎn)化為偽彩色圖像；
[0012] 步驟5,采用直方圖均衡化算法對圖像中的目標(biāo)進(jìn)行增強(qiáng)；
[0013] 步驟6,進(jìn)行背景提取，扣除由雷達(dá)積累的噪聲產(chǎn)生的有目標(biāo)回波的位置，對扣除 后的像素點(diǎn)的幅度求和，再除W參加統(tǒng)計(jì)的像素個數(shù)，然后將當(dāng)前的噪聲背景通過濾波算 法估計(jì)當(dāng)前的背景實(shí)測值，然后進(jìn)行減除處理；
[0014] 步驟7,采用聯(lián)合概率加權(quán)凝聚算法對區(qū)域多散射點(diǎn)進(jìn)行凝聚；
[0015] 步驟8,采用Meanshift算法對分割出來的點(diǎn)跡進(jìn)行跟蹤，對目標(biāo)進(jìn)行質(zhì)也估計(jì)即 估計(jì)已跟蹤目標(biāo)中也點(diǎn)的位置信息，提取出點(diǎn)跡的坐標(biāo)特性，然后對目標(biāo)進(jìn)行起始航跡計(jì) 算、航跡濾波和航跡估計(jì)，并上報(bào)目標(biāo)航跡監(jiān)測信息；
[0016] 步驟9,實(shí)施過程中，目標(biāo)檢測和估計(jì)單元將需要跟蹤的目標(biāo)運(yùn)動信息通過RS422 串口發(fā)送給后處理單元用于直觀顯示和報(bào)警提醒；目標(biāo)檢測和估計(jì)單元將目標(biāo)運(yùn)動信息通 過RS422串口發(fā)送給調(diào)試單元，調(diào)試單元顯示多目標(biāo)的跟蹤結(jié)果、預(yù)警信息、雷達(dá)原始數(shù)據(jù) 信息、原始圖像信息，并給目標(biāo)檢測和估計(jì)單元發(fā)送啟動和關(guān)閉指令。
[0017] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，其顯著優(yōu)點(diǎn)是；（1)前方目標(biāo)探測采用多通道FMCW探測 雷達(dá)，測量距離遠(yuǎn)，分辨率高，采用了兩幅收發(fā)分置的天線，方位角度覆蓋范圍可達(dá)±10°， 接收信號的方位測量采用陣列信號處理技術(shù)，雷達(dá)發(fā)射一組信號，可W瞬時得到方位覆蓋 范圍內(nèi)的高分辨角度和距離信息；（2)將對雷達(dá)原始測量信息的處理轉(zhuǎn)換為二維圖像處理 問題，將目標(biāo)的角度信息、距離信息和回波強(qiáng)度信息轉(zhuǎn)換為圖像信息，增強(qiáng)了多目標(biāo)處理的 可靠性和實(shí)時性；（3)系統(tǒng)具有復(fù)雜群目標(biāo)的分辨和跟蹤處理能力，工作可靠，具有簡單、 快速、靈活、實(shí)時、直觀的特點(diǎn)，為汽車及有軌電車等交通系統(tǒng)對高可靠性的防碰撞雷達(dá)多 目標(biāo)檢測的應(yīng)用需求提供了思路和方法，具有非常大的應(yīng)用價值和經(jīng)濟(jì)前景。

【專利附圖】

【附圖說明】
[001引圖1為本發(fā)明FMCW防碰撞雷達(dá)多目標(biāo)檢測與跟蹤系統(tǒng)的硬件連接關(guān)系圖。
[0019] 圖2為本發(fā)明中多目標(biāo)檢測與跟蹤部分總體實(shí)施方案圖。
[0020] 圖3為本發(fā)明系統(tǒng)中目標(biāo)圖像生成與跟蹤算法處理平臺的硬件原理框圖。
[0021] 圖4為本發(fā)明中FMCW雷達(dá)原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為圖像的原理圖。
[0022] 圖5為由FMCW雷達(dá)原始數(shù)據(jù)生成矩形灰度圖像的邊界提取信息示意圖。
[0023] 圖6為將矩形灰度圖像信息轉(zhuǎn)換為灰度鳥橄圖的邊界提取示意圖。
[0024] 圖7為將矩形灰度圖像轉(zhuǎn)換為矩形偽彩色圖的邊界提取示意圖。
