CN102680967A - 对象检测系统和方法 - Google Patents

Abstract

公开了对象检测系统和方法。本发明涉及一种通过发送调频连续波(FMCW)发射信号(Tx)和接收来自目标对象(1)的发射信号(Tx)的发射信号反射作为接收信号(Rx)来确定目标对象(1)的距离(R)和速度(v)的对象检测系统和方法。发射信号(Tx)的每一个调制块(M)包括若干(N_a)个第一类型啁啾和若干(N_b)个第二类型的啁啾，每个第一类型啁啾具有第一斜率，每个第二类型的啁啾具有与第一斜率不同的第二斜率。相同类型的两个连续的啁啾具有频率偏移(Δf)。基于发射信号和接收信号并且使用第一类型啁啾和第二类型的啁啾来处理混合信号，以便确定目标对象(1)的距离(R)和速度(v)。

Description

对象检测系统和方法

技术领域

本发明涉及一种通过发送调频连续波(FMCW)发射信号和接收来自目标对象的发射信号的发射信号反射作为接收信号(特别是对于较高频率的信号)来确定目标对象的距离和速度的对象检测系统和方法。本发明还涉及用于实现该方法的计算机程序和计算机可读非瞬时介质。

背景技术

用于确定目标对象的距离和速度的对象检测系统也已知为雷达系统(无线电检测和测距)。调频连续波(FMCW)对象检测或雷达系统使用具有线性递增频率的发射信号。FMCW系统允许同时获得目标对象的距离和速度。可通过检测发射信号和接收信号之间的频移来获得距离。可通过检测多普勒频移获得速度。当使用较高频率的信号时，多普勒频移增加，但是最大的明确可检测速度(速率)也减少了。

US 6606052B1公开了通过提供距离和相对速度信息的自动FMCW雷达进行多对象检测的方法和装置。利用了具有较小的斜率差异的两个啁啾(chirp)频率扫描，并且因为差异较小，可通过自动消除多普勒频移来获得距离信息。

US 2010/0289692A1公开了使用具有包括若干连续斜面的周期的电磁波。周期中的第一斜面经由频带的第一部分被发送，并且周期中的第二斜面经由不同于第一部分的频带的第二部分被发送。第二斜面相对于第一斜面的偏移量为频移。

发明内容

本发明的一个目的是提供最大可检测的明确速度(速率)增加而不会降低检测更新率(刷新率)的对象检测系统和方法。本发明的另一个目的是提供用于实现该方法的计算机程序和计算机可读非瞬时介质。

根据本发明的一个方面，提供了一种通过发送调频连续波(FMCW)发射信号和接收来自目标对象的发射信号的发射信号反射作为接收信号来确定目标对象的距离和速度的对象检测系统。系统包括用于生成FMCW发射信号的信号生成器。发射信号具有多个连续调制块。每一个调制块包括若干个第一类型啁啾和若干个第二类型啁啾，每个第一类型啁啾具有第一斜率，每个第二类型啁啾具有不同于第一斜率的第二斜率。相同类型的两个连续的啁啾具有频率偏移。系统还包括信号处理单元，该信号处理单元基于发射信号和接收信号并且使用第一类型啁啾和第二类型啁啾来处理混合信号，以便确定目标对象的距离和速度。

根据本发明的另一个方面，提供了一种通过发送调频连续波(FMCW)发射信号和接收来自目标对象的发射信号的发射信号反射作为接收信号来确定目标对象的距离和速度的对象检测方法。方法包括生成FMCW发射信号的步骤。发射信号具有多个连续相同的调制块。每一个调制块包括若干个第一类型啁啾和若干个第二类型啁啾，每个第一类型啁啾具有第一斜率，每个第二类型啁啾具有不同于第一斜率的第二斜率。相同类型的两个连续的啁啾具有频率偏移。方法还包括步骤：基于发射信号和接收信号并且使用第一类型啁啾和第二类型啁啾来处理混合信号，以便确定目标对象的距离和速度。

根据另一个方面，提供了一种计算机程序，计算机程序包括用于使得计算机执行根据本发明所述的方法步骤的程序装置(当所述计算机程序在计算机上被执行时)，以及上面存储有指令的计算机可读非瞬时介质，所述指令当在计算机上被执行时，使得计算机执行根据本发明所述的方法步骤。

在从属权利要求中定义了本发明的优选实施例。将会理解，所要求的方法、所要求的计算机程序和所要求的计算机可读介质具有与所要求的系统类似和/或相同的并且如在从属权利要求中所定义的优选实施例。

一方面，本发明基于组合啁啾斜率差异的思想，这意味着使用具有不同斜率的不同类型的啁啾，并且另一方面，本发明基于组合部分频移的思想，这意味着存在相同类型的啁啾之间的频率偏移。两种类型的啁啾被用于信号处理。因此，一方面，实现了增加最大的明确可检测速度(速率)。这尤其允许更好地明确区分相同距离上的两个对象，特别是当使用较高频率的信号时，例如在短或中距离雷达系统中。另一方面，减少了测量时间，特别是，减少了一个调制块所需的时间。因此，增加了检测更新率。

附图说明

根据以下所述实施例，本发明的这些和其它方面将是明显的，并且下面参考以下所述实施例对其进行更详细的说明。在附图中

图1根据实施例示出了对象检测系统的示意图；

图2根据第一实施例示出了FMCW发射信号的图形；

图3示出了示出使用图2的FMCW发射信号检测具有增加速度的目标对象的图形；

图4示出了示出使用图2的FMCW发射信号多次检测具有随机速度的目标对象的图形；

图5根据第二实施例示出了FMCW发射信号的图形；

图5a根据图5中所示的第二实施例的变体示出了FMCW发射信号的图形；

图6示出了示出使用图5或图5a的FMCW发射信号检测具有增加速度的目标对象的图形；

图7示出了示出使用图5或图5a的FMCW发射信号多次检测具有随机速度的目标对象的图形；

图8示出了用于优化发射信号的算法的流程图。

具体实施方式

图1根据实施例示出了对象检测系统10的示意图。对象检测系统10通过发送调频连续波(以下为FMCW)发射信号Tx和接收来自目标对象1的发射信号Tx的发射信号反射作为接收信号Rx来确定目标对象1的距离R和速度v。特别是，系统可使用较高频率的信号，例如在短或中距离的FMCW对象检测或雷达系统中。例如，发射信号Tx的中间频率f_c可以是至少2GHz，例如至少40GHz。特别是，中间频率f_c可以是至少100GHz，例如至少1THz。因此，可使用太赫频率或毫米/亚毫米波长。

