CN102224432A - 用于雷达信号处理的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

一种用于测定目标的距离和速度的装置和方法包括：发射多个射频信号，每个射频信号包括一个特定的频率，在一个特定的唯一的有限的时期内传播，这些信号共同包括具有相同频率的信号和具有不同频率的信号，接收经过目标反射后的信号，测定每个信号和相应反射信号之间的相位差；处理相同频率信号的相位差，以测定目标包括多普勒频率在内的相位旋转频率；处理不同频率信号的相位差，以测定上述目标包括多普勒频率和载波频率在内的第二相位旋转频率；比较第一和第二相位旋转频率，以区别目标的多普勒频率和载波频率；并将多普勒频率转换成速度，将载波频率转换成距离。

Description

用于雷达信号处理的方法和装置
技术领域
本发明涉及到雷达技术。更具体地说，本发明涉及处理连续波雷达信号以最大化雷达系统的性能和/或增强雷达系统的灵活性的方法和装置。
背景技术
雷达在现代生活中应用众多。由于数字信号处理芯片的大小和成本都不断降低，雷达目前已经纳入到消费产品中。例如，雷达系统已经以足够低的成本纳入到汽车和其他机动车辆中，提供泊车辅助系统、防撞系统和气囊部署系统(碰撞前检测)。
根据雷达所执行的特定任务，有区别地优化雷达系统的参数，或许是期望的。以车载雷达系统为例，在泊车辅助情况下，雷达用于提醒司机车辆与障碍物有多近(包括司机通过后车窗或者后视镜无法看到的小障碍物)。因此，在泊车辅助情况下，只有与车辆相对较近，例如，2m以内的障碍物才会引起注意。因此，雷达执行任务的距离是非常小的，一般在0-2m之间。另一方面，检测相对小的障碍物例如停车收费柱、消防栓和路缘是很重要的。因此，雷达的射程谱可以很小。但是，另一方面，雷达的距离分辨率(在检测小的目标、分辨出多个彼此近距离的目标、测定其与数厘米范围的障碍物的距离方面的能力)必须高。例如，在停车时，物体距离车辆后保险杠20cm或者50cm的区别是很大的。此外，多普勒分辨率，例如，障碍物相对于汽车的速度分辨率对于泊车辅助来说或许并不那么显著，因为在停车时，车辆一般移动得相对较慢。
另一方面，当一个车载雷达系统用于防撞时，其关注点是明显完全不同的。例如，在一个防撞系统中，雷达是用于检测更大距离内的移动车辆和其他障碍物，例如距离汽车30、60或者甚至100m，障碍物的相对速度也大得多，比如，100km/h或者更大，正如与泊车辅助应用相比。另一方面，几厘米左右的高距离分辨率对于泊车辅助应用是需要的，但对于防撞应用来说却无关紧要。
因此，为车载雷达系统的这两个示范应用的其中一个而优化雷达系统的参数，几乎从本质上决定了它不是为其他应用而优化的。
下面讨论的重点是确定到目标的距离和目标的相对速度问题。然而，需要意识到的是，几乎任何实际雷达系统都用到了辅助处理和/或硬件，以确定目标的方位，这在本专利中不是重点讨论内容。
有多种不同的著名技术用于处理雷达信号，以测定目标的距离，分辨出不同的目标，测定目标的相对速度。例如，在脉冲雷达系统中，雷达发出一个发射脉冲，等待反射波返回。将反射信号送到一个混频器的一个输入端，在经过一个延迟线后，将发射信号送入到该混频器的其他输入端。通过一个模数转换器将混频器的输出转换为数字形式，数字信息在数字信号处理器进行处理，以测定发射脉冲和接收的反射脉冲之间的延迟，当然，通过将延迟乘以光速，可将该延迟时间直接转换为雷达天线和反射信号的障碍物之间的往返距离。在脉冲雷达中，数字信号处理的量相对较少，因为硬件输出(混频器的输出)要求相对稍微少一些的处理，以得到距离信息。
起初，脉冲雷达系统受消费者和其他低成本雷达应用所青睐，因为脉冲雷达系统都是密集型硬件，而不是密集型处理。也就是说，一个脉冲雷达系统要求相对较低的处理能力，因为大部分工作都通过硬件来执行，比如开关、振荡器、延迟线和混频器。然而，随着数字信号处理技术以飞快的速度持续改进，更多依靠数字信号处理而不是硬件的雷达技术变得更加有吸引力。硬件的成本相对保持稳定，而数字信号处理的成本则迅速下降。
随着数字信号处理变得越来越便宜，需要相对较少的硬件、较好的信号处理能力的一种雷达调制技术，正变得越来越受消费型雷达应用的欢迎，这种技术叫做调频连续波(FMCW)技术。FMCW雷达调制技术有几种不同的类型。然而，这几种类型的调制技术都有个共同点，那就是雷达发射信号是通过时间进行调频的。比较知名的FMCW雷达调制技术有频移键控(FSK)和步进频率调制。
在典型的FMCW调制技术中，雷达的发射信号是在一段时间内从最小频率扫到最大频率的。这通常称做啁啾(chirp)。啁啾重复很多次，并从大量啁啾中收集、关联和处理反射信息，以产生足够多的数据，支持有用结果的计算，如在雷达观测领域内的目标数据，它们的距离、方位、大小和/或速度。
