CN104380136B - 用于三维探测的双通道单脉冲雷达 - Google Patents

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Abstract

一种利用双通道单脉冲雷达测定目标物体位置的装置。该雷达可以包括位于同一平面排列的两根发射天线和一根共用的接收天线。发射天线可以沿延伸穿过且与雷达的视轴线垂直的焦平面轴线位于雷达的焦平面上。两根发射天线可以在第一维度相互隔开，隔开的距离大约等于雷达的中心工作频率的一个波长的一半。其中一根发射天线可以相对于视轴线偏斜角度θ1，另外一根发射天线可以在第二维度相对于视轴线偏斜角度θ2。两根发射天线不会在第一维度相对于彼此偏斜。

Description

用于三维探测的双通道单脉冲雷达
技术领域
本发明大体涉及雷达系统的领域，尤其是用于紧凑型应用的单脉冲雷达系统。
背景技术
在过去的几十年中，雷达系统已经在用于探测目标物体的广泛的应用范围中实施，比如：车辆和飞机。最近，雷达系统已经在汽车中实施。汽车雷达系统已经发展到用于帮助驾驶员停泊他们的汽车，在安全距离内跟随通行，以及探测驾驶障碍物。例如，当汽车雷达系统探测到一障碍物或车辆前方交通放缓时，系统可以发出声音信号和/或视觉信号去警告驾驶员，比如：以可听音或可视的报警信号灯的形式。系统也可以对车辆实施主动的控制，比如，通过应用制动器来避免事故。
雷达系统可以通过测定往返延迟周期来探测到目标物体的范围(例如距离)，往返延迟周期为雷达信号的发射到接收到从目标物体反射后返回雷达天线的信号之间的周期。假设系统的发射天线和接收天线为同一天线或者彼此非常靠近，该往返的延迟，除以二然后乘以信号发射的速度，得到了雷达天线与目标物体之间的距离。
除了探测目标物体的范围外，雷达系统可用于探测目标物体的方向，其表现为目标物体的高度角、方位角以及相对于雷达天线的范围。这种方向探测通常利用具有四通道的单脉冲雷达系统来获取，该单脉冲雷达系统适用于幅值比单脉冲(其中通过雷达系统的四通道发射的射束是偏斜的)，或相位比单脉冲(其中通过雷达系统发射的射束不是偏斜的)，或如果两个通道相当于一个共基通道的三通道。通过比较从目标物体反射回的射束的量级比单脉冲的量级或相位比单脉冲的相数，可以得到目标物体的高度角和方位角。
传统的具有三维探测的四通道单脉冲雷达系统通常使用四个不同配置中的一个来实施。例如，参见图1A，图示一种四通道单脉冲雷达系统的结构，其包括共用发射通道TX和四个接收通道RX1-4(在x和y方向上处于2×2的排列)。参见图1B，图示一种系统结构，其包括共用的接收通道RX和四个发射通道TX1-4(在x和y方向上处于2×2的排列)。参见图1C，图示一种系统结构，其包括两个发射通道TX1和TX2(在x方向上处于并排排列)，以及两个接收通道RX1和RX2(在y方向上处于并排排列)。参见图1D，图示一种系统结构，其包括两个发射通道TX1和TX2(在y方向上处于堆叠排列)，以及两个接收通道RX1和RX2(在x方向上处于并排排列)。
由于四通道单脉冲雷达系统通常用于测定目标物体的高度和方位角，这种系统的天线和电路的要求使得它们在汽车应用的实际实施中太大以及成本太高。并且，如果系统的通道连续操作，四通道系统会出现长探测时间。因此，需要提供一种用于汽车应用的单脉冲雷达系统，其能够在紧凑体积中和低廉成本的情况下实施。
发明内容
根据本发明，公开一种利用用于三维探测的双通道单脉冲雷达测定目标物体的位置的装置和方法。
根据本发明的用于三维探测的双通道单脉冲雷达的实施例可以包括接收天线以及沿焦平面轴线彼此隔开的第一和第二发射天线，其间距等于雷达的中心工作频率的一个波长的大约一半。第一发射天线可以在垂直于焦平面轴线的第一方向上偏斜，第二发射天线可以在垂直于焦平面轴线的第二方向上偏斜。
附图说明
下面将结合附图以示例的方式描述所公开的装置的具体实施例，其中：
