CN105759271A - 空间认知雷达 - Google Patents

Abstract

描述一种空间认知雷达系统、雷达的组装方法以及在雷达中选择天线元件的方法。所述系统包括多个天线元件的相控阵列和多个接收器信道，多个接收器信道的值大于1并小于多个天线元件的数量。所述系统还包括处理器以确定多个天线元件的子集，在数量上等于多个接收器信道的数量，在利用空间认知雷达系统发送或接收时使用。

Description

空间认知雷达

相关申请的交叉引用

本申请是2015年1月7日提交的美国临时专利申请序列号62/100,565的非临时申请，其公开内容通过参考以其整体并入本文。

技术领域

本主题发明涉及空间认知雷达。

背景技术

无线电检测和测距(雷达)系统使用无线电波来确定物体的距离、方向和速度。在各种应用中，雷达系统与其他检测系统集成。例如，汽车安全特征正在变得越来越复杂和自动化，并且这些特征基于物体和障碍物的检测而不是仅仅依赖驾驶员检测和介入来运行。雷达系统与汽车安全特征的集成有利于对安全特征所使用的物体和障碍物进行检测。

发明内容

根据一个实施例，一种空间认知雷达系统，包括：多个天线元件的相控阵列；多个接收器信道，多个接收器信道的数量大于1并小于多个天线元件的数量；和处理器，配置成确定多个天线元件的子集，在数量上等于多个接收器信道的数量，在利用空间认知雷达发送或接收时使用。

根据另一个实施例，一种空间认知雷达的组装方法包括：获得多个天线元件的相控阵列；获得多个接收器信道，多个接收器信道的数量大于1并小于多个天线元件的数量；和在多个天线元件和多个接收器信道之间布置选择器，选择器配置成将多个接收器信道中的每一个联接至多个天线元件的相应子集。

根据又一个实施例，一种选择空间认知雷达中的天线元件的方法，所述空间认知雷达包括多个天线元件和多个接收器信道，多个天线元件的数量大于多个接收器信道的数量，该方法包括：基于处理器，将配置成将多个接收器信道联接至多个天线元件的子集的选择器控制至与多个天线元件的初始子集对应的初始位置；在处理器处处理在多个接收器信道处接收到的信号；和基于信号来改变多个天线元件的初始子集中的天线元件中的一个或多个。

1.一种空间认知雷达系统，包括：

多个天线元件的相控阵列；

多个接收器信道，所述多个接收器信道的数量大于1并小于所述多个天线元件的数量；和

处理器，配置成确定所述多个天线元件的子集，在数量上等于所述多个接收器信道的数量，在利用所述空间认知雷达系统发送或接收时使用。

2.根据权利要求1所述的系统，其中所述多个接收器信道是基于期望视野和期望分辨率的。

3.根据权利要求1所述的系统，其中所述处理器基于在所述多个接收器信道中接收到的处理信号来确定所述子集。

4.根据权利要求3所述的系统，其中所述处理器基于标准迭代地确定所述子集。

5.根据权利要求4所述的系统，其中所述标准包括信号强度、检测概率、分辨率概率、或在所述多个接收器信道中接收到的信号的估计误差的范围。

6.根据权利要求3所述的系统，其中使用所述多个天线元件的初始子集接收信号。

7.根据权利要求6所述的系统，其中所述初始子集是被随机确定的、默认确定的或基于先验知识确定的。

8.一种空间认知雷达的组装方法，该方法包括：

获得多个天线元件的相控阵列；

获得多个接收器信道，所述多个接收器信道的数量大于1并小于所述多个天线元件的数量；和

在所述多个天线元件和所述多个接收器信道之间布置选择器，所述选择器配置成将所述多个接收器信道中的每一个联接至所述多个天线元件的相应子集。

9.根据权利要求8所述的方法，还包括基于期望视野和期望雷达分辨率确定所述多个接收器信道的数量。

10.根据权利要求8所述的方法，还包括将处理器联接至所述选择器，所述处理器配置成确定所述多个天线元件中的哪一个是所述多个天线元件的子集的一部分。

11.根据方案10所述的方法，还包括指示所述处理器以基于在所述多个接收器信道处接收到的信号确定所述多个天线元件的子集。

12.根据方案11所述的方法，还包括所述处理器基于信号强度、检测概率、分辨率概率或在所述多个接收器信道处接收到的信号的估计误差的范围来确定所述多个天线元件的子集。