另一种FMCW调制技术是FSK(频移键控)。在雷达系统中，利用FSK调制技术，雷达连续发射两个不同频率的信号。从障碍物反射回到雷达的反射信号相对于相应的发射信号来说，具有一个固定的相位差，该相位差取决于发射源到目标的距离(简单起见，我们假设目标是静止的，因为速度也会影响相位差)。这对于每个通过雷达发射的两个不同发射频率的信号都是如此。第一个频率信号的发射信号和接收信号之间的相位差，与第二个频率信号的发射信号和接收信号之间的相位差，各不相同。
任何一个频率的发射信号和反射信号之间的相位差都没有为测定到障碍物的距离提供足够的信息。特别地，发射信号和接收信号之间的相位差并没有透露发射信号和接收反射信号之间的往返延迟中存在有多少个波长周期。换言之，相位差数据提供了与距离分辨率相关的微调(例如，一个180°的相位差透露了障碍物是X.5波长远-来回-，但是没有透露整数X的具体值)。然而，两个或者更多不同频率的相位差可彼此关联，以测定距离。
对于只有两个发射频率来说，FSK调制技术不能提供距离测量数据，除非在雷达观测领域内，至少有两个目标相对于雷达，以不同的速度移动。然而，通过增加发射频率的数量，可以增加能够分辨的障碍物的数量。利用每个测量周期内的许多频率步进的雷达调制技术，就是我们熟知的步进调频技术。
上述的讨论都是假定障碍物是不动的。在现实世界的情况下，障碍物可能是移动或者静止的，我们将对信号处理的另一层复杂性进行介绍。特别地，通过著名的多普勒效应，当一个障碍物相对于雷达天线移动时，从目标反射回来的信号相对于发射信号，会有频率的改变。这个频率移动也会改变发射信号和相应的接收到的反射信号之间的已知相位差。
因此，需要更复杂的调制技术和信号处理技术，以提供足够的信息，从而将作为多普勒效应的结果的那部分相位差数据，与作为被检测障碍物的纯粹距离结果的那部分相位差数据区分开来。
一种用于区分多普勒效应和距离效应的公知技术，是采用一种频率啁啾(frequency chirping)技术，其中，反复多次顺序重复频率步进集(以下简称为频率步近周期)，每个频率步进周期与先前的频率步进周期相比，会有频率的移动。第一大量的顺序频率步进周期相对于彼此，在第一顺序方向上会有频率的移动，例如，向上。第二大量的频率步进周期将跟随第一组在相反方向上，相对于彼此有频率上的移动，例如，向下。一个上啁啾(up-chirped)频率步进周期集加上一个下啁啾(down-chirped)频率步进周期集，就共同组成了一个完整的测量数据集(通过该数据集，可以计算出障碍物的距离和速度)。
仅作为一个示例，第一频率步进周期可以包括在200MHz范围内发射信号的扫频，从4.000GHz到4.200GHz，每20MHz有10个线性步进。因此，第一步进频率周期包括4.0000GHz、4.020GHz、4.040GHz、4.060GHz、…4.160GHz、4.180GHz和4.200GHz处的发射信号。第二步进频率周期包括相同数量的频率步进，例如，10个，每个频率步进都以相同的20MHz与先前的频率步进分隔开，周期跨度范围相同，为200MHz，但是却是从4.100GHz开始。这将持续多个步进频率周期，例如，五个。例如，第三周期从4.200GHz开始，第四周期从4.300GHz开始，最后一个周期从4.400GHz开始。
接下来，要讲述的是多个下啁啾步进频率周期。例如，下一个频率步进周期还是从4.0000GHz开始，包括位于4.0000GHz、4.020GHz、4.040GHz、4.060GHz、4.080GHz、…、4.160GHz、4.180GHz和4.200GHz处的发射信号。随后的步进频率周期包括相同数量的频率步进，每个频率步进都以相同的20MHz与先前的频率步进分隔开，周期跨度范围为相同的200MHz，但是却是从3.9000GHz开始的。这将持续多个步进频率周期。例如，第三周期开始于3.800GHz，第四周期开始于3.700GHz，最后一个周期开始于3.600GHz。
对于在一个且只有一个步进频率周期上啁啾集或者步进频率周期下啁啾集中的每个不同的步进频率周期，如果一个目标相对于雷达移动，该障碍物被观测到的相位旋转与该目标静止情况下是不同的。上啁啾序列或者下啁啾序列中是否出现相位旋转的变化，取决于该障碍物是朝着或者远离雷达天线移动。在任何情况下，这种差别都将是唯一的多普勒效应的结果，因为整体相位旋转中作为到目标距离的功能部分，是不受步进频率周期上或下啁啾的影响的。因此，可以通过比较步进频率周期的上啁啾序列数据和步进频率周期的下啁啾序列数据，将作为多普勒效应结果的相位旋转部分隔离开来。
因此，在雷达的观测领域内，测定多个障碍物的距离和速度是可行的。
当频率上啁啾和下啁啾为区分速度和距离提供必要的信息时，它将一个给定了斜率的啁啾信号和目标速度的整体结果的信噪比降低了3-6dB，因为将数据整合后，所占用的时间将减少一半。特别地，在一个完整的测量周期内，一半的时间用于上啁啾，一半的时间用于下啁啾，上啁啾序列数据必须与下啁啾序列数据很大程度上分开处理。