[0025] 圖8為將矩形偽彩色圖轉(zhuǎn)換為扇形偽彩色鳥橄圖的邊界提取示意圖。
[002引圖9為實(shí)施例中對多個目標(biāo)的檢巧Ij及跟蹤過程示意圖。

【具體實(shí)施方式】
[0027] 下面結(jié)合附圖及具體實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明。
[002引結(jié)合附圖1?2,本發(fā)明FMCW防碰撞雷達(dá)多目標(biāo)檢測與跟蹤系統(tǒng)，包括雷達(dá)陣列處 理單元、目標(biāo)檢測和估計(jì)單元、后處理單元和調(diào)試單元；所述雷達(dá)陣列處理單元與目標(biāo)檢測 和估計(jì)單元通過CAN總線接口連接，目標(biāo)檢測和估計(jì)單元與后處理單元通過RS422接口連 接，調(diào)試單元通過RS422接口與目標(biāo)檢測和估計(jì)單元雙向連接；雷達(dá)信號經(jīng)模擬濾波、A/D 采樣后將數(shù)據(jù)送雷達(dá)陣列處理單元，然后雷達(dá)陣列處理單元將雷達(dá)檢測數(shù)據(jù)送至目標(biāo)檢測 和估計(jì)單元，所述目標(biāo)檢測和估計(jì)單元將雷達(dá)陣列處理單元發(fā)送過來的雷達(dá)檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行 處理檢測出目標(biāo)運(yùn)動信息，目標(biāo)檢測和估計(jì)單元將需要跟蹤的目標(biāo)運(yùn)動信息通過RS422串 口發(fā)送給后處理單元用于直觀顯示和報(bào)警提醒；目標(biāo)檢測和估計(jì)單元將目標(biāo)運(yùn)動信息通過 RS422串口發(fā)送給調(diào)試單元，調(diào)試單元顯示多目標(biāo)的跟蹤結(jié)果、預(yù)警信息、雷達(dá)原始數(shù)據(jù)信 息、原始圖像信息，并給目標(biāo)檢測和估計(jì)單元發(fā)送啟動和關(guān)閉指令。
[0029] 所述雷達(dá)陣列處理單元中所采用的雷達(dá)采用FMCW體制，包括16個接收天線單 元，每個接收天線單元對應(yīng)一個通道，所述雷達(dá)陣列處理單元包括順次連接的FMCW雷達(dá)天 線、FMCW雷達(dá)波束控制模塊、濾波模塊、陣列處理模塊、系統(tǒng)校準(zhǔn)模塊、數(shù)據(jù)解算模塊和收發(fā) 模塊。雷達(dá)采用兩幅收發(fā)分置的天線，發(fā)射天線的波束寬度為20°，方位角度覆蓋范圍為 ±10°，測量距離最大為200m，測距采用LFM信號，分辨率為Im ;該雷達(dá)通過自混頻形成模 擬I、Q信號，雷達(dá)信號經(jīng)模擬濾波、A/D采樣后將數(shù)據(jù)送陣列信號處理單元，雷達(dá)發(fā)射一組 信號，可W瞬時得到方位覆蓋范圍內(nèi)的高分辨角度、距離和速度信息，數(shù)據(jù)刷新率為50化， 然后雷達(dá)陣列處理單元將雷達(dá)檢測數(shù)據(jù)送至目標(biāo)檢測和估計(jì)單元。所述后處理單元和調(diào)試 單元均包括綜合顯示屏和語音告警模塊。
[0030] 結(jié)合附圖3,本發(fā)明FMCW防碰撞雷達(dá)多目標(biāo)檢測與跟蹤系統(tǒng)中的目標(biāo)檢測和估計(jì) 單元采用的主處理芯片為化eescale的I. MX6Q Codex-A9芯片，系統(tǒng)上裝有Linux操作系 統(tǒng)，所述目標(biāo)檢測和估計(jì)單元包括順次連接的雷達(dá)數(shù)據(jù)接收模塊、目標(biāo)圖像生成模塊、圖像 去噪模塊、鳥橄圖生成模塊、偽彩色圖生成模塊、圖像增強(qiáng)模塊、背景抑制模塊、圖像分割模 塊、多目標(biāo)跟蹤模塊、目標(biāo)運(yùn)動估計(jì)模塊、告警指令生成模塊。