CN108181622A - 对代表物理系统的至少一项物理属性的信号进行处理 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了对代表物理系统的至少一项物理属性的信号进行处理。实施例涉及一种对代表物理系统(1，2)的至少一项物理属性的信号进行处理的方法，所述方法包括：生成(200)预测信号集合，所述预测信号集合包括至少一个成员，每一个成员表示物理系统的物理状态；根据所述物理状态对于每一个成员生成针对所述信号的预测波形(201)；以及把每一个预测波形与所述信号进行比较(202)，以便确定由为之生成预测信号的成员所表示的物理状态与物理系统的实际物理状态相匹配的准确度。在一个示例性实施例中，所述物理系统是轮胎，并且所述状态包括轮胎内的气压。

Description

对代表物理系统的至少一项物理属性的信号进行处理
技术领域
本发明涉及一种对代表物理系统的至少一项物理属性的信号进行处理的方法以及相关联的装置。
背景技术
使用从目标反射的辐射收集的技术是众所周知的；这样的技术的实例包括RADAR(雷达)(使用无线电波)、LIDAR(激光雷达)(使用光波)和SONAR(声纳)(使用声波)。通常来说，对所接收到的辐射实施某种自动处理，以便估计与目标的位置有关的数据(例如范围和/或方位)。
以例如可以被用来检测寄主车辆周围的其他车辆的车辆RADAR系统(如在作为WO2004/053521公布的PCT专利申请中描述的)为例，通常使用传送频率调制信号的频率调制连续波(FMCW)雷达。在其中调制是简单锯齿斜波的实例中，可以在接收到反射信号时使用所传送的输出与反射信号之间的频率差来估计对象的距离。这通常将是通过把输出和输入信号进行混频并且检测差拍信号而实现的。可以使用混频信号中的另一个频率分量(多普勒分量)来估计对象的速度。
迄今为止，特别在FMCW雷达系统中对于此类信号的分析涉及到反射信号的频谱分析。这意味着在进行进一步的分析之前把接收到的反射辐射(通常是在与输出信号进行了混频之后)转换到频域中。随后可以通过在所确定的频谱中寻找峰值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)。FFT实施起来是处理器密集的并且会使用大量存储器带宽，因为所使用的算法需要按照非顺序方式对存储器的广大区域进行存取。
此外，可以从这样的频谱分析返回的数据实际上被限制到位置和速度、加速度以及导致频率元之间的信号“拖尾(smear ing)”的加加速度(jerk)(加速度的改变速率)。为了实施FFT算法，需要将数据分批到冗长的(lengthy)顺序组块中。这也意味着FFT将提供组块周期上的频谱的时间平均度量。
与基于谐振的系统的物理状态的测量有关的技术是已知的，但是通常依赖于所测量的波形是静态的。因此，所述技术对于动态系统不是非常有用。
发明内容
根据本发明的第一方面，我们提供一种对代表物理系统的至少一项物理属性的信号进行处理的方法，所述方法包括：生成预测信号集合，所述预测信号集合包括至少一个成员，每一个成员表示物理系统的物理状态；根据所述物理状态对于每一个成员生成针对所述信号的预测波形；以及把每一个预测波形与所述信号进行比较，以确定由为之生成预测信号的成员所表示的物理状态与物理系统的实际物理状态相匹配的准确度。
因此我们认识到，有可能使用所接收到的信号对系统的物理状态进行建模，并且可以在时域中对系统进行表征而无需实施频谱分析(例如快速傅立叶变换(FFT)等等)。在所建模的参数方面，所述模型可以是非常灵活的。
通常来说，所述物理系统将使得所述信号不表示从目标反射的所接收到的辐射，或者如果所述信号确实表示从目标反射的所接收到的辐射，则所述物理状态不表示目标的状态。通常来说，所述物理状态不包括目标的位置、速度、加速度和/或加加速度。
所述信号可以包括周期性分量，尽管所述信号的频谱可以发生变化。
