CN108226918A - 高信噪比下多普勒模糊的解决方法 - Google Patents

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Abstract

公开了一种在雷达系统处确定物体的相对速度的系统和方法。发射器在物体处发射源信号，接收器接收回波信号，该回波信号是来自物体的源信号的反射。在处理器处将回波信号分为第一部分和第二部分。针对第一部分估算第一多普勒频率，针对第二部分估算第二多普勒频率。估算第一多普勒频率与第二多普勒频率之间的差值。根据估算的差值与所选的多普勒频率的比较结果，确定多普勒模糊的存在。根据多普勒模糊，获得校正的多普勒频率，并且根据校正的多普勒频率，确定物体的相对速度。

Description

高信噪比下多普勒模糊的解决方法
技术领域
本发明涉及一种使用雷达确定物体相对速度的系统和方法，尤其涉及 一种解决雷达系统中使用调制信号获得的速度测量结果中出现的多普勒 模糊的系统和方法。
背景技术
最新的汽车和车辆已设置有车载安全系统，车载安全系统包括用于检 测物体相对于车辆的速度的雷达技术，使得驾驶员或防撞装置能够相应地 作出反应。在这种技术中，多普勒效应被用于确定车辆与物体之间的相对 速度。车辆上的发射器以所选频率将调制源信号(例如啁啾信号)发射给 物体。调制源信号从物体反射出来，并被车辆上的接收器接收。源信号的 频率与反射信号的频率之间的频率差(称为“多普勒频率”)提供关于物体相对于车辆的相对速度的信息。
通过以所选的采样率对反射信号进行采样并对采样信号进行快速傅 立叶变换(FFT)确定反射信号的频率，以产生包括代表峰值的频率空间。 当多普勒频率大于雷达系统的采样频率时，混叠频率出现在频率空间中， 从而形成所谓的多普勒模糊(Dopplerambiguity)。多普勒模糊可以通过延 长啁啾信号的持续时间来解决，以便引入另外的(更高的)多普勒采样频 率。然而，这种方法需要额外的控制和处理，相应地增加了开销和时间。 因此，希望提供一种使用现有的雷达系统解决多普勒模糊的方法。
发明内容
在本发明的一个示例性实施例中，公开了一种在雷达系统处确定物体 的相对速度的方法。该方法包括：在接收器处接收回波信号，该回波信号 是来自物体的源信号的反射；将回波信号分为第一部分和第二部分；针对 第一部分估算第一多普勒频率，针对时间部分估算第二多普勒频率；估算 第一多普勒频率与第二多普勒频率之间的差值；根据所估算的差值与所选 的多普勒频率的比较结果，确定多普勒模糊的存在；根据多普勒模糊，获得校正的多普勒频率；并且根据校正的多普勒频率，确定物体的相对速度。
在本发明的另一个示例性实施例中，公开了一种确定物体的相对速度 的系统。该系统包括：用于在物体处发射源信号的发射器；接收回波信号 的接收器，该回波信号是来自物体的源信号的反射；处理器，其被配置为： 将回波信号分为第一部分和第二部分，针对第一部分估算第一多普勒频率， 针对第二部分估算第二多普勒频率，估算第一多普勒频率与第二多普勒频 率之间的差值，根据所估算的差值与所选的多普勒频率的比较结果，确定多普勒模糊的存在，根据多普勒模糊，获得校正的多普勒频率，并根据校 正的多普勒频率，确定物体的相对速度。
本发明的上述特征和优点以及其他特征和优点将从以下结合附图对 本发明的详细描述中变得显而易见。
附图说明
其他特征、优点和细节仅作为示例出现在以下实施例的详细描述中， 详细描述是参照附图进行的，附图中：
图1示出了包括雷达系统的车辆，该雷达系统适于确定物体或目标相 对于车辆的相对速度；
图2示出了说明在本发明的一个实施例中针对作为源信号的啁啾信号 的频率响应的示意图；
图3示出了针对如图2所示的啁啾信号以及相应的回波信号的频率响 应的示意图；
图4示出了示意性地说明解决多普勒模糊的方法的流程图；
图5示出了说明确定频率空间中环绕的数量并由此确定物体相对于车 辆的相对速度的方法的流程图；并且
