一种基于雷达的目标对象三维点云生成方法及装置
阅读说明：本技术 一种基于雷达的目标对象三维点云生成方法及装置 (Target object three-dimensional point cloud generation method and device based on radar ) 是由 程毅 李彦龙 秦屹 王彬 刘志贤 陈红伟 成云丽 张晓飞 刘子华 于 2020-06-05 设计创作，主要内容包括：本申请公开了一种基于雷达的目标对象三维点云生成方法及装置,通过雷达发送啁啾信号,接收啁啾回波并进行采样和傅里叶变换获得第二数据矩阵,基于第二数据矩阵进行方位CAPON波束形成获得第三数据矩阵,通过恒虚警检测对第三数据矩阵中的数据进行计算确定各目标点；针对每个目标点,基于雷达最大观测方位角以及目标点坐标计算获得各目标点的方位角,对第二数据矩阵中与各目标点相对应的数据进行CAPON波束形成,计算获得各目标点的俯仰角,从而生成各目标点的三维点云。相对于传统方案,本申请提供的技术方案能够生成目标点的三维点云,从而有利于实现更精准的定位。(The application discloses a target object three-dimensional point cloud generating method and device based on a radar, wherein a chirp signal is sent by the radar, a chirp echo is received, sampling and Fourier transformation are carried out to obtain a second data matrix, azimuth CAPON beam forming is carried out based on the second data matrix to obtain a third data matrix, and data in the third data matrix are calculated through constant false alarm rate detection to determine each target point; and aiming at each target point, calculating to obtain the azimuth angle of each target point based on the maximum observation azimuth angle of the radar and the coordinates of the target point, performing CAPON beam forming on data corresponding to each target point in the second data matrix, and calculating to obtain the pitch angle of each target point so as to generate the three-dimensional point cloud of each target point. Compared with the traditional scheme, the technical scheme provided by the application can generate the three-dimensional point cloud of the target point, so that more accurate positioning can be realized.)
技术领域
本申请涉及雷达探测领域，特别是涉及一种基于雷达的目标对象三维点云生成方法及装置。
背景技术
随着信息时代的发展，各行各业对空间数据的需求日益增长，常规的数据获取方式和数据处理模式已经不能满足信息化需求。
现有技术中，在测绘、成员检测、成员定位等领域中，传统的雷达检测或雷达定位技术一般基于二维快速傅里叶变换(FFT，fast Fourier transform)或一维CAPON算法。但这些方法存在无法生成三维点云的问题，因而造成数据准确率较低，无法精准定位，应用场景有限，越来越无法满足信息时代对空间数据的要求。
发明内容
本申请提供一种基于雷达的目标对象三维点云生成方法及装置，有利于实现更精准的定位。
为了实现上述技术效果，本申请第一方面提供一种基于雷达的目标对象三维点云生成方法，包括：
依次触发雷达的Nt个发射天线发射啁啾信号，其中，上述发射天线包括方位发射天线，上述方位发射天线的高度与预设参考天线一致；
对上述雷达的各个接收天线接收到的啁啾回波进行ADC采样处理，得到维度为Ns*Nc*Nra的第一数据矩阵，其中，上述Nra等于Nt*Nr，上述Ns为上述ADC采样处理的采样点数，上述Nc为上述Nt个发射天线发射的啁啾信号总数，上述Nr为上述雷达用以接收上述啁啾回波的接收天线总数；
对上述第一数据矩阵中的数据进行快速傅里叶变换，得到维度为Nrange_fft*Nc*Nra的第二数据矩阵，其中上述Nrange_fft为快速傅里叶变换点数；