所述方法可以包括利用驱动信号来驱动物理系统。通常来说，所述驱动信号将包括周期性分量，所述周期性分量具有邻近物理系统的谐振频率的峰值功率；所谓邻近可以是处于谐振频率的10％、5％、2％或1％内。所述信号可以包括物理系统对驱动信号的响应。取代简单地取得物理系统对于激励的响应的频谱，本发明的方法提供了更加灵活的信号分析系统。此外，分辨率仅受限于可用的观测时间，而不受限于在频谱分析方法中将会需要的频率元的数目，其中频率元的数目越多，进行计算所需要的计算能力和存储的数量也越多。
所述生成预测波形的步骤可以包括估计驱动信号的波形并且对驱动信号的波形应用至少一项变换，以便得到预测波形。所述至少一项变换可以取决于系统的每一个物理状态。通过从驱动信号开始，可以允许为传送出所传送的辐射的传送器的操作；这样的系统可以容许不准确或非线性的调制，而现有技术的频谱分析频率调制连续波(FMCW)雷达则对于所使用调制是敏感的。实际上，可以使用任何方便的调制方案，比如频率调制连续波(FMCW)。
如果所述物理状态包括从该处反射辐射的目标的位置，则所述至少一项变换可以包括根据目标相距接收器的范围来修改波形的频率和相位。如果使用多个接收器，这可以导致目标的正确位置快速地显现，因为所述位置将由各个范围以高相关发生重叠的点给出。
如果所述物理状态包括从该处反射辐射的目标的位置，则所述至少一项变换可以包括根据目标的位置对波形的幅度进行变换。这可以导致更加准确的参数估计，因为采用频谱分析的方法通常仅使用幅度来确定返回强度(并且因此是这样的系统对于假定目标的置信度)。可以根据位置对幅度进行变换，从而不仅考虑到目标的尺寸和/或位置(特别是考虑到随着目标的范围而减小的信号幅度)，而且还考虑到传送器和接收器在范围和/或方位两个方面的差异化行为。应当注意到的是，许多雷达和其他此类系统天线基于角度位置(例如旁瓣)具有显著的增益改变；这种方法可以利用这一点来估计参数。
所述方法可以包括潜在地在一个或多个接收器处接收信号，这可以包括经过物理系统的驱动信号；经过物理系统可以包括经过物理系统被传送和反射的至少其中一者。
在一个实施例中，所述物理系统是定义具有内部流体(通常是压力)的空隙的封装，比如车辆轮胎或者管道、管路或干线。所述物理状态因此可以包括内部流体压力。在所述空隙内可以有通常被形成为胶囊的谐振腔室。所述腔室可以具有定义谐振频率的特征规格，比如长度或宽度。通常来说，所述腔室将处于所述空隙内但是相对于所述空隙被密封，从而使得空隙内的发生改变的流体压力可以导致腔室的尺寸并且从而导致谐振频率发生变化。通过引入可以包括邻近谐振频率的射频信号的驱动信号，可以在腔室中导致一些谐振。所述方法可以包括测量系统对于驱动信号的响应，因此所述方法可以包括接收射频信号以作为所述信号。所述信号在这种情况下可以包括腔室内的衰减谐振。
如果所述封装受到外部物理输入的影响，则所述物理状态可以包括所述物理输入的表示。在车辆轮胎的实例中，所述物理状态可以包括车辆轮胎的旋转速度，并且可选地还有正在其上驱动车辆轮胎的表面的特性，比如其垂直廓线。
所述把预测波形与信号波形进行比较的步骤可以包括确定预测信号与信号波形之间的相关性。所述方法可以包括通过确定预测信号与信号波形的相关度来确定每一个预测信号与信号波形的拟合度。
通常来说，所述物理系统的物理状态可以包括参数集合，所述参数集合包括物理系统的物理状态的至少一个参数。所述生成预测信号集合的步骤可以包括生成散布在由所述参数集合定义的参数空间中的成员集合。所述成员可以被随机地或伪随机地散布在所述参数空间中。但是所述散布可以被加权到更有可能在其中找到紧密匹配的信号的区域。
在预测波形与所接收到的波形之间的比较之后，所述方法可以包括利用所述参数空间中的成员重新填充所述预测信号集合，从而使得所述成员优选地以更高的相关度围绕重新填充之前的所述集合的成员被散布。可以围绕具有较低相关度的成员散布更少的成员或者不散布成员；实际上，可以从所述预测信号集合中去除具有低于阈值的相关度或者具有最低相关度的成员。
