CN107923967B - 处理从目标反射的接收辐射 - Google Patents

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Abstract

一种用于处理从目标(101)反射的接收辐射(例如，RADAR辐射)的方法和装置，该方法包括生成(200)预测目标的集合，预测目标的集合包括至少一个成员，每个成员表示目标(101)的状态；依赖于目标(101)的状态为每个成员生成(201)对于辐射的预测波形，以及将每个预测波形与接收辐射的波形进行比较(202)，以确定由为其生成预测波形的成员表示的目标(101)的状态匹配目标(101)的实际状态的准确度。

Description

处理从目标反射的接收辐射
本发明涉及处理从目标反射的接收辐射的方法，以及相关联的装置。
使用从目标反射的辐射集合的技术是众所周知的；这种技术的示例包括RADAR(使用无线电波)、LIDAR(使用光波)和SONAR(使用声波)。一般而言，对接收辐射执行一些自动处理，以便估计与目标的位置相关的数据——例如距离(range)和/或方位(bearing)。
以车载雷达系统为例，其可以用于例如检测主车辆周围的其它车辆，如在作为WO2004/053521公开的PCT专利申请中所描述的，通常使用发射频率调制信号的频率调制连续波(FMCW)雷达。在调制是简单锯齿斜坡的示例中，可以使用所发射的输出与接收到反射信号时反射信号之间的频率差来估计物体的距离。通常，这将通过将输出和输入信号混频并且检测差拍信号来完成。物体的速度可以使用混频信号中的另一个频率分量(多普勒分量)来估计。
迄今为止，特别是在FMCW雷达系统中，对这种信号的分析已经涉及对反射信号的频谱分析。这意味着接收到的反射辐射(通常在与输出信号混频之后)在进行进一步的分析之前被转换到频域。然后可以通过在确定的频谱中查找峰来确定目标的位置和速度。用于计算这些频谱的典型数学方法是快速傅立叶变换(FFT)。由于所使用的算法需要以非顺序的方式访问大范围的存储器，因此FFT的执行是处理器密集型的并且使用大量的存储器带宽。
此外，可以从这种频谱分析中返回的数据实际上仅限于位置和速度、加速度和加加速度(加速度的变化率)，从而造成频率区间(bin)之间的信号“模糊”。为了执行FFT算法，需要将数据批量化为长的顺序的块。这也意味着FFT将提供频谱在块的时间段内的时间平均测量。
根据本发明的第一方面，我们提供了一种处理从目标反射的接收辐射的方法，该方法包括：生成预测目标的集合，该预测目标的集合包括至少一个成员，每个成员表示目标的状态；依赖于目标的状态为每个成员生成对于辐射的预测波形；以及将每个预测波形与接收辐射的波形进行比较，以确定由为其生成预测波形的成员表示的目标的状态匹配目标的实际状态的准确度。
因此，我们已经认识到，可以基于波形而不是像以前那样基于频谱来进行比较。这去除了执行频谱分析(快速傅立叶变换(FFT)等)的需要，并且关于表示目标的状态的参数可以更灵活。
通常，目标的状态可以包括参数集，该参数集包括目标的至少一个参数。参数集可以包括目标的位置数据；实际上，参数集可以包括目标的位置，通常是相对于辐射接收器的位置。参数集还可以包括速度、加速度和加加速度(加速度的变化率)中的至少一个。参数集还可以包括目标的距离的测量结果，例如目标的宽度或尺寸。
通常，该方法将包括从发射器发射辐射，并且在至少一个接收器处对接收辐射进行接收。可以有多个接收器；因此，生成预测波形的步骤可以包括对于在每个接收器处接收到的接收辐射生成预测波形，并且比较每个预测波形的步骤将包括比较对于每个接收器的预测波形与在该接收器处接收到的辐射。同样，可以有多个发射器。
因此，本发明很好地适应于多个发射器和接收器，预测在每个接收器处的来自每个发射器的接收波形。该方法可以包括将在每个接收器处接收到的辐射与由发射器发射的辐射混频，并且可选地对信号进行低通滤波，并且执行对被混频(并且可选地被滤波)的接收辐射与发射辐射的比较。
