CN103163516B - 雷达系统 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种雷达系统，用于使用高分辨率算法来检测目标的位置。减少了由于对雷达反射的数目的不正确估计而导致的不正确目标检测的数目。检测具有最大功率的二维（方位角和距离）峰并且以该峰为中心形成虚拟波束。如果该二维峰掩埋在虚拟波束中，那么该峰被假定为噪声峰并且被除去。对于所有二维峰重复该处理，从而除去噪声峰并且减少不必要的目标检测的数目。该系统还可以正确地检测在某分辨率靠近在一起但具有大于虚拟波束的功率的峰。

Description

雷达系统

技术领域

本发明涉及一种使用高分辨率算法来检测目标的位置的雷达系统。

背景技术

一些类型的雷达系统是公知的。一种类型的公知雷达系统使用由多个天线元件组成的阵列天线来检测距反射无线电波的目标的距离或无线电波到达的方向（即存在目标的方向）。

如JP-A-2006-047282中所提及的那样，所谓的高分辨率算法例如MUSIC（Multiple Signal Classification，多重信号分类）、ESPRIT（Estimation of Signal Parameters via Rotational Invariance Techniques，基于旋转不变技术对信号参数的估计）等作为估计无线电波到达的方向的方法是公知的。在使用这种高分辨率算法的方法中，根据示出由天线元件（也称为“通道”）所接收的信号之间的相关性的相关矩阵来准备角谱。然后，在该方法中，扫描角谱以估计无线电波到达的方向。

在高分辨率算法中，在计算无线电波到达的方向的过程中准备角谱。具体地，在该过程中准备角谱期间，估计反射的数目以形成估计数目的峰。因此，如果来波的估计数目不正确，就可能形成不必要的峰（噪声峰）从而不必要地检测实际上不存在的目标（在下文中，这种检测被称为“不必要检测”）。不必要检测会导致例如在车辆的ACC（Adapative CruiseControl，自适应巡航控制）系统中的不必要控制。因此，需要尽可能多地减少不必要检测。

当使用高分辨率算法时，在计算中利用不必要的精细分辨率检测峰。因此，在所谓的波束形成器方法中，高分辨率算法的使用引起使下述噪声峰暴露的问题，所述噪声峰本可能会掩埋于基于从目标反射的波的峰中。

另一方面，也如JP-A-2006-047282中所述的那样，进行多种尝试以提高对反射的数目进行估计的精确度。然而，目前还没有取得足够满意的结果。

发明内容

因此，关于用于使用高分辨率算法来检测目标的位置的雷达系统，期望的是能够减少由于对来波的数目的错误估计而导致发生对目标的不必要检测的雷达系统。

因此本申请提出下述雷达系统作为示例性实施方式，所述雷达系统包括：i）用于发射电磁波的电磁波发射装置；ii）用于接收从目标反射的电磁波的电磁波接收装置；iii）位置估计装置，该位置估计装置用于根据从电磁波接收装置获得的接收信号使用至少高分辨率算法来估计反射电磁波的每个目标的位置；iv）虚拟波束创建装置，该虚拟波束创建装置用于创建具有以位置估计装置所估计的相应目标的位置为中心的预定波束宽度的虚拟波束；以及v）除去装置，该除去装置用于除去位于相应虚拟波束的范围之内并且关于相应位置的接收功率小于相应虚拟波束的功率的目标（雷达系统的第一方面）。

因此，借助于虚拟波束，雷达系统的第一方面可以除去出现在关于角谱的峰附近的小功率峰，也就是说，可以减少对不存在的目标的不必要检测。因此，本雷达系统可以防止引起对车辆的不必要控制。

优选地，虚拟波束的宽度被设定为对应于期望分辨率的值（雷达系统的第二方面）。根据第二方面，雷达系统可以防止过剩性能（overperformance）并且将优选的检测结果提供至用于车辆控制的下游部件。

优选地，除去装置按估计的目标的功率的降序来处理所述估计的目标（雷达系统的第三方面）。根据第三方面，可以减少除去装置的处理负荷。

虽然由估计装置估计的位置可以是由方位角表示的一维位置，但是更优选的是由距离和方位角二者表示的二维位置（雷达系统的第四方面）。

附图说明

在附图中：

图1是示出了根据示例性实施方式的应用于ACC系统的雷达传感器的配置的框图；

图2是示出了由雷达传感器中的信号处理器执行的处理的流程图；

图3是具体示出了处理中所执行的二维峰抽取的流程图；

图4是示出了虚拟波束的轮廓的说明性图；

图5是例示出在由距离和方位角表示的二维地图上临时峰的位置和虚拟波束的增益分布的说明性图；以及

图6是示出了对雷达传感器的效果的测量的表。

具体实施方式

参考附图，在下文中对本发明的实施方式进行描述。图1是示出了根据示例性实施方式的应用于ACC（自适应巡航控制）系统的雷达传感器1（对应于权利要求中所述的“雷达系统”）的配置的框图。

