CN102338868A - 使用证据栅格来消除干涉雷达中的模糊的系统和方法 - Google Patents

Abstract

使用证据栅格来消除干涉雷达中的模糊的系统和方法。系统（100）包括对第一空间区域发射第一检测信号且对第二空间区域发射第二检测信号的干涉雷达（102）。第二区域与第一区域共有第一子区域。该系统还包括向证据栅格中的第一单元分配第一占用值的处理装置（104）。第一单元表示第一子区域，且第一占用值表征对象是否被第一检测信号检测为在第一子区域中存在。处理装置基于第一和第二检测信号计算第一占用值精确表征第一子区域中对象的存在的概率且基于概率计算产生第一子区域的数据表示。

Description

使用证据栅格来消除干涉雷达中的模糊的系统和方法

背景技术

雷达精确地定位目标的能力受到雷达束宽的限制，因为雷达回波可以来自波束形成的锥体中的任意地方。通过使得波束尽可能窄，目标可以被更精确地定位。然而，物理学规定，为了使波束更窄，天线的物理尺寸必须相应地增加。因而，为了使用雷达精确定位目标，需要大天线。

从这种物理学引入的折中解脱的一种方式是使用干涉方法，其中使用两个或更多雷达接收器而不是常规的一个。这些接收器间隔开布置，且通过比较接收的信号之间的相位差异，可以获得比单个接收器更加精确的目标位置。如果存在足够的接收器，则可以无模糊地定位目标。然而，如果我们仅使用两个接收器，或者在具有多于两个接收器的某些几何结构中，物理学再次限制了这种方法的应用。因为仅可以以2π为模测量相位，由于相位模糊，不能唯一地确定目标的位置。因此，目标可以处于小数目的离散位置中的任何一个，其中每个位置均包含在雷达波束中，且每个位置比不使用干涉测量更精确地定位。在我们可以定位目标的精度、接收器（以及所需天线）的数目以及大量“幻像”目标的引入之间做出干涉方法的折中。从单个雷达回波和使用两个接收器，没有办法从源于相位模糊的幻像目标区分真实目标。为了在真实目标和幻像目标之间进行区分，必须利用多个雷达回波。

两个或更多接收器的使用具有另外的缺点：天线设计变得更加复杂。在最差情况，将需要两个或更多分离的天线；在最好情况，一个天线可以被两个或更多接收器共享。然而，使用干涉测量，使用两个天线（和两个接收器）可以实现远比使用单个接收器和双倍尺寸的单个天线更好的性能。

如图1所示，示出具有两个接收器10、20的干涉雷达的基本几何结构。可以使用具有更多接收器或不同对准的其他情况。两个接收器10、20与单个发射器相距λN₁和λN₂的距离，其中λ是雷达的波长。从发射器到目标以及返回到两个接收器10、20的信号路径具有稍微不同的路径。如果R是从发射器到接收器的距离，则达到接收器10的信号路径的长度为λN₁/R的第一阶：

用于两个接收器10、20的路径长度的差异则为：

且到达两个接收器10、20的信号的信号相位的差异为：

假设Δθ 和Δφ分别是目标位置和雷达波束的方向之间的仰角（elevation）和方位角（azimuth）差异。则相位差为：

其中我们假设目标位于雷达波束内，且小角度近似是有效的。|Δθ|必须小于垂直的雷达半束宽。

假设现在已做出测量，得出的测量相位差。测量的相位差是模糊的。Φ_m的测量仅意味着真实相位差是Φ_m+2nπ，其中n是任意整数。因此，针对Δθ求解等式（4），可以确定：

用于n的可能值仅由|Δθ|小于雷达束宽的要求限制。n的可能值中仅一个代表目标；且其他值是幻像目标。

值得注意的是Δθ的计算对δΦ的依赖性，因为这确定可以如何精确地定位目标。增加两个接收器10、20之间的分离增加精确性，但是以可能增加幻像的数目为代价。作为示例，考虑用于获得能力增加的一些指示的94GHz干涉雷达的例子。对于该雷达，假设垂直方向的束宽为4°，且两个接收器10、20之间的额定分离是37个波长。还假设期望的相位测量分辨率是±5°；而干涉雷达的额定分辨率将是±0.02°。除了真实目标，将在4°波束内存在3个幻像。所得的分辨率比使用干涉测量好20倍。注意使用单个接收器实现这种精确度将要求大于20倍的天线。