将预测波形与接收辐射的波形进行比较的步骤可以包括确定预测波形与接收辐射的波形之间的相关性。该方法可以包括通过确定预测波形与接收辐射的波形的相关程度来确定每个预测波形与接收辐射的波形的契合(fit)程度。
生成目标的集合的步骤可以包括生成分散在由参数集限定的参数空间中的成员的集合。成员可以随机地或伪随机地分散在整个参数空间中。但是，对于更有可能找到目标的区域，该分散可以被加权。例如，在参数集包括目标的位置并且接收器被安装在车辆上的情况下，车辆正前方的区域可以被较高地加权并且因此被较频繁地填充成员，而正前方的任一侧的区域可以被较不高地加权并且因此被不太频繁地填充成员，或者通常在第一分散成员均匀分布在位置空间中的情况下，随后的(或初始分散)可以围绕位置空间的周界加权，该周界等同于(一个或多个)接收器的视场的边缘，这是新的目标有可能出现的地方。
在预测波形与接收波形之间的比较之后，该方法可以包括用参数空间中的成员重新填充目标的集合，使得成员随着相关程度增加而优先地分散在该集合的在重新填充之前的成员周围。在具有较低相关程度的成员周围可以分散较少成员或不分散成员；实际上，具有小于阈值的相关程度的成员或者具有最低相关程度的成员可以从目标的集合中移除。
在重新填充目标的集合之后，该方法可以重复比较每个预测波形的步骤，通常是将其与在用于先前比较步骤的接收辐射之后接收到的接收辐射的波形进行比较。重新填充和比较的步骤可以无限重复；因此，这种方法可以限定粒子滤波器，使用蒙特卡洛(MonteCarlo)方法来预测并检测接收辐射中的目标。这种方法比例如先前在采用频谱分析的方法中使用的FFT计算更方便地进行编程。特别地，上述方法可以更方便地在并行处理系统中实现(因为更容易限定每个处理器要执行的任务集合)，并且存储器访问更可预测，而FFT一般需要极其非顺序地访问大面积的存储器。
重新填充目标的集合的步骤可以包括基于原始接收辐射的接收与随后接收到的反射辐射的接收之间所经过的时间来更新每个目标的参数。例如，在参数包括位置、速度(以及潜在地加速度和/或加加速度)和运动方向的情况下，可以使用依赖于这些参数的运动方程来更新每个目标的位置。类似地，将使用加速度和/或加加速度来更新速度，并且可以使用加加速度来更新加速度。
通常，至少一些成员及其相关联的相关程度将由该方法作为潜在目标输出。在一个实施例中，可以仅输出其相关程度满足至少一个标准的那些成员；标准可以是相关性超过阈值。
另一个优点是可以在接收到辐射时立即进行比较，而不需要等待按时间的数据块。
通常，该方法还将包括生成并发射要从每个目标反射的发射辐射，以形成反射辐射。生成预测波形的步骤可以包括估计发射辐射的波形并且对发射辐射的波形应用至少一个变换从而得到预测波形。至少一个变换将依赖于参数集中的每一个。通过从发射辐射开始，可以允许发射器发射发射辐射的操作；这种系统容忍不准确的或非线性的调制，而现有技术的频谱分析的频率调制连续波(FMCW)雷达对所使用的调制是敏感的。实际上，可以使用任何方便的调制方案，诸如频率调制连续波(FMCW)。
在参数集包括目标的位置的情况下，至少一个变换可以包括依赖于目标距接收器的距离来修改波形的频率和相位。在使用多个接收器的情况下，这可能会导致目标的正确位置很快显现，因为位置将由具有高相关性的距离重叠处的点给出。
在参数集包括目标的位置的情况下，至少一个变换可以包括依赖于目标的位置来变换波形的幅度。这会导致对参数的更准确的估计，因为一般而言采用频谱分析的方法仅使用幅度来确定返回的强度(以及因此确定这种系统在推定的目标中所具有的置信度)。可以依赖于位置来变换幅度，从而不仅考虑到目标的尺寸和/或位置(特别是考虑到信号幅度随着目标的距离而减小)，还考虑到在距离和/或方位方面有差异的发射器和接收器行为。值得注意的是，许多雷达和其它此类系统天线基于角位置而具有显著的增益变化(例如，旁瓣)；这一方法可以在估计参数时利用这一点。