基于预设的方位维点数Nazi以及上述第二数据矩阵进行方位CAPON波束形成，获得维度为Nrange_fft*Nazi的第三数据矩阵，其中，上述方位CAPON波束形成为基于CAPON算法对上述第二数据矩阵中与上述方位发射天线发射的啁啾信号对应的数据进行波束形成；
分别基于上述第三数据矩阵的行数据和列数据进行恒虚警检测，获得Nd个目标点；
针对每个目标点，基于上述雷达的最大观测方位角以及上述相应目标点的坐标计算相应目标点的方位角，获得上述各个目标点的方位角；
针对每个目标点，基于上述第二数据矩阵中与相应目标点对应的数据进行CAPON波束形成，并基于预设的俯仰维点数计算相应目标点的俯仰角，获得上述各个目标点的俯仰角；
分别基于上述各目标点的坐标、方位角以及俯仰角，生成上述各目标点的三维点云。
可选的，上述分别基于上述各目标点的坐标、方位角以及俯仰角，生成上述各目标点的三维点云包括：
分别基于上述各目标点的坐标计算上述各目标点相对于上述雷达的距离；
分别基于上述各目标点的方位角、俯仰角以及上述各目标点相对于上述雷达的距离，生成上述各目标点相对于上述雷达的三维点云。
可选的，上述三维点云还包括：相应目标点的速度信息；
在获得上述各目标点的俯仰角之后还包括：
分别计算上述各个目标点的波束形成系数；
针对每个目标点，基于相应目标点的波束形成系数对上述第二数据矩阵中的与相应目标点对应的数据进行波束形成，获得与相应目标点对应的波束向量；
分别对各个目标点的波束向量进行快速傅里叶变换，获得上述各个目标点对应的多普勒谱；
针对每个目标点，基于相应目标点对应的多普勒谱中幅度最大值点，计算相应目标点的速度；
上述分别基于上述各目标点的坐标、方位角以及俯仰角，生成上述各目标点的三维点云具体为：分别基于上述各目标点的坐标、方位角、俯仰角以及速度，生成上述各目标点的三维点云。
可选的，上述基于预设的方位维点数Nazi以及上述第二数据矩阵进行方位CAPON波束形成之前还包括：对上述第二数据矩阵进行固定杂波抑制；
上述基于预设的方位维点数Nazi以及上述第二数据矩阵进行方位CAPON波束形成具体为：
基于预设的方位维点数Nazi以及固定杂波抑制后的第二数据矩阵进行方位CAPON波束形成。
本申请第二方面提供一种基于雷达的目标对象三维点云生成装置，包括：
信号发送模块，用于依次触发雷达的Nt个发射天线发射啁啾信号，其中，上述发射天线包括方位发射天线，上述方位发射天线的高度与预设参考天线一致；
回波采样模块，用于对上述雷达的各个接收天线接收到的啁啾回波进行ADC采样处理，得到维度为Ns*Nc*Nra的第一数据矩阵，其中，上述Nra＝Nt*Nr，上述Ns为上述ADC采样处理的采样点数，上述Nc为上述Nt个发射天线发射的啁啾信号总数，上述Nr为上述雷达用以接收上述啁啾回波的接收天线总数；
数据处理模块，用于对上述第一数据矩阵中的数据进行快速傅里叶变换，得到维度为Nrange_fft*Nc*Nra的第二数据矩阵，其中上述Nrange_fft为快速傅里叶变换点数；
方位波束形成模块，用于基于预设的方位维点数Nazi以及上述第二数据矩阵进行方位CAPON波束形成，获得维度为Nrange_fft*Nazi的第三数据矩阵，其中，上述方位CAPON波束形成为基于CAPON算法对上述第二数据矩阵中与上述方位发射天线发射的啁啾信号对应的数据进行波束形成；
恒虚警检测模块，用于分别基于上述第三数据矩阵的行数据和列数据进行恒虚警检测，获得Nd个目标点；
方位角计算模块，用于针对每个目标点，基于上述雷达的最大观测方位角以及上述相应目标点的坐标计算相应目标点的方位角，获得上述各个目标点的方位角；
俯仰角计算模块，用于针对每个目标点，基于上述第二数据矩阵中与相应目标点对应的数据进行CAPON波束形成，并基于预设的俯仰维点数计算相应目标点的俯仰角，获得上述各个目标点的俯仰角；
三维点云生成模块，用于分别基于上述各目标点的坐标、方位角以及俯仰角，生成上述各目标点的三维点云。
可选的，上述三维点云生成模块具体用于：
分别基于上述各目标点的坐标计算上述各目标点相对于上述雷达的距离；
分别基于上述各目标点的方位角、俯仰角以及上述各目标点相对于上述雷达的距离，生成上述各目标点相对于上述雷达的三维点云。
可选的，上述三维点云还包括：相应目标点的速度信息；
上述基于雷达的目标对象三维点云生成装置还包括：
速度计算模块，用于分别计算上述各个目标点的波束形成系数；
针对每个目标点，基于相应目标点的波束形成系数对上述第二数据矩阵中的与相应目标点对应的数据进行波束形成，获得与相应目标点对应的波束向量；
分别对各个目标点的波束向量进行快速傅里叶变换，获得上述各个目标点对应的多普勒谱；
针对每个目标点，基于相应目标点对应的多普勒谱中幅度最大值点，计算相应目标点的速度；
上述三维点云生成模块具体用于：分别基于上述各目标点的坐标、方位角、俯仰角以及速度，生成上述各目标点的三维点云。
可选的，上述目标对象三维点云生成装置还包括：杂波抑制模块，用于对上述第二数据矩阵进行固定杂波抑制；
上述方位波束形成模块具体用于：
基于预设的方位维点数Nazi以及固定杂波抑制后的第二数据矩阵进行方位CAPON波束形成。
本申请第三方面提供了一种计算机设备，包括存储器和处理器，上述存储器存储有软件程序，上述处理器执行上述软件程序时实现上述基于雷达的目标对象三维点云生成方法的步骤。
本申请第四方面提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，上述计算机程序被处理器执行时实现上述基于雷达的目标对象三维点云生成方法的步骤。
