CN105093213B - 具有改进的多目标区分的雷达系统 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种具有改进的多目标区分的雷达系统。该系统包括多个天线(16)和控制器(26)。每一天线被配置成检测由位于系统(10)的视场(22)中的物体所反射的反射雷达信号(20)。控制器(26)被配置成接收来自每一天线的天线信号，该天线信号对应于由天线所检测到的反射雷达信号(20)。控制器(26)还被配置成确定每一天线信号的反射信号分布(32)。控制器(26)还被配置成基于反射信号分布(32)的组合来确定合成数据集(34)。控制器(26)还被配置成确定该合成数据集(34)是否包括被表征为大于合成阈值(36)的合成数据点。控制器(26)还被配置成确定反射信号分布(32)中的任何一个是否指示雷达信号(18)由多于一个物体所反射。
Description
发明领域
本公开一般涉及雷达系统，并且尤其涉及将基于来自多个接收天线的信号的组合的合成信号与来自每一接收天线的各个信号进行比较以用于检测多个物体或目标的系统。
背景技术
由于天线尺寸、系统尺寸、技术和成本约束，汽车雷达传感器对于区分具有近似(similar)位置和多普勒频移反射特性的两个目标或如果一个目标相比第二附近目标具有显著更大的雷达截面积(RCS)的两个目标可具有性能限制。其中两个目标具有近似距离(range)和多普勒频移反射特性从而使得典型的汽车雷达系统难以辨别这两个目标的示例包括：在停着的或缓缓移动的客运车辆(passenger vehicle)周围步行的缓缓移动的行人、在近似距离处以近似距离变化率在行进在相邻车道中的卡车挂车旁边行进的摩托车、以及在较远(longer)距离处的具有近似距离变化率在相邻的车道上靠近彼此移动的两辆乘用车(passenger car)。
发明概述
根据一个实施例，提供了雷达系统。该系统包括多个天线和控制器。每一天线被配置成检测由位于系统的视场中的物体所反射的反射雷达信号。控制器被配置成接收来自每一天线的天线信号，该天线信号对应于由天线所检测到的反射雷达信号。控制器还被配置成确定每一天线信号的反射信号分布。控制器还被配置成基于反射信号分布的组合来确定合成数据集。控制器还被配置成确定合成数据集是否包括被表征为大于合成阈值的合成数据点。控制器还被配置成确定反射信号分布中的任何一个是否指示雷达信号由多于一个物体所反射。
在另一实施例中，提供了操作雷达系统的方法。该方法包括接收对应于由每一天线所检测到的反射雷达信号的来自多个天线中的每一个的天线信号的步骤。该方法还包括确定每一天线信号的反射信号分布的步骤。该方法还包括基于反射信号分布的组合来确定合成数据集的步骤。该方法还包括确定合成数据集是否包括表征为大于合成阈值的合成数据点的步骤。该方法还包括确定反射信号分布中的任何一个是否指示雷达信号由多于一个物体所反射的步骤。
在阅读优选实施例的下列详细描述后，进一步的特征和优势将更清楚地呈现出，这些优选实施例仅作为非限定性的示例且结合附图而给出。
附图简述
现在将参考附图借助示例来描述本发明，在附图中：
图1是根据一个实施例的雷达系统的图形；
图2是根据一个实施例的出现在图1的系统中的信号的曲线图；
图3是根据一个实施例的出现在图1的系统中的信号的曲线图；以及
图4是根据一个实施例的由图1的系统所执行的方法的流程图。
详细描述
图1示出了雷达系统(下文称为系统10)的非限制性示例。系统10包括天线阵列12，该天线阵列12可包括发射元件14和接收元件阵列(下文称为多个天线16)。要了解的是，构成天线阵列12的天线元件中的一个或多个天线元件可被用于发射雷达信号18且检测由位于系统10的视场22中的第一物体24A或第二物体24B所反射的反射雷达信号20。将发射元件14和多个天线16示为不同的元件仅是为了简化系统10的解释。
