阅读说明：本技术 一种非接触式行驶车辆加速度测量方法 (Non-contact type running vehicle acceleration measuring method ) 是由 陈瑞 刘景顺 何辉 胡志勇 褚兆飞 于 2020-04-26 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种非接触式行驶车辆加速度测量方法,首先采用能够发射单频连续波和调频连续波的微波雷达,在T1时刻,先用单频连续波测量出目标的多普勒速度v<Sub>d</Sub>,然后利用调频连续波测量目标的距离D；根据微波雷达的安装高度H和距离D计算目标运动方向与微波雷达波束方向的夹角；步骤3、根据夹角θ计算T1时刻目标真正的速度v<Sub>1</Sub>；按照前述方法计算T2时刻目标真正的速度v<Sub>2</Sub>,根据T1时刻和T2时刻的速度计算加速度。本发明利用雷波雷达高精度的测量计算加速度,大大降低了加速度的测量成本,提高了测量精度,提高了环境适应能力,可以有效应对雨、雾、霾、强光照等环境因素均会对激光头产生影响。(The invention discloses a non-contact type acceleration measuring method for a running vehicle, which comprises the steps of firstly adopting a microwave radar capable of emitting single-frequency continuous waves and frequency-modulated continuous waves, and firstly measuring the Doppler velocity v of a target by using the single-frequency continuous waves at the time of T1 d Then, measuring the distance D of the target by using frequency modulation continuous waves; calculating an included angle between the target movement direction and the microwave radar wave beam direction according to the installation height H and the distance D of the microwave radar; step 3, calculating the real speed v of the target at the time of T1 according to the included angle theta 1 (ii) a The true speed v of the target at time T2 is calculated according to the method described above 2 Acceleration is calculated from the velocities at time T1 and time T2. The invention utilizes the high-precision measurement of the radar to calculate the acceleration which is largeThe acceleration measuring cost is greatly reduced, the measuring precision is improved, the environment adaptive capacity is improved, and the laser head can be effectively influenced by environmental factors such as rain, fog, haze and strong illumination.)

一种非接触式行驶车辆加速度测量方法

技术领域

本发明属于雷达技术领域，涉及一种加速度测量方法，具体涉及一种非接触式行驶车辆加速度测量方法。

背景技术

加速度的测量有多种方式，非接触式的加速度测量比较困难，现有非接触式测量加速度，主要依赖于激光技术，利用激光测量距离，通过固定时间多次测量，测定目标的速度和加速度。

现有的激光测量加速度，不仅存在设备成本高、测量加速度偏差大的问题，而且对环境适应能力差。

激光技术成本高的原因：

1.激光装置本身造价高；2.为了测量加速度，必须使用2个或者更多的激光头来检测。

激光技术测量加速度不准的原因：

1.激光本身是测距离，需要通过2个或更多激光器计算速度，再通过速度来计算加速度，因此加速度测量经过多次计算，累计误差大；2.被测量目标外形不规则，激光器多为电光或者线光，激光打在不规则的目标上，会产生偏差，造成测量加速度的误差；3.激光设备有2个或更多，实际安装过程中不能保证安装位置与理想位置一致，因此会产生加速度测量的误差。激光技术环境适应能力差的原因：雨、雾、霾、强光照等环境因素均会对激光头产生影响，严重可能导致激光器损坏。

而微波雷达可以测量目标的速度和距离，测量精度高，但是无法直接测量加速度，因此如果能利用微波雷达计算出目标加速度，将极大降低测量成本。本发明解决的问题是非接触式的准确测量车辆或其他目标的加速度。利用微波雷达的测速、测距技术，实现非接触式的准确测量加速度。

发明内容

本发明的目的提出采用微波雷达的新方法解决非接触式测量加速度的成本高、精度差、环境适应能力差的问题。本发明使用微波雷达技术，实现低成本、高精度、强适应能力的非接触式测量加速度。

为了解决上述技术问题，本发明的采用的技术方案如下：

一种非接触式行驶车辆加速度测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、本发明采用能够发射单频连续波和调频连续波的微波雷达，在T1时刻，先用单频连续波测量出目标的多普勒速度v_d，然后利用调频连续波测量目标的距离D；

步骤2、根据微波雷达的安装高度H和距离D计算目标运动方向与微波雷达波束方向的夹角

步骤3、根据夹角θ计算T1时刻目标真正的速度，

步骤4、按照步骤1至步骤3的方法计算T2时刻目标真正的速度v₂，

步骤5、根据T1时刻和T2时刻的速度计算加速度

优选的，所述步骤1中测量目标距离D的调频连续波使用三角波扫频测量目标的距离和速度v₀，通过该速度v₀校正多普勒速度v_d，具体方式是，当利用调频连续波测出的速度v₀和单频连续波测出的速度v_d之差在阈值范围内，则选择速度v_d作为计算值，如果大于阈值范围，则表明微波雷达存在故障或者其他干扰因素，需要检测设备。

优选的，所述步骤1中，利用三角波扫频测量目标的距离和速度v₀的具体方法如下：

对于静止目标而言，雷达发射频率f_t与目标反射后接收到的频率f_r之差为频差f_b，因此有公式(1)：

f_b＝f_t-f_r 公式(1)