13.根据方案8所述的方法，还包括将所述多个天线元件布置在汽车中。

14.一种选择空间认知雷达中的天线元件的方法，所述空间认知雷达包括多个天线元件和多个接收器信道，所述多个天线元件的数量大于所述多个接收器信道的数量，该方法包括：

基于处理器，将配置成将所述多个接收器信道联接至所述多个天线元件的子集的选择器控制至与所述多个天线元件的初始子集对应的初始位置；

在所述处理器处处理在所述多个接收器信道处接收到的信号；和

基于所述信号来改变所述多个天线元件的初始子集中的所述天线元件中的一个或多个。

15.根据方案14所述的方法，还包括选择所述多个天线元件的初始子集作为默认值。

16.根据方案14所述的方法，还包括利用所述处理器随机地选择所述多个天线元件的初始子集。

17.根据方案14所述的方法，还包括基于提供给所述处理器的先前已知信息选择所述多个天线元件的初始子集。

18.根据方案14所述的方法，还包括执行处理信号和迭代地改变所述天线元件中的一个或多个。

19.根据方案14所述的方法，其中处理在所述多个接收器信道处接收到的信号包括确定信号强度、检测概率、分辨率概率或估计误差的范围。

20.根据方案14所述的方法，还包括基于处理在所述多个接收器信道处接收到的信号控制所述选择器，以将数量为所述多个接收器信道的数量的发送信道联接至所述天线元件的子集。

根据当结合附图时对本发明的以下述详细描述，上述特征和优点以及本发明的其他特征和优点将容易清楚。

附图说明

在下面对实施例的详细描述中，其他特征、优点和细节仅以示例的方式出现，所述详细描述参考附图，在附图中：

图1示出了根据本发明的实施例的包含雷达系统的示例性设备。

图2描绘了根据本发明的实施例的与雷达系统相关联的接收器信道和发送信道的方框图。

图3是根据本发明的实施例的选择天线元件的方法的处理流程。

具体实施方式

下面的描述本质上仅仅是示例性的，而不旨在限制本发明、其应用或使用。应该理解，在所有附图中，对应的参考标记表示相同或对应的部件和特征。

如上所述，雷达系统可以与其他检测系统集成。例如，雷达系统可用于检测和跟踪汽车安全系统中的目标或障碍物。通常，雷达系统可具有单独的接收和发送信道，或者是经由单独的天线或同一天线既发送又接收信号的收发器。在安全应用中，与接收到的回波独立地发送信号的雷达系统是可能的，但这里的讨论假定接收信道和发送信道在反馈回路中连接，并且发送的信号取决于接收到的雷达回波。例如，汽车中的先进安全特征从接收到的雷达图像中的高角分辨率受益，因为物体相对于汽车的方向具有很大的相关性。雷达系统中的角分辨率是孔径或物理天线尺寸的函数(接收频率能量的面积)。常规地，使用相控阵列或数字波束形成方法来估计到达的方向。使用传感器阵列使得传感器的相对相位提供期望的到达方向信息。间隔小于一半波长的传感器阵列能够提供有效的或整体孔径之外，但是会需要大量的天线元件及其应的成本和重量。这是因为在现有的雷达系统中，每个天线元件具有对应的发送和/或接收信道，并且每个信道包括一组硬件元件(例如，混频器、模-数(用于接收信道)和数-模(用于发送信道)转换器)。该每个天线元件和与信道相关联的硬件之间的一对一的对应性意味着成本随着孔径大小的增大(增加角分辨率)而增加。期望的角鉴别所需的天线元件(和对应信道)的数量(N)可取决于角分辨率(ΔΩ)和阵列的元件之间的间距(α)并可由下式给出：

$N=\frac{1}{{\mathrm{\α}}^2\mathrm{\Δ}\mathrm{\Ω}}$ [等式1]

因此，例如，对于2度乘以2度的分辨率，需要2000个天线元件及对应的接收信道(等式1中N＝2000)。

以前解决具有与每个天线元件相关联的信道的成本的尝试包括使用单个信道或比天线元件更少的信道(以及相关联的硬件)，并且随时间经过而在阵列的众多天线元件之间切换。该方法在将发送和接收信道的数量减少至一个(或更小的信道数)并且从而降低其相关成本的同时，可能对于许多应用而言太慢，因为它需要时间来在所有天线元件之间切换并且从而获得期望的角分辨率。本文描述的系统和方法的实施例涉及使用比天线元件更少的信道和使用称为认知选择处理的调整处理，以根据先前接收到的雷达回波动态地且白适应地选择天线元件的子集。根据当前方法，将视野(Ωfov)考虑在内，并且理论的接收信道的最小数量可以根据视野来确定：

N_min＝Ω_fov/ΔΩ[等式2]

例如，对于60度乘以10度的视野，例如根据等式2，上面讨论的同样分辨率(2度乘以2度)仅需要150个接收信道(相对于上面提到的2000个信道)。下面详细描述的实施例涉及基于认知选择处理使用该信道的最小数量并选择哪些天线元件应与这些信道相关联(应该是激活的)。虽然为了示例性目的而具体讨论了汽车使用(雷达系统与汽车的安全系统的集成)，但是本文描述的雷达系统并且特别地是天线元件的选择或调整绝不限制为一个具体应用。不仅其他车辆平台-施工车辆、水上交通工具等等，而且还想到基于陆地的应用或固定式应用。