发明内容

在本发明的一个实施例中，一种系统包括对第一空间区域发射第一检测信号且对第二空间区域发射第二检测信号的干涉雷达。第二区域与第一区域共有第一子区域。该系统还包括向证据栅格中的第一单元分配第一占用值的处理装置。第一单元表示第一子区域，第一占用值表征对象是否被第一检测信号检测为在第一子区域中存在。处理装置基于第一和第二检测信号计算第一占用值精确表征第一子区域中对象的存在的概率且基于概率计算产生第一子区域的数据表示（representation）。

使用干涉雷达的证据栅格的组合为很多应用提供强力工具。证据栅格提供了一种方式来消除与仅利用两个接收器的干涉测量的使用相关的模糊（即幻像），同时干涉雷达向证据栅格提供传感器数据的能力远优于非干涉雷达。

附图说明

下面参考附图详细描述本发明的优选和备选实施例。

图1示出干涉雷达产生/接收的信号的几何关系；

图2示出两个不同的雷达测量；

图3示出根据本发明的一个实施例形成的系统；

图4是根据本发明的一个实施例可以通过证据栅格建模的空间区域；

图5示出根据本发明的一个实施例的处理；

图6示出单个干涉雷达信号的目标结果；

图7示出使用本发明的干涉雷达信号的组合结果；

图8-10示出在不同数目的数据帧之后的干涉雷达的输出。

具体实施方式

最基本的证据栅格（evidence grid）是点的集合和在这些点中的每一个的占用（occupancy）测量。典型地，点的集合形成三维的均匀栅格，但是均匀性并不是需要的。三维栅格中单元的占用测量可以解读为单元被占用的概率。此处解决的问题是如何在证据栅格中布置单元占用从而尽可能匹配对应于感测环境的测量。

一种方法包括询问相关问题：给定建议的证据栅格，针对每个单元假设占用概率，该证据栅格中单元的（建模）测量将匹配真实世界的（实际）测量的概率是什么？如果我们可以根据单元占用进行计算，则我们可以将如何填充证据栅格中的单元占用的问题变为相关最优化问题，以发现使证据栅格的那些（建模）测量匹配真实世界的（实际）测量的概率最大化的单元占用。

证据栅格是积累关于体积的知识以确定区域的哪个部分被障碍占用的方法。体积分割成单元，且测量的结果用于确定单元是否被占用。这种确定的重要部分是使用消极推理，使得缺少来自雷达测量的回波可以用作体积的某一部分未被占用的证据。如图2所示，区域40显示对应于存在正雷达回波的雷达距元（bin）的空间体积。这些体积中的至少某一部分必须被占用以具有正回波。区域42对应于没有阈值以下的雷达回波的那些雷达距元；因此，这些区域未被占用。在区域40与区域42交叠的地方，区域40中唯一可以被占用的部分是区域40不与区域42交叉的部分。这样，可以缩小被占用的体积部分，因此使得测量的分辨率超出单个雷达测量可能的范围。

图3示出根据本发明的一个实施例的系统100。系统100包括干涉雷达装置102；诸如计算机、微处理器或其他合适的计算装置的处理装置104；以及诸如合成视觉系统的可选的显示装置108。干涉雷达装置102以某一方式和配置发射多个同步和/或顺序传感器（检测）信号。显示装置108显示干涉雷达装置102勘察的地形或其他环境的表示。

现在参考图4，考虑干涉雷达装置102做出的空间区域140的测量（其可以通过证据栅格建模）。表示区域140的子区域的证据栅格单元的中心点142示为叠加在区域140上。另外，区域140示为分割成多个距元146，每个距元包括一个或更多这种单元且与干涉雷达装置102相距相应距离。区域140具有某一角宽度Φ（即，配置可以是锥形的），其中干涉雷达装置102发射的波束将以某一概率反射离开证据栅格中由占用单元表示的空间中的体积。为简单起见，p₁₁是占用单元表示的空间中的体积反射波束的概率，且可以但不必须做出这种假设：该概率与离干涉雷达装置102的距离（高达干涉雷达装置的最大范围（range））和相对干涉雷达装置的中心轴的角度（高达波束角宽度）无关。

类似地，p₀₀是未占用单元表示的空间中的体积不反射波束的概率。因此，我们可以容易获得未占用单元表示的空间中的体积反射波束（来自干涉雷达装置的伪正响应）的概率为p₁₀=1-p₀₀，且占用单元表示的空间中的体积不反射波束（伪负响应）的概率为p₀₁=1-p₁₁。