系统10还可包括控制器26，该控制器26配置成将发射信号28输出至发射元件14，且配置成接收来自每一天线的天线信号30，例如来自第一天线16A的第一信号30A和来自第二天线16B的第二信号30B。天线信号30中的每一个被表征为对应于由多个天线16中的每一个所检测到的反射雷达信号20。控制器26可包括处理器(未示出)，诸如微处理器、数字信号处理器或其它控制/信号调节电路，该其它控制/信号调节电路诸如包括用于处理数据的专用集成电路(ASIC)的模拟和/或数字控制电路，如对本领域技术人员而言应当显而易见的那样。控制器26可包括存储器，包括非易失性存储器，诸如用于存储一个或多个例程、阈值和捕获的数据的电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)。该一个或多个例程可由处理器执行以执行用于确定由控制器26所接收的天线信号30是否指示第一物体24A或第二物体24B的存在的步骤，如本文中所描述的那样。
为了满足顾客指定的汽车雷达系统的角分辨率要求，这样的系统经常使用具有相对窄的发射和接收束宽的天线来针对物体扫描视场。在此非限制性示例中，发射元件14朝向位于视场22中的第一物体24A或第二物体24B辐射或发射所射出的雷达信号18，并且多个天线16检测由位于系统10的视场22中的第一物体24A和第二物体24B所反射的反射雷达信号。反射雷达信号20的特性取决于第一物体24A或第二物体24B的背向散射性质或雷达截面积(RCS)。该特性还取决于第一物体24A和/或第二物体24B相对于天线阵列12的距离、方向和相对运动，其影响了反射雷达信号20的多普勒频移。取决于所使用的信号波形和调制系统，控制器26可将时域信号(天线信号30)变换至频域以使可使用例如非相干积分(NCI)来组合这些频谱。一些汽车雷达系统将此非相干地积分的频谱数据用作物体检测的基础，并且评估频谱数据以确定位置和具有比所定义的检测阈值更高的频谱幅度的多普勒参数估算。通常优选NCI来抑制噪声引起的变化并藉此将噪声引起的误警报率保持到最小值。
如果在视场22中存在多个物体，则取决于相对于接收天线(多个天线16)的物体之间的相对位置和/或距离变化率差，反射雷达信号20可彼此干扰。第一物体24A和第二物体24B之间的相对位置差被示为Δrx和Δry并且可以用来自这些散射中心的反射雷达信号20之间的相对相位差的形式来呈现。归因于相对相位差在多个天线16上变化这一事实，这可导致天线信号30对于来自物体散射中心的信号呈现不相似的干扰特性。这导致在多个天线16上的不同的距离-多普勒频谱分布，并且如果检测策略是基于单通道或各个信号的‘或逻辑’比较，则增加了得到瞬时的多个频谱峰值和零点(null)的概率。取决于多个天线16中的元件的数量，此检测概念改进了邻近(nearby)散射中心的检测和区分。相比之下，基于NCI的检测通过对于天线信号30上的频谱差求平均抑制了散射中心的位置差影响，这使得邻近散射中心分辨和区分更为困难。
因此，本文中所描述的系统10应用基于NCI频谱连同使用‘或逻辑’的单个接收通道频谱分析一起的复合检测策略来改进汽车雷达距离、距离变化率和角度测量分辨率，并且增强系统性能以用于邻近目标区分、目标成像和横向距离变化率估算。发射和接收的信号之间的时间延迟以及归因于多普勒效应的频移被用于计算径向距离(例如，图1中的r1或r2)以及所检测的物体(例如第一物体24A或第二物体24B)的相对速度。天线信号30的所接收的信号相位差被用于通过应用各种角度查找技术算法(诸如单脉冲、数字波束形成或超分辨率)来估算所检测的物体的角度(方向)。
由系统10进行的物体检测可在将2D-FFT算法应用至天线信号30后首先在距离-多普勒(RD)域中完成，并然后非相干地对所得的距离-多普勒频谱积分。使用并处理所得的NCI RD图像和其紧邻的邻近频谱的局部最大值以检测物体并在对检测的原始频谱数据应用期望的角度查找算法后确定其包括该物体的横向和纵向位置的相应的RD坐标。
