CN108226919A - 用于使用goerzel滤波器进行计算上简单的距离多普勒角度跟踪的方法 - Google Patents

用于使用goerzel滤波器进行计算上简单的距离多普勒角度跟踪的方法 Download PDF

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Abstract

公开了一种雷达系统以及在雷达系统中确定标靶的跟踪参数的方法。发射器传送标靶处的源信号并且接收器接收对应于源信号的来自标靶的回波信号。处理器为回波信号提供离散频谱、在频率空间中将离散频谱偏移选定量以获得偏移频谱、使用在频率空间中被偏移与偏移频谱相同的量的滤波器来对偏移频谱进行滤波，以及根据频率空间的中心频率来确定标靶的跟踪参数，在该中心频率处经偏移且经滤波的频谱的强度是峰值强度。

Description

用于使用GOERZEL滤波器进行计算上简单的距离多普勒角度 跟踪的方法
技术领域
本发明涉及一种使用雷达系统跟踪物体的方法，并且尤其是涉及一种用于使雷达系统处的从物体获得的回波信号的频率与频率仓的中心频率对准以便提高频率分辨率并提高跟踪物体的能力的系统及方法。
背景技术
近来的汽车及车辆已构建有车载安全系统，这些车载安全系统包括雷达系统，雷达系统用于检测物体或标靶相对于车辆的位置或相对速度，使得驾驶员或防撞装置可作出相应的反应。雷达系统包括用于发出源信号的发射器以及用于接收回波信号或源信号从标靶的反射的接收器。所接收的信号以选定采样频率进行采样并且所接收的信号的采样数据点被输入到快速傅里叶变换(FFT)中以便确定返回信号的频率。可从此频率确定标靶相对于车辆的距离或相对速度。
由于FFT的离散性质，每当回波信号的频率不与频率仓的中心频率相同时，产生于FFT的频谱就会显示出高的旁瓣以及频率拖尾效应。这些象差降低了雷达系统确定回波信号的频率并因此确定物体的位置或相对速度的能力。虽然增大FFT的长度会提高频率分辨率，但是此类方法需要额外的硬件及较长的计算时间。因此，期望提供一种用于快速且有效地确定选定分辨率内的回波信号的频率的方法。
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中确定标靶的跟踪参数的方法。该方法包括为在雷达系统处获得的输入信号提供离散频谱，该输入信号来自源信号从标靶的反射；在频率空间中将离散频谱偏移选定量以获得偏移频谱；使用滤波器来对偏移频谱进行滤波，该滤波器在频率空间中被偏移与偏移频谱相同的量；以及根据频谱的中心频率来确定跟踪参数，在该中心频率处经偏移且经滤波的频谱的强度是峰值强度。
在本发明的另一示例性实施例中，公开了一种雷达系统。该雷达系统包括用于传送标靶处的源信号的发射器；用于接收对应于源信号的来自标靶的回波信号的接收器；以及处理器。该处理器被配置成为回波信号提供离散频谱、在频率空间中将离散频谱偏移选定量以获得偏移频谱、使用在频率空间中被偏移与偏移频谱相同的量的滤波器来对偏移频谱进行滤波，以及根据频率空间的中心频率来确定标靶的跟踪参数，在该中心频率处经偏移且经滤波的频谱的强度是峰值强度。
当结合附图阅读本发明的以下详细描述时，本发明的上述特征和优点以及其他特征和优点将显而易见。
附图说明
其他特征、优点及细节仅以举例的方式出现在以下具体实施方式中，具体实施方式是参照附图，在附图中：
图1显示诸如汽车之类的车辆，该车辆包括雷达系统，该雷达系统适用于确定物体或标靶相对于车辆的跟踪参数；
图2显示用于图1示例性雷达系统的接收器系统的示例性前端；
图3显示时间图，其例示了根据本发明一个实施例的通过雷达系统的操作所获得的传输信号及回波信号；
图4显示两个频率空间，其例示了当对频率并不对应于采样频率的信号执行快速傅里叶变换时出现的频率分辨率困难；
图5例示了根据本发明实施例用于通过偏移频谱以将频谱峰值与中心频率对准而针对与频率仓的中心频率不匹配的回波信号频率确定回波信号的频率的方法；