该方法可以包括基于至少一个目标的位置来使发射辐射和/或每个接收器转向的步骤。因此，特别是在存在更高相关的目标或者最高相关的目标或目标组或者每个目标的相关性超过阈值的情况下，可以指引发射辐射和/或接收器更特别地照射那些目标所在的区域(例如，通过增加那个区域中的驻留时间)，和/或使每个接收器转向以使得那些目标处于每个接收器的视场的更敏感区域中。在示例中，发射器和/或接收器对于给定区域的驻留时间可以依赖于目标在那个区域中的相关性。
辐射可以是无线电波(在这种情况下，该方法可以是雷达反射处理方法)、光波(在这种情况下，该方法可以是LIDAR反射处理方法)、声波(在这种情况下，该方法可以是声纳反射处理方法)或任何其它方便的辐射形式。
根据本发明的第二方面，提供了一种反射处理装置，包括用于接收反射辐射的输入端、被布置成用于处理接收辐射的处理器、以及包含程序指令的存储器，程序指令在处理器上执行时使得装置执行本发明的第一方面的方法。
因此，该装置还可以包括在输入端处的接收器，该接收器被布置成接收反射辐射。它还可以包括具有至少一个用于发射辐射的输出端的发射器电路。接收器和发射器电路的每个输出端可以设置有天线。
该装置可以设置有输出端，在使用时，在该输出端处输出成员并且通常地输出成员的相关联的相关程度。
现在仅通过举例的方式描述本发明的实施例，实施例将参考附图进行描述并且由附图例示，在附图中：
图1示出了安装在车辆中的根据本发明的一个实施例的RADAR反射处理装置；
图2示出了显示图1的装置的处理器的操作的流程图；以及
图3a至3c示出了各种预测波形。
附图的图1示出了根据本发明的一个实施例的RADAR反射处理装置1。
装置1包括振荡器2，振荡器2生成频率调制连续波波形u(t)并且通过发射器电路3和发射天线4来发射u(t)。所发射的射频电磁辐射(无线电波)指向安装有装置1的车辆100的前方。辐射可以反射离开可能存在于车辆前方区域中的任何目标101。
两个接收天线5、6设置在车辆100的横向相对侧。这些天线收集从任何目标101反射的辐射。使用接收电路7、8检测接收信号，并且使用混频器9将其与发射信号u(t)混频。混频信号在被传递到处理器12之前分别通过相应的低通滤波器10和模数转换器(ADC)11。
处理器执行附图的图2中所示的步骤。在步骤200中，生成目标候选者的集合。可以生成一千到一万量级的候选者。每个候选者在参数空间中将有位置。参数空间可以具有所期望的维度。通常，维度可以包括位置(在附图的图1中示为x和y)、速度v(及其方向)、加速度a(及其方向)、加加速度j(及其方向，加加速度是加速度的变化率)、加加速度的更高阶导数、目标101的宽度w及其长度l。
附图的图1示出了分散在参数空间中的目标候选者50的集合；“X”示出目标候选者的初始集合。因为在附图中只有两个维度是可用的，因此这些点被示为仅分散在二维空间中，但是每个点在所讨论的其它参数维度中也是分散的。分散可以是随机的或伪随机的，或者可以在整个参数空间中有规律地间隔开，或者可以在整个参数空间中随着在该区域中发现目标的可能性增加而以增加的密度间隔开。例如，更有可能在车辆100的正前方存在目标，因此目标候选者在整个参数空间的位置元素中的分散在该区域中可以比在任一侧更密集。
在步骤201，对于每个目标，使用处理器12生成对于如在每个天线5、6处接收的、被接收、混频9并且滤波10的辐射的预测波形。为了生成预期的时间序列返回信号，需要将允许获得该经滤波的信号的预测波形的方程。对于其频率f随时间线性增大的发射余弦波的简单示例(t是时间，f1是基频，
Figure BDA0001578219380000071
是频率随时间的变化率)：
Figure BDA0001578219380000072
可以获得相位φ随时间变化的函数，如下：
Figure BDA0001578219380000073
积分之后：
Figure BDA0001578219380000074
发射波形是u(t)＝cos(φ(t))。接收波形简单地是相同信号的延迟版本：r(t)＝cos(φ(t-Δt))。