在某些情况下，多个物体可具有几乎相同的距离和多普勒参数。在这些物体之间的距离和多普勒差可以小于RD测量分辨率，该RD测量分辨率主要从如扫频和停留时间的信号波形参数中预先确定。因此，这些物体可表现为NCI RD图像的一个局部最大值，并且如果它们拥有与所应用的角度查找技术(即，天线模式束宽、配置和角度评估算法)的测量分辨率一致的横向跨度，则它们的区分将仅取决于角度。这意味着，对于具有不充足的多普勒、纵向和横向间隔(separation)的相对邻近的目标而言，对于仅基于RD图像的NCI检测策略而言多个目标区分的性能是有限的。
对于特定雷达系统设计，如果检测策略不仅评估合成的NCI RD图像，而且逐个评估天线信号中的每一个，即单个接收通道RD图像，则可显著地改善分辨率和区分性能中的这种限制。如上所述，取决于在这些散射中心之间的信号相对相位差，来自物体或多个物体的两个邻近散射中心的信号可在接收天线元件处干扰。此相对相位差因变于这两个散射中心之间的横向和纵向距离间隔(例如，Δrx、Δry)，并且在多个天线16上可不相等。这对于以毫米波(例如3.92mm)操作的汽车雷达尤其如此，该毫米波远小于现实世界中散射中心之间的预期的位置差。因此，来自这些散射中心的信号干扰的频谱应当在接收天线阵列元件之间拥有不相似的分布，并且针对不同的天线阵列元件在不同的距离和多普勒频率处显示峰值和零点。这暗示着用‘或逻辑’的单个接收天线元件(或通道)检测策略相比基于NCI的检测而言对以更高分辨率区分距离内的散射中心更为敏感。NCI将显著地抑制在接收天线阵列元件上的相对相位差中的变化对干扰的信号频谱的影响，并藉此劣化第二散射中心检测和区分。在其中未在多个天线16中的一个中检测到多个信号峰值的情况下，局部频谱展宽将被看作在全部多个天线16上的一致的(uniform)相长信号干扰的结果。
通过筛选NCI和单个通道谱峰两者以及通过评估NCI频谱展宽来应用本文中所描述的双重检测方法增加了汽车雷达传感器的距离、多普勒频移和角分辨率性能而不需要雷达系统设计变化。作为改进的横向速度估计的结果，此举增强了主动安全特征(诸如邻近目标区分、汽车雷达目标成像以及交叉车流(cross traffic)检测)。此技术适用于大多数形式的汽车雷达传感器产品，并且实现是直截了当的，在存储器和吞吐量方面具有适度的信号处理增加。
本文中所描述的系统10可被用作自动化驱动系统的一部分，该自动化驱动系统控制车辆的各个方面，诸如车速和/或自动化制动。如果安装在主车辆中的雷达系统不能通过将摩托车与被NCI检测到的较大较远的物体、与在邻近主车辆车道的行车道中的半拖挂车区分开而检测邻近物体，诸如在主车辆正前方的摩托车，则速度控制系统可不期望地使主车辆朝着摩托车加速。就是说，如果从挂车反射的较大的信号和从摩托车反射的较小的信号在距离上彼此接近和/或具有近似的距离变化率，则从挂车反射的较大的信号可遮蔽从摩托车反射的较小的信号。在这样的情况下，NCI在广谱内仅检测到一个峰。由于这两个物体处于相邻车道中，因而归因于所使用的角度查找技术的有限的角分辨率，系统10可不能将一个物体的角度与另一物体的角度区分开，尤其是在较远距离处。这是为什么距离分布和/或多普勒分布或距离-多普勒图像上的邻近目标区分有利于可靠地跟踪主车辆车道上的物体的示例。
再次参考图1，系统10的非限制性示例包括多个天线16和控制器26。每一天线(例如，第一天线16A和第二天线16B)被配置成检测由位于系统10的视场22中的物体(例如，第一物体24A或第二物体24B)所反射的反射雷达信号20。虽然被示出仅有反射信号指向第一天线16A，但应该理解的是多个天线16中的全部通常将从位于视场22中的所有目标或物体处接收所反射的雷达信号。
控制器26可被配置成接收来自每一天线(例如，第一天线16A和第二天线16B)的天线信号(例如，第一信号30A和第二信号30B)，该天线信号对应于由多个天线16中的每一个所检测到的反射雷达信号20。控制器26可包括混合器(未示出)和本地振荡器(未示出)以解调天线信号30。