图6示出了根据本发明的确定物体相对于车辆的相对速度的方法的流 程图。
具体实施方式
以下描述本质上仅仅是示例性的，并不旨在限制本公开及其应用或用 途。应该理解的是，在整个附图中，相应的附图标记表示相同或相应的部 分和特征。
根据本发明的一个示例性实施例，图1示出了车辆100(例如汽车)， 其包括适于确定目标或物体104相对于车辆100的相对速度的雷达系统 102。如图1所示的实施例中，雷达系统102包括发射器106和接收器108。 在替代实施例中，雷达系统102可以是MIMO(多输入多输出)雷达系统， 其包括发射器阵列和接收器阵列。控制单元110(包括装载在车辆100上的处理器)控制并操作发射器106，用于产生射频波(“源信号”120)。在 一个实施例中，源信号120包括通常称为啁啾信号的线性调频连续波 (LFM-CW)。或者，源信号120可以是脉冲信号或者脉冲信号与啁啾信 号的组合。来自物体104的源信号120的反射在本文中称为回波信号122。 在接收器108处接收回波信号122，接收器108通常包括用于对回波信号 122进行采样的电路。控制单元110对采样信号进行快速傅里叶变换(FFT) 以获得频率空间中的频率，以便确定回波信号122的频率并由此确定多普 勒频率。多普勒频率用于估算物体104相对于车辆100的相对速度。
然后可以利用物体104相对于车辆100的相对速度的知识，通过例如 使车辆100加速或减速或使车辆转向来操纵车辆100，以便避开物体104。 在一个实施例中，控制单元110与防撞系统112配合以控制转向和加速/ 减速组件，以便在车辆100处进行必要的操纵，从而避开物体104。在另 一个实施例中，控制单元110提供信号以提醒车辆100的驾驶员，由此驾 驶员可以采取必要的行动来避开物体104。
虽然本文所述的雷达系统102在车辆100上，但是在替代实施例中， 雷达系统102也可以是固定或静止物体的一部分。同样地，物体104可以 是车辆或移动的物体，也可以是固定或静止的物体。
通过FFT获得的多普勒频率可用于确定物体的相对速度，直到达到最 大速度，该最大速度由雷达系统的采样频率表示。当相对速度超过该最大 速度时，采样过程产生频率混叠，其中频率空间中在与回波信号122的实 际频率不同的频率处产生峰值。这些混叠峰值形成多普勒模糊，而在估算 物体104的相对速度时这可能是个问题。
作为多普勒模糊的一个示例，示例性啁啾信号在啁啾持续时间T期间 从大约f0＝77千兆赫(GHz)线性增加至大约f1＝81GHz，使得带宽(f1-f0) 为大约4GHz。多普勒频率随啁啾信号频率的增加而增加。对于相对于车 辆100以每小时36公里行进的物体，与啁啾信号相关的多普勒频率从约 5.1千赫兹(kHz)(针对f0＝77GHz)变为约5.4kHz(针对f1＝81GHz)。这些多普勒频率之间的差值为约5％。然而，当在1.5kHz的奈奎斯特采样 频率下对回波信号122进行采样时，这些5.1kHz和5.4kHz的多普勒频率 分别被混叠为0.6kHz和0.9kHz。这些混叠频率(0.6kHz和0.9kHz)之 间的差值为约50％，远远大于初始多普勒频率之间的差值。本文所公开的 方法通过确定多普勒频率在源信号的带宽上变化的程度解决由该混叠处 理引起的多普勒模糊。
图2示出了说明在本发明的一个实施例中针对作为源信号120的啁啾 信号的频率响应202的示意图200；啁啾信号的频率响应202在所选的频 率范围内线性增加啁啾信号的持续时间T(开始于时间t0并结束于时间t1)。 频率如下：f(t)＝f0+kt，其中f0是开始频率(在时间t0)，k是频率增加或啁 啾率，k＝(f1-f0)/T。在雷达系统102的发射模式期间，啁啾信号可以以所选 的脉冲重复频率重复多次。