由上可见，本申请通过雷达发送啁啾信号，接收啁啾回波并进行采样和傅里叶变换获得第二数据矩阵，基于第二数据矩阵进行方位CAPON波束形成获得第三数据矩阵，通过恒虚警检测对第三数据矩阵中的数据进行计算确定各目标点；针对每个目标点，基于雷达最大观测方位角以及目标点坐标计算获得各目标点的方位角，对第二数据矩阵中与各目标点相对应的数据进行CAPON波束形成，计算获得各目标点的俯仰角，从而生成各目标点的三维点云。由于本方案通过恒虚警检测确定各目标点，基于雷达最大观测方位角以及目标点坐标计算获得各目标点的方位角，对第二数据矩阵中与各目标点相对应的数据进行CAPON波束形成，计算获得各目标点的俯仰角，从而可基于目标点的俯仰角、方位角以及坐标生成目标点的三维点云，而目标点的三维点云能够提供目标点更多维度的信息，有利于实现更精准的定位。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1是本申请实施例提供的一种基于雷达的目标对象三维点云生成方法的流程图；
图2是本申请实施例提供的发射天线示意图；
图3是本申请实施例提供的一种基于雷达的目标对象三维点云生成装置的示意图。
具体实施方式
以下描述中，为了说明而不是为了限定，提出了诸如特定系统结构、技术之类的具体细节，以便透彻理解本申请实施例。然而，本领域的技术人员应当清楚，在没有这些具体细节的其它实施例中也可以实现本申请。在其它情况下，省略对众所周知的系统、装置、电路以及方法的详细说明，以免不必要的细节妨碍本申请的描述。
应当理解，当在本说明书和所附权利要求书中使用时，术语“包括”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。
还应当理解，在本申请说明书中所使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的而并不意在限制本申请。如在本申请说明书和所附权利要求书中所使用的那样，除非上下文清楚地指明其它情况，否则单数形式的“一”、“一个”及“该”意在包括复数形式。
还应当进一步理解，在本申请说明书和所附权利要求书中使用的术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。
如在本说明书和所附权利要求书中所使用的那样，术语“如果”可以依据上下文被解释为“当…时”或“一旦”或“响应于确定”或“响应于检测到”。类似的，短语“如果确定”或“如果检测到[所描述条件或事件]”可以依据上下文被解释为意指“一旦确定”或“响应于确定”或“一旦检测到[所描述的条件或事件]”或“[响应于检测到[所描述条件或事件]”。
下面结合本申请实施例的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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它实施例，都属于本申请保护的范围。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本申请，但是本申请还可以采用其它不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本申请内涵的情况下做类似推广，因此本申请不受下面公开的具体实施例的限制。
本申请实施例第一方面提供一种基于雷达的目标对象三维点云生成方法，图1示出了本申请实施例提供的一种基于雷达的目标对象三维点云生成方法的具体流程，参照图1详述如下：
步骤101，依次触发雷达的Nt个发射天线发射啁啾信号；
其中，上述发射天线包括方位发射天线，上述方位发射天线的高度与预设参考天线一致。
图2示出了本申请实施例提供的一种发射天线示意图，如图2所示，上述发射天线包括方位发射天线201和俯仰发射天线202，其中与预设的参考天线201的高度相同的天线为方位发射天线201(参考天线本身也作为一个方位发射天线)，与预设的参考天线201高度不同的天线为俯仰发射天线202。上述Nt个发射天线中包括Nta个方位发射天线201和Ntb个俯仰发射天线202，其中Ntb＝Nt-Nta；且上述方位发射天线201的编号为1，2，···，Nta，上述俯仰发射天线202的编号为Nta+1，Nta+2，···，Nt。
本申请实施例中，按照编号依次触发上述方位发射天线201和上述俯仰发射天线202，上述方位发射天线201和上述俯仰发射天线202依次发射单个啁啾信号。
步骤102，对上述雷达的各个接收天线接收到的啁啾回波进行ADC采样处理，得到第一数据矩阵；
其中，上述第一数据矩阵的维度为Ns*Nc*Nra。
其中，上述Nra＝Nt*Nr，上述Ns为上述ADC采样处理的采样点数，上述Nc为上述Nt个发射天线发射的啁啾信号总数，上述Nr为上述雷达用以接收上述啁啾回波的接收天线总数。
本实施例中，在上述每个发射天线发射啁啾信号时，所有的Nr个接收天线同时接收啁啾回波，并对上述啁啾回波进行ADC采样，每个啁啾回波的采样点数为Ns。将第一个发射天线(即编号为1的发射天线)发射时，Nr个接收天线接收的啁啾回波编号记为1，2，···，Nr；第二个发射天线(即编号为2的发射天线)发射时，Nr个接收天线接收的啁啾回波编号记为Nr+1，Nr+2，···，2Nr；以此类推。当上述Nt个发射天线依次发射完啁啾信号后，一共等效有Nt*Nr个等效接收天线接收到信号，定义上述等效接收天线的个数为Nra，其中Nra＝Nt*Nr。同时，上述方位发射天线201发射啁啾信号时，接收啁啾回波的等效接收天线为等效方位接收天线，上述俯仰发射天线202发射啁啾信号时，接收啁啾回波的等效接收天线为等效俯仰接收天线。其中，上述等效方位接收天线的个数为Na＝Nta*Nr。按照上述接收天线接收的啁啾回波编号对啁啾回波进行排列以及ADC采样，在上述发射天线发射完Nc个啁啾信号后，获得维度为Ns*Nc*Nra的第一数据矩阵。