图2和3分别是曲线图200和300的非限制性示例，曲线图200和300示出了当使用单通道检测技术时的邻近目标区分的示例。就是说，对于多个天线16中的每一个，为天线信号30中的每一个确定反射信号分布。在此非限制性示例中，天线阵列12具有十二个接收天线。为了处理天线信号30以提供此数据，控制器26还可被配置成确定每一天线信号(例如，第一信号30A和第一信号30B)的反射信号分布32(图2和3)。反射信号分布32可以按照信号振幅相对到目标的距离来表达，如正是分别地在图2和3中所示的曲线图200和300的情况。曲线图200和300的x轴是‘距离面元(bin)’的数字化单位，其中每一距离面元表示约一百四十四厘米(1.44m)的距离间隔(rangedistance)。对应于非常短的距离的数据被忽略从而使得第二十八距离面元(#28)对应于从天线阵列12到被检测到的物体的距离，约为四十米(40m)。替代地，反射信号分布可以按照多普勒频率面元代替距离面元来表达，或者用其组合来表达，如将由本领域人员了解的那样。
控制器26还可被配置成基于反射信号分布32的组合来确定合成数据集34。以示例的方式而非限制，可以非相干积分(NCI)的方式来确定合成数据集34，如将由本领域人员了解的那样。替代地，可以相干积分或复杂的求平均的方式来确定合成数据集34。
可由合成数据集34的振幅来指示视场22中的物体的存在。由此，控制器26还可被配置成确定合成数据集34是否包括被表征为大于合成阈值36的合成数据点。对于本文中所描述的示例系统的适当的阈值约为五十分贝(50dB)；可基于各种原因(诸如背景噪声的测量、合成数据集34的形状、或反射信号分布32中存在多少变化)来动态地调节合成阈值。特定系统的任何距离面元的合成阈值36通常将根据经验来确定并且将随着天线阵列12的配置和控制器中的其它因素的变化而变化。
如上所指示的，发现在某些实例中，合成数据集34可具有当实际上有两个物体存在于视场22中时暗示仅单个物体存在的形状或轮廓。因此，配置控制器以确定反射信号分布32中的任何一个是否指示雷达信号由多于一个物体所反射是有利的。就是说，相对于仅检查合成数据集34，通过一个一个单独地检查反射信号分布32中的每一个和/或一个一个单独地将反射信号分布32中的每一个与合成数据集34进行比较，已经观察到可检测或确定多于一个物体的存在。
了解到反射信号分布32中的每一个的这种一个一个单独检查可将由控制器执行的数据处理量增加到其中系统10的其它性能特性可被折衷的点。虽然简单地选择具有更大处理速度的控制器可解决此问题，但这样做通常引起控制器的成本的不期望的增加。作为对简单地增加处理速度的替代，控制器26可被有利地配置成只有或仅当控制器26确定合成数据集34包括大于合成阈值36的合成数据点时，才确定反射信号分布32中的任何一个是否指示雷达信号(射出的雷达信号18)由多于一个物体所反射。就是说，如果合成数据集34未提供物体(例如，第一物体24A或第二物体24B)存在的某个指示，则不一个一个单独地检查反射信号分布32，因此控制器26可用于其它控制或处理任务。
图2示出了曲线图200的非限制性示例，该曲线图200示出了当两个物体(例如，第一物体24A和第二物体24B)存在于视场22中时的反射信号分布32和合成数据集34。在此示例中，合成数据集34限定或包括在距离面元#28中的峰值合成点38，该峰值合成点38是或被表征为大于合成阈值36。由此，此示例中的合成数据集34表明了至少一个物体或目标存在于视场22中。
以逐个为基础或逐单通道为基础对于反射信号分布32的进一步检查指示了反射信号分布32中的至少一个包括被表征为大于个体阈值42A的峰值数据点40，该峰值数据点40位于距离面元#27中。就是说，控制器中的接收通道之一接收了指示峰值数据点40的天线信号30之一，该峰值数据点40与峰值合成点38不对应或重合。由于峰值数据点40不对应于峰值合成点38(即，不在相同的距离面元中)，因而存在在视场22中存在多于一个物体的指示。换言之，如果峰值合成点38和峰值数据点40指示在两个不同距离(例如，图1中的r1和r2)处的物体或目标，则峰值合成点38和峰值数据点40不对应，因此指示多于一个物体。就是说，峰值数据点40指示未由合成数据集34所指示的到第一物体24A的距离r1，而峰值合成点38指示由合成数据集34所指示的到第二物体24B的距离r2。