目標(biāo)檢測和估計(jì)單元的硬件 系統(tǒng)包括電源、晶振、復(fù)位按鍵、SD卡、FLA甜、SDRAM、RS422串口、CAN BUS、SPI 口、JTAG調(diào) 試接口和VGA視頻接口；電源模塊為目標(biāo)檢測和估計(jì)單元提供電源，晶振為系統(tǒng)提供時鐘 信號，復(fù)位按鍵用于重啟系統(tǒng)，SD卡用于存放歷史數(shù)據(jù)，F(xiàn)LASH和SDRAM用于存儲相應(yīng)的目 標(biāo)檢測及跟蹤程序和代碼，RS422接口用于將檢測和跟蹤結(jié)果發(fā)送至后處理單元，CAN BUS 用于和陣列處理單元相連接，W便接收FMCW雷達(dá)的原始信息，SPI 口為預(yù)留口，JTAG調(diào)試接 口用于方便調(diào)試和下載程序，VGA視頻接口用于后續(xù)將車載前方視頻圖像傳遞給后處理單 元。所述目標(biāo)檢測和估計(jì)單元將雷達(dá)陣列處理單元發(fā)送過來的數(shù)據(jù)進(jìn)行原始信號濾波、圖 像生成、圖像插值、偽彩色圖生成、圖像增強(qiáng)、背景減除、圖像分割、多目標(biāo)跟蹤等操作，進(jìn)而 檢測出目標(biāo)運(yùn)動信息并發(fā)出預(yù)警信息。
[0031] 結(jié)合圖2,本發(fā)明FMCW防碰撞雷達(dá)多目標(biāo)檢測與跟蹤方法，包括W下步驟：
[0032] 步驟1，連接雷達(dá)陣列處理單元、目標(biāo)檢測和估計(jì)單元、后處理單元和調(diào)試單元，上 電并確定各分系統(tǒng)通訊正常；
[0033] 步驟2,所述雷達(dá)陣列處理單元與目標(biāo)檢測和估計(jì)單元通過CAN總線接口連接，目 標(biāo)檢測和估計(jì)單元通過CAN總線接口接收FMCW雷達(dá)原始測量信息，其中雷達(dá)角度分辨率優(yōu) 于0. 8度，距離分辨率優(yōu)于Im,如附圖4所示。W目標(biāo)方位角9為橫坐標(biāo)、目標(biāo)距離d為縱 坐標(biāo)，W目標(biāo)回波強(qiáng)度e歸一化至[0, 255]為灰度值，對雷達(dá)原始測量信息進(jìn)行成像，即可 將雷達(dá)原始測量信息轉(zhuǎn)換為原始圖像信息，如圖5所示；直接由光學(xué)攝像機(jī)、紅外掃描或者 雷達(dá)得到的圖像有一個非常大的缺點(diǎn)：同樣大的物體遠(yuǎn)的尺寸小而近的尺寸大。鳥橄圖，也 稱俯視圖，是成像設(shè)備從空中俯視而拍得的，鳥橄圖不同于原始測量圖像，它保持目標(biāo)在物 理世界的尺度比例，在鳥橄圖中還可W非常直觀地區(qū)分目標(biāo)的運(yùn)動方向，因此接著將得到 的矩形圖像轉(zhuǎn)換為鳥橄圖，如圖6所示；
[0034] 步驟3,由于表面散射、物體反射導(dǎo)致雷達(dá)圖像往往存在噪聲，一般情況下FMCW雷 達(dá)所采集的信號具有白噪聲，同時在惡劣環(huán)境下所成圖像的噪聲一般還包括椒鹽噪聲，所 W首先對原始圖像信息的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行信號濾波處理，采用基于多次中值抽取的圖像雙邊 濾波方法對原始圖像進(jìn)行濾波處理；若采用高斯濾波，可濾除掉大部分的白噪聲，但同時 會模糊圖像的邊緣；雙邊濾波不會出現(xiàn)模糊圖像邊緣的問題，但雙邊濾波對椒鹽噪聲的濾 波效果很差，只能濾出與背景點(diǎn)亮度值相差不大的噪聲點(diǎn)；本發(fā)明采用基于多次中值抽取 的圖像雙邊濾波方法對原始圖像進(jìn)行了濾波處理，圖像雙邊濾波方法由兩個函數(shù)構(gòu)成，一 個函數(shù)是由幾何空間距離決定濾波器系數(shù)，另外一個由像素差決定濾波器系數(shù)，具體公式 為：
[003引 h(x) = k_i / / f ( U C ( S-X) S (f ( 0-f (X)) d ^ (I)
[0036] 其中k為歸一化系數(shù)，其表達(dá)式為：
[0037] k(x) =S f c(l-x)s(f(l)-f(x))dl 似