图6显示用于在如图5所示的频率空间中偏移频谱以便获得频谱的高分辨率的方法的示意图；以及
图7显示示意图，其例示了将频谱峰值居中在频率仓的中心频率处的方法。
具体实施方式
以下描述在性质上仅仅是示例性的，并非旨在限制本公开、其应用或用途。应理解，在所有附图中，相应的附图标记表示相似或相应的部件和特征。
根据本发明的示例性实施例，图1显示诸如汽车之类的车辆100，车辆100包括雷达系统102，雷达系统102适用于确定物体或标靶104相对于车辆100的跟踪参数。跟踪参数可包括标靶104的路程或距离、标靶104的方位角、标靶104的高度及/或标靶104的相对速度中的一个或多个。在图1所示的实施例中，雷达系统102包括发射器106以及接收器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，其包括发射器阵列以及接收器阵列。在车辆100上的控制单元110控制并操作发射器106以产生射频波(“源信号”120)。在一个实施例中，源信号120包括线性频率调制连续波(LFM-CW)，其常常被称为啁啾信号。可选地，源信号120可以是脉冲信号或脉冲信号与啁啾信号的组合。源信号120从标靶104的反射在本文被称为回波信号122。在接收器108处接收回波信号122，接收器108一般包括用于对回波信号122进行采样的电路。控制单元110对回波信号122执行计算以便确定标靶104的跟踪参数。标靶104的跟踪参数的知识可接着用于通过例如使车辆100加速或减速或使车辆转向来操作车辆100以便避开标靶104。在一个实施例中，控制单元110确定跟踪参数并与防撞系统112配合以控制转向及加速/减速部件以在车辆100处执行必要的操作以便避开标靶104。在另一实施例中，控制单元110提供信号以警告车辆100的驾驶员，使得驾驶员可采取任何必要的动作以避开标靶104。
控制单元110包括用于执行本文所公开的各种方法的处理器，这些方法用于确定跟踪参数并根据跟踪参数来操作车辆100。控制单元110还包括用于存储程序的存储器，这些程序在被处理器访问时会使处理器能够执行本文所公开的各种方法。存储器还可存储各种数据，诸如源信号波形、回波信号、频谱等等。
虽然雷达系统102在本文被论述为位于车辆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。类似地，标靶104可以是车辆或移动物体，或可以是固定或静止物体。
图2显示用于图1示例性雷达系统的接收器系统的示例性前端200。前端200包括接收器天线202，接收器天线202接收图1的回波信号122。由回波信号122产生的电信号通过低噪声放大器204从接收器天线202发送，低噪声放大器204放大信号而不会显著降低信噪比(SNR)。经放大的信号被发送至混频器206。混频器206组合回波信号122的同相与正交分量二者。组合信号经由高通滤波器208及低通滤波器210进行滤波。模拟到数字转换器(ADC)212通过以选定采样频率fs对经滤波的信号进行采样而将经滤波的信号转换成数字信号215(s(nΔt))。数字信号215被提供至数字信号处理器(DSP)214，DSP214执行下文所公开的各种方法以确定跟踪参数。DSP214产生数字信号215的离散频谱S(ω)。在一个实施例中，DSP214对数字信号215执行快速傅里叶变换(FFT)以获得离散频谱S(ω)。离散频谱S(ω)内的峰值表示回波信号并且用于确定标靶104的跟踪参数。在替代实施例中可使用除了FFT以外的其他变换。
对数字信号215执行的FFT产生离散频率空间，离散频率空间包括多个频率仓以用于表示数字信号215的频率分量。FFT的长度与样本的数量有关。因此，在ADC 212处回波信号的N个样本表示具有长度N的FFT。所得频率空间具有N个频率仓，每一频率仓以中心频率表征。因此，FFT所提供的频率空间的仓分辨率ΔF是由ΔF＝fs/N给出，其中fs是采样率。