图3示出了分别针对如图2所示的发射啁啾信号和相应的接收回波信 号122(图1)的频率响应202和302的示意图。尽管回波信号122通常 在啁啾信号后有一时间延后，但是频率响应202和302已经被时移为相互 对准，以便显示它们的频率如何对应。频率响应202在从f0到f1的范围内 线性变化。返回信号的持续时间T与初始啁啾信号的持续时间T相同。
现在参照图3讨论解决多普勒模糊的方法。根据本发明，解决多普勒 模糊涉及对回波信号进行划分以获得多个部分，针对每个部分分别确定多 普勒频率，并观察各个多普勒频率如何不同。图3中，回波信号在时间段 T的中点被分为两半，以形成第一部分304和第二部分306。第一部分304 (在持续时间Δt1期间发生)响应于f0与(f0+f1)/2之间的啁啾信号的频率。 第二部分306(在持续时间Δt2期间发生)响应于(f0+f1)/2与f1之间的啁啾 信号的频率。
图4示出了流程图400，其示意性地示出了解决响应于来自移动物体 的啁啾信号在回波信号中发生的多普勒模糊的方法。如图3所示的频率响 应302具有第一部分304和第二部分306。在本文所公开的方法中，对第 一部分304进行记录和采样，并对采样的第一部分304进行第一FFT (“FFT1”)(框404)，用于产生第一频率空间。在框406中，确定针对第 一部分304的频率(fr1)和针对第一部分304的多普勒频率(fd1)。对第二 部分306进行记录和采样，并对采样的信号进行第二FFT(“FFT2”)(框 408)，用于产生第二频率空间。在框410中，确定针对第二部分306的频 率(fr2)和针对第二部分306的多普勒频率(fd2)。
在框412中，计算独立的多普勒频率fd1和fd2之间的差值，Δf＝abs(fd2-fd1)。 在框414中，将多普勒频率的差值Δf与所选的多普勒频率进行比较，用于 确定多普勒模糊是否存在。在一个实施例中，将差值Δf与第一多普勒频率 (fd1)进行比较，如等式(1):
Δf>(阈值)*fd1 等式(1)
在一个实施例中，阈值为约2.5％。然而，在替代实施例中可以使用其 他阈值。当等式(1)不成立时，即当多普勒频率的差值小于或等于阈值乘以 fd1时，则确定多普勒模糊不存在或者小到微不足道(框416)。当等式(1) 成立时，即当多普勒频率的差值小于或等于阈值乘以fd1时，则确定多普勒 频率的差值比fd1大，并由此确定多普勒模糊存在或大到足以影响频率测量 结果(框418)。
Δf的幅度通常是频率空间中频率折叠(环绕)的结果，其可以出现任 何次数。频率折叠出现的次数可以通过找到满足等式(2)的N次环绕 (N-wrap-around)的最小整数来确定。
Δf>(阈值)*fd1+(环绕频率)*(N次环绕) 等式(2)
其中环绕频率是雷达系统的奈奎斯特频率。一旦确定了N次环绕，就 可以确定无混叠的多普勒频率，并且可以根据无混叠的多普勒频率来确定 物体104相对于车辆100的相对速度。
图5示出了流程图500，其示出了确定频率空间中环绕的数量并由此 确定物体104相对于车辆100的相对速度的方法。在框502中，从物体104 获得的回波信号122被分为第一部分304和第二部分306，如图3的频率 响应302所示。在框504中，对第一部分304进行第一FFT，并对第二部 分306进行第二FFT。第一多普勒频率(fd1)由第一FFT确定，而第二多 普勒频率(fd2)由第二FFT确定。在框506中，计算第一多普勒频率(fd1) 与第二多普勒频率(fd2)之间的差值Δf。在框508中，N次环绕的值设置 为零。在框510中，检查等式(1)的条件。如果等式成立，则方法进行到框 512，其中N次环绕的值增加1，并且方法回到框510。一旦确定等式(1) 不成立，则过程进行到框514，其中解决了针对频率空间的所确定的N次 环绕的多普勒模糊，以获得物体104的校正多普勒频率。多普勒模糊可以 通过将频率空间展开所确定的频率折叠的数量(即，N次环绕)来解决。 在框516中，根据校正的多普勒频率确定物体104的相对速度。