在重新填充所述预测信号集合之后，所述方法可以重复所述比较每一个预测信号的步骤，通常重复到在被用于前一个比较步骤的接收辐射波形之后所接收到的接收辐射波形。重新填充步骤和比较步骤可以无限地重复；因此，这种方法可以定义粒子滤波器(particlef i l ter)，从而使用Monte Car lo方法来预测和匹配对应于所接收到的辐射中的物理状态的信号。例如与先前被使用在采用频谱分析的方法中的FFT计算相比，这样的方法在编程方面更加方便。具体来说，前面所描述的方法可以更方便地被实施在并行处理系统中(这是因为更容易定义将由每一个处理器实施的任务集合)并且存储器存取是更加可预测的，而FFT通常则极为需要对大的存储器区域进行非顺序的存取。
所述重新填充预测信号集合的步骤可以包括：基于在接收到原始信号与接收到后续接收的反射辐射之间所经过的时间，更新每一个预测信号的参数。通常来说，所述成员的至少其中一些及其相关联的相关度将由所述方法输出为所述系统的潜在物理状态。在一个实施例中，只有其相关度满足至少一条标准的那些成员才可以被输出；所述标准可以是相关性超出阈值。
另一个优点是在接收到辐射之后可以立即进行比较，而不一定需要等待数据的时间块。
根据本发明的第二方面，提供一种信号处理装置，其包括用于信号的输入端、被安排来处理信号的处理器以及包含程序指令的存储器，所述程序指令当在处理器上执行时使得所述装置实施本发明的第一方面的方法。
这样，所述装置还可以包括被安排来接收所述信号的输入端处的接收器。所述装置还可以包括具有用于驱动信号的至少一个输出端的传送器电路。
所述装置可以提供有输出端，当处于使用中时在该输出端处输出各个成员并且通常还有其相关联的相关度。
附图说明
下面将参照附图并且如附图中所示地仅作为举例来描述本发明的实施例，其中：
图1示出了根据本发明的实施例的胎压监测系统；以及
图2所示的流程图示出了图1的装置的处理器的操作。
具体实施方式
附图当中的图1示出了根据本发明的第一实施例的充当信号处理装置的胎压监测系统。
在该实施例中，轮胎1被装配在车轮2上。因此，所述轮胎定义其中填充有加压空气的空隙3。希望知道空隙3内的气压以便确保轮胎被正确地充气。
监测胎压的一种方式是把换能器放置在空隙3内，其测量压力并且随后将该压力传送到轮胎2的外部。但是这需要把活跃的换能器放置在轮胎内，从而将需要定期维修(例如电池更换)并且涉及把敏感的电路放置在严苛的物理环境内。
但是在该实施例中，替换地存在简单的谐振腔室4。所述腔室被形成为密封胶囊，从而定义其自身的空隙5。所述腔室由略微具有顺应性的材料形成，从而随着轮胎空隙3中的压力发生变化，腔室空隙5内的数量固定的气体将导致腔室3的体积并且从而还有其线性规格(dimens ion)发生改变。
鉴于腔室5的规格(特别是长度)对于给定形式的辐射将为腔室4给出特征谐振频率(通常对应于作为半波长的腔室长度)，该谐振频率将随着腔室4的长度改变而改变。因此，在胎压与谐振频率之间将存在关系。所述腔室将按照频率相关的方式对撞击在其上的邻近其谐振频率的辐射进行再辐射(通常是在其谐振频率处或者邻近其谐振频率进行再辐射)；相反，如果对所述腔室施加邻近标称谐振频率的辐射，则随着腔室改变尺寸，由其再辐射的辐射将按照可预测的方式改变。
可以通过使用波形生成器6生成邻近预期谐振频率的驱动信号(其通常具有微波电磁辐射的形式)来利用这一点。该驱动信号由放大器7放大并且从天线8传送。反射信号由天线8接收，使用接收电路9被放大和向下混频，并且在模拟到数字转换器(ADC)10中被转换为数字信号。如此测量得到的样本被传递到处理器11。
处理器实施附图当中的图2所示出的步骤。在步骤200中，生成潜在物理状态的集合。可以生成大约一千个到一万个候选。每一个候选将在参数空间中具有一个位置。所述参数空间可以具有所希望的数目的维度。通常来说，所述维度将包括轮胎空隙3内的压力，并且潜在地还将包括腔室4的规格，车轮2在旋转时的角度位置和速度，并且潜在地还有轮胎1正在其上被驱动的道路中的颠簸处。