[003引其中，h (X)和X分別為濾波后和濾波前對應(yīng)點(diǎn)的灰度值，C表示中也點(diǎn)與其鄰域內(nèi) 點(diǎn)的空間相似度，S表示中也點(diǎn)與其鄰域內(nèi)點(diǎn)的灰度相似度；
[0039] 在實(shí)現(xiàn)過程中，C和S函數(shù)均可用高斯函數(shù)實(shí)現(xiàn)，定義如下：
[0040] 叫安-.V) = 6-滬口）
[0041」 、'(/'(引-/村）=。=。- (句
[00化I其中，O d為幾何測度擴(kuò)散標(biāo)準(zhǔn)差，O t為灰度測度擴(kuò)散標(biāo)準(zhǔn)差，f (X)為當(dāng)前中也點(diǎn) X的灰度值，f U )為X的鄰近點(diǎn)I的灰度值。
[0043] 步驟4,由于灰度圖像在顯示和進(jìn)行跟蹤時往往會產(chǎn)生很多虛景，根據(jù)顏色空間的 一些規(guī)律，比如人們往往能夠很好地區(qū)分紅澄黃綠青說紫等顏色，因此如圖7?8所示，設(shè) 定灰度圖像的強(qiáng)度在彩色空間的不同位置，把灰度圖（黑白圖像）的各個不同灰度按照線 性映射函數(shù)變換成不同的彩色。具體方法為把灰度圖的灰度級別從0到255分成255個區(qū) 間，給每個區(qū)間制定一種彩色。灰度圖像中，如果相鄰像素點(diǎn)的灰度相差不大，但包含了豐 富的信息的話，人眼則無法從圖像中提取相應(yīng)的信息，因?yàn)槿搜鄯直婊叶鹊哪芰懿?，一?只有幾十個數(shù)量級，但是人眼對彩色信號的分辨率卻很強(qiáng)，該樣將黑白圖像轉(zhuǎn)換為彩色圖 像，使圖像各個細(xì)節(jié)更容易識別，目標(biāo)更容易識別；將灰度圖像轉(zhuǎn)化為偽彩色圖像，同時將 灰度鳥橄圖轉(zhuǎn)換為偽彩色鳥橄圖；
[0044] 步驟5,由于天氣、環(huán)境W及設(shè)備等原因，雷達(dá)圖像可能出現(xiàn)對比度比較小，或者整 體過暗和過明的情況，因此需要對雷達(dá)圖像進(jìn)行圖像增強(qiáng)，采用直方圖均衡化算法對圖像 中的目標(biāo)進(jìn)行增強(qiáng)，W提高圖像的對比度，最終提高數(shù)據(jù)處理的精度和速度；
[0045] 步驟6,進(jìn)行背景提取，背景提取必須考慮惡劣天氣的影響，本發(fā)明FMCW雷達(dá)在工 作一定時間后會積累噪聲電平，扣除由雷達(dá)積累的噪聲產(chǎn)生的有目標(biāo)回波的位置，對扣除 后的像素點(diǎn)的幅度求和，再除W參加統(tǒng)計(jì)的像素個數(shù)，然后將當(dāng)前的噪聲背景通過濾波算 法估計(jì)當(dāng)前的背景實(shí)測值，然后進(jìn)行減除處理；
[0046] 步驟7,由于采用高分辨技術(shù)，一輛大型汽車在IOOm左右就會形成多個散射點(diǎn)。該 些散射點(diǎn)可能是互相連接的，也可能分開的，由于副瓣的影響，整個區(qū)域?qū)⒊^周圍的環(huán)境 噪聲，凝聚的要求應(yīng)該跟雷達(dá)分辨率相匹配，因此采用聯(lián)合概率加權(quán)凝聚算法對區(qū)域多散 射點(diǎn)進(jìn)行凝聚；
[0047] 步驟8,采用Meanshift算法對分割出來的點(diǎn)跡進(jìn)行跟蹤，對目標(biāo)進(jìn)行質(zhì)也估計(jì)即 估計(jì)已跟蹤目標(biāo)中也點(diǎn)的位置信息，提取出點(diǎn)跡的坐標(biāo)特性，然后對目標(biāo)進(jìn)行起始航跡計(jì) 算、航跡濾波和航跡估計(jì)，并上報(bào)目標(biāo)航跡監(jiān)測信息，所述的目標(biāo)航跡監(jiān)測信息包括目標(biāo)數(shù) 目、目標(biāo)編號、目標(biāo)距離、目標(biāo)速度、目標(biāo)方位和危險(xiǎn)級別。如果按照目標(biāo)運(yùn)動特性無法相關(guān) 的，則需要重新建立航跡，如果一條航跡在一定時間內(nèi)沒有新目標(biāo)點(diǎn)跡相關(guān)，則可W航跡終 止，本發(fā)明中的跟蹤算法采用了經(jīng)典的Meanshift算法，并輔之W Kalman濾波算法進(jìn)行運(yùn) 動軌跡預(yù)測；