相对于脉冲雷达技术来说，FMCW(调频连续波)技术具有许多优点，其中包括，虽然发射信号通常具有比脉冲雷达调制技术中的发射信号更大的带宽，但是后置混频器的带宽通常要窄得多，这将降低信号处理电路所需要的数据采集速度。相应地，FMCW(调频连续波)不易受到其他射频源的干扰，也极少对其他射频接收器造成干扰。
前面的讨论都是基于概念层次，通过这些雷达信号处理的技术，不难理解，我们所需要的信号处理实质上是密集处理型。例如，用于测定距离和速度信息的许多信息包括大量时间和频率间隔内的相位数据。在时域中很难处理这些相位信息。因此，通常将这些在大量取样中收集的相位信息转换为一个不同的形式，比如一个柱状图或者转换到频域(例如，通过傅里叶变换)，在频域中处理这些数据，最终再转换回时域和/或产生距离和速度信息。
通过上面的讨论，可以清楚的知道，步进频率调制技术中采集的最相关的信息，实质上就是反射信号的相位随着时间和发射信号频率(在相关行业通常称作“相位旋转”)发生的变化。在相关学科中，对这些技术比较认可的理论就是，相位随着时间产生的变化(例如，相位旋转)实质上就是一个“频率”。因此，把数据转换到频域，例如通过快速傅里叶变换(FFT)，直接产生了在雷达观测领域内障碍物的距离和速度信息。
与相位变化相适应的频率，以下将都称为相位旋转频率。如上所述，有两种现象共同决定了相位旋转频率，也即是目标的距离和目标(或者多普勒频移)的相对速度。为了清楚起见，且便于讨论，作为多普勒频移(例如，障碍物的速度)的结果的频率部分以下将统称为多普勒频率，作为障碍物的距离的结果部分以下将统称为载波频率(range frequency)。
发明内容
根据本发明的第一个方面的规定，用于测定至少一个目标的距离和该目标的速度的雷达方法包括连续发射多个射频信号，每个射频信号包括一个特定的频率，并在一个特定的独特的有限时间内发射，这多个信号都包括至少一个具有相同频率的第一信号子集和至少一个具有不同频率的第二信号子集，从目标反射后接受大量信号，测定每个信号和相应的反射信号之间的相位差，以下将每个相位差信息称作一个取样，其中在二维中组织所述取样。在第一维中，所有的取样具有相同的频率，在第二维中，所有的取样具有不同的频率；在第一维中处理这些取样，以测定与第一维中取样相对应的相位旋转频率，相位旋转频率包括至少一个目标的多普勒频率；在第二维中处理这些取样，以测定与第二维中取样相对应的第二相位旋转频率，第二相位旋转频率包括至少一个目标的多普勒频率和载波频率；比较第一相位旋转频率和第二相位旋转频率，以区别目标的多普勒频率和载波频率；然后将多普勒频率转换为目标的速度，将载波频率转换为目标的距离。
根据本发明的第二个方面的规定，一个计算机程序产品包括用于控制雷达系统发射雷达信号和处理发射雷达信号反射后接收到数据的计算机可执行代码；该计算机程序产品还包括用于造成雷达系统连续发射大量无线电频率信号的计算机可执行代码，每一个这些大量的无线电频率信号都包括一个特定的频率，并在一个特定的独特的有限时间周期内发射，上述的大量信号均包括一个具有相同频率的信号子集和一个具有不同频率的信号子集；用于接收从目标反射后的大量发射信号的计算机可执行代码；用于测定每个发射信号和相对应的反射信号之间的相位差的计算机可执行代码，每一个相位差信息以下均称为取样；用于在二维中组织所述取样的计算机可执行代码，在第一维中所有的取样具有相同的频率，在第二维中所有的取样具有不同的频率；用于处理第一维中的取样以测定与第一维的取样相对应的第一相位旋转频率信息的计算机可执行代码，第一相位旋转频率只包括在雷达系统观测领域内目标的多普勒频率信息；用于处理第二维中的取样以测定与第二维中的取样相对应的第二相位旋转频率信息的计算机可执行代码，第二相位旋转频率包括在雷达系统观测领域内目标的多普勒频率信息和载波频率信息；用于比较第一相位旋转频率和第二相位旋转频率以将雷达系统观测领域内目标的载波频率和多普勒频率区别开来的计算机可执行代码；用于将多普勒频率信息转换为雷达系统观测领域内目标的速度信息和将载波频率信息转换为雷达系统观测领域内目标的距离信息的计算机可执行代码。
根据本发明的第三个方面的规定，所提供的雷达系统包括天线；与天线相耦合的发射器，该发射器用于产生通过天线发射的无线电频率信号；与天线相耦合的接收器，该接收器用于接收与发射信号相对应的反射信号；用于使发射器连续发射大量无线电频率信号的装置，每一个这些大量的无线电频率信号均包括特定的频率，且在特定的独特的有限的时间周期内发射，这些大量的无线电频率信号均包括至少一个具有相同频率的第一信号子集和至少一个具有不同频率的第二信号子集；用于测定每一个发射信号和相应的反射信号之间的相位差的装置，每一个相位差信息在此都称为取样；用于处理与相同发射频率相对应的取样以测定第一相位旋转频率的装置，第一相位旋转频率只包括在雷达系统观测领域内的目标的多普勒频率信息；用于处理与那些互相通过固定的时间间隔顺序分隔开的发射信号相对应的取样以测定第二相位旋转频率的装置，第二相位旋转频率包括雷达系统观测领域内的目标的多普勒频率信息和载波频率信息；用于比较第一相位旋转频率和第二相位旋转频率以区分开雷达系统观测领域内目标的多普勒频率和载波频率的装置。
