CN105467372B - 用于虚拟天线信号的雷达系统及方法 - Google Patents

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Abstract

公开了一种用于虚拟天线信号的雷达系统及方法。雷达系统(10)包括雷达天线(14)和控制器(30)。该天线(14)包括参考元件(20)、与该参考元件(20)隔开了反射信号(12)的一个半波长的阿尔法元件(22)以及与该参考元件(20)隔开了该反射信号(12)的偶数个半波长的贝塔元件(24)。该控制器(30)被配置为：确定来自该参考元件(20)与该阿尔法元件(22)的检测信号(32)之间的阿尔法相位差(40)，确定来自该参考元件(20)与该贝塔元件(24)的检测信号(32)之间的贝塔相位差(42)，以及确定对应于期望由位于该参考元件(20)与该贝塔元件(24)之间的一半处的第一虚拟元件(46)所检测的反射信号(12)的第一虚拟相位差(44)。该第一虚拟相位差(44)基于该贝塔相位差(42)除以二。

Description

用于虚拟天线信号的雷达系统及方法
技术领域
本公开总地涉及具有天线阵列的雷达系统，更具体地涉及使用虚拟天线元件的合成信号从实际天线元件所接收的信号进行波束形成。
背景技术
提出了具有两个紧密间隔元件(例如隔开一个半波长(one half-wavelength))和一个宽间隔元件(例如隔开多个波长)的雷达接收-天线阵列。由每个天线元件所检测的反射信号可用于合成或确定虚拟相位差，该虚拟相位差对应于预期由位于两个紧密间隔天线元件与宽间隔天线元件之间的虚拟元件所检测的反射信号。相位比较单脉冲(PCMP)使用来自窄间隔天线元件的检测信号的相位差以基于相对于窄间隔天线元件的虚拟元件的间距或间隔对虚拟元件估计虚拟相位差。当误差施加在虚拟相位差时，混合了测量来自窄间隔天线元件的检测信号的相位差中的任何误差。
发明内容
根据一个实施例，提供了配置为处理由雷达天线所检测的反射信号的雷达系统。该系统包括雷达天线和控制器。天线包括参考元件、与该参考元件隔开了反射信号的一个半波长的阿尔法(alpha)元件以及与该参考元件隔开了反射信号的偶数个半波长的贝塔(beta)元件。该控制器被配置为从参考元件、阿尔法元件和贝塔元件接收检测信号。该控制器还被配置为确定来自参考元件与阿尔法元件的检测信号之间的阿尔法相位差，并确定来自参考元件与贝塔元件的检测信号之间的贝塔相位差。该控制器还被配置为确定第一虚拟相位差，该第一虚拟相位差对应于期望由位于参考元件与贝塔元件之间的一半处的第一虚拟元件所检测的反射信号。该第一虚拟相位差基于该贝塔相位差除以二。
在另一个实施例中，提供了一种控制器，用于配置为处理由雷达天线所检测的反射信号的雷达系统。天线包括参考元件、与该参考元件隔开了反射信号的一个半波长的阿尔法元件以及与参考元件隔开了反射信号的偶数个半波长的贝塔元件。该控制器被配置为从参考元件、阿尔法元件和贝塔元件接收检测信号。该控制器还被配置为确定来自参考元件与阿尔法元件的检测信号之间的阿尔法相位差，并确定来自参考元件与贝塔元件的检测信号之间的贝塔相位差。该控制器还被配置为确定第一虚拟相位差，该第一虚拟相位差对应于期望由位于参考元件与贝塔元件之间的一半处的第一虚拟元件所检测的反射信号。该第一虚拟相位差基于该贝塔相位差除以二。
在又一实施例中，提供了处理由雷达天线所检测的反射信号的方法。该方法包括从雷达天线接收检测信号。该天线包括参考元件、与该参考元件隔开了反射信号的一个半波长的阿尔法元件以及与参考元件隔开了反射信号的偶数个半波长的贝塔元件。该方法还包括确定来自参考元件与阿尔法元件的检测信号之间的阿尔法相位差。该方法还包括确定来自参考元件与贝塔元件的检测信号之间的贝塔相位差。该方法还包括确定第一虚拟相位差，该第一虚拟相位差对应于期望由位于参考元件与贝塔元件之间的一半处的第一虚拟元件所检测的反射信号。该第一虚拟相位差基于该贝塔相位差除以二。