虽然相比于合成阈值36的49dB，此示例对于个体阈值42A使用不同的值(56dB)，可构想可使用不同的值，并且可由经验性测试最佳地确定这些值。
图3示出了曲线图300的非限制性示例，该曲线图200示出了当两个物体(例如，第一物体24A和第二物体24B)存在于视场22中时的反射信号分布32和合成数据集34。在此示例中，如果反射信号分布32中的任何一个包括被表征为小于第一数据点44和第二数据点46并位于该两个数据点之间的中间数据点48，并且第一数据点44和第二数据点46两者均大于个体阈值42B，则指示多于一个物体。由于第一数据点44和第二数据点46两者均大于个体阈值42B，因而存在每一数据点(第一数据点44和第二数据点46)对应于不同的物体或目标的高置信度。
由于合成数据集34具有大于合成阈值36的相应的数据点，因而进一步的信任(confidence)是明显的。就是说，第一数据点44处在与大于合成阈值36的合成数据集34中的合成数据点相同(即，对应于)的距离面元中。同时，第二数据点46处在与大于合成阈值36的合成数据集34中的峰值合成点38相同(即，对应于)的距离面元中，但这不是要求。就是说，可出现其中第一数据点44和第二数据点46两者均不与峰值合成点38重合或均不对应于峰值合成点38的情况。例如，第二数据点46可处在距离面元#29中。一般而言，可通过应用各种后处理技术(诸如相邻数据点内插)获得目标的准确的面元位置估算。
图4示出了操作雷达系统(系统10)的方法400的非限制性示例。虽然图4示出了特定顺序的步骤，但了解到这些步骤的顺序可被重新安排，和/或附加步骤可被引入，同时仍然能够检测或确定多于一个物体存在于视场22中。
步骤410，“接收天线信号”，可包括：控制器26(图1)从多个天线16中的每一个接收天线信号(例如，天线信号30)，该天线信号对应于由每一天线(例如，第一天线16A和第二天线16B)所检测到的反射雷达信号20。
步骤420，“确定反射信号分布”，可包括确定天线信号30中的每一个的反射信号分布32(图2和3)。反射信号分布32可以是基于天线信号30中的每一个的傅里叶变换。
步骤430，“确定合成数据集”，可包括基于反射信号分布32的组合来确定合成数据集34。可以非相干积分或本领域人员已知的其它算法的方式来确定合成数据集34。
步骤440，“合成数据点>合成阈值？”，可包括确定合成数据集34是否包括被表征为大于合成阈值36的合成数据点。以示例的方式而非限制，合成数据集34可以按照特定距离的反射雷达信号20的振幅或大小来表达。如图2和3中所示，该距离可被组织或分割成预定的距离面元。
步骤450到499一般针对步骤“多于一个物体？”，其通常被概括：确定反射信号分布32中的任何一个是否指示射出的雷达信号18由多于一个物体(例如，第一物体24A和第二物体24B)所反射。为了保存控制器26的数据处理吞吐量，方法400可仅在控制器26确定合成数据集34包括大于合成阈值36的合成数据点时执行确定反射信号分布32中的任何一个是否指示射出的雷达信号18由多于一个物体所反射的步骤。
步骤450，“峰值数据点>个体阈值？”，可包括其中如果反射信号分布32中的任何一个包括被表征为大于个体阈值42A并且不对应于峰值合成点38的峰值数据点40，则指示多于一个物体。如果否，则方法400可返回到步骤410以获得天线信号30的新的读取。
步骤460，“峰值数据距离＝峰值合成距离？”，可包括检测其中反射信号分布32之一的峰值数据点40指示未由合成数据集指示的到物体的距离的实例。就是说，控制器26可搜索所有的反射信号分布以确定反射信号分布32中的任何一个是否包括诸如峰值数据点40之类的峰值，该峰值数据点40不与峰值合成点38重合或不对应于峰值合成点38。如果否，则方法400可已检测到第二物体，并因此可继续至步骤499。
因此，提供了雷达系统(系统10)、系统10的控制器26以及操作系统10的方法400。这些都包括确定是否多于一个物体存在于视场22中的改进的方式而先前的尝试可仅检测到一个目标。
