CN108375755B - 空间分布式雷达的同步 - Google Patents

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Abstract

一种同步多个空间分布式多输入多输出(MIMO)雷达系统的方法包括：指定包括线性调频器的多个MIMO雷达系统中的一个作为主MIMO雷达系统，以及指定其他多个MIMO雷达系统中的每一个作为从属MIMO雷达系统。每个从属MIMO雷达系统接收线性调频器的输出。同步信号从线性调频器经由相应的电缆通过调制器分离器发送到每个从属MIMO雷达系统，并且返回信号从各个从属MIMO雷达系统经由相应的电缆发送到主MIMO雷达系统。主MIMO雷达系统和每个从属MIMO雷达系统之间的时间延迟是基于同步信号和相应返回信号之间的频率差来确定的。

Description

空间分布式雷达的同步
技术领域
本公开涉及空间分布式雷达的同步。
背景技术
多输入多输出(MIMO)雷达用于诸如车辆(例如，汽车、建筑设备、农场设备、自动化工厂设备)或其他平台的许多应用中。例如，MIMO雷达可以有助于针对碰撞规避系统或自动操作的障碍物检测。当在相同平台(例如车辆)上使用多个MIMO雷达系统时，给定MIMO雷达系统的每个发送器所进行的发送产生所有MIMO雷达系统的所有接收器接收到的反射。因此，在所有MIMO雷达系统的所有发送器之间需要同步，以便连贯地处理各种接收到的反射。传统的同步是通过使用与每个MIMO雷达系统等距布置的单个信号源来实现的。但是，这种布置限制了MIMO雷达系统的布局。因此，希望提供空间分布式MIMO雷达系统的同步。
发明内容
在一个示例性实施例中，一种同步多个空间分布式多输入多输出(MIMO)雷达系统的方法包括：指定包括线性调频器的多个MIMO雷达系统中的一个作为主MIMO雷达系统，以及指定除主MIMO雷达系统以外的多个MIMO雷达系统中的每一个作为从属MIMO雷达系统。每个从属MIMO雷达系统通过调制器分离器接收线性调频器的输出。同步信号从线性调频器经由相应的电缆通过调制器分离器发送到每个从属MIMO雷达系统，并且返回信号从每个从属MIMO雷达系统经由相应的电缆发送到主MIMO雷达系统。主MIMO雷达系统和每个从属MIMO雷达系统之间的时间延迟是基于同步信号和相应返回信号之间的频率差来确定的。
除本文描述的一个或多个特征之外，发送同步信号包括以比在正常操作期间发送的常规信号更低的频率发送信号。
除本文描述的一个或多个特征之外，发送同步信号包括发送线性调频信号。
除本文描述的一个或多个特征之外，确定时间延迟包括使用混频器将来自每个从属MIMO雷达系统的返回信号与同步信号混合，并且对混频器的输出进行滤波以隔离同步信号和相应返回信号之间的差值。
除本文描述的一个或多个特征之外，该方法还包括使用时间延迟来处理由主MIMO雷达系统和从属MIMO雷达系统中的每一个随后接收到的反射，该反射由从属MIMO雷达系统中的一个的传输元件进行的传输产生。
在另一个示例性实施例中，平台上的多个多输入多输出(MIMO)雷达系统包括多个MIMO雷达系统中的主MIMO雷达系统。主MIMO雷达系统包括一个线性调频器。该多个MIMO雷达系统还包括多个MIMO雷达系统中的从属MIMO雷达系统。从属MIMO雷达系统是除主MIMO雷达系统以外的所有多个MIMO雷达系统。每个从属MIMO雷达系统经由相应的电缆通过调制器分离器接收线性调频器的输出来作为同步信号，并经由相应的电缆向主MIMO雷达系统发送返回信号。主MIMO雷达系统的处理器基于同步信号和相应返回信号之间的频率差来确定主MIMO雷达系统和每个从属MIMO雷达系统之间的时间延迟。
除本文描述的一个或多个特征之外，同步信号处于比在多个MIMO雷达系统的正常操作期间发送的常规信号更低的频率。
除本文描述的一个或多个特征之外，同步信号是线性调频信号。
除本文描述的一个或多个特征之外，多个MIMO雷达系统包括：多个混频器，每个混频器被配置为混合每个从属MIMO雷达系统的同步信号和相应返回信号；以及多个滤波器，每个滤波器被配置为对相应混频器的输出进行滤波以隔离同步信号和相应返回信号之间的差值。处理器使用差值来确定时间延迟。
除本文描述的一个或多个特征之外，主MIMO雷达系统的接收器部分使用时间延迟来处理随后接收到的反射，该反射由从属MIMO雷达系统中的一个的传输元件进行的传输产生。