图6示出了根据本发明的确定物体104相对于车辆100的相对速度的 方法的流程图600。在框602中，对在接收器处接收到的整个回波信号(如 频率响应302所表示的)进行FFT。在框604中，回波信号被分为第一部 分304和第二部分306，并且对第一部分304和第二部分306中的每一个 部分进行FFT，以获得两个多普勒频率fd1和fd2。在框606中，多普勒频率fd1和fd2用于确定如图所示的N次环绕的值，例如参照图5。在框608 中，N次环绕的值用于确定多普勒模糊的存在。对于整个回波信号，N次 环绕的值用于通过FFT获得的频率空间，以便为物体104提供校正的多普 勒频率。校正的多普勒模糊可以通过将频率空间展开所确定的频率折叠的 数量(即，N次环绕)来解决。在框610中，使用由整个回波信号的频率 空间获得的校正多普勒频率来确定物体104相对于车辆100的相对速度。
本文所公开的方法提高了雷达系统区分物体相对于车辆的实际相对 速度的能力，包括在相对速度超过由雷达系统的采样频率所建立的源信号 的最大速度范围的情况下。使用校正的多普勒频率，物体的实际相对速度 可以提供给驾驶员或防撞系统，以便驾驶员或防撞系统对避开物体的反应 性提高，从而增加驾驶员和车辆的安全性。
虽然已参照示例性实施例对本发明进行描述，但是本领域技术人员将 理解的是，在不脱离本发明保护范围的情况下，可以进行各种修改，各种 元件可以用等同物替代。另外，在不脱离本发明实质保护范围的情况下， 可以进行各种修改，使得具体情况或材料适用于本发明的教导。因此，本 发明并不限于所公开的具体实施例，本发明将包括落入本申请保护范围内 的所有实施例。

Claims (10)

1.一种在雷达系统处确定物体的相对速度的方法，包括：
在接收器处接收回波信号，所述回波信号是来自所述物体的源信号的反射；
将所述回波信号分为第一部分和第二部分；
针对所述第一部分估算第一多普勒频率，针对所述第二时间部分估算第二多普勒频率；
估算所述第一多普勒频率与所述第二多普勒频率之间的差值；
根据所述估算的差值与所选的多普勒频率的比较结果，确定多普勒模糊的存在；
根据所述多普勒模糊，获得校正的多普勒频率；并且
根据所述校正的多普勒频率，确定所述物体的相对速度。
2.如权利要求1所述的方法，还包括：将所述估算的差值与所选的阈值乘以所述第一多普勒频率进行比较，以确定多普勒模糊的存在。
3.如权利要求1所述的方法，其中所述第一部分响应于所述源信号的第一半，所述第二部分响应于所述源信号的第二半。
4.如权利要求1所述的方法，其中所述源信号是线性调频信号。
5.如权利要求1所述的方法，还包括：确定产生所述多普勒模糊的频率折叠的数量，并通过将频率空间展开所述确定的频率折叠的数量获得所述校正的多普勒。
6.一种确定物体的相对速度的系统，包括：
用于在所述物体处发射源信号的发射器；
接收回波信号的接收器，所述回波信号是来自所述物体的源信号的反射；
处理器，其被配置为：
将所述回波信号分为第一部分和第二部分，
针对所述第一部分估算第一多普勒频率，针对所述第二部分估算第二多普勒频率；
估算所述第一多普勒频率与所述第二多普勒频率之间的差值；
根据所述估算的差值与所选的多普勒频率的比较结果，确定多普勒模糊的存在；
根据所述多普勒模糊，获得校正的多普勒频率；
根据所述校正的多普勒频率，确定所述物体的相对速度。
7.如权利要求6所述的系统，其中所述处理器还被配置为：将所述估算的差值与所选的阈值乘以所述第一多普勒频率进行比较，以确定多普勒模糊的存在。
8.如权利要求6所述的系统，其中所述第一部分响应于所述源信号的第一半，所述第二部分响应于所述源信号的第二半。
9.如权利要求6所述的系统，其中所述源信号是线性调频信号。
10.如权利要求6所述的系统，其中所述处理器还确定产生所述多普勒模糊的频率折叠的数量，并通过将频率空间展开所述确定的频率折叠的数量获得所述校正的多普勒频率。
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