附图说明
图1是根据本发明的一个实施例，雷达系统的逻辑组件的框图。
图2A和图2B是分别阐述组织雷达取样数据以最大限度地提高多普勒分辨率和射程谱的两种示范方法的矩阵。
图3A和图3B是分别与图2A和图2B相对应的频率随时间变化的图形，阐述了雷达系统的发射信号序列。
图4是根据本发明的一个实施例的处理流程图。
具体实施方式
为了清楚起见，我们来回顾一下上面用到的一些术语。“取样”是发射一个给定频率的发射信号和接收反射的回波信号的雷达系统的单一实例。一个步进频率扫描是在一个确定的频率范围内以确定的频率步进发生在大量不同的发射信号频率内的大量取样。一个上啁啾序列是其中每个步进频率扫描具有一个比先前的步进频率扫描更高的频率范围的大量的步进频率扫描。一个下啁啾序列是其中每个步进频率扫描具有一个比先前的步进频率扫描更低的频率范围的大量的步进频率扫描。一个取样中包括的信息是发射信号和相应的接收信号之间的相位差。一个“完整的测量集”是指共同进行处理以便为雷达观测领域内的障碍物提供距离和速度信号的一个数据点的大量取样。例如，在本发明的上述背景部分的示范讨论中，一个完整的测量集包括一个上啁啾序列和一个下啁啾序列。
在现有技术中，包括一个完整测量集的多个取样中相位旋转频率信息是顺序进行处理的(例如，线性的或者作为一维数据)。
应该了解的是，一个雷达系统通常会在使用时不断收集完整数据集。根据特定的应用，每个完整数据集或许会彼此分开使用，从而提供一个观测场景(雷达系统的观测领域)的单独快照。然而，在更复杂的系统中，大量完整的数据集(快照)或许彼此进一步有关联，从而提供一个“电影”场景。例如，在车载雷达系统中，不仅要确认汽车前面的车辆的瞬时位置，而且要意识到这些车辆正在做什么，以便对这些车辆将要做什么进行预测。这在雷达领域中的说法就是所谓跟踪算法或者预测。单独快照并不提供移动目标(例如，一个以100km/h的速度、45°的角度朝着雷达移动的汽车和一个以50km/h的速度直接朝着雷达移动的汽车在一个单独的快照中具有相同的雷达标志)的轨道信息。雷达系统前有个车辆以100km/h的速度行驶的信息的价值比该车辆将在几秒钟内在同样的轨道上直接朝着雷达移动的价值要低得多。
将采集来的取样数据作为一维数据处理，使得信号处理灵活性不够。具体来说，更大程度地依赖于系统中的硬件和软件，在雷达系统中要有一定的处理能力。因此，从本质上来讲，每段时间内都会有固定的最大数量的取样，而该系统要有采集和处理的能力。相应地，在确定其中可以采集取样的序列时，必须在距离分辨率和多普勒分辨率之间做出妥协。例如，在一个完整的测量集中，同样的频率上所做的取样数量越多，多普勒分辨率就越精确。另一方面，在一个步进频率频谱中，一个给定频率偏差的步进的数量越大，距离分辨率就越精确。特别的，在不改变每个步进的频率偏差的情况下增加频率步进的数量，将会增大扫描频谱。因此，这也增加了距离分辨率，因为距离分辨率是由与测量集的频谱相对应的波长决定的。例如，在上面的发明背景部分描述的例子中的200MHz。具体来说，为了识别两个目标，必须通过至少一个距离门将它们分隔开；因此，条件就是距离分辨率是与步进雷达信号的频谱相对应的波长的2倍。例如，如果发射信号的频率是从4.000GHz扫描到4.200GHz，那么系统的距离分辨率就是与200MHz相对应的波长的一半(大约0.75米)。
此外，需要注意的是，另一方面，作为替代，如果在增加频率步进数量的同时，保持扫描频谱不变，例如，降低每个步进之间的频率，这对于距离分辨率是没用的，反而会增加雷达系统的射程谱。
因此，在现有技术的传统线性或者一维理论中，对于一个给定的雷达系统来说，在设计之后，很难改变其调制技术和信号处理技术以适应不同的多普勒分辨率或者射程谱分辨率。
本发明提供了利用二维分析的一种调制技术和信号处理技术，以允许在飞行中改变多普勒分辨率和射程谱(以及其他参数)之间的平衡。利用本发明，可以很方便地优化一个车载雷达系统，例如，在一种操作模式下，在用于泊车辅助时，最大程度地提高多普勒分辨率，然后切换到另一种操作模式，在用于射程更远的防撞时，最大化地提高射程谱。两种模式之间的切换，或者是作为车辆的速度或者传动车辆的档位的一个功能，因为与正常驾驶过程相比，停车时车辆的行进速度通常非常低。
在任何情况下，根据本发明的原则，在一个完整的测量集中所作的取样都是在二维中相对于彼此安排进行的。例如，将它们排列成一个二维矩阵。将矩阵组织成，在矩阵的一个给定列中所有的取样具有相同的发射频率，在矩阵的一个给定行中所有的取样具有不同的发射频率。
在这种方式下，给定的行中所有的取样具有不同的发射信号频率。另一方面，给定的列中所有的取样具有不同的发射频率。将矩阵中的每列和每行的数据转换到频域中，就可以计算出每一个单独的行的相位旋转频率和每一个单独的列的相位旋转频率。