[0048] 步驟9,實(shí)施過程中，目標(biāo)檢測和估計(jì)單元將需要跟蹤的目標(biāo)運(yùn)動信息通過RS422 串口發(fā)送給后處理單元用于直觀顯示和報(bào)警提醒；目標(biāo)檢測和估計(jì)單元將目標(biāo)運(yùn)動信息通 過RS422串口發(fā)送給調(diào)試單元，調(diào)試單元顯示多目標(biāo)的跟蹤結(jié)果、預(yù)警信息、雷達(dá)原始數(shù)據(jù) 信息、原始圖像信息，并給目標(biāo)檢測和估計(jì)單元發(fā)送啟動和關(guān)閉指令。
[004引 實(shí)施例
[0050] 車輛前方有小型面包車、小型轎車、大型貨車、小型貨車4個車輛目標(biāo)。為顯示方 便，對序列圖進(jìn)行了截取，如圖9所示，分別顯示了第2、4、6、8、10、12、14、16峽。其中每一 峽中所顯示的四個典型目標(biāo)代號分別為1、2、3、4,目標(biāo)1為小型面包車，運(yùn)動速度為90km/ h，向右前方直行；目標(biāo)2為小型轎車，運(yùn)動速度為lOOkm/h，向右前方直行；目標(biāo)3為大型貨 車，運(yùn)動速度為82km/h，向右前方直行；目標(biāo)4為小型貨車，運(yùn)動速度為80km/h，向右前方直 行。
[0051] 本系統(tǒng)對各目標(biāo)跟蹤效果的評判指標(biāo)主要有兩個：
[0052] (1)中也偏差距離
[0053] 計(jì)算跟蹤結(jié)果的目標(biāo)中也與實(shí)際位置（根據(jù)人工標(biāo)記得出實(shí)際位置）的距離差， 距離越小效果越好。
[0054] (2)目標(biāo)區(qū)域重合度
[00巧]計(jì)算跟蹤結(jié)果的目標(biāo)區(qū)域R和實(shí)際區(qū)域T (根據(jù)人工標(biāo)記得出實(shí)際區(qū)域）的重合 度，重合度越大效果越好，重合度計(jì)算公式為：
[0056] 艮nT的面巧 RuT的面積
[0057] 依據(jù)上述兩個評價指標(biāo)，本系統(tǒng)的多目標(biāo)跟蹤準(zhǔn)確率為97. 2%。
[0058] 綜上所述，本發(fā)明FMCW防碰撞雷達(dá)多目標(biāo)檢測與跟蹤方法，為汽車及有軌電車等 交通系統(tǒng)對高可靠性的防碰撞雷達(dá)多目標(biāo)檢測的應(yīng)用需求提供了有效的手段，可實(shí)時檢測 和跟蹤車輛前方多個目標(biāo)的距離、方位及速度信息，并設(shè)定危險(xiǎn)系數(shù)進(jìn)行預(yù)警信息提示。系 統(tǒng)工作可靠，具有簡單、快速、靈活、實(shí)時、直觀的特點(diǎn)，具有非常大的應(yīng)用價值和經(jīng)濟(jì)前景。
【權(quán)利要求】
1. 一種FMCW防碰撞雷達(dá)多目標(biāo)檢測與跟蹤系統(tǒng)，其特征在于：包括雷達(dá)陣列處理單 元、目標(biāo)檢測和估計(jì)單元、后處理單元和調(diào)試單元；所述雷達(dá)陣列處理單元與目標(biāo)檢測和估 計(jì)單元通過CAN總線接口連接，目標(biāo)檢測和估計(jì)單元與后處理單元通過RS422接口連接，調(diào) 試單元通過RS422接口與目標(biāo)檢測和估計(jì)單元雙向連接； 雷達(dá)信號經(jīng)模擬濾波、A/D采樣后將數(shù)據(jù)送雷達(dá)陣列處理單元，然后雷達(dá)陣列處理單元 將雷達(dá)檢測數(shù)據(jù)送至目標(biāo)檢測和估計(jì)單元，所述目標(biāo)檢測和估計(jì)單元將雷達(dá)陣列處理單元 