在图1的实施例中，对象检测系统包括用于发送FMCW发射信号Tx的发射器天线15和用于接收接收信号Rx的接收器天线16。发射器天线15和/或接收器天线16可以任何适当的天线或多个天线或天线阵列的方式来实现。例如，在图1的实施例中，发射器天线15和接收器天线16用单个发射器和接收器天线来实现。

对象检测系统10包括信号生成器11用于生成FMCW发射信号Tx。对象检测系统10还包括混合器13用于基于发射信号Tx和接收信号Rx来生成混合信号。在图1的实施例中，对象检测系统10还包括循环器14用于在发射器和接收器天线15、16，信号生成器11以及混合器13之间传递发射信号Tx和接收信号Rx，因为在图1的实施例中使用了单个发射器和接收器天线。如图1中可见，发射信号Tx由信号生成器11提供到混合器13，并且接收信号Rx由循环器14提供到混合器13。因此，接收信号与被立即发送的信号混合。混合器之后的合成信号具有双倍于发射信号Tx的中间频率f_c的一个分量和较低频域的另一个分量。在该分量内，可提取目标对象1的距离R和速度v的信息，因为这些被编码为频移。使用发射信号Tx和接收信号Rx之间的频移获得距离R，并且使用多普勒频移获得速度v。

通常，对象检测系统10的发射器可包括信号生成器11和发射器天线15。对象检测系统10的接收器可包括接收器天线16和混合器13。发射器和/或接收器可选地还可包括(一个或多个)模拟滤波器和/或放大器。相同的外壳可被用于发射器和接收器，因此形成收发器。

对象检测系统还包括采样单元17，用于采用从混合器13接收的混合信号。然后，用于处理混合和采样的信号的信号处理单元12确定目标对象1的距离R和速度v的信息。第一类型的啁啾和第二类型的啁啾至少部分地用于混合和采样的信号以用于信号处理。

图2根据第一实施例示出了FMCW发射信号或波形的图形并且图5根据第二实施例示出了FMCW发射信号或波形的图形。如从图2和图5可见，发射信号T_x具有多个连续的调制块M。调制块是相同的并且具有块周期T_M。发射信号T_x在每一个块周期T_M上利用全频率带宽Bw_M。为了简单，图2和图5中仅完整示出了第一调制块M。每一个调制块M包括N_a个第一类型啁啾和N_b个第二类型啁啾，每个第一类型的啁啾具有第一斜率，每个第二类型的啁啾具有不同于第一斜率的第二斜率。相同类型的两个连续的啁啾具有频率偏移Δf、Δf_a、Δf_b。啁啾是线性增加的频率的一部分。每一个第一类型的啁啾具有第一频率带宽Bw_a和第一持续时间T_a，第一频率带宽Bw_a和第一持续时间T_a的比例定义了第一斜率。每一个第二类型的啁啾具有第二频率带宽Bw_b和第一持续时间T_b，第二频率带宽Bw_b和第二持续时间T_b的比例定义了第二斜率。啁啾的斜率也可被称为啁啾率。

现在将更详细地说明图2中示出的根据第一实施例的FMCW发射信号。每一个调制块M包括N_a个第一类型啁啾a₁、a₂、...、a_Na。每一个第一类型啁啾a₁、a₂、...、a_Na具有第一频率带宽Bw_a和第一持续时间T_a，它们的比例定义了第一斜率。第一类型的两个连续的啁啾具有频率偏移Δf_a。第一频率带宽Bw_a是全频率带宽Bw_M的子范围，因此为部分频率偏移(子波段)。在图2的实施例中，第一类型啁啾a₁、a₂、...、a_Na中的每一个形成锯齿。N_a个第一类型啁啾a₁、a₂、...、a_Na或锯齿形成了调制块M的第一部分a。

每一个调制块M还包括N_b个第二类型啁啾b₁、b₂、...、b_Nb。每一个第二类型啁啾b₁、b₂、...、b_Nb具有第二频率带宽Bw_b和第二持续时间T_b，它们的比例定义了第二斜率。第二斜率不同于第一斜率。第二类型的两个连续的啁啾具有频率偏移Δf_b。第二频率带宽Bw_b是全频率带宽Bw的子范围，因此为部分频率偏移(子波段)。第二类型啁啾b₁、b₂、...、b_Nb中的每一个形成锯齿。N_b个第二类型啁啾b₁、b₂、...、b_Nb或锯齿形成了调制块M的第二部分b。N_b个第二类型啁啾在N_a个第一类型啁啾后面。因此，第二部分b在第一部分a后面。第一类型啁啾的数量N_a和第二类型啁啾的数量N_b是相互互质的，这意味着数量N_a和数量N_b没有除了1之外的共同整数因子。

图2中示出的第一实施例的发射信号或波形可被描述为如下：

$f(n,t)=\mathrm{\Π}(\frac{n}{N_a}-\frac{1}{2})\·[\mathrm{\Π}(\frac{t}{T_a}-n+\frac{1}{2})\·({\mathrm{\α}}_a\·t+(n-1)\·{\mathrm{\Δf}}_a)]+$

$\mathrm{\Π}(\frac{n-N_a}{N_b}-\frac{1}{2})\·[\mathrm{\Π}(\frac{t}{T_b}-n+\frac{1}{2})\·({\mathrm{\α}}_b\·t+(n-1)\·{\mathrm{\Δf}}_b+N_a\·({\mathrm{\Δf}}_a-{\mathrm{\Δf}}_b))]$

n＝1，2，...，N_a，N_a+1，...，N_a+N_b

t＝0→T_a(n＝1，2...，N_a)

t＝0→T_b(n＝N_a+1，N_a+2...N_a+N_b)