可选的，上述啁啾回波的编号和排列还可以有其它方式，在此不做具体限定。
步骤103，对上述第一数据矩阵中的数据进行快速傅里叶变换，得到第二数据矩阵；
其中，上述第二数据矩阵的维度为Nrange_fft*Nc*Nra。
其中，上述Nrange_fft为快速傅里叶变换点数。本实施例中，记上述第二数据矩阵为Xncr，其中，n＝1，2，···，Nrange_fft，c＝1，2，···，Nc，r＝1，2，···，Nra，定义上述n为上述第二数据矩阵Xncr的第一维索引，定义上述r为上述第二数据矩阵Xncr的第二维索引。
步骤104，基于预设的方位维点数以及上述第二数据矩阵进行方位CAPON波束形成，获得第三数据矩阵；
其中，上述预设的方位维点数为Nazi，上述第三数据矩阵的维度为Nrange_fft*Nazi。
其中，上述方位CAPON波束形成为基于CAPON算法对上述第二数据矩阵Xncr中与上述方位发射天线发射的啁啾信号对应的数据进行波束形成。
可选的，将上述第二数据矩阵Xncr中的数据进行编号，将与上述Na个等效方位接收天线接收的啁啾回波相对应的数据的第二维索引r的编号设置为1，2，···，Na。通过第一公式计算上述第二数据矩阵Xncr中与等效方位接收天线接收的数据对应的协方差矩阵，其中，上述第一公式为：
其中，Rn为上述第二数据矩阵Xncr中与等效方位接收天线接收的数据对应的协方差矩阵，r＝1，2,···，Na，n＝1，2，···，Nrange_fft。
通过第二公式计算相邻两个上述接收天线间接收的啁啾回波的相位差μa，其中，上述第二公式为：
其中，a＝1，2，···，Nazi，Nazi为预设的方位维点数，与雷达的方位向视场角有关，当雷达的方位向视场角为[-θmax，θmax]时，Nazi＝2·θmax+1，θmax是雷达的最大观测方位角；a为每一个方位维点对应的方位索引，具体的，将雷达的方位向视场角分割为Nazi个方位维点，a为上述Nazi个方位维点对应的方位索引；θa为第a个方位维点对应的方位角，θa＝-θmax+a-1；d为等距离排列的接收天线之间的间距；λ为雷达发射电磁波的波长。
通过第三公式计算上述Na个等效方位接收天线在方位角θa方向上的导向矢量αa，其中上述第三公式为：
通过第四公式计算获得各数据点的回波幅度Pna，其中，上述第四公式为：
其中，n＝1，2，···，Nrange_fft；a＝1，2，···，Nazi，上述所有Pna组成维度为Nrange_fft*Nazi的第三数据矩阵P。
可选的，上述基于预设的方位维点数Nazi以及上述第二数据矩阵进行方位CAPON波束形成之前还包括：对上述第二数据矩阵Xncr进行固定杂波抑制；上述基于预设的方位维点数Nazi以及上述第二数据矩阵Xncr进行方位CAPON波束形成具体为：基于预设的方位维点数Nazi以及固定杂波抑制后的第二数据矩阵Xncr进行方位CAPON波束形成。
本实施例中，通过第五公式所示的计算方法进行固定杂波抑制，其中，上述第五公式为：
其中，n＝1，2，···，Nrange_fft，r＝1，2，···，Nra。
步骤105，分别基于上述第三数据矩阵的行数据和列数据进行恒虚警检测，获得Nd个目标点。
在一种应用场景中，先令n＝1，2，···，Nrange_fft，基于上述第三数据矩阵P的每一列的列数据进行恒虚警检测，得到每一列上的列目标点，其中，第k个列目标点的坐标为(rk,ak)；对于第k个列目标点，分别对第三数据矩阵P中对应的行数据进行恒虚警检测获得行目标点，如果获得的行目标点的横坐标与上述列目标点的横坐标相同，则确定上述第k点位恒虚警检测的目标点，即目标对象所在点；对上述所有列目标点都计算行目标点坐标并进行比较，最终获得Nd个目标点(rm,am)，其中m＝1，2，···，Nd。
在另一种应用场景中，可以先基于上述第三数据矩阵P的每一行的行数据进行恒虚警检测，得到每一行上的行目标点，再对与行目标点对应的列数据进行计算，获得列目标点并最终比较获得恒虚警检测的目标点，在此不做具体限制。
步骤106，针对每个目标点，基于上述雷达的最大观测方位角以及上述相应目标点的坐标计算相应目标点的方位角，获得上述各个目标点的方位角。
具体的，通过第六公式计算第m个目标点(rm,am)的方位角θm，其中，上述第六公式为：
θm＝-θmax+am-1
其中，m＝1，2，···，Nd，θm为第m个目标点的方位角，θmax为上述雷达的最大观测方位角。
步骤107，针对每个目标点，基于上述第二数据矩阵中与相应目标点对应的数据进行CAPON波束形成，并基于预设的俯仰维点数计算相应目标点的俯仰角，获得上述各个目标点的俯仰角。
可选的，基于预设的俯仰维点数Nele，通过第七公式计算相邻的两个上述等效方位接收天线间接收信号的相位差μm,i和相邻的两个上述等效俯仰接收天线间接收信号的相位差υi，其中，上述第七公式为：