發(fā)送過來的雷達(dá)檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行處理檢測出目標(biāo)運(yùn)動信息，目標(biāo)檢測和估計(jì)單元將需要跟蹤 的目標(biāo)運(yùn)動信息通過RS422串口發(fā)送給后處理單元用于直觀顯示和報(bào)警提醒；目標(biāo)檢測和 估計(jì)單元將目標(biāo)運(yùn)動信息通過RS422串口發(fā)送給調(diào)試單元，調(diào)試單元顯示多目標(biāo)的跟蹤結(jié) 果、預(yù)警信息、雷達(dá)原始數(shù)據(jù)信息、原始圖像信息，并給目標(biāo)檢測和估計(jì)單元發(fā)送啟動和關(guān) 閉指令。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的FMCW防碰撞雷達(dá)多目標(biāo)檢測與跟蹤系統(tǒng)，其特征在于：所述 雷達(dá)陣列處理單元中所采用的雷達(dá)采用FMCW體制，包括16個接收天線單元，每個接收天 線單元對應(yīng)一個通道，該雷達(dá)通過自混頻形成模擬I、Q信號，所述雷達(dá)陣列處理單元包括 順次連接的FMCW雷達(dá)天線、FMCW雷達(dá)波束控制模塊、濾波模塊、陣列處理模塊、系統(tǒng)校準(zhǔn)模 塊、數(shù)據(jù)解算模塊和收發(fā)模塊。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的FMCW防碰撞雷達(dá)多目標(biāo)檢測與跟蹤系統(tǒng)，其特征在于：所述 目標(biāo)檢測和估計(jì)單元采用的處理芯片為Freescale的I. MX6Q Cortex_A9芯片，系統(tǒng)上裝有 Linux操作系統(tǒng)，所述目標(biāo)檢測和估計(jì)單元包括順次連接的雷達(dá)數(shù)據(jù)接收模塊、目標(biāo)圖像 生成模塊、圖像去噪模塊、鳥瞰圖生成模塊、偽彩色圖生成模塊、圖像增強(qiáng)模塊、背景抑制模 塊、圖像分割模塊、多目標(biāo)跟蹤模塊、目標(biāo)運(yùn)動估計(jì)模塊、告警指令生成模塊。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的FMCW防碰撞雷達(dá)多目標(biāo)檢測與跟蹤系統(tǒng)，其特征在于：所述 后處理單元和調(diào)試單元均包括綜合顯示屏和語音告警模塊。
5. -種FMCW防碰撞雷達(dá)多目標(biāo)檢測與跟蹤方法，其特征在于，包括以下步驟： 步驟1，連接雷達(dá)陣列處理單元、目標(biāo)檢測和估計(jì)單元、后處理單元和調(diào)試單元，上電并 確定各分系統(tǒng)通訊正常； 步驟2,所述雷達(dá)陣列處理單元與目標(biāo)檢測和估計(jì)單元通過CAN總線接口連接，目標(biāo)檢 測和估計(jì)單元通過CAN總線接口接收FMCW雷達(dá)原始測量信息，以目標(biāo)方位角φ為橫坐標(biāo)、 目標(biāo)距離d為縱坐標(biāo)，以目標(biāo)回波強(qiáng)度e歸一化至[0, 255]為灰度值，對雷達(dá)原始測量信息 進(jìn)行成像，即可將雷達(dá)原始測量信息轉(zhuǎn)換為原始圖像信息； 步驟3,首先對原始圖像信息的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行信號濾波處理，采用基于多次中值抽取的 圖像雙邊濾波方法對原始圖像進(jìn)行濾波處理； 步驟4,設(shè)定灰度圖像的強(qiáng)度在彩色空間的不同位置，把灰度圖的各個不同灰度按照線 性映射函數(shù)變換成不同的彩色，將灰度圖像轉(zhuǎn)化為偽彩色圖像； 步驟5,采用直方圖均衡化算法對圖像中的目標(biāo)進(jìn)行增強(qiáng)； 