如图1所示，ACC系统包括雷达传感器1、用于车辆间距离控制的电子控制单元（下文中称为“车辆间距离控制ECU”）30（在这里“车辆间距离”意思是车辆之间的距离）、用于发动机的电子控制单元（下文中称为“发动机ECU”）32以及用于制动器的电子控制单元（下文中称为“制动器ECU”）34。雷达传感器1检测车辆前方的情况。车辆间距离控制ECU 30根据由雷达传感器1检测的车辆前方的情况和由未示出的各种传感器检测的车辆的情况来自动地控制车辆间距离。发动机ECU 32根据加速器踏板的操纵量或来自车辆间距离控制ECU 30的指令来控制发动机的情况。制动器ECU 34根据制动器踏板的操纵状态或来自车辆间距离控制ECU 30的指令来控制制动设备的情况。ECU 30、ECU 32和ECU 34各自主要由公知的微型计算机配置并且经由车载LAN（Local AreaNetwork，局域网）彼此连接。

雷达传感器1被配置为基于FMCW（Frequency-ModulatedContinous Wave，调频连续波）系统的所谓的“毫米波雷达”。雷达传感器1以毫米波段作为雷达波将调频电磁波发射至捕获目标并且从捕获目标接收调频电磁波，捕获目标例如前面的车辆或路旁的物体（在下文中称为“捕获目标”）。雷达传感器1产生关于捕获目标的信息（在下文中称为“目标信息”）并且将信息发送至车辆间距离控制ECU 30。

目标信息至少包括相对于装备有雷达系统的车辆（在下文中也称为“装备系统车辆”）而言捕获目标的位置（距离和方位角）和捕获目标的相对速度。

【雷达传感器的配置】

下面对雷达传感器1进行具体描述。雷达传感器1包括振荡器10、放大器12、分配器14、发射天线16和接收天线阵列20。振荡器10产生毫米波段的高频率信号。高频率信号被调制成具有其中频率随着时间线性增大的区（该区在下文中被称为“频率增大区”）和其中频率随着时间线性减小的区（该区在下文中被称为“频率减小区”）。放大器12放大由振荡器10产生的高频率信号。分配器14将来自放大器12的输出的功率分配成发射信号（Ss）和本地信号（L）。发射天线16根据发射信号（Ss）辐射雷达波。接收天线阵列20由接收雷达波的数目为n个的接收天线元件（CH1至CHn）组成。

雷达传感器1还包括接收开关21、放大器22、混频器23、滤波器24、A/D转换器25和信号处理器26。接收开关21顺序地选择组成接收天线阵列20的天线元件中的任一个天线元件以将来自所选择的天线元件的接收信号（Sr）提供至下游部件。放大器22放大从接收开关21提供的接收信号（Sr）。混频器23将由放大器22放大的接收信号（Sr）与本地信号（L）混合以产生拍频信号（BT）。滤波器24从由混频器23产生的拍频信号（BT）中除去不必要的信号分量。A/D转换器25对来自滤波器24的输出进行采样并且将所采样的输出转换成数字数据。信号处理器26激活或去激活振荡器10、控制经由A/D转换器25进行的拍频信号（BT）的采样、处理采样的数据以产生目标信息等。

在下文中，使用组成接收天线阵列20的天线元件CH1至CHn的接收系统分别被称为通道CH1至CHn。主要由公知的微型计算机组成的信号处理器26包括处理单元（例如，DSP（数字信号处理器））。所述处理单元具有例如针对经由A/D转换器25获得的数据执行快速傅里叶变换（FFT）处理的功能。

【雷达传感器的操作】

在以该方式配置的雷达传感器1中，当根据来自信号处理器26的指令激活振荡器10时，将振荡器10中产生的高频率信号发送至放大器12用于放大。然后，由分配器14将放大的高频率信号的输出功率分配成发射信号（Ss）和本地信号（L）。在这些信号中，发射信号（Ss）作为雷达波经由发射天线16发射。