α_a＝Bw_a/T_a

α_b＝Bw_b/T_b

相比于使用啁啾率差异但是在一个调制块中具有全频率偏移而不是部分频率偏移的发射信号，上述发射信号允许增加速度检测更新率。使用上述发射信号，速度检测更新率变得等于距离检测更新率。如果使用在一个调制块中具有全频率偏移的发射信号，那么距离更新之间的时间(距离检测更新率的反转)等于一个全频率偏移的时间，并且速度更新之间的时间(速度检测更新率的反转)等于调制块周期。

现在将更详细地说明根据图5中所示的第二实施例的FMCW发射信号或波形。每一个调制块M包括数量为N_a的第一类型啁啾a₁、a₂、...、a_Na。每一个第一类型啁啾a₁、a₂、...、a_Na具有第一频率带宽Bw_a和第一持续时间T_a，它们的比例定义了第一斜率。在图5中所示的第二实施例中，第二斜率是正的。每一个调制块M还具有数量为N_b的第二类型啁啾b₁、b₂、...、b_Nb。每一个第二类型啁啾b₁、b₂、...、b_Nb具有第二频率带宽Bw_b和第二持续时间T_b，它们的比例定义了第二斜率。第二斜率不同于第一斜率。在图5中所示的第二实施例中，第二斜率是负的。第一频率带宽Bw_a是全频率带宽Bw_M的子范围，并且第二频率范围Bw_b是全频率带宽Bw_M的子范围。具有负斜率的每一个第二类型啁啾b₁、b₂、...、b_Nb直接在具有正斜率的第一类型啁啾a₁、a₂、...、a_Na后面。因此，每一个第一类型啁啾a₁、a₂、...、a_Na和直接在它后面的第二类型啁啾b₁、b₂、...、b_Nb形成三角形。例如，第一类型啁啾a₁和直接在它后面的第二类型啁啾b₁形成三角形。第一类型a₁、a₂、...、a_Na中两个连续的啁啾具有频率偏移Δf，并且第二类型b₁、b₂、...、b_Nb中两个连续的啁啾具有相同的频率偏移Δf。

在图5中所示的第二实施例中，第一类型啁啾的数量N_a和第二类型啁啾的数量N_b是相同的数量N。图5中所示的第二实施例的发射信号可描述为如下：

$f(n,t)=\mathrm{\Π}(n-\frac{1}{2})\·\left[\begin{array}{c}\mathrm{\Π}(\frac{t}{T_a}-\frac{1}{2})\·({\mathrm{\α}}_a\·t+(n-1)\·\mathrm{\Δf})+\\ \mathrm{\Π}(\frac{t-T_a}{T_b}-\frac{1}{2})\·(-{\mathrm{\α}}_b\·t+n\·(\mathrm{\Δf}+{\mathrm{Bw}}_a)-\mathrm{\Δf})\end{array}\right]$

n＝1，2，...，N

t＝0→T_a+T_b(n＝1，2...N)

第二实施例相比于第一实施例的优点在于，因为使用了全可用带宽，为第一啁啾类型保持了最大距离分辨能力。缺点是增加了处理复杂性，因为在获得调制块之后，必须连接非连续信号部分。然而，复杂性的增加相比于所述目标检测方法和系统的处理复杂性来说是相对较小的。

图5a根据图5中所示的第二实施例的变体示出了FMCW发射信号的图形。在该变体中，第一类型啁啾的数量N_a和第二类型啁啾的数量N_b不是相同的数量。第一类型啁啾的数量N_a和第二类型啁啾的数量N_b是相互互质的。第一类型啁啾的数量N_a大于第二类型啁啾的数量。具有负斜率的每一个第二类型啁啾b₁、b₂、...、b_Nb直接在第一类型啁啾a₁、a₂、...、a_Na后面。因此，直接在首先的N_b个第一类型啁啾a₁、a₂、...、a_Na中每一个后面的是第二类型啁啾b₁、b₂、...、b_Nb以形成三角形。随后的N_a-N_b个第一类型啁啾a_Nb、a_Nb+1、...、a_Na都形成锯齿。第一类型a₁、a₂、...、a_Na中两个连续的啁啾具有频率偏移Δf，并且第二类型b₁、b₂、...、b_Nb中两个连续的啁啾具有相同的频率偏移Δf。

第二实施例的该变体的发射信号(参见图5a)可描述为如下：

$f(n,t)=\mathrm{\Π}(n-\frac{1}{2})\·\left[\begin{array}{c}\mathrm{\Π}(\frac{t}{T_a}-\frac{1}{2})\·({\mathrm{\α}}_a\·t+(n-1)\·\mathrm{\Δf})+\\ \mathrm{\Π}(\frac{n}{N_b}-\frac{1}{2})\·\mathrm{\Π}(\frac{t-T_a}{T_b}-\frac{1}{2})\·(-{\mathrm{\α}}_b\·t+n\·(\mathrm{\Δf}+{\mathrm{Bw}}_a)-\mathrm{\Δf})\end{array}\right]$

N_a＞N_b

n＝1，2，...，N_a

t＝0-→T_a+T_b(n＝1，2...，N_b)

t＝0→T_a(n＝N_b+1，N_b+2...，N_a)

相比于图5，图5a中所示变体的优点在于，全部发射信号Tx被用于信号处理。在图5中所示的第二实施例中，发送了最后的N’_a-N’_b个第二类型啁啾(N’_a是用于信号处理的第一类型啁啾的数量，N’_b是用于信号处理的第二类型啁啾的数量)，但是其没有用于信号处理和检测。因此，仅仅所发送的第二类型啁啾的一部分用于信号处理。在图5a中所示的第二实施例的变体中，被发送的全部第二类型啁啾(和第一类型啁啾)也用于信号处理。因此，该变体是更优化的。