因为任何一个单列中的所有取样均在相同的的发射频率上，所以每一个单独列的相位旋转频率仅仅包括多普勒频率成分，没有载波频率成分。另一方面，任何一个单行中所有取样都采集在不同的频率上，因此每一个单独行的相位旋转频率都包括了多普勒频率成分和载波频率成分。
因此，通过比较矩阵的行相位旋转频率和矩阵的列相位旋转频率，我们就可以将作为多普勒效应的结果的相位旋转频率部分与作为障碍物距离的结果为的相位旋转频率部分区分开来。
这种两维的方法为区分多普勒频率和载波频率提供了一种组织数据采集的简单方法。此外，对于一个给定的应用，可以轻松地调整矩阵，进行优化。如果多普勒分辨率(例如，速度分辨率)比最大化雷达射程谱更重要，那么可以提高每个步进扫描频率的频率点的数量，并降低一个完整测量集中步进频率扫描的数量(例如，可以提高矩阵中的列数，降低矩阵的行数)。在其他应用中，可能需要在通过增加矩阵的行数、降低矩阵的列数来牺牲掉速度分辨率的同时，增加射程谱。
图1是根据本发明的一个示范性实施例，一个雷达系统的逻辑组件框图。尽管至少一些模块代表了一些硬件部分，应该明确的是，这是一个说明系统的逻辑组件的逻辑图。因此，例如，在数字信号处理器(DSP)103中展示的个别模块并不代表物理上独立的硬件或者软件组件。这些模块更多对应的是所完成任务的逻辑分隔。
在任何情况下，系统100都包括雷达系统101和一个车辆控制系统121。车辆控制系统121通常是代表车辆中的软件和硬件，该软件和硬件从技术上来说不是雷达系统一部分，而是在雷达系统中会使用到的。系统或许还包括激活后响应给雷达系统的警报，例如一个音频防撞雷达指示器会在司机停车时提醒司机碰到了什么东西，或者一个对雷达系统101生成一个信号的电路或软件，说明汽车处于什么档位或者汽车的行驶速度是多少。
在任何情况下，雷达都包括一个或者多个天线109。通常情况下，在一个车辆雷达系统中，为了精确的定位方位，至少会有三个发射天线互相隔开放置。此外，通常会有多个接收天线，虽然常见的是，每个天线都会用作一个发射和接收天线。因此，在一个典型的雷达系统中，在车辆的保险杠上，会有四个横向间隔放置的发射/接收天线。
在图一所示的特殊实施例中，雷达系统101用于两个不同的任务，也就是，泊车辅助和防撞。相应的，数字信号处理器(DSP)103中的一个模式判决电路111通过车辆控制系统121接收到信号，该系统指示雷达系统应该处于哪种模式。例如，如前所述，这或许是指示汽车所处的档位或者汽车行进速度的一个信号。如果汽车处于倒车档或者一档和/或者行进缓慢，那么车辆的操作员可能需要的是泊车辅助而不是防撞。然而，如果汽车是处于高位挡或者高速行驶状态，那么司机就不可能是在停车，因此系统应该在防撞模式下。在任何情况下，模式判决电路111为顺序发射控制器113、相位旋转和矩阵抽样模块114都提供了一个信号。顺序发射控制器113，响应模式判决电路111的模式信号，控制发射模块105发射信号到特别适应于所选择模式的天线109。例如，如果选择模式处于防撞模式，那么所采用的发射序列或许是提供更强的多普勒频率分辨率和更低的射程谱。另一方面，如果模式判决电路选择了泊车辅助模式，那么所采用的发射序列或许是在一个完整测量集中以扫描次数为代价，在一个扫描周期中通过降低步进频率扫描的频谱和/或增加步进频率的数量来增强距离分辨率、降低速度分辨率。
接下来，天线109接收反射信号，并将它们反馈到接收模块107。接收模块基本上是传统的，接收信号并进行调整，通常包括频率下变换。然后，调整并且频率下变换后的信息转发给数字信号处理器(DSP)103中的相位旋转和矩阵抽样模块114中。相位旋转模块为每个抽样提取相位差信息，根据由模式判决电路111决定的特定模式的计划填充成一个矩阵，该电路与由发射序列控制113决定的发射序列相适应。
然后，将矩阵中的数据转发给信号处理模块117。在这里，数据可以使用传统的技术进行处理，以确定任何一个或者多个各种各样的所需信息，比如在雷达系统观测领域内目标的数量、距离和速度。
虽然在图中没有显示，数字信号处理器(DSP)103也将确定其他信息，比如观测领域内目标的方位。然后，如果DSP检测到应该提醒司机的情况，比如可能会发生碰撞，则可能会发送一个信号124给车辆控制系统121。但是，应该明确地是，在更复杂的系统中，DSP可能会控制车辆控制系统121并采取实际行动，而不是简单地提醒司机。例如，在防撞系统中，如果系统100确定车辆快速接近它前面的车辆，那么它就会启动刹车措施。
多普勒分辨率和射程谱之间的平衡不仅是矩阵中的行和列的相对数量的功能。多普勒分辨率和射程谱分辨率也会受到取样的顺序的影响。图2A和图2B帮助阐明了这一概念。图2A阐明了一个以适应于完全最大化多普勒分辨率(以下称为一个“多普勒显性”矩阵)的顺序所填充的矩阵。另一方面，图2B阐明了一个以适应于完全最大化射程谱(以下称为一个“距离显性”矩阵)的顺序所填充的矩阵。在图2A和图2B中，每个箱子上写的数字是与盒子上放置的取样相适应的序列数。因此，取样数表示了采集该取样的时间点。例如，每隔0.001秒采集一个取样，那么取样数0就是在t＝0时采集的，取样数1就是在t＝0.001秒时采集的，取样数2就是在t＝0.002时采集的，取样数3就是在t＝0.003秒时采集的，取样数4就是在t＝0.004时采集的，等等。然而，应该明确地是，并没有要求在固定的间隔内采集取样。在某些情况，错开传输和采集取样的时间点是有利的，如在PRF(脉冲重复频率)抖动的情况下，去除距离模糊或者改变光谱功率分布。