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。
附图说明
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；
图2是根据一个实施例的存在于图1的系统中的信号的示图；以及
图3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。
具体实施方式
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通常被配置为处理由雷达天线(下文的天线14)所检测的反射信号12。尽管未示出，本领域技术人员将理解到反射信号12是目标16反射由可能是系统10的一部分的发射天线(未示出)所发射的发射信号(未示出)的结果，如将被本领域技术人员认识到。对于反射信号12，适合的频率是76.5*10^9赫兹(76.5GHz)，所以2.6毫米(mm)的示例波长将被用于以下讨论。本文所示示例是非限制性的，如本领域技术人员将认识到，天线14的尺寸能被缩放或被改变以使天线14适于以不同的雷达频率工作。
该天线14包括参考元件20以及与参考元件20隔开了反射信号12的一个半波长(例如1.3mm)的阿尔法元件22，用于检测该反射信号12。该天线14还包括与参考元件20隔开了反射信号的偶数个半波长(例如六个半波长或7.8mm)的贝塔元件24，用于检测该反射信号12。形成天线14的元件(20、22、24)可以是微带天线而且可以被安排在基板(未示出)上。因此，图1所示天线14的视图可以被解释为看着每个元件的末端时天线14的端视图。每个元件可以是380微米(μm)厚基板(比如来自康涅狄格州罗杰斯的罗杰斯公司的RO5880基板)上由半盎司铜箔所形成的贴片(patch)的串阵列或线型阵列。适合的元件总长度是四十八毫米(48mm)。贴片优选地具有1394μm的宽度以及1284μm的高度。贴片间距优选地是雷达信号的一个波导波长(例如2560μm)，并且与每个贴片互相连接的微带优选为503μm宽。
系统10包括配置为从参考元件20、阿尔法元件22和贝塔元件24接收检测信号32的控制器30。为了确定朝着目标16的方向，系统可确定相对于天线14的孔位置36的角38(θ)。本领域技术人员将认识到孔位置36通常垂直于天线14的元件所在的基板的平面。控制器也可被配置为向发射天线输出发射信号(未示出)以用于发射引起反射信号12的发射信号。
控制器30可被配置为确定来自参考元件20与阿尔法元件22的检测信号32之间所测量的阿尔法相位差40(eiα)。来自参考元件20的检测信号的相位是任意分配的值一(1)或单位一，所以任何相位差能被容易地表达，如图所示。相似地，控制器30可被配置为确定来自参考元件20与贝塔元件24的检测信号之间的贝塔相位差42(eiβ)。
观察到使用具有间隔一个半波长的仅两个元件并且只基于阿尔法相位差40确定角38的尝试是易受噪声影响的。于是提出了增加与该对半波长间隔的元件适当隔开的第三元件(贝塔元件24)以尝试降低噪声效应。认识到检测信号32可被用于合成或估计来自阿尔法元件22与贝塔元件24之间的位置处的虚拟元件34的信号。应该理解，虚拟元件34不是天线14的实际元件，而参考元件20、阿尔法元件22和贝塔元件24是此情况。合成的信号能被用于对所示的虚拟元件34中的每个确定或估计虚拟相位差(Z1、Z2、Z3、Z4)。