图3显示时间图300，其例示了根据本发明一个实施例的通过雷达系统102的操作所获得的传输信号及回波信号。顶行302显示由停机时间段或间歇分离的传输帧(第一传输帧312、第二传输帧314以及第三传输帧316)的序列。虽然出于例示目的显示了三个传输帧，但是在信号传输中可包括任何数量的传输帧。
传输帧312、314及316中的每一者均包括多个啁啾信号。在本发明的一个实施例中，第二行304显示了传输帧312、314及316的啁啾信号。第一传输帧312包括32个啁啾信号(标记为S1 1到S1 32)。第二传输帧314包括32个啁啾信号(标记为S2 1到S2 32)并且第三传输帧316包括32个啁啾信号(标记为S3 1到S3 32)。虽然出于例示目的在每一传输帧内显示了32个啁啾信号，但是在传输帧内可出现任何数量的啁啾信号(其是2的乘方)。一般而言，每一传输帧具有相同数量的啁啾信号。每一啁啾信号持续由TChirp指示的持续时间，并且传输帧内的啁啾信号基本上彼此紧接而无间歇。
底端行306显示了由于第二行304的啁啾信号从诸如图1标靶104之类的标靶的反射所产生的采样信号。三个样本帧322、324及326被显示为分别对应于传输帧312、314及316。样本帧322、324及326包括采样信号。底端行306中的每一采样信号响应于第二行304中的对应啁啾信号而形成。在样本帧内，样本信号在时间上由啁啾信号的持续时间TChirp分离。
图4显示两个频率空间，其例示了当对频率并不对应于采样频率的信号执行FFT时出现的频率分辨率困难。第一频率空间402经由圆圈显示了例示性频率仓{ΔF(n-2)、ΔF(n-1)、ΔF(n)、ΔF(n+1)、ΔF(n+2)}的中心频率的位置。落在频率仓内的频率信号在频率空间402中通过频率仓的中心频率处的峰值指示。当采样信号的频率恰好落在频率仓的中心处时，则频率空间准确地表示采样信号的频率。然而，通常不是这样的。
第二频率空间404经由正方形显示了采样信号频率如何更有可能相对于频率仓{ΔF(n-2)、ΔF(n-1)、ΔF(n)、ΔF(n+1)、ΔF(n+2)}定位。并非在频率仓的中心频率处产生峰值，实际回波信号的频率峰值位于正方形{G(n-2)、G(n-1)、G(n)、G(n+1)、G(n+2)}处。实际回波信号的频率峰值的位置与频率仓的中心频率之间的差别由频率Ω表示。由于离散频率空间的性质，FFT针对回波信号返回频率ΔF(n)，频率ΔF(n)不同于回波信号的实际频率G(n)，其中G(n)＝ΔF(n)+Ω。
图5例示了根据本发明实施例用于通过偏移频谱以将频谱峰值与中心频率对准而针对与频率仓的中心频率不匹配的回波信号频率确定回波信号的频率的方法。频率空间502a、502b、502c显示了相同的频率空间。频谱504a、504b、504c是在其各自对应的频率空间502a、502b、502c中不同位置处的相同频谱。频率空间502a、502b及503c包括具有中心频率{…Ni-1,Ni,Ni+1…}的频率仓。频率空间502a包括初始位置处的频谱504a。例如，频谱504a可以是由对采样信号的帧所执行的FFT产生的频谱。频谱504a的峰值频率Frange位于中心频率Ni与中心频率Ni+1之间。峰值频率Frange与中心频率两者之一的此种未对准的结果产生宽的频谱504a及高的旁瓣(未示出)。在频率空间504a中，峰值Arange位于频率Frange处，频率Frange均匀地位于Ni与Ni+1之间。因此，在频率Ni处频谱504a的强度Ai与在频率Ni+1处频谱504a的强度Ai+1大约相同。频率差δ被显示位于Frange与Ni之间以及Frange与Ni+1之间。