使用这一表达式，由混频器输出的信号s(t)的低频分量作为时间的函数可以通过将发射信号和接收信号相乘并丢弃高频项来获得，这将给出任何给定的时刻处的预测波形：
Figure BDA0001578219380000075
为了清楚起见，要注意的是，对于任何特定的发射波形，可以执行完全相同的处理来获得预期的混频器输出波形。该输出简单地是发射波形与同一波形的延迟版本的乘积：
s(t)＝u(t)×r(t)＝u(t)×u(t-Δt)
发射波形可以被修改以允许振荡器2、发射电路3和天线4的操作。例如，如果已知振荡器2产生具有标称为线性锯齿状但在一定程度上非线性的斜坡的FMCW调制，那么这可以在u(t)的定义中进行处理。对于频域FMCW分析，情况不是这样，其中系统的准确度将随着非线性调制而降低。
也可以修改预测波形以校正接收天线5、6、接收器电路7、8、混频器9、滤波器10和ADC 11的执行。例如，如果接收天线在车辆的正前方给出较高的增益100，但是对任一侧给出较低的增益，那么预测波形的幅度将依赖于目标的位置。
每个参数都会影响预测波形。目标的位置将影响发射信号与接收信号之间的延迟，因此增加距相应天线5、6的距离将增加发射信号与预测信号之间的相移。增加距离还可以降低预测信号的幅度，这符合平方反比定律。对于两个天线5、6的预测信号中的每一个将具有不同的距离，这可以用于对目标候选者相对于车辆的位置进行三角测量。
车辆的速度、加速度和加加速度将根据连续变化的时间延迟而影响输出信号的频率，如附图的图3a至3c中所示。图3a示出了具有零相对速度(恒定频率)、恒定相对速度(较高频率)和恒定相对加速度(增加的频率)的候选者目标。
目标的宽度将影响接收辐射的幅度；越宽的目标(具有越高的雷达截面)将具有越高的幅度响应。
一旦已经生成了每个预测波形，在步骤202中，在每个预测波形与ADC的输出之间进行比较。计算每个预测波形与ADC的输出之间的相关性。这指示每个目标候选者的状态多准确地反映实际目标101。因此，在图1中，以带圆圈的X示出的那些目标将特别地高度相关。具有高相关性的目标候选者可以由处理器输出；相关性也可以被输出，以指示处理器12对每个目标候选者所具有的置信度。
在发射器天线4和/或接收天线5、6可转向(例如，机械可转向，或相控阵列天线)的一个实施例中，天线4、5、6可以被指引为更特别地集中于目标在该区域中的相关性特别高的任何区域。在天线扫过视场(FOV)的时候，在FOV的每个区域中都有驻留时间，对于具有有较高相关性的目标的区域，驻留时间(对于后续迭代)可以较高，而对于具有有较低相关性的目标的区域(或缺乏目标的区域)，驻留时间可以较低。
在步骤203，重新填充目标候选者的集合。通常，那些具有低相关性的目标候选者将被移除。将基于自上次接收到的辐射起所经过的时间来更新具有高相关性的目标候选者的参数(因为，由于候选者的速度、加速度和加加速度，它们将在参数空间内移动)。将添加更多新的目标候选者，集中在成功的候选者周围。在图1的示例中(并且仅绘出二维空间)，新的目标候选者可以是那些由+符号指示的目标候选者；一些将仍然远离成功的候选者而定位，但是与靠近成功的目标的那些相比较不密集。
然后该方法从步骤201开始重复，生成新的预测波形，并将那些预测波形与新的接收辐射进行比较。因此，接收辐射的每个区段可以在其被接收到时进行分析；通常，现有技术的频谱分析方法需要2n个样本，其中n在10和14之间，而当前方法可以处理少至个别样本的接收数据。
因此，与现有技术的频谱分析方法相比，这一方法可具有以下潜在优点：
-不依赖于频域处理，因此基于简单的时间序列原理更容易理解。
-可以在每个返回样本被捕获时对其进行处理。在处理之前不需要捕获数据块。减少等待时间。
-更容易处理任意波形调制。
-能够包括更高阶的目标运动模型(这直接测量加速度、加加速度、更高阶的导数)。
-能够包括其它目标参数(例如，宽度)。
-能够直接使用关于天线特点的信息(例如，具有差分增益的旁瓣)。
-容易扩展到多个发射天线和接收天线(包括任意阵列模式)。