尽管图1中所示的非限制性示例示出虚拟元件34中的四个作为贝塔元件24与参考元件20隔开了六个半波长的结果，认识到贝塔元件24可以与参考元件20更远地隔开。因此，在间隔更宽的情况下，可存在更多所示的虚拟元件以及更多所确定的虚拟相位差。例如，贝塔元件24可以与参考元件隔开八个半波长，这将产生六个虚拟元件。
提出了通过逐步施加阿尔法相位差40可计算虚拟相位差，使得虚拟相位差Z4将是阿尔法相位差乘以二(例如ei2α)，虚拟相位差Z3将是阿尔法相位差乘以三(例如ei3α)，以此类推。然而，由于先前随阿尔法相位差40(eiα)提到的噪声问题，需要用于估计降低了噪声效应的相位差的替代方式。
认识到从贝塔元件24可得到降低的噪声效应，控制器被配置为确定对应于期望由位于参考元件20与贝塔元件24之间的一半处的第一虚拟元件46(Z3)所检测的反射信号的第一虚拟相位差44，其中该第一虚拟相位差44基于(即等于)贝塔相位差42(eiβ)除以二(ei β/2)。能以复数项将第一虚拟相位差44表达为eiβ/2。这相同的表达将被用于贝塔元件24与参考元件20隔开了偶数个波长的任何情况下。即，第一虚拟元件46总是位于参考元件20与贝塔元件24之间的一半处的虚拟元件，所以第一虚拟相位差44总能被表达为eiβ/2。这与如果阿尔法级数被用于贝塔元件24与参考元件20隔开了六个半波长时将中间虚拟元件的相位差表示为ei3α或如果阿尔法级数被用于贝塔元件24与参考元件20隔开了八个半波长时该相位差表示为ei4α形成对比。
应该认识到，在实际相位差中的2π弧度的整数是未知的。即，贝塔相位差42被更加精确地表达为ei(n2π+β)。即，因为“n”的值未知，惯例是贝塔相位差42被表达为eiβ。然而，如果贝塔相位差42除以二而且“n”未知，那么第一虚拟相位差具有符号不确定性，所以被更适当地表达为+/-eiβ/2。为了完全实现基于贝塔相位差42而非基于更易受噪声影响的阿尔法相位级数方法确定第一虚拟相位差44的益处，解决此符号不确定性是有利的。
图2示出此符号不确定性的示例的图200以及怎样能解决该不确定性。相量52、54表示基于贝塔相位差42除以二(例如+eiβ/2和-eiβ/2，其中对于此示例β的值为零)的第一虚拟相位差44。相量56表示使用阿尔法相位差的级数(例如ei3α)确定的第一虚拟元件46的相位差。通过确定贝塔相位差42除以两个相量(相量52、54)中的哪个更接近阿尔法相位差级数(ei3α)即具有小于π/2的相位误差50，能解决符号不确定性。即，系统10，或更具体地，控制器30，被有利地配置为通过对贝塔相位差42除以二(+/-eiβ/2)应用符号校正来确定第一虚拟相位差44，其中该符号校正基于贝塔相位差除以二(+eiβ/2和-eiβ/2)与阿尔法相位差乘以第一虚拟元件46从参考元件20被隔开的半波长的数量的比较(例如计算相位误差50)，对于图1所示的示例天线，该半波长的数量为三个半波长(ei3α)。
由于基于阿尔法相位差40(例如相量56)的虚拟相位差已知是有噪声的，在图2的相量图上指定保护带58可能是有利的，该保护带58指出相对于相量52、54的区域，在该区域中相量56的出现将导致符号校正的确定是不确定的并且因此受阻。应该理解到，保护带58的位置相对于相量52、54是相对恒定的。例如，如果因为β的值不为零而相量52、54旋转到一些其他方向，那么保护带58将旋转大约相同的数量。
正如使用贝塔相位差42来确定或估计第一虚拟相位差44降低了噪声，与确定其他虚拟元件(例如Z4、Z2、Z1)的虚拟相位差相联系的噪声也可通过使用贝塔相位差42来确定其他虚拟元件的虚拟相位差而不是仅依赖阿尔法相位级数被降低。