从发射天线16发出并且从目标反射的雷达波被组成接收天线阵列20的接收天线元件接收。在此情况下，仅将由接收开关21选择的接收通道CHi（i=1至n）的接收信号（Sr）提供至放大器22用于放大。将由放大器22放大的接收信号（Sr）提供至混频器23。然后，混频器23将接收信号（Sr）与来自分配器14的本地信号（L）混合以产生拍频信号（BT），也就是等于信号（Ss）与信号（Sr）之间的差的频率分量。拍频信号（BT）在滤波器24中经受滤波以除去不必要的信号分量。然后，经滤波的信号由A/D转换器25采样并且经采样的信号作为数字数据被提供至信号处理器26。

确保接收开关21对通道CH1至CHn进行切换以使得在雷达波的一个调制循环期间以预定次数选择通道CH1至CHn中的所有通道。此外，确保A/D转换器25以与切换定时同步的方式执行采样。具体地，在雷达波的一个调制循环期间，针对通道CH1至CHn中的每一个通道并且针对雷达波的频率增大区和频率减小区中的每一个区存储经采样的数据。

【主要处理】

沿图2所示的流程图对由信号处理器26所执行的主要处理进行描述。按雷达波的一个调制循环作为一个测量循环重复地开始该主要处理。

当主要处理开始时，在步骤S110中，首先针对在一个测量循环期间存储的对应于一个调制循环的采样数据执行频率分析（此处指FFT处理）。在频率分析期间，信号处理器26针对通道CH1至CHn中的每一个通道并且针对雷达波的频率增大区和频率减小区中的每一个区计算拍频信号（BT）的功率谱。

然后，在步骤S120中，信号处理器26搜索步骤S110中计算的整个功率谱从而抽取频率分量作为峰（在下文中称为“距离方向峰”）。在步骤S130中，信号处理器26针对频率中的每一个频率并且针对距离方向峰的调制区中的每一个调制区执行方位角计算以获得引起步骤S120中所抽取的距离方向峰的反射波到达的方向。具体地，信号处理器26使用在通道CH1至CHn中同时检测到的相同的距离方向峰来执行高分辨率算法例如MUSIC以获得角谱。

在步骤S140中，信号处理器26执行二维峰抽取。在二维峰抽取中，信号处理器26从其位置由通过步骤S110至S130获得的距离和方位角二维表示的峰（临时峰）中除去不必要的噪声峰，以抽取基于从目标反射的波的峰（在下文中称为“二维峰”）。

在步骤S150中，信号处理器26执行配对。在配对时，信号处理器26组合在步骤S140中针对每个频率增大区和频率减小区抽取的二维峰之中的、基于从同一目标反射的波的峰。具体地，信号处理器26组合在步骤S120中所抽取的距离方向峰的信号级（level）上且在步骤S130中所计算的到达的方向上彼此相符的二维峰。

在步骤S160中，信号处理器26针对步骤S150中所设定的组合中的每一个组合使用在FMCW雷达中公知的处理计算距离和相对速度。然后，信号处理器26根据所计算的距离和相对速度以及在步骤S130中计算的方位角来产生目标信息，然后结束主要处理。将主要处理中产生的目标信息发送至车辆间距离控制ECU 30以供在ACC等中使用。

【二维峰抽取】

沿图3所示的流程图对二维峰抽取进行具体描述。

随着二维峰抽取的开始，在步骤S210中对步骤S130中所获得的结果（通过MUSIC所获得的角谱）进行峰扫描，从而抽取临时峰并且准备指示临时峰的二维位置和功率的列表。临时峰的数目等于在MUSIC处理期间已经估计的来波的数目。

然后，在步骤S220中，将步骤S210中抽取的临时峰按其功率的降序进行排序。在步骤S230中，将临时峰之中具有最大功率的临时峰登记为二维峰并且同时将其从临时峰的列表中除去。

在步骤S240中，确定是否有任何临时峰保持未被除去。如果没有临时峰保持未被除去（在步骤S240中为否），那么结束二维峰抽取。另一方面，如果还留有任何临时峰（在步骤S240中为是），那么控制前进至步骤S250。在步骤S250中，针对所登记的二维峰创建虚拟波束。然后，在步骤S260中，确定是否存在任何掩埋在虚拟波束中的临时峰。

图4是示出了虚拟波束的轮廓的说明性图。如图4中由虚线所示的，虚拟波束被创建为具有下述波束形状（波束宽度），在该波束形状中在距离待处理的二维峰有目标方位角分辨率（或距离分辨率）的一半远的位置处增益降低了6dB。表述“掩埋在虚拟波束中”指的是在该位置处临时峰的接收功率不大于虚拟波束的功率。图4中的图仅基于与方位角的关系。在使用与距离的关系的情况下，不是通过方位角分辨率而是通过范围分辨率来指定降低了6dB的范围。另外，以类似于与方位角的关系处理与距离的关系。