现在假设实际雷达测量之一导致与干涉雷达装置102相距距离r处的某一距元146处的第一检测。雷达测量实际并不是恰好在距离r的测量，而且还是关于与干涉雷达装置102相距距离小于r的距元148的回波信息。因此，证据栅格的理论雷达测量与实际感测环境的测量相同的概率按以下方式计算。考虑单个单元形成反射的概率。假设ρ _i 是证据栅格中第i个单元被占用的概率，则第i个单元产生反射的概率为：

且第i个单元不产生反射的概率为：

对于达(up to)检测对象所处的距离单元（range bin）但是不包括检测对象所处的距离单元的每个距离单元，没有回波的概率简单地是该距离单元内的每个单元不反射波束的概率，其可以表达为各个概率的乘积∏ _i p̃_i 。对于存在对象检测的距离单元146，给定证据栅格状态存在反射的概率，通过计算没有检测的概率且从1减去或者

获得。这仅仅表明，为了检测反射，单元中至少之一必须已反射波束。证据栅格的理论雷达测量匹配感测环境的真实雷达测量的概率的最终结果因而是：

其中下标ik表示位于比存在对象检测的距离单元更靠近干涉雷达装置102的（多个）距离单元148中的所有单元上的第k个雷达波束，且下标jk表示位于存在对象检测的距离单元中的所有单元上的第k个雷达波束。然后，处理装置104可以计算在证据栅格上做出的所有理论雷达测量匹配由干涉雷达装置102发射的多个波束做出的实际测量的概率为：

目标是发现最大化β的占用ρ_i。为此，更可能匹配实际感测环境的测量的占用被发现。

等式（9）中的乘积被重新布置，使得它的意义更加清楚。具体而言，β与单个单元占用的依赖关系如下：

其中乘积k是关于这样的雷达波束的：对于该雷达波束，第i个单元处于波束中，但是相应距离单元中没有来自该雷达波束的回波），且对k ’的乘积是关于这样的雷达波束的：对于该雷达波束，第i个单元处于存在检测的距离单元中。该表达将对ρ _i 的依赖关系分成两个部分。第一部分是单元多频繁地不被雷达波束看见的测量。第二部分是当前证据栅格支持实际测量检测的程度的测量。

关于等式（10）中的结果的一些观察如下。首先，如果单元绝不在检测到的距离单元内出现，则等式（10）中的第二乘积（对k’）为空且单元占用可以设置为0。换句话说，如果单元绝不在任意雷达波束的检测距离单元内，则其占用可以设置为零。其次，如果等式（10）中的第一乘积为空，则单元从没有被雷达波束看见。在这种情况，ρ _i 设置为1。

为了求解对于不能一般地设置为0或1的这些单元的最佳占用，可以更仔细地检查等式（10）的括弧内的数量P(ρ_i)。一个实施例寻求β相对于ρ_i的最大值，其中限制为0 ≤ ρ_i ≤ 1（因为ρ_i是占用概率）

当针对每个单元满足下面条件之一时获得β的最大值（注意该最佳是限制最佳，因为0 ≤ ρ_i ≤ 1）：

求解用于最佳点的这些等式可以以常规方式完成，例如使用最速下降法。此处，上面讨论的计算中的每一个完全或部分地由处理装置104执行。

图5示出根据一个实施例的处理200。以分立方框示出的一组操作示出处理200。处理200可以以任何合适的硬件、软件、固件或其组合实现。同样地，处理200可以以计算机可执行指令实现，该计算机可执行指令可以存在计算机可读介质上和/或诸如经由通信介质从诸如服务器的一个计算机传输到第二计算机或其他电子装置。描述的操作的顺序并不必须解读为限制。

在方框210，接收对应于对第一空间区域发射的第一检测信号的第一数据集。例如，处理装置104可以接收对应于由干涉雷达装置102形成的感兴趣的第一地理区域的第一测量的数据。

在方框220，接收对应于对第二空间区域发射的第二检测信号的第二数据集。第二区域可以与第一区域共有第一子区域。例如，处理装置104可以接收对应于由干涉雷达装置102形成的感兴趣的第二地理区域的第二测量的数据。第二地理区域可以与第一地理区域相同或者部分交叠。

在方框230，基于第一数据集，第一占用值被分配给证据栅格中的第一单元。第一单元可以表示第一子区域。第一占用值表征对象是否被第一检测信号检测为在第一子区域中存在。例如，处理装置104可以产生对应于第一地理区域的证据栅格且基于第一地理区域中检测的反射对象的存在或不存在向栅格中的单元中的一个或更多个分配占用值（即，占用/未占用）。