图1A至图1D是表示背景技术的单脉冲雷达各种结构的原理框图。
图2是根据本发明表示用于三维探测的双通道单脉冲雷达的第一实施例的原理框图。
图3是根据本发明表示用于三维探测的双通道单脉冲雷达的第二实施例的原理框图。
图4A是根据本发明表示用于双通道单脉冲雷达的测得的天线信号图像的曲线图。
图4B是根据本发明表示用于三维探测的双通道单脉冲雷达的理想天线信号图像的曲线图。
图5A是根据本发明表示用于三维探测的双通道单脉冲雷达的测量的幅值比图像的曲线图。
图5B是根据本发明表示用于三维探测的双通道单脉冲雷达的理想幅值比图像的曲线图。
图6是根据本发明表示用于三维探测的双通道单脉冲雷达的测量的相位差图像的曲线图。
图7是根据本发明表示用于三维探测的双通道单脉冲雷达的更详细的电路框图。
图8A是根据本发明表示用于三维探测的双通道单脉冲雷达的发射天线结构的电路布置图。
图8B是根据本发明表示用于三维探测的双通道单脉冲雷达的接收天线构造的电路布置图。
图9是根据本发明表示利用用于三维探测的双通道单脉冲雷达获取目标物体位置数据的方法的流程图。
具体实施方式
参见图2，图示出用于三维探测的双通道单脉冲雷达200的原理框图。雷达200通常可以包括大致排列于同一平面，比如介质基片(图未示)的表面上的两个发射天线TX1和TX2以及一个共用接收天线RX。发射天线TX1和TX2可以放置在雷达200的焦平面上，沿与视轴线202垂直的焦平面轴线204(图2中的x轴)并与雷达200的视轴线202水平等距放置。发射天线TX1和TX2可以彼此隔开，距离大约等于雷达的中心工作频率的一个波长的一半。发射天线TX1或TX2其中一个可以相对于视轴线202垂直地“偏斜”角度θ，并且发射天线TX1或TX2其中另一个可以相对于视轴线202垂直地“偏斜”角度-θ。这里的“偏斜”被定义的含义是“角度偏离”。发射天线TX1和TX2相对于彼此并不水平偏斜。
参见图3，本领域普通技术人员可以领会，根据本发明可以实施的替代雷达300，其中雷达300设有单个发射天线TX以及两个接收天线RX1和RX2，这两个接收天线彼此间隔开，并且如上述天线TX1和TX2那样的方式偏斜。尽管这种实施例能够不脱离本发明地考虑和实施，只有图2所示的雷达200的实施例在这里会被详细描述。因此，可以理解下面对雷达200的描述仅以示例方式提供，并不意味着有任何方式的限制。
参见图4A，图示用于本发明的雷达200的测量后的方位角和高度角双向的双通道天线图像。图4B示出对应的理想的输出图像(例如：没有误差或失真)。正如图4A和4B所示，用于发射天线TX1和TX2的方位(azimuth)图像的辐射角基本相同。这是因为发射天线TX1和TX2相对于彼此并不水平偏斜。相比之下，发射天线TX1和TX2的高度(elevation)图像的辐射角相差了大约6度。这是因为发射天线TX1和TX2相对于视轴线以相反的方向垂直地偏斜了角度θ，其中θ大约等于3度。因此发射天线TX1和TX2相对于彼此垂直地偏斜角度为2θ，或大约6度。
通用使用幅值比较单脉冲技术，发射天线TX1和TX2的上述偏斜结构产生如图5A(对于测量后的图像)和图5B(对于理想图像)所示的高度和方位角幅值比图像。可以看出，基本相同的发射天线TX1和TX2的方位角辐射图像导致方位角幅值比在测量后和理想幅值比图像中在跨越宽泛的辐射角范围(从大约-90度到大约+90度)内大致等于0dB。但是，由于发射天线TX1和TX2的相反的垂直偏斜，高度幅值比遵循在测量后的图像中从大约-15度到大约+15度辐射角(即高度角)的大致线性斜率，以及在理想图像中从大约-90度到大约+90度(只有部分显示在图5B中)的大致线性斜率。高度幅值比斜率在测量后的图像中在低于大约-15度以及高于大约+15度的非线性特征能够归因于低信号级以及由此导致的雷达200的低探测能力。因为被汽车雷达系统作为目标的物体通常位于相对于雷达系统的视轴线的-15度到+15度的垂直封线内，处于这个范围之外的图像的非线性特征能够在大多数应用中被忽略。