现在，将更详细地说明混合信号的信号处理。采样单元17可用采样周期T_sam采样混合信号。每一个第一类型啁啾的第一持续时间T_a大于采样周期T_sam并且每一个第二类型啁啾的第二持续时间T_b大于采样周期T_sam。这意味着第一类型啁啾和第二类型啁啾都被采样并且进行信号处理。因此，混合信号使用第一类型啁啾和第二类型啁啾。

信号处理单元12适于从混合和被采样的信号分离对应于第一类型啁啾的第一信号分量和对应于第二类型啁啾的第二信号分量。信号处理单元12还适于相互独立地处理第一信号分量和第二信号分量。信号处理单元12还适于通过连接从处理两种信号分量获得的信息来确定目标对象1的距离的初始估计量R_est和速度的初始估计量v_est。这些估计量然后可作为用于确定距离R的最终值和速度v的最终值的迭代优化算法中的种子，因此去耦合距离和速度值。

现在将更详细地对这做出说明。信号处理单元12接收混合和采样信号。首先，对应于第一类型啁啾的第一信号分量和对应于第二类型啁啾的第二信号分量从混合和采样信号分离。在图2中所示的第一实施例中，分离可直接实现，因为第一类型啁啾出现在每一个调制块M的第一部分a中。在图5中所示的第二实施例中，每一个三角形具有两种类型的啁啾。三角形的非连续的第一部分(第一类型啁啾)被标识并且连接到一起以创建第一信号分量，并且三角形的非连续的第二部分(第二类型啁啾)被连接到一起以创建第二信号分量。

在第二实施例的变体中，参考图5a，开始的N_b个三角形中的每一个具有两种类型的啁啾。三角形的第一部分(第一类型啁啾)被标识并且连接到一起以创建第一信号分量的开始N_b个部分，并且三角形的第二部分(第二类型啁啾)被连接到一起以创建第二信号分量。第一信号分量的最后N_a-N_b个部分被直接连接到第一信号分量的开始N_b个部分。

接下来，第一信号分量和第二信号分量相互独立地被处理。将第一二维傅立叶变换应用到第一信号分量，并且将第二二维傅立叶变换应用到第二信号分量。每一个二维傅立叶变换具有以下形式：

$X_{2D}(k,p)=e^{-j\·4{\mathrm{\πf}}_c\·R/c}\·\left\{\begin{array}{c}\underset{l=0}{\overset{L-1}{\mathrm{\Σ}}}{e}^{-j\·2\mathrm{\π}(\frac{2f_{c}v{T}_{\mathrm{Mini}}}{L\·c}+\frac{2\·R\·{\mathrm{Bw}}_{\mathrm{Mini}}}{L\·c})\·l}\\ [\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{e}^{-j\·2\mathrm{\π}(\frac{2f_{c}v\·T_{\mathrm{Mini}}}{c}+\frac{2R\·\mathrm{\Δf}}{c})\·n}\·e^{-j\·2\mathrm{\π}\left(\frac{n\·k}{N}\right)}]\·e^{-j\·2\mathrm{\π}\left(\frac{l\·p}{L}\right)}\end{array}\right\}$

R：目标对象的距离。

f_c：中间频率。

v：目标对象的速度，将正速度的方向定义为朝向雷达系统的方向。

T_sam：在接收处的采样周期。

T_Mini：第一类型啁啾或第二类型啁啾的周期(T_a、T_b)。

Bw_Mini：第一类型啁啾或第二类型啁啾的带宽(Bw_a、Bw_b)

Δf：频率偏移。

N：每一个调制块的第一类型啁啾或第二类型啁啾的数量。

L：每一个第一类型啁啾或第二类型啁啾的采样数量。

然后，在第一二维傅立叶变换中检测对应于目标对象1的第一峰值，并且在第二二维傅立叶变换中检测对应于目标对象1的第二峰值。具有距离R和速度v的目标对象1的峰值在二维傅立叶变换的k轴和p轴的以下指数处被检测：

$(\frac{2v\&CenterDot;f_c\&CenterDot;T_{\mathrm{Mini}}}{c}+\frac{2R\&CenterDot;\mathrm{\&Delta;f}}{c})-\left|\right|\frac{2v\&CenterDot;f_c\&CenterDot;T_{\mathrm{Mini}}}{c}+\frac{2R\&CenterDot;\mathrm{\&Delta;f}}{c}\left|\right|=\frac{k}{N}$ $\frac{N}{2}<k<\frac{N}{2}$

$\frac{2v\&CenterDot;f_c\&CenterDot;T_{\mathrm{Mini}}}{L\&CenterDot;c}+\frac{2R\&CenterDot;{\mathrm{Bw}}_{\mathrm{Mini}}}{L\&CenterDot;c}=\frac{p}{L}$ 0＜p≤L

定义了具有两个未知数的两个等式的上述等式系统，其中描述了用于检测的两个轴k和p的距离R和速度v的基值的分析表达式。根据上面的等式系统，可按如下获得沿着k和p轴的最终距离和速度分辨能力：

${\mathrm{\&Delta;R}}_k=\frac{c}{2\mathrm{\&Delta;f}\&CenterDot;N}$ ${\mathrm{\&Delta;v}}_k=\frac{c}{2f_c\&CenterDot;T_{\mathrm{Mini}}\&CenterDot;N}$

${\mathrm{\&Delta;R}}_p=\frac{c}{2{\mathrm{Bw}}_{\mathrm{Mini}}}$ ${\mathrm{\&Delta;v}}_p=\frac{c}{2f_c\&CenterDot;T_{\mathrm{Mini}}}$

执行峰值检测以便识别目标对象。例如，可使用阈值方法，其中当对象的影响力超过某个值时识别它。或者，可使用其它适当方法，例如恒定虚警率(CFAR)方法，其中动态地改变检测。