因此，控制器30可进一步被配置为确定第二虚拟相位差60(Z4)，该第二虚拟相位差60(Z4)对应于期望由与参考元件隔开了反射信号12的两个半波长的第二虚拟元件所检测的反射信号。通过计算或确定阿尔法相位差40与第一虚拟相位差44之间的差异可确定该第二虚拟相位差，例如Z4＝Z3/eiα。尽管阿尔法相位差40被用于确定第一虚拟相位差44，当与使用阿尔法相位级数(ei2α)来确定第二虚拟相位差60的替代相比较时，噪声效应被降低。
控制器30也可进一步被配置为确定第三虚拟相位差62(Z2)，该第三虚拟相位差62(Z2)对应于期望由与参考元件隔开了反射信号12的四个半波长的第三虚拟元件所检测的反射信号。通过计算或确定阿尔法相位差40与第一虚拟相位差44之和可确定该第三虚拟相位差62，例如Z2＝Z3*eiα。
控制器30也可进一步被配置为确定第四虚拟相位差64(Z1)，该第四虚拟相位差64(Z1)对应于期望由与参考元件隔开了反射信号12的五个半波长的第四虚拟元件所检测的反射信号。通过计算或确定阿尔法相位差40与贝塔相位差42之间的差异可确定该第四虚拟相位差64，例如Z1＝eiβ/eiα。
图3示出处理由雷达天线(天线14)所检测的反射信号12的方法300，所述方法包括：
步骤310，“提供天线”，可包括使用公知的光刻技术制造天线14以定义参考元件20、与参考元件20隔开了反射信号12的一个半波长的阿尔法元件22以及与参考元件20隔开了反射信号12的偶数个半波长的贝塔元件24。步骤310还可包括将天线14安装在外壳(未示出)中和/或在车辆(未示出)上。
步骤315，“提供控制器”，可包括将多种公知的电子元件安装在电路板上，如将被本领域技术人员认识到。控制器30可包括处理器，诸如微处理器或其它控制电路，该其它控制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是显而易见的。控制器30可包括用于存储一个或多个例程、阈值和捕获的数据的存储器，包括非易失性存储器，诸如电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)。一个或多个例程可被处理器执行以执行本文所述的确定朝着目标16的角38的步骤。
步骤320，“接收检测信号”，可包括从天线14接收检测信号32的控制器30。
步骤325，“确定阿尔法相位差”，可包括确定来自参考元件与阿尔法元件的检测信号之间的阿尔法相位差。
步骤330，“确定贝塔相位差”，可包括确定来自参考元件与贝塔元件的检测信号之间的贝塔相位差的控制器30。
步骤335-345合作以确定第一虚拟相位差44(Z3)，该第一虚拟相位差44(Z3)对应于期望由位于参考元件20与贝塔元件24之间的一半处的第一虚拟元件46所检测的反射信号。该第一虚拟相位差44等于贝塔相位差42除以二，例如Z3＝eiβ/2。
步骤335，“除以二”，可包括在控制器30中执行将贝塔相位差42的值除为一半的必要步骤的微处理器。
步骤340，“应用符号校正”，可包括对贝塔相位差除以二(eiβ/2)应用符号校正的控制器30。符号校正基于贝塔相位差除以二(eiβ/2)与阿尔法相位差乘以第一虚拟元件与参考元件隔开的半波长的数量的比较，对于图1所示的天线14就是ei3α。
步骤345，“确定第一虚拟相位差”，可在执行步骤335和340之后，选择性地包括确定相量56(图2)是否位于保护带58之内。如果为真，那么存在基于阿尔法相位级数的相量56具有太多噪声以致于不能可靠地用于确定符号校正的指示。
步骤350，“确定第二虚拟相位差”，可包括确定第二虚拟相位差60(Z4)的控制器30，该第二虚拟相位差60(Z4)对应于期望由与参考元件20隔开了反射信号12的两个半波长的第二虚拟元件所检测的反射信号。在此示例中，第二虚拟相位差60等于阿尔法相位差40与第一虚拟相位差44之间的差异，例如Z4＝Z3/eiα。