其中，i＝1，2，···，Nele，俯仰维点数Nele与上述雷达俯仰向的视场角有关，放上述雷达俯仰向的视场角为时，
分别计算每个恒虚警检测点对应的上述Nra个等效接收天线在俯仰角
其中，
通过第九公式计算获得上述第m个目标点对应的俯仰功率谱，其中，上述第九公式为：
其中，Pm,i是一个1×Nele的向量，对应上述第m个目标点的俯仰功率谱。
获得上述第m个目标点的俯仰功率谱Pm,i中幅度最大值点对应的俯仰维索引imaxm，通过第十公式获得第m个目标点的俯仰角度
步骤108，分别基于上述各目标点的坐标、方位角以及俯仰角，生成上述各目标点的三维点云。
可选的，上述分别基于上述各目标点的坐标、方位角以及俯仰角，生成上述各目标点的三维点云包括：分别基于上述各目标点的坐标计算上述各目标点相对于上述雷达的距离；分别基于上述各目标点的方位角、俯仰角以及上述各目标点相对于上述雷达的距离，生成上述各目标点相对于上述雷达的三维点云。
本实施例中，对于第m个目标点，其恒虚警检测坐标为(rm,am)；根据其恒虚警检测坐标(rm,am)，通过第十一公式计算获得上述第m个目标点相对于雷达的距离，其中，上述第十一公式为：
rangem＝(rm-1)·dr
通过第十二公式计算获得上述第m个目标点相对于雷达的三维坐标，其中上述第十二公式为：
基于上述第m个目标点相对于雷达的三维坐标生产上述第m个目标点的三维点云信息(xm,ym,zm)并输出。
可选的，上述三维点云还包括：相应目标点的速度信息；在获得上述各目标点的俯仰角之后还包括：分别计算上述各个目标点的波束形成系数；针对每个目标点，基于相应目标点的波束形成系数对上述第二数据矩阵中的与相应目标点对应的数据进行波束形成，获得与相应目标点对应的波束向量；分别对各个目标点的波束向量进行快速傅里叶变换，获得上述各个目标点对应的多普勒谱；针对每个目标点，基于相应目标点对应的多普勒谱中幅度最大值点，计算相应目标点的速度；上述分别基于上述各目标点的坐标、方位角以及俯仰角，生成上述各目标点的三维点云具体为：分别基于上述各目标点的坐标、方位角、俯仰角以及速度，生成上述各目标点的三维点云。
本实施例中，对于第m个目标点，通过第十三公式计算获得上述Nra个等效接收天线在方位角θm、俯仰角上的导向矢量αm，其中，上述第十三公式为：
其中，
通过第十四公式计算获得上述第m个目标点对应的波束形成系数，其中，上述第十四公式为：
其中，上述第m个目标点的波束形成系数wm是一个Nra×1的向量。
对于第m个目标点，基于上述波束形成系数wm对上述第二数据矩阵Xncr中与上述第m个目标点对应的数据进行波束形成，通过第十五公式计算获得上述第m个点对应的波束向量，其中，上述第十五公式为：
Xbf＝Xkcr×wm
其中，r＝1，2，···，Nra；c＝1，2，···，Nc；k＝rm，为上述第m个目标点的恒虚警检测横坐标；Xbf是Nc×1维向量。
对于第m个目标点，对上述波束向量Xbf进行快速傅里叶变换，获得上述第m个目标点对应的多普勒谱，并获得上述第m个目标点对应的多普勒谱中幅度最大值所在的点，记为第m个目标点对应的幅度最大值点dm，并通过第十六公式计算上述第m个目标点的速度，其中，上述第十六公式为：
velocitym＝(dm-1)·dv
基于上述第m个目标点的坐标(rm,am)、方位角θm、俯仰角以及速度dm生成上述第m个目标点的三维点云。具体的，通过上述第十二公式计算第m个目标点相对于雷达的三维坐标，并结合上述第m个目标点的速度dm获得包含目标点速度和三维坐标的上述第m个目标点的三维点云[velocitym,xm,ym,zm]。
可选的，还可以将上述第m个点的距离rangem、方位角θm和俯仰角
上述计算过程以第m个目标点为例，实际上需要对所有的Nd个目标点进行计算。可选的，可以直接同时对所有的Nd个目标点进行计算，也可以令m＝1，2，···，Nd，依次循环进行计算，直到所有的Nd个目标点都计算完毕。
可选的，上述雷达为毫米波雷达，本实施例中，上述雷达为60GHz多入多出毫米波雷达。
由上可见，本申请实施例提供的基于雷达的目标对象三维点云生成方法，通过雷达发送啁啾信号，接收啁啾回波并进行采样和傅里叶变换获得第二数据矩阵，基于第二数据矩阵进行方位CAPON波束形成获得第三数据矩阵，通过恒虚警检测对第三数据矩阵中的数据进行计算确定各目标点；针对每个目标点，基于雷达最大观测方位角以及目标点坐标计算获得各目标点的方位角，对第二数据矩阵中与各目标点相对应的数据进行CAPON波束形成，计算获得各目标点的俯仰角，从而生成各目标点的三维点云。由于本方案通过恒虚警检测确定各目标点，基于雷达最大观测方位角以及目标点坐标计算获得各目标点的方位角，对第二数据矩阵中与各目标点相对应的数据进行CAPON波束形成，计算获得各目标点的俯仰角，从而可基于目标点的俯仰角、方位角以及坐标生成目标点的三维点云，而目标点的三维点云能够提供目标点更多维度的信息，有利于实现更精准的定位。
对应于基于雷达的目标对象三维点云生成方法，本申请实施例还提供一种基于雷达的目标对象三维点云生成装置，如图3所示，上述基于雷达的目标对象三维点云生成装置包括：
信号发送模块301，用于依次触发雷达的Nt个发射天线发射啁啾信号，其中，上述发射天线包括方位发射天线，上述方位发射天线的高度与预设参考天线一致。