除本文描述的一个或多个特征之外，该平台是汽车。
结合附图，根据下文的具体实施方式，本公开的以上特征和优点以及其他特征和优点是显而易见的。
附图说明
在下文的具体实施方式中，仅以举例的方式出现其他特征、优点和细节，具体实施方式参照附图，在附图中：
图1是根据一个或多个实施例的包括多个同步的多输入多输出(MIMO)雷达系统的传感器方案的框图；
图2是根据一个或多个实施例的从属MIMO雷达系统的框图；
图3是详述根据一个或多个实施例的用于同步MIMO雷达系统的信号处理器140的相关方面的框图；
图4示出了根据一个或多个实施例的用于同步MIMO雷达系统的示例性线性频率调制信号和输出信号；和
图5是根据一个或多个实施例的在同步的平台上的多个MIMO雷达系统的框图。
具体实施方式
以下描述本质上仅仅是示例性的，并不意图限制本公开、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。
如前文所指出的，MIMO雷达系统可用于诸如车辆控制的各种应用中的物体检测或跟踪。每个MIMO发送器通常使用线性频率调制(LFM)(即，线性调频信号)发送信号。已知的同步技术包括使用与每个发送器等距布置的单个LFM调制器。如进一步所指出的，当MIMO雷达系统空间分布时，这种传统的同步方法是不可行的。这是因为当在诸如车辆的应用中使用的通常的信号频率(例如，77千兆赫(GHz))分布在两米或更多米的量级上时，相位一致性就会丢失。本文详述的系统和方法的实施例涉及基于与指定的主MIMO雷达系统和每个从属MIMO雷达系统之间的距离相关联的延迟来同步多个MIMO雷达。同步过程可以在低于MIMO雷达系统的通常工作频率的中间频率(例如，大约20GHz)下执行。
根据本发明的示例性实施例，图1是包括多个MIMO雷达系统110-1至110-n(一般称为110)的传感器方案的框图。根据一个或多个实施例，包括线性调频器120的MIMO雷达系统110-1是主设备，而其他MIMO雷达系统110-2至110-n是同步过程中的从属设备。一般使用下标i将从属MIMO雷达系统110-2到110-n称为110-i。来自线性调频器120的LFM信号111通过分离器130输出到主MIMO雷达系统110-1的发送器部分210-1和接收机部分220-1、信号处理器140，并通过放大器135到达从属MIMO雷达系统110-2至110-n中的每一个。
主MIMO雷达系统110-1到MIMO雷达系统110-2的距离是L12，且从主MIMO雷达系统110-1到MIMO雷达系统110-n的距离(即，电缆的长度)是L1n(一般是从主MIMO雷达系统110-1到每个MIMO雷达系统110-i的L1i)。同步基于来自主MIMO雷达系统110-1的LFM信号111的传输和返回信号112-2至112-n的接收之间的延迟。这个延迟是基于长度L12到L1n(一般是L1i)的电缆中的延迟。将参照图2至图4进一步详述这一点。
图2是根据一个或多个实施例的从属MIMO雷达系统110-i的框图。MIMO雷达系统110-i包括分离器130，其分离由主MIMO雷达系统110-1提供并由放大器135放大的LFM信号111。分离器130的一个输出(放大的LFM信号111)被放大器135放大作为返回信号112-i。该返回信号112-i用于同步过程中。如前所述，在同步过程期间，当这个返回信号112-i是有意义的时候，LFM信号111可以大约是20GHz。
分离器130的另一个输出被提供给发送器部分210-i和接收机部分220-i。在正常操作期间，在同步过程完成之后，分离器130的这个输出是有意义的，且LFM信号111的频率是工作频率(例如，大约77GHz)。发送器部分210-i包括依次发送LFM信号111的多个发送器元件，且接收器部分220-i包括多个接收器元件，这些接收器元件都接收由每个发送器元件的发送信号产生的反射。接收器部分220-i还包括其他已知的接收器部件，以执行在每个接收器元件处接收的反射230与发送的信号的相关作用，以获得处理器输出240。