在方框240，基于第一和第二数据集，计算第一占用值精确表征对象在第一子区域中存在的概率。例如，此处，处理装置104可以执行如上所述的最佳单元占用计算。

在方框250，基于概率计算显示第一子区域的表示。例如，在执行最佳单元占用计算之后，处理装置104可以向显示装置108产生勘察的地理区域的可显示模型。

证据栅格消除了干涉雷达装置102产生的幻像目标。考虑具有干涉幻像的单个雷达回波，如图6所示，其中区域282对应于目标和幻像，且区域280对应于根本没有雷达回波。从该单个回波确定区域282中哪一个包含目标。所知道的是，在所有区域282的组合中存在至少一个雷达反射器。但是这是关于存在正检测（例如图2的区域282）的体积的所有已知的内容。干涉测量的使用导致脱节，但是与非干涉雷达信号相比具有明显更小的与正检测相关联的体积。而且，证据栅格技术使得人们能够组合不同雷达测量以缩小目标的位置。

图7示出组合两个干涉雷达测量如何可以容易地消除幻像检测且确定目标所在的示例。幻像282-1被确定，因为它们不占用跨越多个雷达扫描的空间内的相同位置。然而，目标292-2却占用。

从等式（1-4）可以清楚地知道，假设雷达的束宽在两个方向足够小以致第一阶是很好的近似，无论是在仰角还是方位角中旋转雷达而不改变雷达的位置将不提供幻像位置的任意变化，至少对于目标位置和额定波束方向之间的角度的第一阶如此。然而，只要目标保留在波束内这就成立。如果希望改变雷达的仰角刚好使得目标不在波束内，位于新波束内的幻像位置中的任意一个将被快速地识别为幻像。

在一个示例中，航行器在具有线缆的平面上方50m以100km/hr的速率航行，其中线缆最初位于航行器前1500m。具有2048m的范围(range)限制和1m的距元尺寸的雷达每0.1秒获取一帧数据。每个数据帧包含在固定仰角以370个步进从−15°到+15°方位角的扫描。仰角以1°的步进从−3°步进到+3°。来自该飞行的雷达数据被馈入到具有4×4m（水平）和2m（垂直）的单元尺寸的证据栅格。2m的垂直单元尺寸限制了垂直分辨率为2m。

图8示出在已经分析最开始的3个数据帧之后用于干涉雷达102的证据栅格的示例输出。因为用于这3个帧的仰角是−3°、−2°和−1°，目标处于所有3个帧的波束内。（地面是一个目标，0仰角的平面；在图8中的x=500处的线缆是第二目标）因此，幻像不能被消除且被清晰地显示。当仰角步进到较高值时，幻像消除。当第七数据帧被证据栅格处理时，所有幻像消除，如图9所示，且仅平坦地面和线缆保留。干涉雷达可用的垂直轴中增加的分辨率导致证据栅格建模场景的能力的巨大改善。

在一个实施例中，雷达的仰角固定，这可能是飞行跑道的情况。或者仰角的步进范围不足以确保目标不处于某一仰角的波束内。在这种情况中，如上所述，幻像的消除不能通过仰角步进完成，而是通过航行器的前向移动完成。

从等式（4）可以看出，通过干涉雷达获得的目标和幻像的位置如下：

且类似地对于z分量：

在这些等式中，n=0代表真实目标；幻像在非零n值发生。y分量第一阶与相位测量无关且在此后被忽略。n的唯一允许值是处于雷达的原始束宽内的那些值，且如果假设雷达的垂直束宽小于6度，则n的允许值为。然后计算幻像如何随雷达位置变化移动，计算到的第一阶：

其中x _t(n)和 z_t(n)是第n阶幻像的位置的分量。第零阶幻像是目标。如果雷达在x方向移动，则当雷达移动如下距离时，所有的幻像被识别：

其中G_z是z方向证据栅格单元的尺寸。因而，使用证据栅格，如果相位差测量在±5度内，通过向对象移动55米那样短的距离，从最初相距2公里的对象的真实图像简单地分离幻像。

使用恒定仰角模拟结果在图10中示出。在这种情况下，幻像仅通过航行器的前向移动消除。因为证据栅格单元的垂直尺寸是2m，且因为从航行器的初始位置到线缆的距离是1500m，从等式（15）估算源于线缆的幻像将在4.4秒和44个数据帧之后、在航行器向线缆移动122m之后消失。图10示出4.2秒之后就在线缆的幻像消失之前它们最后的残余，且在获取44个数据帧之后，线缆幻像完全消失。与地面相关的幻像也以类似的方式以类似的速率消失。

要求了排他属性或权益的本发明的实施例按所附权利要求限定。

Claims (10)