图1示出了根据本发明的实施例的包含雷达系统110的示例性设备10。设备10可包括任何数量的传感器和安全系统。设备10还可包括经由网络20进行通信的能力。如上所述，为了说明的目的，将雷达系统110假定为收发器，但在替代实施例中，雷达系统110可以是只接收的或具有单独的天线元件用于发送和接收功能。示例性设备10是汽车。虽然雷达系统110示出为布置在汽车的一个特定位置，但是雷达系统110并不限于任何特定的放置，而是可以位于汽车(设备10)内的其它位置。雷达系统110示出为具有多个天线元件120。如上所述，在传统的相控阵列系统中，每一个天线元件120将具有对应的接收信道，或者将在所有的天线元件120之间共用一个接收信道。如下面进一步详细描述的那样，根据本发明实施例的雷达系统110包括多于一个但少于天线元件120的接收(和发送)信道。

图2描绘了根据本发明的实施例的与雷达系统110相关联的接收器信道210和发送信道230的方框图。如图2所示，控制器240从接收器信道210接收信号，并将信号提供给发送信道230。使用选择器220(例如切换器)来确定在接收期间将哪些天线元件120连接到接收器信道210或在发送期间将哪些天线元件120连接到发送信道230。不使用未被选择的天线元件120。具有N个天线元件120的雷达系统110将具有Mrx个接收器信道210和Mtx个发送信道230，使得Mrx和Mtx大于1而且小于N。下面进一步讨论利用控制器240控制选择器220的过程。控制器240包括一个或多个处理器和一个或多个存储设备。处理器或处理电路可包括执行一个或多个软件或固件程序的专用集成电路(ASIC)、电子电路、处理器(共享的、专用的或成组的)和存储器、组合逻辑电路和/或提供所描述功能的其他适当部件。

图3是根据本发明的实施例的选择天线元件120的方法的处理流程。在方框310处，选择初始天线元件120可包括选择默认组的天线元件120、随机组的天线元件120或基于被检测的物体或障碍物的先验知识的一组天线元件120。例如，先验知识可由设备10中的其它传感器提供，或从先前的雷达回波中或通过与设备10联接的网络20提取。在方框320处，接收和处理信号包括使用接收器信道210和控制器240。在方框330处，为了接收和发送两个目的而改进天线元件120的选择包括在方框320处的接收和处理。也就是说，接收到信号的信号强度和其他特性提供信息以认知地调节天线元件120的选择。例如，如果一个接收器信道210具有比其他接收器信道210更高的信号强度，则可以选择更靠近与更高信号强度接收器信道210相关联的天线元件120的天线元件120(再次，均用于随后的发送和接收)。总体而言，根据本文描述的实施例的天线元件120的选择包括基于优化一些标准(例如，信号强度、检测概率、分辨率概率、估计误差的范围)的迭代处理。这些标准中的每一个都是已知特性并且可以是选择天线元件120的基础。方框320和330可以迭代地实施。也就是说，每次接收和处理更多的信号(方框320)，可以进一步改进天线元件120的选择(方框330)用于接收和发送两者。

尽管参考示例性实施例描述了本发明，但是本领域技术人员将理解，在不脱离本发明的范围的情况下，可以进行各种改变并且可以将其元件用等同物替代。此外，在不脱离本发明的基本范围的情况下，可以进行许多修改以使特定情形或材料适于本发明的教导。因此，其意图是，本发明不限于所公开的具体实施例，而是本发明将包括落在应用范围内的所有实施例。

Claims (10)

1.一种空间认知雷达系统，包括：

多个天线元件的相控阵列；

多个接收器信道，所述多个接收器信道的数量大于1并小于所述多个天线元件的数量；和

处理器，配置成确定所述多个天线元件的子集，在数量上等于所述多个接收器信道的数量，在利用所述空间认知雷达系统发送或接收时使用。

2.根据权利要求1所述的系统，其中所述多个接收器信道是基于期望视野和期望分辨率的。

3.根据权利要求1所述的系统，其中所述处理器基于在所述多个接收器信道中接收到的处理信号来确定所述子集。

4.根据权利要求3所述的系统，其中所述处理器基于标准迭代地确定所述子集。

5.根据权利要求4所述的系统，其中所述标准包括信号强度、检测概率、分辨率概率、或在所述多个接收器信道中接收到的信号的估计误差的范围。

6.根据权利要求3所述的系统，其中使用所述多个天线元件的初始子集接收信号。

7.根据权利要求6所述的系统，其中所述初始子集是被随机确定的、默认确定的或基于先验知识确定的。

8.一种空间认知雷达的组装方法，该方法包括：

获得多个天线元件的相控阵列；

获得多个接收器信道，所述多个接收器信道的数量大于1并小于所述多个天线元件的数量；和

在所述多个天线元件和所述多个接收器信道之间布置选择器，所述选择器配置成将所述多个接收器信道中的每一个联接至所述多个天线元件的相应子集。

9.根据权利要求8所述的方法，还包括基于期望视野和期望雷达分辨率确定所述多个接收器信道的数量。

10.根据权利要求8所述的方法，还包括将处理器联接至所述选择器，所述处理器配置成确定所述多个天线元件中的哪一个是所述多个天线元件的子集的一部分。