雷达发出信号，到目标反射的来回，时间为t_d，因有公式(2)，其中D为目标到雷达的距离，c为光速：

雷达扫频带宽的f_dev和扫频时间t_s，延迟时间t_d，决定了频差f_b，因有公式(3)：

将公式(2)代入公式(3)，并代入式(1)整理得公式(4)：

对于运动的目标，在完成1次三角波扫频时，可以得到2个频差：上升频差F_bu和下降频差f_bd，上升频差由目标的距离频率f_b与多普勒频率f_d之差，下降频差由目标的距离频率f_b与多普勒频率f_d之和，表达为公式(5)和公式(6)：

f_bu＝f_b-f_d 公式(5)

f_bd＝f_b+f_d 公式(6)

多普勒频率f_d，可以由中心频率f₀、速度v、光速c计算出来，因此有公式(7)：

将公式(5)、公式(6)、公式(7)代入公式(4)，并整理可得公式(8)和公式(9)：

优选的，所述步骤1中，每个时刻发射一个数据包，所述数据包包括一个调频连续波，所述调频连续波包括固定频率段、上升频率段和下降频率段。

优选的，所述上升频率段和下降频率段的时间相等。

本发明有益效果是：

本发明先利用单频连续波根据多普勒原理测出运动目标的速度值，再利用调频连续波测出目标的速度和距离值，然后通过单频连续波测得的速度值与调频连续波测出的速度值匹配，从而得到目标的距离信息和精确的速度信息。通过间隔时间Δt的两次测量，给出在指定距离处的加速度值：本发明利用雷波雷达高精度的测量计算加速度，大大降低了加速度的测量成本，提高了测量精度，提高了环境适应能力，可以有效应对雨、雾、霾、强光照等环境因素均会对激光头产生影响。

本装置的调频信号发生器是由处理器产生数字信号，再通过DAC转换成模拟信号。由于电路和器件的特性原因，产生的调频连续波会存在频率非线性失真，本装置中采用数字预失真矫正来实现调频连续波的频率线性化。

附图说明

图1为本发明实施例中采用的微波雷达结构示意图。

图2为本发明实施例中，微波雷达一个发射的数据包信号示意图。

图3为本发明实施例中，使用三角波扫频作为微波雷达调频连续波示意图。

图4为本发明多普勒频率计算方法示意图。

图5为本发明计算目标加速度算法示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不能用来限制本发明的范围。

本发明采用的微波雷达示意图如图1所示，其中，LNA为低噪声放大器，IF为中频信号，ADC为模数转换器，PA为功率放大器，为混频器。

一种非接触式行驶车辆加速度测量方法，包括以下步骤：

步骤1、本发明采用能够发射单频连续波和调频连续波的微波雷达，在T1时刻，先用单频连续波测量出目标的多普勒速度v_d，然后利用调频连续波测量目标的距离D；

步骤2、根据微波雷达的安装高度H和距离D计算目标运动方向与微波雷达波束方向的夹角

步骤3、根据夹角θ计算T1时刻目标真正的速度，

步骤4、按照步骤1至步骤3的方法计算T2时刻目标真正的速度v₂，

步骤5、根据T1时刻和T2时刻的速度计算加速度

所述步骤1中测量目标距离D的调频连续波使用三角波扫频测量目标的距离和速度v₀，通过该速度v₀校正多普勒速度v_d，具体方式是，当利用调频连续波测出的速度v₀和单频连续波测出的速度v_d之差在阈值范围内，则选择速度v_d作为计算值，如果大于阈值范围，则表明微波雷达存在故障或者其他干扰因素，需要检测设备。

所述步骤1中，利用三角波扫频测量目标的距离和速度v₀的具体方法如下：

微波雷达的发射通道每个时刻发射一个数据包(一个帧)，所述数据包包括一个调频连续波，所述调频连续波包括固定频率段t1、上升频率段t2和下降频率段t3，本实施例中，所述上升频率段和下降频率段的时间相等，即t2＝t3，发射通道发射的微波信号频率波形如图2所示。调频连续波使用三角波扫频，调制方式如图3所示，其中ts＝图2中的t2＝t3。

对于静止目标而言，雷达发射频率f_t与目标反射后接收到的频率f_r之差为频差f_b，因此有公式(1)：

f_b＝f_t-f_r 公式(1)

雷达发出信号，到目标反射的来回，时间为t_d，因有公式(2)，其中D为目标到雷达的距离，c为光速：

雷达扫频带宽的f_dev和扫频时间t_s，延迟时间t_d，决定了频差f_b，因有公式(3)：

将公式(2)代入公式(3)，并代入式(1)整理得公式(4)：

如图4所示，对于运动的目标，在完成1次三角波扫频时，可以得到2个频差：上升频差F_bu和下降频差f_bd，上升频差由目标的距离频率f_b与多普勒频率f_d之差，下降频差由目标的距离频率f_b与多普勒频率f_d之和，表达为公式(5)和公式(6)：

f_bu＝f_b-f_d 公式(5)

f_bd＝f_b+f_d 公式(6)

多普勒频率f_d，可以由中心频率f₀、速度v、光速c计算出来，因此有公式(7)：

将公式(5)、公式(6)、公式(7)代入公式(4)，并整理可得公式(8)和公式(9)：

其中，ts＝t2＝t3。

本实施例具体参数如下：

f1＝24.05GHz

f2＝24.25GHz

t1＝21ms

t2＝5ms

t3＝5ms

ADC采样率187500

数字信号处理流程如下：

上述装置可以实现在20～40m的距离上测量运动车辆的加速度，可以达到以下指标：

加速度测量范围：(-10～10)m/S2；

加速度测量精度：≤±0.2m/S2。

以上实施方式仅用于说明本发明，而非对本发明的限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行各种组合、修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。