图3是详述根据一个或多个实施例的用于同步MIMO雷达系统110的信号处理器140的相关方面的框图。每个从属MIMO雷达系统110-i向信号处理器140提供返回信号112-i。如图1和图2所示，在同步过程中没有进行实际的传输。因此，没有任何MIMO雷达系统110接收到反射。相反，返回信号112-i是经由电缆提供并通过电缆返回的LFM信号111。使用复用器305将每个返回信号112-i与通过分离器130提供给信号处理器140的LFM信号111复用。多路复用器输出307-i包括和分量与差分量(即，LFM信号111与返回信号112-i的和与差)，但差分量对于确定电缆中的延迟是有意义的。因此，将这个多路复用器输出307-i提供给低通滤波器(LPF)310，以滤除和分量，并获得模数转换器(ADC)320之前的输出315-i(差分量)。如参照图4而详述的，每个ADC转换器320的输出325-i被输入到处理器330以获得与每个从属MIMO雷达系统110-i相关联的延迟值dTi340。处理器330包括处理电路，该处理电路可包括专用集成电路(ASIC)、电子电路、执行一个或多个软件或固件程序的处理器(共享的、专用的或群组的)和存储器、组合逻辑电路，和/或提供所述功能的其他合适的组件。处理器330可以向各个从属MIMO雷达系统110-i提供相应的dTi 340值，用于在正常操作期间处理接收到的反射230。
图4示出了根据一个或多个实施例的用于同步MIMO雷达系统110的示例性LFM信号111和返回信号112-i。时间显示在轴线405上，频率显示在轴线415上。如图4所示，每个线性调频(LFM信号111和输出信号112-i)具有持续时间Tchirp 410，和最大频率Fmax 420。如图4所示，LFM信号111传输和从属MIMO雷达系统110接收返回信号112-i之间的时间差是dTi340。这是在同步过程中的兴趣数值，该数值由下式给出：
Figure BDA0001552059420000061
如式1所示，与给定从属MIMO雷达系统110-i相关联的延迟dTi 340是主MIMO雷达系统110-1与给定从属MIMO雷达系统110-i之间的距离L1i和光速c的函数。该值可以通过在线性调频持续时间Tchirp 410期间的任何给定时间处的频率dFi的频移来获得，该线性调频持续时间Tchirp 410由延迟dTi 340产生。频率差dFi也是由于基于电缆长度L1i的电缆中的延迟引起的。
频率差dFi由下式给出：
dFi＝dTi*K[式2]
斜率K是常数，由下式给出：
Figure BDA0001552059420000062
一般地，返回信号112-i由下式给出：
Figure BDA0001552059420000063
在式4中，A是振幅，f0是LFM信号111的初始频率，且φ是由距离L1i引起的相移。在倍增器305进行倍增和LPF 310进行滤波之后，输出315-i由下式给出：
Bej(2π(KdTi)t)[式5]
在式5中，B是振幅，并且，根据式2，频率差或频移dFi由K*dTi给出。因此，频率差dFi可以由处理器330从输出325-i(即，输出315-i的数字化版本)获得。与每个从属MIMO雷达系统110-i相关联的dFi和dTi 340的值给出主MIMO雷达系统110-1和每个从属MIMO雷达系统110-i之间的延迟。然后可以用主MIMO雷达系统110-1作为公共参考来确定从属MIMO雷达系统110-i之间的延迟。然后，这一同步过程有助于在每个从属MIMO雷达系统110-i处改进所接收反射的处理。
在正常操作期间，当从属MIMO雷达系统110-i之一的发送元件发送LFM信号111时，使用式5确定的dTi 340值被用于处理主MIMO雷达系统110-1处接收到的信号230。如果接收到的信号230与由从属MIMO雷达系统110-i发送的LFM信号111的非延迟版本相关，则会导致相位一致性的丢失。因此，考虑到了由距离L1i引起的延迟，并且相反地，针对每个从属MIMO雷达系统110-i的被对应的dTi 340延迟的LFM信号111与接收信号230相关联。当主MIMO雷达系统110-1发送时，不需要考虑这个延迟。此外，当从属MIMO雷达系统110-i中的一个的发送器部分210-i的发送元件发送LFM信号111时，则通过使用每个从属MIMO雷达系统110-i相对于主MIMO雷达系统110-1的延迟作为参考，来确定其他从属MIMO雷达系统110-i使用的延迟。