尽管已针对其优选实施例对本发明进行了描述，然而本发明不旨在如此限制，而是仅受后面权利要求书中给出的距离限制。
Claims (12)
1.一种雷达系统(10)，包括：
多个天线(16)，其中每一天线(16A、16B)被配置成检测由位于所述系统(10)的视场(22)中的物体(24A、24B)所反射的反射雷达信号(20)；以及
控制器(26)，被配置成：
接收来自每一天线的天线信号(30A、30B)，所述天线信号(30A、30B)对应于由所述天线所检测到的所述反射雷达信号(20)；
确定每一天线信号的反射信号分布(32)；
基于所述反射信号分布(32)的组合来确定合成数据集(34)；
确定所述合成数据集(34)是否包括被表征为大于合成阈值(36)的合成数据点；以及
确定所述反射信号分布(32)中的任何一个是否指示雷达信号(18)由多于一个物体所反射。
2.如权利要求1所述的系统(10)，其特征在于，所述控制器(26)被配置成仅在所述控制器(26)确定所述合成数据集(34)包括大于所述合成阈值(36)的合成数据点时来确定所述反射信号分布(32)中的任何一个是否指示所述雷达信号(18)由多于一个物体所反射。
3.根据权利要求1所述的系统(10)，其特征在于，以非相干积分的方式来确定所述合成数据集(34)。
4.根据权利要求1所述的系统(10)，其特征在于，如果所述合成数据集(34)定义了被表征为大于所述合成阈值(36)的峰值合成点(38)，则如果所述反射信号分布(32)中的任何一个包括被表征为大于个体阈值(42A)并且不对应于所述峰值合成点(38)的峰值数据点(40)，则指示多于一个物体。
5.根据权利要求4所述的系统(10)，其特征在于，所述峰值数据点(40)指示了未由所述合成数据集(34)所指示的到物体的距离。
6.根据权利要求1所述的系统(10)，其特征在于，如果所述反射信号分布(32)中的任何一个包括被表征为小于第一数据点(44)和第二数据点(46)并位于所述第一数据点(44)和所述第二数据点(46)之间的中间数据点(48)、并且所述第一数据点(44)和所述第二数据点(46)两者均大于个体阈值(42A)，则指示多于一个物体。
7.一种操作雷达系统(10)的方法(400)，包括：
接收(410)来自多个天线(16)中的每一个的天线信号(30A、30B)，所述天线信号(30A、30B)对应于由所述天线所检测到的反射雷达信号(20)；
确定(420)每一天线信号的反射信号分布(32)；
基于所述反射信号分布(32)的组合来确定(430)合成数据集(34)；
确定(440)所述合成数据集(34)是否包括被表征为大于合成阈值(36)的合成数据点；以及
确定(499)所述反射信号分布(32)中的任何一个是否指示雷达信号(18)由多于一个物体所反射。
8.如权利要求7所述的方法(400)，其特征在于，仅在控制器(26)确定所述合成数据集(34)包括大于所述合成阈值(36)的合成数据点时执行确定所述反射信号分布(32)中的任何一个是否指示所述雷达信号(18)由多于一个物体所反射的步骤(410)。
9.根据权利要求7所述的方法(400)，其特征在于，以非相干积分的方式来确定所述合成数据集(34)。
10.根据权利要求7所述的方法(400)，其特征在于，如果所述反射信号分布(32)中的任何一个包括被表征为大于个体阈值(42A)并且不对应于峰值合成点(38)的峰值数据点(40)，则指示多于一个物体。
11.根据权利要求10所述的方法(400)，其特征在于，所述峰值数据点(40)指示了未由所述合成数据集(34)所指示的到物体的距离。
12.根据权利要求7所述的方法(400)，其特征在于，如果所述反射信号分布(32)中的任何一个包括被表征为小于第一数据点(44)和第二数据点(46)并位于所述第一数据点(44)和所述第二数据点(46)之间的中间数据点(48)，并且所述第一数据点(44)和所述第二数据点(46)两者均大于个体阈值(42A)，则指示多于一个物体。
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