通过图2A和图2B是4X4矩阵这一事实，可以明确的是，每个完整的测量集中有16个取样。例如，在图2B中，这16个取样由四次重复步进频率扫描组成，每个步进频率扫描包括了四个频率点。具体来说，我们知道有四个频率点，是因为矩阵中有四列(每一列对应着一个不同的频率)。同样，我们知道每个完整的测量集要进行四次频率扫描，因为矩阵中有四行(其中，行的数量表示在同一个频率上所采集的每一列的取样的数量)。
在图2A的多普勒显性矩阵中，可以看出，数据是以一种非常规化的方式采集的，其中在一行中，所有的取样都在一个给定的频率上采集，下一个频率点上的所有取样的采集方式也遵循这一点，直到将矩阵填充完毕。为了完全清楚起见，图3A是一个对应于图2A中矩阵的图，展示了取样的发射频率作为完整测量集中16个取样的时间函数。沿着图3A中的水平时间轴的数字就是取样序列的数量。表格I显示了如图2A、图3A显示的同样的信息，但是是以表格的形式。
表格I
  取样数   时间   频率
  0   0.00秒   4.0000GHz
  1   0.01秒   4.0000GHz
  2   0.02秒   4.0000GHz
  3   0.03秒   4.0000GHz
  4   0.04秒   4.0005GHz
  5   0.05秒   4.0005GHz
  6   0.06秒   4.0005GHz
  7   0.07秒   4.0005GHz
  8   0.08秒   4.0010GHz
  9   0.09秒   4.0010GHz
  10   0.10秒   4.0010GHz
  11   0.11秒   4.0010GHz
  12   0.12秒   4.0015GHz
  13   0.13秒   4.0015GHz
  14   0.14秒   4.0015GHz
  15   0.15秒   4.0015GHz
因此，在图2A和图3A中，在一个给定的列中(例如，每个取样具有相同的频率)，每个取样之间的时间差被最小化，例如，0.01秒，而在一个给定的行中(每个取样具有不同的频率)，每个取样之间的时间差被最大化，例如，0.04秒。因此，这种多普勒显性矩阵最大化了速度分辨率(因为相同频率的取样之间的时间差被最小化)、最小化了射程谱(因此不同频率点的取样之间时间差被最大化)。
在图2B的距离显性矩阵中，可以看出，数据是以更常规的方式采集的，其中，频率在全频率范围内步进的，从而四个连续取样均采自四个不同的频率点，然后与四个不同的频率上进行的四个更连续的取样一起再进行步进频率扫描，每个完整测量中(例如，每个矩阵)所有的四个不仅频率扫描将再重复两次。为了清楚起见，图3B是对应于图2B中的距离显性矩阵的，图3B示出了取样频率作为示范性完整测量集中的16个取样的时间函数。下面的表格II阐述了图2B和图3B所展示的相同信息，但是是以表格的形式。
表格II
  取样数   时间   频率
  0   0.00秒   4.0000GHz
  1   0.01秒   4.0005GHz
  2   0.02秒   4.0010GHz
  3   0.03秒   4.0015GHz
  4   0.04秒   4.0000GHz
  5   0.05秒   4.0005GHz
  6   0.06秒   4.0010GHz
  7   0.07秒   4.0015GHz
  8   0.08秒   4.0000GHz
  9   0.09秒   4.0005GHz
  10   0.10秒   4.0010GHz
  11   0.11秒   4.0015GHz
  12   0.12秒   4.0000GHz
  13   0.13秒   4.0005GHz
  14   0.14秒   4.0010GHz
  15   0.15秒   4.0015GHz
因此，在图2B和3B(和表格I I)的示范性矩阵中，在给定的列中(例如，每个取样具有相同的频率)，每个取样之间的时间差被最大化，例如，0.04秒；而在给定的行中(例如，每个取样具有一个不同频率)，每个取样之间的时间差被最小化，例如，0.01秒。因此，这种距离显性矩阵最大化了射程谱，因为同样频率的取样之间的时间差被最大化；最小化了多普勒/速度分辨率，因为不同频率的取样之间的时间差被最小化。