可选的，上述发射天线包括方位发射天线和俯仰发射天线，其中与预设的参考天线的高度相同的天线为方位发射天线(参考天线本身也作为一个方位发射天线)，与预设的参考天线高度不同的天线为俯仰发射天线。上述Nt个发射天线中包括Nta个方位发射天线和Ntb个俯仰发射天线，其中Ntb＝Nt-Nta；且上述方位发射天线的编号为1，2，···，Nta，上述俯仰发射天线的编号为Nta+1，Nta+2，···，Nt。
本申请实施例中，按照编号依次触发上述方位发射天线和上述俯仰发射天线，上述方位发射天线和上述俯仰发射天线依次发射单个啁啾信号。
回波采样模块302，对上述雷达的各个接收天线接收到的啁啾回波进行ADC采样处理，得到维度为Ns*Nc*Nra的第一数据矩阵。
其中，上述Nra＝Nt*Nr，上述Ns为上述ADC采样处理的采样点数，上述Nc为上述Nt个发射天线发射的啁啾信号总数，上述Nr为上述雷达用以接收上述啁啾回波的接收天线总数。
本实施例中，在上述每个发射天线发射啁啾信号时，所有的Nr个接收天线同时接收啁啾回波，并对上述啁啾回波进行ADC采样，每个啁啾回波的采样点数为Ns。将第一个发射天线(即编号为1的发射天线)发射时，Nr个接收天线接收的啁啾回波编号记为1，2，···，Nr；第二个发射天线(即编号为2的发射天线)发射时，Nr个接收天线接收的啁啾回波编号记为Nr+1，Nr+2，···，2Nr；以此类推。当上述Nt个发射天线依次发射完啁啾信号后，一共等效有Nt*Nr个等效接收天线接收到信号，定义上述等效接收天线的个数为Nra，其中Nra＝Nt*Nr。同时，上述方位发射天线发射啁啾信号时，接收啁啾回波的等效接收天线为等效方位接收天线，上述俯仰发射天线发射啁啾信号时，接收啁啾回波的等效接收天线为等效俯仰接收天线。其中，上述等效方位接收天线的个数为Na＝Nta*Nr。按照上述接收天线接收的啁啾回波编号对啁啾回波进行排列以及ADC采样，在上述发射天线发射完Nc个啁啾信号后，获得维度为Ns*Nc*Nra的第一数据矩阵。
可选的，上述啁啾回波的编号和排列还可以有其它方式，在此不做具体限定。
数据处理模块303，用于对上述第一数据矩阵中的数据进行快速傅里叶变换，得到维度为Nrange_fft*Nc*Nra的第二数据矩阵。
其中，上述Nrange_fft为快速傅里叶变换点数。本实施例中，记上述第二数据矩阵为Xncr，其中，n＝1，2，···，Nrange_fft，c＝1，2···，Nc，r＝1，2，···，Nra，定义上述n为上述第二数据矩阵Xncr的第一维索引，定义上述r为上述第二数据矩阵Xncr的第二维索引。
方位波束形成模块304，用于基于预设的方位维点数Nazi以及上述第二数据矩阵进行方位CAPON波束形成，获得维度为Nrange_fft*Nazi的第三数据矩阵。
其中，上述方位CAPON波束形成为基于CAPON算法对上述第二数据矩阵Xncr中与上述方位发射天线发射的啁啾信号对应的数据进行波束形成。
可选的，将上述第二数据矩阵Xncr中的数据进行编号，将与上述Na个等效方位接收天线接收的啁啾回波相对应的数据的第二维索引r的编号设置为1，2，···，Na。通过第十七公式计算上述第二数据矩阵Xncr中与等效方位接收天线接收的数据对应的协方差矩阵，其中，上述第十七公式为：
其中，Rn为上述第二数据矩阵Xncr中与等效方位接收天线接收的数据对应的协方差矩阵，r＝1，2，···，Na，n＝1，2，···，Nrange_fft。
通过第十八公式计算相邻两个上述接收天线间接收的啁啾回波的相位差μa，其中，上述第十八公式为：
其中，a＝1，2···Nazi，Nazi为预设的方位维点数，与雷达的方位向视场角有关，当雷达的方位向视场角为[-θmax，θmax]时，Nazi＝2·θmax+1，θmax是雷达的最大观测方位角；a为每一个方位维点对应的方位索引，具体的，将雷达的方位向视场角分割为Nazi个方位维点，a为上述Nazi个方位维点对应的方位索引；θa为第a个方位维点对应的方位角，θa＝-θmax+a-1；d为等距离排列的接收天线之间的间距；λ为雷达发射电磁波的波长。
通过第十九公式计算上述Na个等效方位接收天线在方位角θa方向上的导向矢量αa，其中，上述第十九公式为：
通过第二十公式计算获得各数据点的回波幅度Pna，其中，上述第二十公式为：
其中，n＝1，2，···，Nrange_fft；a＝1，2，···，Nazi，上述所有Pna组成维度为Nrange_fft*Nazi的第三数据矩阵P。
可选的，上述目标对象三维点云生成装置还包括：杂波抑制模块(图中未示出)，用于对上述第二数据矩阵Xncr进行固定杂波抑制；上述方位波束形成模块具体用于：基于预设的方位维点数Nazi以及固定杂波抑制后的第二数据矩阵Xncr进行方位CAPON波束形成。
本实施例中，通过第二十一公式所示的计算方法进行固定杂波抑制，其中，上述第二十一公式为：
其中，n＝1，2，···，Nrange_fft，r＝1，2，···，Nra。
恒虚警检测模块305，用于分别基于上述第三数据矩阵P的行数据和列数据进行恒虚警检测，获得Nd个目标点。
在一种应用场景中，先令n＝1，2，···，Nrange_fft，基于上述第三数据矩阵P的每一列的列数据进行恒虚警检测，得到每一列上的列目标点，其中，第k个列目标点的坐标为(rk,ak)；对于第k个列目标点，分别对第三数据矩阵P中对应的行数据进行恒虚警检测获得行目标点，如果获得的行目标点的横坐标与上述列目标点的横坐标相同，则确定上述第k点位恒虚警检测的目标点，即目标对象所在点；对上述所有列目标点都计算行目标点坐标并进行比较，最终获得Nd个目标点(rm,am)，其中m＝1，2，···，Nd。