由垂直偏斜的发射天线TX1和TX2产生的高度幅值比图像，因此促进了由此的目标物体的高度角的直接推导。例如，参见图5A，8dB的高度幅值比表示目标物体的高度角大约9度，以及大于-10dB的高度幅值比表示目标物体的高度角大约-10度。如下面将进一步描述的，目标物体的高度角从幅值比图像中的推导可以通过与雷达200一体成型的处理元件完成。
通过使用相位比较单脉冲技术，发射天线TX1和TX2的上述结构(其中发射天线TX1和TX2不是相对于彼此水平偏斜的)生成如图6所示的高度和方位相位增量(delta)图像。可以看出，方位相位增量图像为遍布在-90度到+90度的整个辐射角范围的单调曲线。因此目标物体的方位角能够直接从发射天线TX1和TX2的发射信号与目标反射回的信号之间的相位差中推导出。例如：120度的相位增量表示目标物体的方位角大约30度，以及-60度的相位增量表示目标物体的方位角大约-10度。可能由目标物体的高度角引起的任何相位偏差能够被校准，因为高度角是来自先前测定(如上所述)的已知量。下面将进一步描述，目标物体的方位角从相位增量图像的推导及其校正能够通过整合在雷达200中的处理元件执行。
参见图7，示出根据本发明的示例双通道单脉冲雷达700的电路图。雷达700可以包括发射方702和接收方704。发射方702可以包括锁相环(PLL)合成器706、信号发生单元708、射频(RF)缓冲放大器710、射频功率分配器712、本机振荡激励放大器714、本机振荡器开关716和控制器718、射频激励放大器720、发射开关722和控制器724、发射功率放大器726、发射天线开关728和控制器730、以及发射天线732和734。发射天线732和734彼此间隔，距离大约等于在第一维度的雷达中心工作频率的一个波长的一半。这种结构可以具有很多优点，比如在上述方式中便于分辨目标物体的第一角度(例如：方位角或高度角)。发射天线732在垂直于第一维度的第二维度相对于雷达700的视轴线(例如：图7中的Z轴)向上偏斜角度θ1。发射天线734可以在第二维度相对于雷达700的视轴线向下偏斜角度θ2，以便于在上述方式中分辨目标物体的第二角度(例如：高度角或方位角)。
雷达700的接收方704可以包括接收天线736、低噪音放大器738、接收器功率分配器740、I/Q混频器742、中频可变增益放大器744和746、采样和保持开关748和750以及控制器752、I通道和Q通道积分器754和756、本机振荡功率分配器758、模拟到数字转化器760和762、以及数字信号处理器764。除了驱动PLL合成器706以及以基本类似于传统单脉冲雷达的方式来操作雷达700的电路的各种开关控制，数字信号处理器764可以对接收天线736收到的(以及此后混合、放大、和转换的)信号执行多种信号处理，来生成三维目标物体报告，该报告可以包括被探测目标物体的距离、速度、高度角以及方位角。
如前面所述，可以想到雷达700的替代实施例，其包括单个发射天线和两个接收天线，其中接收天线是偏斜的并以发射天线732和734的方式彼此间隔。当然，本领域技术人员可以领会，这种实施例将有必要对图7所示的雷达700的结构和元件的数量做某种其他的修改。
参见图8A和8B，示出用于根据本发明的发射天线TX1和TX2以及接收天线RX的示例天线结构。通常，天线TX1、TX2和RX可以分别由与各自已知的供给系统808、810和812互连的多个贴片天线元件800、802和806(在基板的外侧)形成。也可以提供多个已知的接地通孔(图未示)。虽然图示的发射天线TX1和TX2为一对六小组的贴片阵列和图示的接收天线为六对六小组的贴片阵列(每个小组具有二对二的贴片阵列)，应用在每个天线TX1、TX2和RX中的贴片元件的结构和数量可以根据要求和需要修改。