图5是根据一个或多个实施例的在同步的平台500上的多MIMO雷达系统110的框图。图5所示的平台500是汽车510，但是如前文所指出的，一个或多个实施例适用于包括空间上分离的MIMO雷达系统110的另一个车辆或其他平台500。在图5中示出了三个MIMO雷达系统110，一个主MIMO雷达系统110-1和两个从属MIMO雷达系统110-i，其中在示例情况下下标的值为2和3。图5中也显示了发送的信号和产生的反射。
虽然已经参照示例性实施例描述了以上公开内容，但是本领域技术人员将会理解，在不脱离其范围的情况下，可以做出各种改变并且可以用等同物替换其元件。另外，在不脱离本发明的实质范围的情况下，可以进行许多修改以使特定的情况或材料适应本公开的教导。因此，旨在本描述不限于所公开的特定实施例，而是将包括落入本申请范围内的所有实施例。

Claims (10)

1.一种同步多个空间分布式多输入多输出雷达系统的方法，所述方法包括：
指定包括线性调频器的所述多个空间分布式多输入多输出雷达系统中的一个作为主多输入多输出雷达系统；
指定除所述主多输入多输出雷达系统以外的所述多个空间分布式多输入多输出雷达系统中的每一个作为从属多输入多输出雷达系统，其中每个所述从属多输入多输出雷达系统通过调制器分离器接收所述线性调频器的输出；
从所述线性调频器经由相应的电缆通过所述调制器分离器将同步信号发送到每个所述从属多输入多输出雷达系统；
从每个所述从属多输入多输出雷达系统经由所述相应的电缆将返回信号发送到所述主多输入多输出雷达系统；和
基于所述同步信号和相应的所述返回信号之间的频率差来确定所述主多输入多输出雷达系统和每个所述从属多输入多输出雷达系统之间的时间延迟。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，发送所述同步信号包括以比在正常操作期间发送的常规信号更低的频率发送信号。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，发送所述同步信号包括发送线性调频信号。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，确定时间延迟包括使用混频器将来自每个所述从属多输入多输出雷达系统的所述返回信号与所述同步信号混合，并且对所述混频器的输出进行滤波以隔离所述同步信号和相应的所述返回信号之间的差值。
5.根据权利要求1所述的方法，进一步包括使用所述时间延迟来处理由所述主多输入多输出雷达系统和所述从属多输入多输出雷达系统中的每一个随后接收到的反射，所述反射由所述从属多输入多输出雷达系统中的一个的传输元件进行的传输产生。
6.一种平台上的多个多输入多输出雷达系统，所述多个多输入多输出雷达系统包括：
所述多个多输入多输出雷达系统中的主多输入多输出雷达系统，所述主多输入多输出雷达系统包括线性调频器；
所述多个多输入多输出雷达系统中的从属多输入多输出雷达系统，所述从属多输入多输出雷达系统是除所述主多输入多输出雷达系统以外的所有所述多个多输入多输出雷达系统，其中每个所述从属多输入多输出雷达系统经由相应电缆通过调制器分离器接收所述线性调频器的输出来作为同步信号，并经由所述相应电缆向所述主多输入多输出雷达系统发送返回信号；和
所述主多输入多输出雷达系统的处理器，其配置为基于所述同步信号和相应返回信号之间的频率差来确定所述主多输入多输出雷达系统和每个所述从属多输入多输出雷达系统之间的时间延迟。
7.根据权利要求6所述的多个多输入多输出雷达系统，其中，所述同步信号是比在所述多个多输入多输出雷达系统的正常操作期间发送的常规信号更低频率的线性频率调制信号。
8.根据权利要求6所述的多个多输入多输出雷达系统，进一步包括：
多个混频器，每个所述混频器被配置为混合每个所述从属多输入多输出雷达系统的所述同步信号和所述相应返回信号；以及
多个滤波器，每个所述滤波器被配置为对所述相应混频器的输出进行滤波以隔离所述同步信号和所述相应返回信号之间的差值，其中所述处理器使用所述差值来确定所述时间延迟。
9.根据权利要求6所述的多个多输入多输出雷达系统，其中，所述主多输入多输出雷达系统的接收器部分使用所述时间延迟来处理随后接收到的反射，所述反射由所述从属多输入多输出雷达系统中的一个的传输元件进行的传输产生。
10.根据权利要求6所述的多个多输入多输出雷达系统，其中，所述平台是汽车。
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