图4是一个阐述了根据本发明的一个实施例的操作流程图。这一处理开始于步骤401。在步骤403，需要做一个系统应该处于何种操作模式(例如，泊车辅助模式或者防撞方式)的决定。接下来在步骤405，系统选择一个与所选择的操作模式特别相适应的发射调制方案。接下来，在步骤407，系统发射一个单独的发射器信号。在步骤409，接收到与发射信号相对应的反射信号。在步骤411，测定并存储发射信号和接收信号之间的相位差。
接下来，在判决步骤413中，需要判定是否一个完整测量集中的所有发射信号都已经发射。如果没有，流程返回到步骤407，插入下一个发射信号。步骤407、409、411、413和415都将重复进行，直到完整测量集中的所有发射信号都已发射。这些都完成后，流程将从步骤413继续进展到步骤415。在步骤415中，将根据与所选择操作模式相适应的已选定方案建立矩阵。
接下来在步骤417中，选中一行。然后，在步骤419中，将处理选定行中的取样数据，以测定改行的相位旋转频率。这可能包括，例如，转换数据到频域如即时快速傅里叶变换，并抽取数据中的主要频率。接下来在判决步骤421中，要判定是否已处理所有的行。如果没有，流程返回到步骤417，选择下一行。处理流程经过步骤417、419和421，直到所有的行都已处理完毕。所有的行都处理完后，流程将从步骤421到步骤423继续进行，并选择、处理一行，以获取列频率。接下来在判决步骤425中，需要判定是否所有的列都已处理。如果没有，流程返回到步骤423中，选定下一列，然后重复步骤423、425和427，直到所有的列都处理完毕。当所有的列都处理完成，流程将从步骤427到步骤429继续。
在步骤429中，每列和每行中的所有相位旋转数据处理后，用于计算雷达观测领域内目标的距离和速度。需要注意的是，至少这个过程的一部分包括了彼此相互关联的所有不同的行相位旋转，以确定最有可能的相位旋转。在一个简单的实施例中，这可能只是包括行中的所有的相位旋转平均数据。然后，在更实际的系统中，方案可能要复杂得多。同样的过程需要与每列中的相位旋转数据一起执行。然后，可以通过列数据确定雷达观测领域中目标的多普勒频率，可以通过行数据确定载波频率和多普勒频率，通过比较行数据和列数据来抽取距离数据，然后可以计算出雷达观测领域中目标的数量以及它们各自的距离和速度。在步骤431中，这个数据将会发送到车辆控制系统中，以便基于该数据采取任何合适的行动。该过程在步骤433结束。
因此，可以看出，本发明的二维方法允许通过(1)改变采集取样的时间顺序和/或(2)调整数据的二维排列的维度(改变矩阵中的行和列的数量)轻松定制一个完整数据集，使得雷达系统适应于不同的应用。
两个这些类型的调整都涉及到改变雷达发射频率从一个取样到另一个取样改变的转换顺序。然而，产生障碍物的有用的距离和速度数据的计算机算法基本上保持不变。
这里所描述的本发明的一些特殊的实施例，各种各样的改动、修改和改进可以很容易被本领域的技术人员所理解。由本专利明确公开的这种改动、修改和改进虽然没有明确进行陈述，但也是这一描述的一部分，在本发明的精神和范围之内。因此，前面的描述只是一些示例，并不加以限制。本发明只限于下面的权利要求和等价定义。

Claims (19)

1.一种用于测定到至少一个目标的距离和该目标的速度的雷达方法包括：
顺序发射多个射频信号，每个所述的大量的射频信号包括特定的频率、且在特定的独特的有限的时期内发射，这些大量的信号共同包括至少一个具有相同频率的第一信号子集和至少一个具有不同频率的第二信号子集；
接收从目标反射后的大量信号，
测定每个信号和相应的反射信号之间的相位差，每个所述的相位差在这里称作取样；
在二维状态下组织这些取样，其中，在第一维中所有的取样具有相同的频率，在第二维中所有的取样具有不同的频率；
在所述第一维中处理这些取样以测定与第一维中的取样对应的相位旋转频率，该相位旋转频率包括至少一个目标的多普勒频率；
在所述第二维中处理这些取样以测定与所述第二维中的取样对应的第二相位旋转频率；相位旋转频率包括至少一个目标的多普勒频率和载波频率；
比较第一相位旋转频率和第二相位旋转频率，以将至少一个目标的多普勒频率和载波频率区分开来；和
将所述多普勒频率转换为所述至少一个目标的速度以及将载波频率转换为所述至少一个目标的距离。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述目标包括多个目标。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，大量的所发射的射频信号是顺序发射的，且这些连续信号之间具有固定的时间间隔。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所发射的信号是以大量同样的频率扫描形式顺序发射的，以便产生一个具有最大的多普勒频率分辨率的数据集。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所发射的信号是顺序发射的，从而这些包括具有相同频率的信号子集的信号可以连续发射，以便产生具有最大的载波频率分辨率的数据集。