图9是利用类似于图7所示的雷达700的双通道单脉冲雷达测定目标物体数据(比如范围、高度角、以及方位角)的示例处理的流程图。所述处理过程可以完全或部分被数字信号处理器执行，比如参照图7描述的数字信号处理器764。之后，处理周期从步骤900开始，在步骤905中第一射频信号从发射天线TX1发射出。然后在步骤910中反射的第一射频信号被接收天线RX接收，接着在步骤915至925中进行混合、采样、整合以及转换。然后在步骤930中第二射频信号从发射天线TX2中发射出。然后在步骤935中反射的第二射频信号被接收天线RX接收，接着在步骤940至950中被混合、采样、整合以及转换。从发射天线TX1和TX2中发射信号以及接收、混合、采样、整合和转换反射信号的过程不断重复直到数字信号处理器已经获得了针对发射天线TX1和TX2两者在频率或时间域的完整的数据集。
针对发射天线TX1和TX2两者，一旦完整的数据集已经编辑完成，在步骤955中该数据集被数字信号处理器相干合成。如果测定合成后的数据集不是仅多普勒数据集，在步骤960中数字信号处理器用传统的方式转换合成后的数据集去获取目标物体的范围。或者，如果该数据集是仅多普勒数据集，在步骤965中数字信号处理器将合成后的数据集转换成量级阵列(magnitude array)。在步骤970中，数字信号处理器对转换后的数据集执行探测操作来决定目标是否已经被探测到。如果目标物体没有被探测到，数字信号处理器启动新的步骤900的处理周期。或者，如果目标物体已经被探测到，在步骤975中，数字信号处理器利用接收到的发射天线TX1信号和接收到的发射天线TX2信号之间的相位差来计算目标物体的第一角度，并在步骤980中，利用接收到的发射天线TX1信号和接收到的发射天线TX2信号的幅值比来计算目标物体的第二角度。在本发明的一些实施例中，第一角度和第二角度可以分别被称为方位角和高度角。在本发明的另一些实施例中，第一角度和第二角度可以分别被称为高度角和方位角。然后在步骤985中，(包括范围、高度角以及方位角)的目标物体数据作为输出由数字信号处理器提供。然后开始新的处理周期。
因此，本发明的各种实施例提供了一种用于三维探测的双通道单脉冲雷达，该雷达使用了一对在第一维度彼此分离并在第二维度偏斜的发射天线TX1和TX2(或接收天线RX1和RX2)，以及单个接收天线RX(或发射天线TX)。在本发明的一些实施例中，第一维度和第二维度可以分别被称为水平面和垂直面。在本发明的另一些实施例中，第一维度和第二维度可以分别被称为垂直面和水平面。这种配置促进了经由相位比单脉冲的目标物体的第一角度的获得，并同时促进了经由幅值比单脉冲的目标物体的第二角度的获得。在本发明的一些实施例中，第一角度和第二角度可以分别被称为方位角和高度角。在本发明的其他实施例中，第一角度和第二角度可以分别被称为高度角和方位角。通过同时获取目标物体所有的位置数据(例如：范围、速度、高度角和方位角)，没有额外的探测时间专用于获取任何单独的数据。因此本发明的雷达相对于传统单脉冲雷达系统展现了较大总体系统的灵敏性以及可以利用较少的元件(因此减小了尺寸)和以较低的成本来操作。
本发明的雷达的各种实施例中的元件可以用不同材料制成，例如，半导体材料。进一步地，例如，雷达提供的脉冲可以在不同的频率带生成，比如不同的微波、毫米波，以及其他射频带。此外，发射天线和接收天线以及他们的元件可以由已知的标准天线陈列组成。图7所示的示例雷达700的发射方和接收方可以包括任何类型的利用已知脉冲源(例如振荡器)开和关的射频开关设备，比如场效应晶体管(FET)开关、肖特基二极管、PIN二极管等。