步骤355，“确定第三虚拟相位差”，可包括确定第三虚拟相位差62(Z2)的控制器30，该第三虚拟相位差62(Z2)对应于期望由与参考元件20隔开了反射信号12的四个半波长的第三虚拟元件所检测的反射信号。在此示例中，第三虚拟相位差62等于阿尔法相位差40与第一虚拟相位差44之和，例如Z2＝Z3*eiα。
步骤360，“确定第四虚拟相位差”，可包括确定第四虚拟相位差64(Z1)的控制器30，该第四虚拟相位差64(Z1)对应于期望由与参考元件20隔开了反射信号12的五个半波长的第四虚拟元件所检测的反射信号。在此示例中，第四虚拟相位差64等于阿尔法相位差40与贝塔相位差42之间的差异，例如Z1＝eiβ/eiα。
步骤365，“指示向着目标的角度”，可包括组合或处理多种相位差(40、42、44、60、62、64)以确定角38并且对车辆上另一个系统或设备输出该值(θ)的控制器30。
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范围限制。

Claims (17)

1.一种雷达系统，被配置为处理由雷达天线所检测的反射信号，所述系统包括：
雷达天线，其中，所述天线包括参考元件、与所述参考元件隔开了所述反射信号的一个半波长的阿尔法元件以及与所述参考元件隔开了所述反射信号的偶数个半波长的贝塔元件；以及
控制器，被配置为：
从所述参考元件、所述阿尔法元件和所述贝塔元件接收检测信号，
确定来自所述参考元件与所述阿尔法元件的所述检测信号之间的阿尔法相位差，
确定来自所述参考元件与所述贝塔元件的所述检测信号之间的贝塔相位差，以及
确定第一虚拟相位差，所述第一虚拟相位差对应于期望由位于所述参考元件与所述贝塔元件之间的一半处的第一虚拟元件所检测的所述反射信号，其中，所述第一虚拟相位差基于所述贝塔相位差除以二。
2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，确定所述第一虚拟相位差包括对所述贝塔相位差除以二应用符号校正，其中，所述符号校正基于所述贝塔相位差除以二与所述阿尔法相位差乘以所述第一虚拟元件与所述参考元件隔开的半波长的数量的比较。
3.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述贝塔元件与所述参考元件隔开了所述反射信号的六个半波长，由此所述第一虚拟元件与所述参考元件隔开了所述信号的三个半波长。
4.如权利要求3所述的系统，其特征在于，确定所述第一虚拟相位差包括对所述贝塔相位差除以二应用符号校正，其中，所述符号校正基于所述贝塔相位差除以二与所述阿尔法相位差乘以三的比较。
5.如权利要求3所述的系统，其特征在于，所述控制器进一步被配置为确定对应于期望由与所述参考元件隔开了所述反射信号的两个半波长的第二虚拟元件所检测的反射信号的第二虚拟相位差，其中，所述第二虚拟相位差基于所述阿尔法相位差与所述第一虚拟相位差之间的差异。
6.如权利要求5所述的系统，其特征在于，所述控制器进一步被配置为确定对应于期望由与所述参考元件隔开了所述反射信号的四个半波长的第三虚拟元件所检测的反射信号的第三虚拟相位差，其中，所述第三虚拟相位差基于所述阿尔法相位差与所述第一虚拟相位差之和。
7.如权利要求6所述的系统，其特征在于，所述控制器进一步被配置为确定对应于期望由与所述参考元件隔开了所述反射信号的五个半波长的第四虚拟元件所检测的反射信号的第四虚拟相位差，其中，所述第四虚拟相位差基于所述阿尔法相位差与所述贝塔相位差之间的差异。