在另一种应用场景中，可以先基于上述第三数据矩阵P的每一行的行数据进行恒虚警检测，得到每一行上的行目标点，再对与行目标点对应的列数据进行计算，获得列目标点并最终比较获得恒虚警检测的目标点，在此不做具体限制。
方位角计算模块306，用于针对每个目标点，基于上述雷达的最大观测方位角以及上述相应目标点的坐标计算相应目标点的方位角，获得上述各个目标点的方位角，
具体的，通过第二十二公式计算第m个目标点(rm,am)的方位角θm，其中，上述第二十二公式为：
θm＝-θmax+am-1
其中，m＝1，2，···，Nd，θm为第m个目标点的方位角，θmax为上述雷达的最大观测方位角。
俯仰角计算模块307，用于针对每个目标点，基于上述第二数据矩阵中与相应目标点对应的数据进行CAPON波束形成，并基于预设的俯仰维点数计算相应目标点的俯仰角，获得上述各个目标点的俯仰角。
可选的，基于预设的俯仰维点数Nele，通过第二十三公式计算相邻的两个上述等效方位接收天线间接收信号的相位差μm,i和相邻的两个上述等效俯仰接收天线间接收信号的相位差υi，其中，上述第二十三公式为：
其中，i＝1，2，···，Nele，俯仰维点数Nele与上述雷达俯仰向的视场角有关，放上述雷达俯仰向的视场角为
分别计算每个恒虚警检测点对应的上述Nra个等效接收天线在俯仰角
其中，
通过第二十五公式计算获得上述第m个目标点对应的俯仰功率谱，其中，上述第二十五公式为：
其中，Pm,i是一个1×Nele的向量，对应上述第m个目标点的俯仰功率谱。
获得上述第m个目标点的俯仰功率谱Pm,i中幅度最大值点对应的俯仰维索引imaxm，通过第二十六公式获得第m个目标点的俯仰角度
三维点云生成模块308，用于分别基于上述各目标点的坐标、方位角以及俯仰角，生成上述各目标点的三维点云。
可选的，上述三维点云生成模块308具体用于：分别基于上述各目标点的坐标计算上述各目标点相对于上述雷达的距离；分别基于上述各目标点的方位角、俯仰角以及上述各目标点相对于上述雷达的距离，生成上述各目标点相对于上述雷达的三维点云。
本实施例中，对于第m个目标点，其恒虚警检测坐标为(rm,am)；根据其恒虚警检测坐标(rm,am)，通过第二十七公式计算获得上述第m个目标点相对于雷达的距离，其中，上述第二十七公式为：
rangem＝(rm-1)·dr
通过第二十八公式计算获得上述第m个目标点相对于雷达的三维坐标，其中，上述第二十八公式为：
基于上述第m个目标点相对于雷达的三维坐标生产上述第m个目标点的三维点云信息(xm,ym,zm)并输出。
可选的，上述三维点云还包括：相应目标点的速度信息；上述基于雷达的目标对象三维点云生成装置还包括：
速度计算模块(图中未示出)，用于分别计算上述各个目标点的波束形成系数；针对每个目标点，基于相应目标点的波束形成系数对上述第二数据矩阵中的与相应目标点对应的数据进行波束形成，获得与相应目标点对应的波束向量；分别对各个目标点的波束向量进行快速傅里叶变换，获得上述各个目标点对应的多普勒谱；针对每个目标点，基于相应目标点对应的多普勒谱中幅度最大值点，计算相应目标点的速度；上述三维点云生成模块308具体用于：分别基于上述各目标点的坐标、方位角、俯仰角以及速度，生成上述各目标点的三维点云。
本实施例中，对于第m个目标点，通过第二十九公式计算获得上述Nra个等效接收天线在方位角θm、俯仰角
其中，
通过第三十公式计算获得上述第m个目标点对应的波束形成系数，其中，上述第三十公式为：
其中，上述第m个目标点的波束形成系数wm是一个Nra×1的向量。
对于第m个目标点，基于上述波束形成系数wm对上述第二数据矩阵Xncr中与上述第m个目标点对应的数据进行波束形成，通过第三十一公式计算获得上述第m个点对应的波束向量，其中，上述第三十一公式为：
Xbf＝Xkcr×wm
其中，r＝1，2，···，Nra；c＝1，2，···，Nc；k＝rm，其中rm为上述第m个目标点的恒虚警检测横坐标；Xbf是Nc×1维向量。
对于第m个目标点，对上述波束向量Xbf进行快速傅里叶变换，获得上述第m个目标点对应的多普勒谱，并获得上述第m个目标点对应的多普勒谱中幅度最大值所在的点，记为第m个目标点对应的幅度最大值点dm，并通过第三十二公式计算上述第m个目标点的速度，其中，上述第三十二公式为：
velocitym＝(dm-1)·dv
基于上述第m个目标点的坐标(rm,am)、方位角θm、俯仰角以及速度dm生成上述第m个目标点的三维点云。具体的，通过上述第二十八公式计算第m个目标点相对于雷达的三维坐标，并结合上述第m个目标点的速度dm获得包含目标点速度和三维坐标的上述第m个目标点的三维点云[velocitym,xm,ym,zm]。
可选的，还可以将上述第m个点的距离rangem、方位角θm和俯仰角也添加进上述三维点云，获得包含第m个目标点距离、方位角、俯仰角、速度和三维坐标的三维点云
上述计算过程以第m个目标点为例，实际上需要对所有的Nd个目标点进行计算。可选的，可以直接同时对所有的Nd个目标点进行计算，也可以令m＝1，2，···，Nd，依次循环进行计算，直到所有的Nd个目标点都计算完毕。
可选的，上述雷达为毫米波雷达，本实施例中，上述雷达为60GHz多入多出毫米波雷达。