接下来，可连接第一信号部分中检测到的第一峰值和第二信号部分中检测到的第二峰值。在p轴上检测到的位置被用于连接目标对象。取决于所允许的最大速度，用于第一和第二峰值的p轴上的位置可变为更大或更小。允许被检测的最大速度定义了用于在p轴中连接目标对象的公差ε。

$\mathrm{\&epsiv;}=\frac{2v_{\max }\&CenterDot;f_c\&CenterDot;T_{\mathrm{Mini}}}{c}$

出于两种不同原因，多个目标对象可落入公差范围中。首先，它们可被置于不同的距离筐处，它们之间的距离小于所定义的公差。其次，它们可置于相同的距离筐处，但是具有不同的速度。如果多个目标落入一个公差范围中，那么必须计算用于全部可能的连接排列的去耦合的距离R和速度v(例如在两个目标对象的情况下为二，在三个目标对象的情况下为六或者在四个目标对象的情况下为二十四)。当计算了全部可能性时，消除了导致无效结果的那些。如果所检测目标对象的速度中的任何一个高于允许的最大速度，那么将排列定义为无效。通常，两种类型的峰值之间的错误连接导致无效的结果。在该情况下，仅一个排列保持为有效，并且用于有效排列的一个公差范围内部的全部目标对象的所确定距离和速度被递送作为结果。如果发现多个排列有效，那么一个公差范围内部的目标的距离和速度不能被递送为结果。在发现多个有效排列的情况下在公差范围内部，在随后的调制块中目标对象的距离和速度的轻微变化可导致获得单个有效排列。在发现多个有效排列的情况下在公差范围内部，随后调制块中波形参数的轻微变化可导致获得用于目标对象的单个有效排列。

现在，可使用第一峰值和第二峰值来估计目标对象1的距离R_est和速度v_est。在检测和连接了目标对象之后，确定距离和速度的初始估计量。如果第一持续时间T_a和第二持续时间T_b被设置为相等，那么等式系统由多种因素决定并且使用用于第一二维傅立叶变换和第二二维傅立叶变换两者的用于P轴中的每一个目标对象的峰值位置。另外，计算用单个类型啁啾检测n_Over克服最大可检测速度或零速度的次数，该值用于迭代优化算法以获得距离和速度的最终值：

$\frac{2v\&CenterDot;f_c\&CenterDot;T_{\mathrm{Mini}}}{c}+\frac{2R\&CenterDot;{\mathrm{Bw}}_a}{c}=p_a$ $\frac{2v\&CenterDot;f_c\&CenterDot;T_{\mathrm{Mini}}}{c}+\frac{2R\&CenterDot;{\mathrm{Bw}}_b}{c}=p_b$

$R_{\mathrm{est}}=\frac{c}{2}\frac{(p_a-p_b)}{({\mathrm{Bw}}_a-{\mathrm{Bw}}_b)}$ $v_{\mathrm{est}}=\frac{c}{4\&CenterDot;f_c\&CenterDot;T_{\mathrm{Mini}}}((p_a+p_b)-\frac{(p_a-p_b)\&CenterDot;({\mathrm{Bw}}_a+{\mathrm{Bw}}_b)}{({\mathrm{Bw}}_a-{\mathrm{Bw}}_b)})$

可选地，可在每一个二维傅立叶变换中使用零填充快速傅立叶变换(FFT)以人工地增加快速傅立叶变换的频率分辨能力，以便增加初始距离和速度估计的精确性。

特别地，第一持续时间T_a和第二持续时间T_b可相等。在该情况下，检测处理中的信号处理被简化为将持续时间T_a、T_b设置为相等，允许获得由多种因素决定的等式系统以便用p轴的信息计算距离R和速度v的初始估计量。相比于持续时间T_a、T_b不同，这允许初始估计量将通常接近于距离R和速度v的最终值。迭代优化算法的解答将更早地收敛。

距离R_est和速度v_est这两个初始估计量分别具有速度和距离的剩余基值。这意味着，它们还没有完全地去耦合。通过减去正确距离的影响来获得正确去耦合的速度或最终值，反之亦然。因此，可使用具有初始估计量R_est、v_est作为种子的迭代优化算法(例如最小平方算法)来确定距离R的最终值和速度v的最终值。因此，最小平方算法例如可用于确定目标对象1的距离R和速度v的最终值。该迭代优化算法中使用的等式如下：

$b_{\mathrm{corrA}}=(n_{\mathrm{Over}}+\frac{k_A}{N}-(\frac{2R_{\mathrm{est}}\&CenterDot;{\mathrm{\&Delta;f}}_a}{c}-|\left|\frac{2R_{\mathrm{est}}\&CenterDot;{\mathrm{\&Delta;f}}_a}{c}\right|\left|\right))\&CenterDot;\frac{c}{2\&CenterDot;f_c\&CenterDot;T_{\mathrm{Mini}}}$

$v_{\mathrm{corrB}}=(n_{\mathrm{Over}}+\frac{k_b}{N}-(\frac{2R_{\mathrm{est}}\&CenterDot;{\mathrm{\&Delta;f}}_b}{c}-|\left|\frac{2R_{\mathrm{est}}\&CenterDot;{\mathrm{\&Delta;f}}_b}{c}\right|\left|\right))\&CenterDot;\frac{c}{2\&CenterDot;f_c\&CenterDot;T_{\mathrm{Mini}}}$

$R_{\mathrm{corrA}}=\frac{T_{\mathrm{Mini}}}{{\mathrm{\&Delta;f}}_a}\&CenterDot;(\frac{P_a\&CenterDot;c}{2T_{\mathrm{sam}}}-2v_{\mathrm{corrA}}\&CenterDot;f_c\&CenterDot;L)$

$R_{\mathrm{corrB}}=\frac{T_{\mathrm{Mini}}}{{\mathrm{\&Delta;f}}_b}\&CenterDot;(\frac{p_b\&CenterDot;c}{2T_{\mathrm{sam}}}-2v_{\mathrm{corrB}}\&CenterDot;f_c\&CenterDot;L).$