8.一种用于雷达系统的控制器，所述雷达系统被配置为处理由雷达天线所检测的反射信号，所述雷达天线包括参考元件、与所述参考元件隔开了所述反射信号的一个半波长的阿尔法元件以及与所述参考元件隔开了所述反射信号的偶数个半波长的贝塔元件，所述控制器被配置为
从所述参考元件、所述阿尔法元件和所述贝塔元件接收检测信号，
确定来自所述参考元件与所述阿尔法元件的所述检测信号之间的阿尔法相位差，
确定来自所述参考元件与所述贝塔元件的所述检测信号之间的贝塔相位差，以及
确定第一虚拟相位差，所述第一虚拟相位差对应于期望由位于所述参考元件与所述贝塔元件之间的一半处的第一虚拟元件所检测的所述反射信号，其中，所述第一虚拟相位差基于所述贝塔相位差除以二。
9.如权利要求8所述的控制器，其特征在于，确定所述第一虚拟相位差包括对所述贝塔相位差除以二应用符号校正，其中，所述符号校正基于所述贝塔相位差除以二与所述阿尔法相位差乘以所述第一虚拟元件与所述参考元件隔开的半波长的数量的比较。
10.如权利要求8所述的控制器，其特征在于，所述贝塔元件与所述参考元件隔开了所述反射信号的六个半波长，由此所述第一虚拟元件与所述参考元件隔开了所述反射信号的三个半波长，其中，确定所述第一虚拟相位差包括对所述贝塔相位差除以二应用符号校正，其中，所述符号校正基于所述贝塔相位差除以二与所述阿尔法相位差乘以三的比较。
11.一种处理由雷达天线所检测的反射信号的方法，所述方法包括：
从雷达天线接收检测信号，其中，所述天线包括参考元件、与所述参考元件隔开了反射信号的一个半波长的阿尔法元件以及与所述参考元件隔开了所述反射信号的偶数个半波长的贝塔元件；
确定来自所述参考元件与所述阿尔法元件的所述检测信号之间的阿尔法相位差；
确定来自所述参考元件与所述贝塔元件的所述检测信号之间的贝塔相位差；以及
确定第一虚拟相位差，所述第一虚拟相位差对应于期望由位于所述参考元件与所述贝塔元件之间的一半处的第一虚拟元件所检测的所述反射信号，其中，所述第一虚拟相位差基于所述贝塔相位差除以二。
12.如权利要求11所述的方法，其特征在于，确定所述第一虚拟相位差包括对所述贝塔相位差除以二应用符号校正，其中，所述符号校正基于所述贝塔相位差除以二与所述阿尔法相位差乘以所述第一虚拟元件与所述参考元件隔开的半波长的数量的比较。
13.如权利要求11所述的方法，其特征在于，所述贝塔元件与所述参考元件隔开了所述反射信号的六个半波长，由此所述第一虚拟元件与所述参考元件隔开了所述信号的三个半波长。
14.如权利要求13所述的方法，其特征在于，确定所述第一虚拟相位差包括对所述贝塔相位差除以二应用符号校正，其中，所述符号校正基于所述贝塔相位差除以二与所述阿尔法相位差乘以三的比较。
15.如权利要求13所述的方法，其特征在于，所述方法包括：
确定第二虚拟相位差，所述第二虚拟相位差对应于期望由与所述参考元件隔开了所述反射信号的两个半波长的第二虚拟元件所检测的反射信号，其中，所述第二虚拟相位差基于所述阿尔法相位差与所述第一虚拟相位差之间的差异。
16.如权利要求15所述的方法，其特征在于，所述方法包括：
确定第三虚拟相位差，所述第三虚拟相位差对应于期望由与所述参考元件隔开了所述反射信号的四个半波长的第三虚拟元件所检测的反射信号，其中，所述第三虚拟相位差基于所述阿尔法相位差与所述第一虚拟相位差之和。
17.如权利要求16所述的方法，其特征在于，所述方法包括：
确定第四虚拟相位差，所述第四虚拟相位差对应于期望由与所述参考元件隔开了所述反射信号的五个半波长的第四虚拟元件所检测的反射信号，其中，所述第四虚拟相位差基于所述阿尔法相位差与所述贝塔相位差之间的差异。
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