在频率空间502b中，频谱504b已从其在频率空间502a中的原始位置偏移到新位置，在该新位置中Frange更靠近中心频率Ni。在频率Ni处频谱504b的强度Ai大于在频率Ni+1处频谱504b的强度Ai+1，从而指示频率Frange相比于靠近频率Ni+1更靠近频率Ni。
在频率空间502c中，频谱504c已被偏移成使得峰值频率Frange与中心频率Ni一致。将峰值频率Frange与中心频率Ni对准减少了频谱504c的扩展以及高的旁瓣的存在。因此，中心频率Ni可用于确定与频谱502a相关的回波信号的频率。中心频率Ni现在从所有中心频率{…Ni-1,Ni,Ni+1…}当中呈现出最高峰值强度。在一个实施例中，回波信号的频率是根据中心频率Ni以及偏移频率来确定，该偏移频率指示为了使频谱的峰值与中心频率对准而将频谱从其初始位置偏移的量。可接着选择中心峰值Ni的位置以及频谱已偏移的量以用于后续计算，从而确定标靶的跟踪参数。
图6显示用于在如图5所示的频率空间中偏移频谱以便获得频谱的高分辨率的方法的示意图600。频谱存储器602包括存储器602a以及用于产生频谱的FFT模块602b。存储器602a包括(1帧、2帧、3帧、…、M帧)中的多个帧，每个帧包括信号样本，诸如图3的行306中的样本帧。FFT 602a对每一样本帧进行操作以产生频率空间S(ω)。可选地，存储器602可存储多个频率空间S(ω)。
存储器602因此向乘法器604提供频谱S(ω)。为使频谱S(ω)偏移，乘法器604将频谱S(ω)乘以谐波信号发生器610所提供的谐波信号H(Ω)＝exp(j2πΩTchirp)以获得偏移频谱Z＝S(ω)·H(Ω)。谐波信号的频率Ω是可变参数，其在如图4及图5所示的频率空间中使频谱S(ω)偏移。滤波器606应用到偏移频谱Z以便移除频谱的中心峰值之外的旁瓣。
在峰值检测器608处检测频谱的峰值之前，将滤波器606应用到偏移频谱。滤波器606是可在频率空间中偏移的基带滤波器。在一个实施例中，滤波器606在频率空间中偏移与频谱相同的量。因此，滤波器606的中心保持其相对于频谱峰值的位置。在一个实施例中，滤波器606是Goertzel滤波器。Goertzel滤波器FG由FG＝Ni(1/Tchirp)/NFFT描述，其中NFFT是FFT的长度，Tchirp是啁啾信号的持续时间并且Ni是第i个频率仓的中心频率。滤波器的特性因此与应用滤波器处的频率Ni有关。滤波器606抑制频谱的一个或多个旁瓣以留下频谱的主瓣。
峰值检测器608确定经偏移且经滤波的频谱的频率仓的强度并接着确定哪一频率仓具有最大强度。峰值检测器608针对每一频率仓估算频谱的强度并确定哪一频率仓具有峰值强度。峰值强度的此种确定可指示频谱S(ω)是否与中心频率对准。峰值检测器608可与频率控制模块612通信以在未充分确定峰值强度时将谐波信号的频率Ω改变成新的频率。随后的频谱可接着通过以新的频率表征的谐波信号进行偏移，并且滤波及峰值检测的过程可重复。在选定数量的此种迭代之后，频谱的峰值频率可在选定分辨率内确定。
图7显示示意图，其例示了将频谱峰值定中心在频率仓的中心频率处的方法。该方法计算被偏移到两个单独频率位置的频谱的峰值频率并接受较大峰值频率所处的频率位置。该方法重复进行，每次将频谱从其先前确定的位置偏移越来越小的量。开始于原始频率位置，将频谱偏移到第一频率位置701并且在第一频率位置701处确定峰值强度。还将频谱偏移到第二频率位置702并且在第二频率位置702处确定峰值强度。从原始位置到第一频率位置701的频率偏移(Ω1)与从原始位置到第二频率位置702的频率偏移(-Ω1)相等并相反。将第一频率位置701处的峰值强度与第二频率位置702处的峰值强度进行比较以便确定哪一峰值较大。在例示性图700中，将第一频率位置701选择为具有较大峰值强度。