由上可见，本申请实施例提供的基于雷达的目标对象三维点云生成装置，通过信号发送模块301触发雷达发送啁啾信号，回波采样模块302接收啁啾回波并进行采样获得第一数据矩阵，通过数据处理模块303进行傅里叶变换获得第二数据矩阵，通过方位波束形成模块304基于第二数据矩阵进行方位CAPON波束形成获得第三数据矩阵，通过恒虚警检测模块305对第三数据矩阵中的数据进行计算确定各目标点；针对每个目标点，通过方位角计算模块306计算获得各目标点的方位角，通过俯仰角计算模块307计算获得各目标点的俯仰角，从而通过三维点云生成模块308生成各目标点的三维点云。由于本方案通过恒虚警检测模块305确定各目标点，对确定的目标点分别通过方位角计算模块306和俯仰角计算模块307计算获得俯仰角和方位角，从而通过三维点云生成模块308生成目标点的三维点云，而目标点的三维点云能够提供目标点更多维度的信息，有利于实现更精准的定位。
本申请实施例第三方面提供一种计算机设备，包括存储器和处理器，上述存储器存储有计算机程序，上述处理器执行上述计算机程序时实现本申请实施例第一方面提供的基于雷达的目标对象三维点云生成方法所述的步骤。
本申请实施例第四方面提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，上述计算机程序被处理器执行时实现本申请实施例第一方面提供的基于雷达的目标对象三维点云生成方法所述的步骤。
应理解，上述实施例中各步骤的序号大小并不意味着执行顺序的先后，各过程的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定，而不应对本申请实施例的实施过程构成任何限定。
所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为了描述的方便和简洁，仅以上述各功能单元、模块的划分进行举例说明，实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能单元、模块完成，即将上述装置的内部结构划分成不同的功能单元或模块，以完成以上描述的全部或者部分功能。实施例中的各功能单元、模块可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中，上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。另外，各功能单元、模块的具体名称也只是为了便于相互区分，并不用于限制本申请的保护范围。上述系统中单元、模块的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。
在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述或记载的部分，可以参见其它实施例的相关描述。
本领域普通技术人员可以意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各实例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、或者计算机软件和电子硬件的结合来实现。这些功能究竟是以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同的方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本申请的范围。
在本申请所提供的实施例中，应该理解到，所揭露的装置/终端设备和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置/终端设备实施例仅仅是示意性的，例如，上述模块或单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以由另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。
上述集成的模块/单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读存储介质中。基于这样的理解，本申请实现上述实施例方法中的全部或部分流程，也可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，上述计算机程序可存储于以计算机可读存储介质中，该计算机程序在被处理器执行时，可实现上述各个方法实施例的步骤。其中，上述计算机程序包括计算机程序代码，上述计算机程序代码可以为源代码形式、对象代码形式、可执行文件或某些中间形式等。上述计算机可读介质可以包括：能够携带上述计算机程序代码的任何实体或装置、记录介质、U盘、移动硬盘、磁碟、光盘、计算机存储器、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，RandomAccess Memory)、电载波信号、电信信号以及软件分发介质等。需要说明的是，上述计算机可读存储介质包含的内容可以根据司法管辖区内立法和专利实践的要求进行适当的增减。
以上所述实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，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，并不是相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本申请的保护范围之内。