根据k轴中所检测的位置减去所估计距离的基值来计算速度的校正值v_corr。根据p轴中所检测的位置减去所估计速度的基值来计算距离的校正值R_corr。所校正的值每次迭代时被迭代地校正。

因此，距离的初始估计量的值(R_est)用作为要在迭代优化算法中被优化的种子(变量)。在每次迭代时，小的变化被引入到R_est并且用价值函数来评估解答的正确性。价值函数评估的幅度定义了将在下一次迭代时被引入的引入到距离估计量R_est的变化大小。因为从第一二维傅立叶变换和第二二维傅立叶变换获得的校正距离和校正速度应当相同，所以在第一二维傅立叶变换和第二二维傅立叶变换的每次迭代时使用速度和距离的校正值之间的差异来定义迭代优化算法(例如最小平方算法)必须最小化的价值函数：

f_cost＝(v_corrA-v_corrB)·(R_corrA-R_corrB)

取决于计算能力资源和实时需要，选择价值函数的变换公差ε_con和要收敛的最大迭代数量n_iter。价值函数的最大值f_cost用成功的收敛导致迭代优化算法的完成。假设第n次迭代时价值函数的值f_cost(n)：

f_cosl(n)≤ε_con→在第n次迭代时解已经收敛

作为最大迭代次数n_iter，其为直到实现了算法的收敛时允许进行的最大迭代次数。如果迭代次数超过该最大迭代次数n_iter，那么迭代优化处理将结束，而没有成功地收敛。

图3、图4、图6和图7示出了模拟上述系统和方法的计算机模拟中执行的检测的图形。图3示出了示出使用图2的FMCW发射信号检测具有线性增加速度(速率)的目标的图形；并且图4示出了示出使用图2的FMCW发射信号多次检测具有随机选择的速度(速率)的目标对象的图形。图6示出了示出使用图5或图5a的FMCW发射信号检测具有线性增加速度(速率)的目标的图形；并且图7示出了示出使用图5或图5a的FMCW发射信号多次检测具有随机选择的速度(速率)的目标的图形。当使用图5的FMCW发射信号时，最后的N’_a-N’_b个第二类型啁啾(N’_a是用于信号处理的第一类型啁啾的数量，并且N’_b是用于信号处理的第二类型啁啾的数量)不用于信号处理。因此，仅一部分所发送的第二类型啁啾用于信号处理。当使用图5a的FMCW发射信号时，不发送最后的N_a-N_b个第二类型啁啾。第一类型啁啾的数量N_a和第二类型啁啾的数量N_b不是相同的数量(N_a大于N_b)。它们是相互互质的。然而，当使用图5a的FMCW发射信号时，发送的全部第二类型啁啾(和第一类型啁啾)也用于信号处理。

在图3和图6中，目标对象的速度范围从0到300m/s。在图3和图4中，目标对象位于50m的距离处。在图6和图7中，目标对象位于200m的距离处。在图4和图7中，x轴示出了多次检测，每一次都以随机的速度。用于图3和图4的FMCW发射信号的参数如下：N_a＝51，N_b＝53，T_a＝0.1ms，T_b＝0.1ms，f_c＝94GHz，Bw_M＝2GHz，Bw_a＝56.5MHz，Bw_b＝58.8MHz，Δf_a＝18.8MHz，Δf_b＝18.1MHz。用于图6和图7的FMCW发射信号的参数如下：N_a＝53(或对于图5的FMCW发射信号N’_a＝53)，N_b＝51(或对于图5的FMCW发射信号N’_b＝51)，T_a＝0.1ms，T_b＝0.1ms，f_c＝94GHz，Bw_M＝2GHz，Bw_a＝71.4MHz，Bw_b＝34.4MHz，Δf＝37.1MHz。对于FMCW发射信号的第一实施例(图3和图4)和第二实施例(图6和图7)，所检测速度的总错误低于1％。

用于确定目标对象1的距离R和速度v的相应对象检测方法包括生成FMCW发射信号Tx的步骤，如上所述。方法还包括步骤：基于发射信号Tx和接收信号Rx并且使用第一类型啁啾和第二类型啁啾来处理混合信号，以便确定目标对象1的距离R和速度v。处理步骤可包括从混合信号分离对应于第一类型啁啾的第一信号分量和对应于第二类型啁啾的第二信号分量。它还可包括相互独立地处理第一信号分量和第二信号分量。此外，步骤可包括通过连接根据处理两种信号分量获得的信息来得到距离和速度的初始估计量。这些估计量可作为用于确定目标对象的距离R和速度v的最终值的迭代优化算法中的种子。

上述的对象检测系统和方法可特定地实现用于优化发射信号的算法，或者也称作为波形优化算法。然后图1中的信号生成器11适于修改FMCW发射信号Tx的至少一个参数。所述至少一个参数可从以下组成的组中选择：

-第一类型啁啾的持续时间T_a、T_mini，

-第二类型啁啾的持续时间T_b、T_mini，

-第一类型啁啾的带宽Bw_a，

-第二类型啁啾的带宽Bw_b，

-频率偏移Δf、Δf_a、Δf_b，

-第一类型啁啾的数量N_b，和

-第二类型啁啾的数量N_a。

如图1的实施例中可见，对象检测系统10可选地还包括参数优化单元18，该参数优化单元18适于优化FMCW发射信号Tx的至少一个参数。特别是，参数优化单元18可基于从信号处理单元12接收的所检测距离R和所检测速度v来优化至少一个参数。然而，作为候选或者附加地，也可使用环境的其它参数来优化FMCW发射信号Tx的至少一个参数。例如，可使用以下参数中的至少一个来优化FMCW发射信号Tx的至少一个参数：