在步骤201处，对于每一个潜在状态，使用处理器11生成针对在每一个天线8处接收到，并且被接收、处理和数字化的辐射的预测波形。还可以对所述预测波形进行修改，以校正天线8、接收器电路9、传送电路6、7和ADC 11的性能。举例来说，如果天线8具有定向增益，则预测波形的幅度将取决于车轮2的角度位置。
每一个参数将对预测波形具有影响。对于该实施例最重要的组成部分是与邻近谐振的驱动信号从腔室4的再辐射有关。还有可能随着车轮2相对于天线8旋转腔室4而检测多普勒频移，其中车轮2的角度位置和速度是所建模的物理状态的一部分。
一旦生成了每一个预测波形，则在步骤202处把每一个预测波形与ADC的输出进行比较。计算每一个预测波形与ADC的输出之间的相关性。这表明所述潜在状态反映实际状态的准确度如何，并且特别表明所述潜在状态对轮胎空隙3中的压力进行建模的准确度如何。
在步骤203处，对目标候选的集合进行重新填充。通常来说，具有低相关性的那些目标候选将被去除。将基于自从上一个信号之后所经过的时间来更新具有高相关性的那些目标候选的参数(其原因是由于车轮2的旋转，腔室4发生了移动)。将会添加围绕成功的候选所集中的另外的新的目标候选。
所述方法随后从步骤201重复，从而生成新的预测波形并且把这些预测波形与新接收到的辐射进行比较。因此，可以随着接收到辐射对所接收到的辐射的每一个部分进行分析；通常来说，现有技术的频谱分析方法需要2n个样本，其中n处于10到14之间，而当前的方法则可以把所接收到的数据向下处理到单独的样本。
因此，这种方法与现有技术的频谱分析方法相比可以具有以下的潜在优点：
-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。
-可以随着捕获到每一个返回样本对其进行处理。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。
-有能力包括更高阶目标运动模型(其直接测量加速度、加加速度、更高阶导数)。
-有能力包括其他目标参数(例如宽度)。
-有能力直接使用关于天线特性的信息(例如具有微分增益的旁瓣)。
-容易扩展到多个传送和接收天线(包括任意阵列模式)。
-容易扩展到3维目标检测/跟踪。
-处理技术是非常高度地可并行化的。
-更容易嵌入在低成本硬件(例如FPGA)中。
-很容易对于更加复杂的系统进行缩放。
-由于去除了阈值处理，因此有能力应对弱目标返回(而在频谱系统中，信号则将被丢失在噪声中；通常来说，强度低于阈值的任何频域信号都作为噪声而被丢弃)。
-不需要在轮胎内更换电池——腔室4可以是完全无源的。
-可以对车辆经过颠簸处等情况下的动态胎压改变进行建模。
-通过对车轮的角度位置和速度进行建模可以导致提供这些量的有用测量。
虽然该实施例是参照微波辐射来描述的，但是同样适用于其他电磁波(比如无线电波或可见光)或声波或者其他此类系统。

Claims (23)

1.一种对代表物理系统的至少一项物理属性的信号进行处理的方法，所述方法包括：生成预测信号集合，所述预测信号集合包括至少一个成员，每一个成员表示所述物理系统的物理状态；根据所述物理状态对于每一个成员生成针对所述信号的预测波形；以及把每一个预测波形与所述信号进行比较，以确定由为之生成预测信号的成员所表示的物理状态与所述物理系统的实际物理状态相匹配的准确度；
其中，所述物理系统使得所述信号不表示从目标反射的所接收到的辐射，或者如果所述信号确实表示从目标反射的所接收到的辐射，则所述物理状态不表示所述目标的状态，或者至少不包括所述目标的位置、速度、加速度和/或加加速度；
其中，所述物理系统的物理状态包括参数集合，所述参数集合包括所述物理系统的物理状态的至少一个参数，并且其中所述生成预测信号集合的步骤包括生成散布在由所述参数集合定义的参数空间中的成员集合；并且
所述方法还包括：在预测波形与所接收到的波形之间的比较之后，利用所述参数空间中的成员重新填充所述预测信号集合，从而使得所述成员优选地以更高的相关度围绕重新填充之前的所述集合的成员被散布。