6.根据权利要求1所述的方法，还包括：调整大量发射信号中的信号和第一维、第二维的尺寸，从而作为该方法的应用功能。
7.根据权利要求1所述的方法，还包括调整第一维和第二维的尺寸，作为该方法的应用功能。
8.根据权利要求1所述的方法，还包括：调整发射信号的序列作为所述方法的应用功能。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述组织包括在二维矩阵中安排取样，该矩阵包括大量的行和列。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，每一行具有相应的相位旋转频率，每一列具有相应的相位旋转频率。
11.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述处理包括在所述矩阵中计算每一行的相位旋转频率和在所述矩阵中计算每一列的相位旋转频率。
12.根据权利要求9所述的方法，将大量的行的相位旋转频率相关联，以产生这些行的单独的预测相位旋转频率；将大量的列的相位旋转频率相关联，以产生这些列的单独的预测相位旋转频率。
13.一个包括用于控制雷达系统发射雷达信号和处理关于所发射雷达信号反射的接收到的数据的计算机可执行代码的计算机程序产品，该计算机程序产品包括：
用于造成雷达系统连续发射大量无线电频率信号的计算机可执行代码，每一个这些大量的无线电频率信号都包括特定的频率，并在特定的独特的有限时间周期内发射，所述大量信号共同包括具有相同频率的信号子集和具有不同频率的信号子集；
用于接收从目标反射后的大量发射信号的计算机可执行代码；
用于测定每个发射信号和相对应的反射信号之间的相位差的计算机可执行代码，每一个所述相位差在此称为取样；
用于在二维中组织取样的计算机可执行代码，在第一维中所有的取样具有相同的频率，在第二维中所有的取样具有不同的频率；
用于处理第一维中的取样以测定与第一维的取样相对应的第一相位旋转频率信息的计算机可执行代码，第一相位旋转频率只包括在雷达系统观测领域内目标的多普勒频率信息；
用于处理第二维中的取样以测定与第二维中的取样相对应的第二相位旋转频率信息的计算机可执行代码，第二相位旋转频率包括在雷达系统观测领域内目标的多普勒频率信息和载波频率信息；
用于比较第一相位旋转频率和第二相位旋转频率以将雷达系统观测领域内目标的载波频率和多普勒频率区别开来的计算机可执行代码；
用于将多普勒频率信息转换为雷达系统观测领域内目标的速度信息和将载波频率信息转换为雷达系统观测领域内目标的距离信息的计算机可执行代码。
14.根据权利要求13所述的计算机程序产品，其特征在于，所发射的连续信号之间的时间周期是固定的。
15.根据权利要求13所述的计算机程序产品，还包括：调整第一维和第二维的尺寸作为所述计算机程序产品的应用功能的计算机可执行代码。
16.根据权利要求13所述的计算机程序产品，还包括：调整发射信号的序列作为所述计算机程序产品的应用功能的计算机可执行代码。
17.根据权利要求1所述的计算机程序产品，其特征在于，用于组织的计算机可执行代码包括用于在二维矩阵中安排取样的计算机可执行代码，该矩阵包括大量的行和列。
18.根据权利要求17所述的计算机程序产品，其特征在于，每一行具有相应的相位旋转频率，每一列具有相应的相位旋转频率，其中用于处理第一维中的取样的计算机可执行代码和用于处理第二维中的取样的计算机可执行代码包括用于分别计算上述的矩阵中每行的相位旋转频率和计算矩阵中每列的相位旋转频率的计算机可执行代码；将大量的行的相位旋转频率相关联，以产生这些行的单独的预测相位旋转频率；将大量的列的相位旋转频率相关联，以产生这些列的单独的预测相位旋转频率。
19.一种雷达系统包括：
天线；
与天线相耦合的发射器，该发射器用于产生通过天线发射的无线电频率信号；
与天线相耦合的接收器，该接收器用于接收与发射信号相对应的反射信号；
用于使发射器天线连续发射大量无线电频率信号的装置，每一个这些大量的无线电频率信号均包括特定的频率，且在特定的独特的有限的时间周期内发射，这些大量的无线电频率信号共同包括至少一个具有相同频率的第一信号子集和至少一个具有不同频率的第二信号子集；
用于测定每一个发射信号和相应的反射信号之间的相位差的装置，每一个相位差在此称为取样；
用于处理与相同发射频率相对应的取样以测定第一相位旋转频率的装置，第一相位旋转频率只包括在雷达系统观测领域内的目标的多普勒频率信息；
用于处理与那些互相通过固定的时间间隔顺序分隔开的发射信号相对应的取样以测定第二相位旋转频率的装置，第二相位旋转频率包括雷达系统观测领域内的目标的多普勒频率信息和载波频率信息；和
用于比较第一相位旋转频率和第二相位旋转频率以区分开雷达系统观测领域内目标的多普勒频率和载波频率的装置。
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