在第二迭代中，从第一频率位置701开始，将频谱从其第一频率位置701偏移到第三频率位置703(频率偏移-Ω2)并偏移到第四频率位置704(频率偏移-Ω2)，并且确定这两个强度峰值中的较大一者。对于第二迭代将频谱偏移的量小于对于第一迭代将频谱偏移的量，即|Ω2|<|Ω1|。出于例示性目的，将第四频率位置704选择为具有较大峰值强度。对于第三迭代，将频谱从第四频率位置704偏移到第五频率位置705(频率偏移-Ω3)并偏移到第六频率位置706(频率偏移Ω3)。对于每一迭代，将频谱偏移的量小于在前一迭代中将频谱偏移的量。因此|Ωk+1|<|Ωk|。在一个实施例中，对于给定迭代的偏移量是前一迭代中偏移量的一半。当频率分辨率的变化在选定公差内时，可结束迭代。
本文所公开的方法提高了雷达系统跟踪标靶并对该标靶作出反应的能力。可使用本文所公开的滤波器而不会显著增加计算时间及/或硬件要求。因此，可在一段时间内将标靶的跟踪参数提供给驾驶员或防撞系统，该段时间允许驾驶员或防撞系统能够作出反应以避开标靶，从而提高驾驶员及车辆的安全性。
虽然已经参照示例性实施例对本发明进行了描述，但是本领域的技术人员应理解，可作出各种改变并且可用等价物替换其元件而不脱离本发明的范围。另外，在不脱离本发明的实质范围的条件下，可作出多种修改以使特定情形或材料适应本发明的教示。因此，本发明并非旨在限于所公开的特定实施例，而是本发明将旨在包括落在应用范围内的所有实施例。

Claims (10)

1.一种在雷达系统中确定标靶的跟踪参数的方法，包括：
为在所述雷达系统处获得的输入信号提供离散频谱，所述输入信号来自源信号从所述标靶的反射；
在频率空间中将所述离散频谱偏移选定量以获得偏移频谱；
使用滤波器来对所述偏移频谱进行滤波，所述滤波器在频率空间中被偏移与所述偏移频谱相同的量；以及
根据所述频谱的中心频率来确定所述跟踪参数，在所述中心频率处所述经偏移且经滤波的频谱的强度是峰值强度。
2.根据权利要求1所述的方法，其中偏移所述频谱进一步包括将所述频谱乘以以偏移频率表征的谐波信号。
3.根据权利要求2所述的方法，还包括根据所述中心频率以及所述偏移频率来确定所述跟踪参数。
4.根据权利要求1所述的方法，还包括将所述频谱偏移到第一频率位置以及第二频率位置、确定所述第一频率位置处的第一峰值强度以及所述第二频率位置处的第二峰值强度，以及确定所述第一峰值强度及所述第二峰值强度中的较大一者以选择所述第一频率位置及所述第二频率位置中的一者。
5.根据权利要求1所述的方法，其中为所述输入信号提供离散频谱还包括对所述输入信号执行快速傅里叶变换(FFT)，其中所述中心频率是所述FFT的频率仓的中心频率。
6.一种雷达系统，包括：
发射器，其用于传送标靶处的源信号；
接收器，其用于接收对应于所述源信号的来自所述标靶的回波信号；
处理器，其被配置成：
为所述回波信号提供离散频谱；
在频率空间中将所述离散频谱偏移选定量以获得偏移频谱；
使用滤波器来对所述偏移频谱进行滤波，所述滤波器在频率空间中被偏移与所述偏移频谱相同的量；以及
根据所述频率空间的中心频率来确定所述标靶的跟踪参数，在所述中心频率处所述经偏移且经滤波的频谱的强度是峰值强度。
7.根据权利要求6所述的雷达系统，所述处理器被进一步配置成通过将所述频谱乘以以偏移频率表征的谐波信号来偏移所述频谱。
8.根据权利要求7所述的雷达系统，其中所述处理器被进一步配置成根据所述中心频率以及所述偏移频率来确定所述跟踪参数。
9.根据权利要求6所述的雷达系统，其中所述处理器进一步将所述频谱偏移到第一频率位置以及第二频率位置、确定所述第一频率位置处的第一峰值强度以及所述第二频率位置处的第二峰值强度，以及确定所述第一峰值强度及所述第二峰值强度中的较大一者以选择所述第一频率位置及所述第二频率位置中的一者。
10.根据权利要求6所述的雷达系统，其中所述处理器通过对所述回波信号执行快速傅里叶变换(FFT)来提供所述离散频谱，其中所述中心频率是所述FFT的频率仓的中心频率。
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