步驟6,進(jìn)行背景提取，扣除由雷達(dá)積累的噪聲產(chǎn)生的有目標(biāo)回波的位置，對扣除后的 像素點(diǎn)的幅度求和，再除以參加統(tǒng)計(jì)的像素個數(shù)，然后將當(dāng)前的噪聲背景通過濾波算法估 計(jì)當(dāng)前的背景實(shí)測值，然后進(jìn)行減除處理； 步驟7,采用聯(lián)合概率加權(quán)凝聚算法對區(qū)域多散射點(diǎn)進(jìn)行凝聚； 步驟8,采用Meanshift算法對分割出來的點(diǎn)跡進(jìn)行跟蹤，對目標(biāo)進(jìn)行質(zhì)心估計(jì)即估計(jì) 已跟蹤目標(biāo)中心點(diǎn)的位置信息，提取出點(diǎn)跡的坐標(biāo)特性，然后對目標(biāo)進(jìn)行起始航跡計(jì)算、航 跡濾波和航跡估計(jì)，并上報(bào)目標(biāo)航跡監(jiān)測信息； 步驟9,實(shí)施過程中，目標(biāo)檢測和估計(jì)單元將需要跟蹤的目標(biāo)運(yùn)動信息通過RS422串 口發(fā)送給后處理單元用于直觀顯示和報(bào)警提醒；目標(biāo)檢測和估計(jì)單元將目標(biāo)運(yùn)動信息通過 RS422串口發(fā)送給調(diào)試單元，調(diào)試單元顯示多目標(biāo)的跟蹤結(jié)果、預(yù)警信息、雷達(dá)原始數(shù)據(jù)信 息、原始圖像信息，并給目標(biāo)檢測和估計(jì)單元發(fā)送啟動和關(guān)閉指令。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的FMCW防碰撞雷達(dá)多目標(biāo)檢測與跟蹤方法，其特征在于，步驟 3中所述的圖像雙邊濾波方法由兩個函數(shù)構(gòu)成，一個函數(shù)是由幾何空間距離決定濾波器系 數(shù)，另外一個由像素差決定濾波器系數(shù)，具體公式為： h (x) = k_1 / / f ( ξ ) c ( ξ -x) s (f ( ξ ) -f (x)) d ξ (I) 其中，h(x)和χ分別為濾波后和濾波前對應(yīng)點(diǎn)的灰度值，c表示中心點(diǎn)與其鄰域內(nèi)點(diǎn)的 空間相似度，s表示中心點(diǎn)與其鄰域內(nèi)點(diǎn)的灰度相似度，k為歸一化系數(shù)，其表達(dá)式為： k (x) = / / c ( ξ -x) s (f ( ξ ) -f (x)) d ξ (2) 在實(shí)現(xiàn)過程中，c和s函數(shù)均可用高斯函數(shù)實(shí)現(xiàn)，定義如下： c(g-x)-=e:，' (3) l([/(;)--/(.v)|)： s(f(g)-f (χ)) 2 (4) 其中，〇 d為幾何測度擴(kuò)散標(biāo)準(zhǔn)差，σr為灰度測度擴(kuò)散標(biāo)準(zhǔn)差，f(X)為當(dāng)前中心點(diǎn)X的 灰度值，f(ξ)為X的鄰近點(diǎn)ξ的灰度值。
7. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的FMCW防碰撞雷達(dá)多目標(biāo)檢測與跟蹤方法，其特征在于，步驟 8中所述的目標(biāo)航跡監(jiān)測信息包括目標(biāo)數(shù)目、目標(biāo)編號、目標(biāo)距離、目標(biāo)速度、目標(biāo)方位和危 險(xiǎn)級別。
【文檔編號】G06T7/20GK104237881SQ201410490440
【公開日】2014年12月24日 申請日期:2014年9月23日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月23日
【發(fā)明者】白宏陽, 楊健, 徐慧琳, 高以成, 陳亮, 熊舒望, 陳俊, 任思超 申請人:南京理工大學(xué)