2.一种对代表物理系统的至少一项物理属性的信号进行处理的方法，所述方法包括：生成预测信号集合，所述预测信号集合包括至少一个成员，每一个成员表示所述物理系统的物理状态；根据所述物理状态对于每一个成员生成针对所述信号的预测波形；以及把每一个预测波形与所述信号进行比较，以确定由为之生成预测信号的成员所表示的物理状态与所述物理系统的实际物理状态相匹配的准确度；
所述方法包括利用驱动信号来驱动所述物理系统，所述驱动信号包括周期性分量，所述周期性分量具有邻近所述物理系统的谐振频率的峰值功率。
3.根据权利要求2所述的方法，其中，所述物理系统使得所述信号不表示从目标反射的所接收到的辐射，或者如果所述信号确实表示从目标反射的所接收到的辐射，则所述物理状态不表示所述目标的状态，或者至少不包括所述目标的位置、速度、加速度和/或加加速度。
4.根据权利要求1所述的方法，包括利用驱动信号来驱动所述物理系统。
5.根据权利要求4所述的方法，其中，所述驱动信号包括周期性分量，所述周期性分量具有邻近所述物理系统的谐振频率的峰值功率。
6.根据权利要求1到5中的任一项所述的方法，其中，所述信号包括周期性分量，但是其中所述信号的频谱会发生变化。
7.根据权利要求1到5中的任一项所述的方法，其中，所述物理系统是定义具有内部流体压力的空隙的封装，比如车辆轮胎或者管道、管路或干线。
8.根据权利要求7所述的方法，其中，所述物理状态包括所述内部流体压力。
9.根据权利要求7所述的方法，其中，所述物理系统受到外部物理输入的影响，所述物理状态包括所述物理输入的表示。
10.根据权利要求9所述的方法，其中，所述封装是车辆轮胎，并且所述物理状态包括所述车辆轮胎的旋转速度，并且可选地还有正在其上驱动所述车辆轮胎的表面的特性，比如其垂直廓线。
11.根据权利要求1到5中的任一项所述的方法，其中，所述把预测波形与信号波形进行比较的步骤包括确定所述预测信号与所述信号的波形之间的相关性。
12.根据权利要求2所述的方法，其中，所述物理系统的物理状态包括参数集合，所述参数集合包括所述物理系统的物理状态的至少一个参数，并且其中所述生成预测信号集合的步骤包括生成散布在由所述参数集合定义的参数空间中的成员集合。
13.根据权利要求12所述的方法，包括：在预测波形与所接收到的波形之间的比较之后，利用所述参数空间中的成员重新填充所述预测信号集合，从而使得所述成员优选地以更高的相关度围绕重新填充之前的所述集合的成员被散布。
14.根据权利要求1或权利要求13所述的方法，其中，从所述预测信号集合中去除具有低相关度的成员。
15.根据权利要求1或权利要求13所述的方法，包括：在重新填充目标集合之后，重复比较每一个预测波形的所述步骤，通常重复到在被用于前一个比较步骤的信号波形之后所接收到的信号波形。
16.根据权利要求15所述的方法，其中，重新填充步骤和比较步骤无限地重复。
17.根据权利要求1或权利要求13所述的方法，其中，所述重新填充预测信号集合的步骤包括：基于在接收到原始接收的辐射与接收到后续接收的反射辐射之间所经过的时间，更新每一个预测信号的参数。
18.根据权利要求1到5、12或13中的任一项所述的方法，其中，所述成员的至少其中一些及其相关联的相关度由所述方法输出为所述物理系统的潜在物理状态。
19.根据权利要求1到5、12或13中的任一项所述的方法，包括潜在地在一个或多个接收器处接收所述信号。
20.一种信号处理装置，包括用于信号的输入端、被安排来处理信号的处理器以及包含程序指令的存储器，所述程序指令当在处理器上执行时使得所述装置实施根据权利要求1到5、12或13中的任一项所述的方法。
21.根据权利要求20所述的装置，包括被安排来接收信号的输入端处的一个或多个接收器。
22.根据权利要求20所述的装置，包括具有用于驱动信号的至少一个输出端的传送器电路。
23.根据权利要求20所述的装置，其提供有输出端，当处于使用中时在该输出端处输出各个成员并且通常还有其相关联的相关度。
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