图5是例示出在由距离和方位角表示的二维图上临时峰的位置和虚拟波束的增益分布的说明性图。具体地，在图5中，在由距离和方位角所表示的二维图上示出临时峰的位置（按峰的功率的降序由带圈的数字1至5示出）。同样，针对具有三个最高功率的临时峰，在图中由灰度级示出虚拟波束的增益分布。每个虚拟波束的增益分布出现为例如如图5中所示的那样。

如果没有临时峰掩埋在虚拟波束中（在步骤S260中为否），那么控制返回至步骤S230以重复步骤S230至步骤S260。如果有任何峰掩埋在虚拟波束中（在步骤S260中为是），那么控制前进至步骤S270。在步骤S270中，掩埋在虚拟波束中的临时峰被确定为来源于噪声的峰并且被除去。

在步骤S280中，确定是否存在保持未被除去的临时峰。如果任何临时峰保持未被除去（在步骤S280中为是），那么控制返回至步骤S230以重复步骤S230至步骤S280。如果没有临时峰保持未被除去（在步骤S280中为否），也就是如果已经处理了所有临时峰，那么二维峰抽取结束。

【优点】

如上所述，在雷达传感器1中，将具有最大功率的临时峰登记为二维峰。然后，以二维峰的位置为中心形成虚拟波束。然后，如果临时峰被掩埋在虚拟波束中，则将该临时峰作为噪声峰除去。对于留下而未被除去的临时峰重复执行相同的处理，从而确保二维峰的抽取。

因而，雷达传感器1能够在噪声峰在二维峰的附近被引发的情况下除去噪声峰，并且从而避免将反射的数目错误地估计为大于实际数目。因此，雷达传感器1能够防止不必要检测。

此外，在峰关于所需的分辨率彼此靠近地定位的情况下，雷达传感器1能够各自地且独立地检测具有比虚拟波束的功率更大的功率的峰。

图6是示出对雷达传感器1的效果的测量的表。具体地，图6的表示出了由传统技术的雷达（使用高分辨率算法（MUSIC））所进行的和由本实施方式的雷达传感器1（使用高分辨率算法和虚拟波束的组合）所进行的不必要检测的频度的测量。测量基于如下情形：在相邻车道上行进的某个车辆经过装备系统车辆。如表中所示，已经证实本实施方式的雷达传感器1将不必要检测的数目减少到传统技术的雷达的不必要检测的数目的1/3至1/4。

在本实施方式中，雷达传感器1的除了信号处理器26之外的部件对应于电磁波发射/接收装置；执行步骤S120和S130的信号处理器26对应于位置估计装置；执行步骤S250的信号处理器26对应于虚拟波束创建装置；以及执行步骤S260和S270的信号处理器26对应于除去装置。

【变型】

到目前为止已经对本发明的实施方式进行了描述。然而，本发明不限于上述实施方式而是可以在不脱离本发明的精神的范围内以各种变型来实施。

上述实施方式例示出雷达传感器1应用于ACC系统。然而，这不应该强加为限制。此外，作为对作为在上述实施方式中的方位角检测中使用的高分辨率算法的MUSIC的替代，可以使用ESPRIT或其他算法。

在上述实施方式中，虚拟波束应用于其位置由距离和方位角二维地表示的临时峰。作为对此的替代，虚拟波束可以应用于作为使用高分辨率算法的结果其位置被一维地表示（即仅由方位角或距离表示）的峰。

Claims (5)

1.一种雷达系统，包括：

电磁波发射装置，所述电磁波发射装置用于发射电磁波；

电磁波接收装置，所述电磁波接收装置用于接收从目标反射的电磁波；

位置估计装置，所述位置估计装置用于根据从所述电磁波接收装置获得的接收信号使用至少高分辨率算法来估计反射所述电磁波的每个目标的位置；

虚拟波束创建装置，所述虚拟波束创建装置用于创建具有以所述位置估计装置所估计的相应目标的位置为中心的预定波束宽度的虚拟波束；以及

除去装置，所述除去装置用于除去位于相应虚拟波束的范围之内并且关于相应位置的接收功率小于相应虚拟波束的功率的目标。

2.根据权利要求1所述的雷达系统，其中，所述虚拟波束的宽度被设定为对应于期望分辨率的值。

3.根据权利要求1或2所述的雷达系统，其中，所述除去装置按所述估计的目标的功率的降序来处理所述估计的目标。

4.根据权利要求1或2所述的雷达系统，其中，由所述位置估计装置估计的位置为由方位角和距离二者限定的二维位置。

5.根据权利要求3所述的雷达系统，其中，由所述位置估计装置估计的位置为由方位角和距离二者限定的二维位置。