1.一种方法，包含：

a) 接收对应于对第一空间区域发射的第一检测信号的第一数据集；

b) 接收对应于对第二空间区域发射的第二检测信号的第二数据集，该第二区域与第一区域共有第一子区域，其中该第一和第二数据集是干涉雷达产生的雷达反射；

c) 基于第一数据集，将第一占用值分配给证据栅格中的第一单元，该第一单元表示第一子区域，该第一占用值表征对象是否被第一检测信号检测为在第一子区域中存在；

d) 基于第一和第二数据集，计算第一占用值精确表征对象在第一子区域中存在的概率；以及

e) 基于概率计算显示第一子区域的表示。

2.根据权利要求1所述的方法，其中证据栅格包含三维栅格。

3.根据权利要求1所述的方法，还包含重复a)-d)，其中计算包括在a)-d)的多次重复之后消除幻像雷达回波。

4.根据权利要求1所述的方法，其中计算概率包括计算第一单元表示的第一子区域反射多个检测信号中的至少一个的概率，其中计算概率还包括计算第一单元表示的第一子区域不反射多个检测信号中的至少一个的概率，其中第一和第二空间区域中的每一个包括相应的多个体积距元，其中每个所述距元包括至少一个子区域，第一子区域位于距元中的至少一个中，每个子区域由证据栅格中的相应单元表示，且计算概率还包含计算第一空间区域的第一距元内的每个子区域不反射多个检测信号中的至少一个的第一概率以及第二空间区域的第一距元内的每个子区域不反射多个检测信号中的至少一个的第二概率。

5.根据权利要求4所述的方法，其中计算概率还包括计算第一空间区域的第二距元内的每个子区域反射多个检测信号中的至少一个的第三概率以及第二空间区域的第二距元内的每个子区域不反射多个检测信号中的至少一个的第四概率。

6.根据权利要求5所述的方法，其中计算概率还包括：

计算对应于第一空间区域的至少一个距元的第一概率和对应于第一空间区域的至少一个距元的第三概率的第一乘积；以及

计算对应于第二空间区域的至少一个距元的第二概率和对应于第二空间区域的至少一个距元的第四概率的第二乘积；

其中计算概率还包含计算第一和第二乘积的第三乘积或者计算第三乘积的最大值。

7.一种系统（100），包含：

干涉雷达装置（102），其被配置成对第一空间区域发射第一检测信号，接收与第一检测信号相关联的任意雷达反射，对第二空间区域发射第二检测信号且接收与第二检测信号相关联的任意雷达反射，第二区域与第一区域共有第一子区域；

处理装置（104），其被配置成：

a) 向证据栅格中的第一单元分配第一占用值，该第一单元表示第一子区域，该第一占用值表征对象是否被第一检测信号检测为在第一子区域中存在；

b) 基于第一和第二检测信号，计算第一占用值精确表征第一子区域中对象的存在的概率；以及

c) 基于概率计算产生第一子区域的数据表示；以及

输出装置（108），其被配置成基于产生的数据表示产生输出，

其中至少一个传感器装置包括雷达型装置和不同于雷达型装置的装置类型，

其中在干涉雷达装置发送更多检测信号且接收相关联的反射之后，处理装置消除幻像雷达回波，并且处理装置基于接收的附加反射重复a)-c)。

8.根据权利要求7所述的系统，其中该处理装置还配置成计算第一单元表示的第一子区域反射多个检测信号中的至少一个的概率或者计算第一单元表示的第一子区域不反射多个检测信号中的至少一个的概率。

9.根据权利要求8所述的系统，其中：

第一和第二空间区域中的每一个包括相应多个体积距元，每个所述距元包括至少一个子区域，第一子区域位于距元中的至少一个中，每个子区域由证据栅格中的相应单元表示；并且

该处理装置还配置为计算第一空间区域的第一距元内的每个子区域不反射多个检测信号中的至少一个的第一概率以及第二空间区域的第一距元内的每个子区域不反射多个检测信号中的至少一个的第二概率。

10.根据权利要求9所述的系统，其中该处理装置还配置为计算第一空间区域的第二距元内的每个子区域反射多个检测信号中的至少一个的第三概率以及第二空间区域的第二距元内的每个子区域不反射多个检测信号中的至少一个的第四概率，其中该处理装置还配置成计算：

计算对应于第一空间区域的至少一个距元的第一概率和对应于第一空间区域的至少一个距元的第三概率的第一乘积；以及

计算对应于第二空间区域的至少一个距元的第二概率和对应于第二空间区域的至少一个距元的第四概率的第二乘积；

其中该处理装置还配置成计算第一和第二乘积的第三乘积或者计算第三乘积的最大值。

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