各种实施例或元件，例如，雷达和其中的元件或控制器，可以作为一个或更多计算机系统的部分实施，计算机系统可以与雷达分离开或组合在一起。计算机系统可以包括计算机、输入设备、显示单元和例如用于访问互联网的接口。计算机可以包括微处理器。微处理器可以连接至通信总线。计算机也可以包括存储器。存储器可以包括随机存取存储器(RAM)和只读存储器(ROM)。计算机系统可以进一步包括存储设备，其可以为硬盘驱动器或移动存储驱动器，比如软盘驱动器、光盘驱动器等等。存储设备也可以为用于向计算机系统装载计算机程序或其他指令的其他类似的设备。
如在此使用的，术语“计算机”可以包括任何基于处理器或基于微处理器的系统，其包括利用微控制器、精简指令集电路(RISC)、专用集成电路(ASICS)、逻辑电路以及任何其他能够执行这里描述的功能的电路或处理器的系统。上述示例仅为示例性的，因此并不意图以任何方式限制术语“计算机”的定义和/或含义。
为了处理输入数据，计算机系统执行储存在一个或多个存储元件中的指令集。存储元件也可以在要求或需要时存储数据或其他信息。存储元件可以采用信息源或在处理机内的实体存储元件的形式。
指令集可以包括各种指令，该指令命令计算机作为处理机去执行特定操作，比如本发明的各种实施例的方法和过程，例如用于生成具有不同宽度的两个天线图像。指令集可以采用软件程序的形式。软件可以是各种形式，比如系统软件或应用软件。进一步地，软件可以采用独立程序的集合、大程序中的程序模块或程序模块的一部分的形式。软件也可以包括采用面向对象的程序设计为形式的模块化程序设计。利用处理机的输入数据的处理可以对用户命令做出响应，或对先前的处理结果做出响应，或对另一个处理机发出的请求做出响应。
如在此使用的，术语“软件”和“固件”是可互换的，包括储存在用于通过计算机执行的存储器中的任何计算机程序，包括RAM存储器、ROM存储器、EPROM存储器、EEPROM存储器，以及非易失性RAM(NVRAM)存储器。上述存储器类型仅仅是示例性的，并不因此限制可用于计算机程序存储的存储器的类型。
如在此使用的，单数列举和以“一”或“一个”的词语开始的元件或步骤应当被理解为不排除复数个元件或步骤，除非这种排除被明确列举。而且，本发明中“一个实施例”的说法并不意图解释为排除另外也包括所述特征的实施例的存在。
虽然本发明的某些实施例已经在这里描述，并不意味着本发明限制于此，本发明意图允许在本领域的宽泛范围中，说明书的理解也同上。因此，上述描述并不被解释成限制，而是仅仅作为特别实施例的范例。本领域技术人员在依附于权利要求的范围和精神中将预想到其他的变型。

Claims (2)

1.一种利用双通道单脉冲雷达获取目标物体的位置数据的方法，该方法包括：
从第一发射天线发射第一信号，第一发射天线在垂直于雷达的焦平面轴线的第一方向上相对于雷达的视轴线偏斜第一角度；
从第二发射天线发射第二信号，第二发射天线在垂直于焦平面轴线的第二方向上相对于视轴线偏斜第二角度；
在第一和第二信号已被反射后，接收所述第一和第二信号；
通过第一和第二接收的信号的幅值比计算高度角和方位角的其中之一；以及
通过第一和第二接收的信号之间的相位差计算高度角和方位角的其中之一，
其中，所述方法进一步包括混合所接收的第一和第二信号；
保持和采样所接收的信号；
整合所接收的信号；
将所接收的信号从模拟转换为数字化；
重复发射、接收、混合、采样和保持、整合以及从模拟向数字化转换的步骤，直到产生用于所述第一和第二发射天线的完整的数据集；
相干合成所述用于第一和第二发射天线的数据集；
当合成的数据集为仅多普勒数据集时，将所述合成的数据集转换以获取目标物体的范围；
当合成的数据集不是仅多普勒数据集时，将所述合成的数据集转换为量级阵列；以及
当目标物体已被探测到时；
通过第一和第二接收的信号的幅值比来计算目标物体的高度角和方位角的其中之一；以及
通过第一和第二接收的信号之间的相位差计算所述目标物体的高度角和方位角的其中之一。
2.根据权利要求1所述的方法，进一步包括将目标物体位置数据报告给主控制。
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