-容易扩展到三维目标检测/跟踪。
-处理技术非常高度地可并行化。
-较容易嵌入低成本硬件中(例如，FPGA)
-容易适应于较复杂的系统。
-能够处理由于去除阈值化而引起的弱目标返回(在频谱系统中，信号将在噪声中丢失；通常任何不如阈值强的频域信号都作为噪声被丢弃)。
虽然已经参考RADAR描述了这个实施例，但是其同样适用于LIDAR或SONAR或其它此类系统。

Claims (23)

1.一种处理从目标反射的接收辐射的方法，该方法包括：生成预测目标的集合，该预测目标的集合包括至少一个成员，每个成员表示目标的状态；依赖于目标的状态为每个成员生成对于辐射的预测波形；将每个预测波形与接收辐射的波形进行比较，以确定由为其生成预测波形的成员所表示的目标的状态匹配目标的实际状态的准确度；以及在预测波形与接收波形之间的比较之后，用参数空间中的成员重新填充目标的集合，使得成员随着相关程度增加而优先地分散在该集合的在重新填充之前的成员周围，
其中目标的状态包括参数集，该参数集包括目标的至少一个参数，
其中将预测波形与接收辐射的波形进行比较的步骤包括确定预测波形与接收辐射的波形之间的相关性，
其中生成目标的集合的步骤包括生成分散在由参数集限定的参数空间中的成员的集合。
2.如权利要求1所述的方法，其中不对接收辐射进行频谱分析。
3.如权利要求2所述的方法，其中不对接收辐射进行快速傅立叶变换。
4.如权利要求1所述的方法，其中参数集包括目标的位置数据。
5.如权利要求4所述的方法，其中目标的位置数据包括目标的位置。
6.如权利要求1所述的方法，其中参数包括速度、加速度和加加速度中的至少一个。
7.如权利要求1所述的方法，其中参数包括目标的距离的测量结果。
8.如权利要求7所述的方法，其中目标的距离的测量结果包括目标的宽度或尺寸。
9.如权利要求1所述的方法，包括从至少一个发射器发射辐射，并且在至少一个接收器处对接收辐射进行接收。
10.如权利要求9所述的方法，其中有多个接收器，其中生成预测波形的步骤包括对于在每个接收器处接收到的接收辐射生成预测波形，并且比较每个预测波形的步骤包括比较对于每个接收器的预测波形与在该接收器处接收到的辐射。
11.如权利要求9所述的方法，包括将在每个接收器处接收到的辐射与由发射器发射的辐射混频，并且可选地对信号进行低通滤波，并且对进行了混频并且可选地被滤波的接收辐射与发射辐射执行比较。
12.如权利要求1所述的方法，其中将具有低相关程度的成员从目标的集合中移除。
13.如权利要求1所述的方法，包括：在重新填充目标的集合之后，重复比较每个预测波形的步骤。
14.如权利要求13所述的方法，其中，比较每个预测波形的步骤包括将每个预测波形与在用于先前比较步骤的接收辐射之后接收到的接收辐射的波形进行比较。
15.如权利要求13所述的方法，其中重新填充与比较的步骤无限重复。
16.如权利要求1所述的方法，其中重新填充目标的集合的步骤包括基于原始接收辐射的接收与随后接收到的反射辐射的接收之间所经过的时间来更新每个目标的参数。
17.如权利要求1所述的方法，其中所述成员中的至少一些成员及其相关联的相关程度由所述方法作为潜在目标而输出。
18.如权利要求9所述的方法，其中生成预测波形的步骤包括估计发射辐射的波形并且对发射辐射的波形应用至少一个变换从而得到预测波形。
19.如权利要求18所述的方法，其中所述至少一个变换将依赖于参数集中的每一个参数。
20.如权利要求18所述的方法，其中至少一个变换可以包括依赖于目标距接收器的距离来修改波形的频率和相位。
21.如权利要求18所述的方法，其中至少一个变换可以包括依赖于目标的位置来变换波形的幅度。
22.如权利要求1所述的方法，包括基于至少一个目标的位置来使发射辐射和/或每个接收器转向的步骤。
23.一种反射处理装置，包括用于接收到的反射辐射的输入端、被布置成通过执行如权利要求1所述的方法来处理接收辐射的处理器。
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