-定义所扫描环境的参数：

●最远的所检测目标(D_MAX)。

●最大的所检测速度(V_MAX)。

-系统的RF参数：

●最大可用带宽(BW_MAX)。

●最大规定啁啾率(CH_MAX)。

●雷达的中间频率(F_C)。

-要由用户定义的参数：

●要保持的最近似距离分辨能力(R_RES)。

●要保持的最近似速度分辨能力(V_RES)。

●要一直保持的最大明确速度(V_MinMax)。

●期望被检测的最大距离(DEXP_MAX)。

●期望的最大加速度/减速度(ACC_MAX)。

●环境感测周期(T_SENS)。

●最大明确速度可检测公差因子(V_TOL)。

●最远的所检测距离公差因子(D_TOL)。

-要由算法调节的调制方案的参数：

●第一类型啁啾或第二类型啁啾的持续时间(T_a、T_b)。

●用于每一种啁啾类型的重复因子(N_a、N_b)。

●每一种啁啾类型的带宽(Bw_a、Bw_b)

●每一种调频类型的频率偏移(f_a、f_b)

可由参数优化单元实现感测要被检测的环境的算法(感测环境算法)。感测环境算法的目的是检测定义环境的参数是什么。通过顺序地改变发射信号Tx的波形以便用所使用的两种啁啾类型连续地增加最大明确可检测速度来实现感测处理。在用两个连续的评估来估计不同速度的情况下，执行增加因子N_a和N_b的另一个评估(增加了乘积N_a*N_b的质数的下一个组合N_a和N_b，N_a大于N_b)，重复处理，直到用两个连续的评估来估计相同的速度。将T_a和T_b调节为至少为将由期望被检测的最大距离(DEXP_MAX)产生的延迟的10倍。图8中描绘了感测环境算法的实施例的流程图。

出于两个不同的原因从参数优化单元18调用感测环境算法：周期性地，这意味着每个T_SENS，由参数优化单元18调用算法来更新定义所感测环境的参数，或者当检测到目标速度的突然变化时，这对应于相比于所期望的最大值(ACC_MAX)更高的加速度，如使用当前啁啾类型的组合，它可由具有比最大的明确可检测速度更高的径向速度的目标产生。

一旦应用了感测环境，可考虑感测环境来调节FMCW发射信号的至少一个参数，由用户定义的参数和/或系统的RF参数。考虑以下值中的至少一个来调节第一类型啁啾或第二类型啁啾T_a、T_b的持续时间和重复因子N_a、N_b：要检测的最大明确速度、要由用户保持的最近似的速度分辨能力(V_RES)、要检测的最远目标、规定的最大啁啾率(CH_MAX)。要检测的最大明确速度由用户定义的要一直被保持的最大明确速度(V_MinMax)和感测算法所检测的最大速度与用户定义的公差因子的乘积(V_MAX*V_TOL)之中的最大值来定义。要检测的最远目标由用户定义的期望被检测的距离(DEXP_MAX)和感测算法的最远所检测目标与用户定义的公差因子的乘积(D_MAX*D_TOL)之中的最大值来定义。另外，如果在某数量的调制块中(由用户预定义)，在一个公差范围中发现了多个有效排列，参数优化单元18可将小的随机变化应用到Bw_a和Bw_b(并且间接地应用到f_a和f_b)。

取决于在网络的每一个元件处检测的径向速度和距离，通过为每一个收发器改变波形参数，感测环境算法和波形优化算法也可用于多元静态雷达网络。

可增加算法的复杂性来处理动态RF规范。在该情况下，不规定最大啁啾率，但是提供了取决于啁啾率的变化的相位噪声边界。然后，通过在更快比率的啁啾的优点和缺点之间权衡，来决定要使用的啁啾率的选择。优点可以是就多普勒检测而言(可检测更高的明确速度)。缺点可以是更明显的啁啾率涉及更高的相位噪声边界。

已在附图和前述描述中详细示出和描述了本发明，但是这些示出和描述应当被认为是说明性或示例性的，而非限制性的。本发明不限于所公开的实施例。通过学习附图、公开和所附权利要求，本领域技术人员在实践所要求的发明中可理解和实现对所公开实施例的其它变化。

在权利要求中，词“包括”不排除其它元素或步骤，并且不定冠词“一”或“一个”不排除复数。单个元件或其它单元可实现权利要求中所述的多个项的功能。在相互不同的从属权利要求中叙述某些方法的事实不表示这些方法的组合不能被用于获利。

计算机程序可存储/分布在单个非瞬时介质上，例如连同其它硬件一起或作为其一部分提供的光存储介质或固态介质，但是也可以其它形式分布，例如经由因特网或其它有线或无线电信系统。

权利要求中的任何标号不应当被解释为限制范围。

Claims (26)

1.一种对象检测系统，用于通过发送调频连续波(FMCW)发射信号(Tx)并接收作为接收信号(Rx)的来自目标对象(1)的发射信号(Tx)的发射信号反射来确定目标对象(1)的距离(R)和速度(v)，所述系统包括：

用于生成所述FMCW发射信号(Tx)的信号生成器(11)，所述发射信号(Tx)具有多个连续调制块(M)，每个调制块(M)包括若干(N_a)个第一类型啁啾和若干(N_b)个第二类型啁啾，每个第一类型啁啾具有第一斜率，每个第二类型啁啾具有与所述第一斜率不同的第二斜率，其中，相同类型的两个连续的啁啾具有频率偏移(Δf、Δf_a、Δf_b)，

信号处理单元(12)，用于基于所述发射信号(Tx)和所述接收信号(Rx)并且使用所述第一类型啁啾和所述第二类型啁啾来处理混合信号，以便确定所述目标对象(1)的距离(R)和速度(v)。

2.根据权利要求1所述的对象检测系统，所述第一类型啁啾中的每一个形成锯齿，并且所述第二类型啁啾中的每一个形成锯齿。

3.根据权利要求2所述的对象检测系统，所述若干(N_b)个第二类型啁啾跟随在所述若干(N_a)个第一类型啁啾之后。

4.根据权利要求1所述的对象检测系统，其中，所述第一斜率是正的，并且所述第二斜率是负的。

5.根据权利要求4所述的对象检测系统，每个第二类型啁啾直接跟随在第一类型啁啾后面，每个第一类型啁啾和直接跟随的第二类型啁啾形成三角形。

6.根据前述权利要求中任何一个所述的对象检测系统，还包括用于以采样周期(T_sam)采样所述混合信号的采样单元(17)。

7.根据前述权利要求中任何一个所述的对象检测系统，每个第一类型啁啾具有第一频率带宽(Bw_a)和第一持续时间(T_a)，所述第一频率带宽(Bw_a)和所述第一持续时间(T_a)的比例定义了所述第一斜率，并且每个第二类型啁啾具有第二频率带宽(Bw_b)和第二持续时间(T_b)，所述第二频率带宽(Bw_b)和所述第二持续时间(T_b)的比例定义了所述第二斜率。

8.根据权利要求7所述的对象检测系统，其中所述第一持续时间(T_a)和所述第二持续时间(T_b)相等(T_Mini)。

9.根据权利要求6和7或8所述的对象检测系统，其中，每个第一类型啁啾的所述第一持续时间(T_a)大于所述采样周期(T_sam)，并且每个第二类型啁啾的所述第二持续时间(T_b)大于所述采样周期(T_sam)。

10.根据前述权利要求中任何一个所述的对象检测系统，所述调制块(M)相等并且具有块周期(T_M)。

11.根据权利要求7、8或9和10所述的对象检测系统，所述发射信号(Tx)覆盖每个块周期(T_M)上的全频率带宽(Bw_M)，并且其中，所述第一频率带宽(Bw_a)和所述第二频率带宽(Bw_b)中的每一个是所述全频率带宽(Bw_M)的子范围。

12.根据前述权利要求中任何一个所述的对象检测系统，其中，第一类型啁啾的数量(N_a)和第二类型啁啾的数量(N_b)相互互质。

13.根据前述权利要求中任何一个所述的对象检测系统，其中，所述信号处理单元(12)适于从所述混合信号分离对应于所述第一类型啁啾的第一信号分量和对应于所述第二类型啁啾的第二信号分量。

14.根据权利要求13所述的对象检测系统，其中，所述信号处理单元(12)适于相互独立地处理所述第一信号分量和所述第二信号分量。

15.根据权利要求13或14所述的对象检测系统，其中，所述信号处理单元适于将第一二维傅立叶变换应用到所述第一信号分量，并且将第二二维傅立叶变换应用到所述第二信号分量。

16.根据权利要求15所述的对象检测系统，其中，与所述目标对象(1)对应的第一峰值在所述第一二维傅立叶变换中检测，并且与所述目标对象(1)对应的第二峰值在所述第二二维傅立叶变换中检测。

17.根据权利要求13到16中的一个所述的对象检测系统，其中，所述信号处理单元适于通过连接根据处理所述第一信号分量和所述第二信号分量获得的信息来确定所述目标对象(1)的距离的初始估计量(R_est)和速度的初始估计量(v_est)。

18.根据权利要求16和17所述的对象检测系统，其中，所述目标对象(1)的所述距离的初始估计量(R_est)和所述速度的初始估计量(v_est)是使用所述第一峰值和所述第二峰值确定的。

19.根据权利要求18所述的对象检测系统，其中，所述距离的初始估计量(R_est)和所述速度的初始估计量(v_est)的使用以下公式确定的：

$R_{\mathrm{est}}=\frac{c}{2}\frac{(p_a-p_b)}{({\mathrm{Bw}}_a-{\mathrm{Bw}}_b)}$ $v_{\mathrm{est}}=\frac{c}{4\&CenterDot;f_c\&CenterDot;T_{\mathrm{Mini}}}((p_a+p_b)-\frac{(p_a-p_b)\&CenterDot;({\mathrm{Bw}}_a+{\mathrm{Bw}}_b)}{({\mathrm{Bw}}_a-{\mathrm{Bw}}_b)})$

20.根据权利要求17和18所述的对象检测系统，其中，所述信号处理单元适于使用利用所述距离的初始估计量(R_est)和所述速度的初始估计量(v_est)作为种子的迭代优化算法来确定目标对象(1)的距离(R)的最终值和速度(v)的最终值。

21.根据前述权利要求中任何一个所述的对象检测系统，其中，所述信号生成器(11)适于修改所述FMCW发射信号(Tx)的至少一个参数。

22.根据权利要求21所述的对象检测系统，其中，所述至少一个参数是从以下组中选择的：第一类型啁啾的持续时间(T_a、T_Mini)，第二类型啁啾的持续时间(T_b、T_Mini)，第一带宽(Bw_a)，第二带宽(Bw_b)，频率偏移(Δf、Δf_a、Δf_b)，第一类型啁啾的数量(N_b)和第二类型啁啾的数量(N_a)。

23.根据权利要求21或22所述的对象检测系统，还包括参数优化单元(18)，适于优化所述FMCW发射信号(Tx)的所述至少一个参数。

24.一种对象检测方法，用于通过发送调频连续波(FMCW)发射信号(Tx)并接收作为接收信号(Rx)的来自目标对象(1)的发射信号(Tx)的发射信号反射来确定目标对象(1)的距离(R)和速度(v)，所述方法包括以下步骤：

生成所述FMCW发射信号(Tx)，所述发射信号具有多个连续调制块(M)，每个调制块(M)包括若干(N_a)个第一类型啁啾和若干(N_b)个第二类型啁啾，每个第一类型啁啾具有第一斜率，每个第二类型啁啾具有与所述第一斜率不同的第二斜率，其中，相同类型的两个连续的啁啾具有频率偏移(Δf、Δf_a、Δf_b)，以及

基于所述发射信号(Tx)和所述接收信号(Rx)并且使用所述第一类型啁啾和所述第二类型啁啾来处理混合信号，以便确定所述目标对象(1)的距离(R)和速度(v)。

25.一种计算机程序，包括程序代码装置，用于当所述计算机程序在计算机上被执行时，使得计算机执行根据权利要求24所述的方法步骤。

26.一种存储有指令的计算机可读非瞬时介质，所述指令当在计算机上被执行时，使得所述计算机执行根据权利要求24所述的方法步骤。

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