CN109387814A - 分布式雷达传感器系统 - Google Patents

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D·T·纽格拉哈
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Abstract

本公开的实施例涉及分布式雷达传感器系统。本文描述了一种雷达传感器。根据一个示例性实施例，雷达传感器包括发射机和接收机，发射机用于发射RF信号，接收机被配置为接收来自至少一个雷达目标的相应的后向散射信号和提供对应的数字雷达信号。雷达传感器还包括处理器，该处理器被配置为将数字雷达信号转换到频域，从而提供相应的频域数据以及压缩该频域数据。通信接口被配置为经由可操作地被耦合到通信接口的通信链路发射经压缩的频域数据。此外，描述了相应的和相关的雷达方法和系统。

Description

分布式雷达传感器系统
技术领域
本公开涉及场分布式传感器系统，特别地涉及包括用于感测距离和速度的一个或多个雷达传感器的系统。
背景技术
雷达传感器可以在许多感测应用中找到，其中要对物体的距离和速度进行测量。在汽车领域中，对所谓的“自适应巡航控制”(ACC)或“雷达巡航控制”系统中所使用的雷达传感器的需求不断增加。这种系统可被用于自动调整汽车的速度，以便与前方的其他汽车维持安全距离。特别是自动驾驶汽车使用许多传感器(诸如雷达传感器)来检测和定位在其周围的各种物体。有关自动驾驶汽车周围的物体的位置和速度的信息被用于安全地导航。
现代雷达系统利用高度集成的RF电路，其可以在单个封装(单个芯片收发器)中结合雷达收发器的RF前端的所有核心功能。这种RF前端通常(除其他外)包括本地RF振荡器(LO)、功率放大器(PA)、低噪声放大器(LNA)混频器。
频率调制连续波(FMCW)雷达系统使用雷达信号，其频率通过使信号频率上升和下降来调制。这种雷达信号通常被称为“啁啾(chirp)信号”或简称为啁啾。雷达传感器通常使用一个或多个天线辐射啁啾序列，并且所辐射信号由位于雷达传感器的“视场”中的一个或多个物体(称为雷达目标)后向散射。后向散射信号由雷达传感器接收和处理。通常使用数字信号处理来完成雷达目标的检测。
发明内容
本文中描述了一种雷达系统。根据一个示例性实施例，该系统包括至少一个雷达传感器，其包括用于发射RF信号的发射机和接收机，接收机被配置为接收来自至少一个雷达目标的相应的后向散射信号并提供对应的数字雷达信号。此外，该系统包括至少一个通信链路和经由通信链路被连接到至少一个雷达传感器的中央雷达信号处理单元。该至少一个雷达传感器包括处理器，该处理器被配置为将数字雷达信号转换到频域，从而提供相应的频域数据，以及压缩频域数据。中央雷达信号处理单元被配置为经由通信链路接收经压缩的频域数据，解压缩经压缩的频域数据，以及基于经解压缩的频域数据检测至少一个雷达目标。
根据另一示例性实施例，该系统包括至少一个雷达传感器，其包括用于发射RF信号的发射机以及接收机，接收机被配置为接收来自至少一个雷达目标的相应的后向散射信号和提供具有第一数据速率的对应的数字雷达信号。该系统还包括抽取器，其接收数字雷达信号和被配置为降低第一数据速率以获得具有第二数据速率的数字雷达信号，该第二数据速率低于第一数据速率。附加地，该系统包括至少一个通信链路和经由通信链路被连接到至少一个雷达传感器的中央雷达信号处理单元。中央雷达信号处理单元被配置为经由通信链路接收具有第二数据速率的数字雷达信号，以将数字雷达信号转换到频域，从而提供相应的频域数据，以及基于频域数据来检测至少一个雷达目标。
此外，本文描述了一种雷达方法。根据一个示例性实施例，该方法包括发射RF信号以及接收来自至少一个雷达目标的相应的后向散射信号。该方法还包括生成表示后向散射信号的数字雷达信号，通过将数字雷达信号转换到频域来提供频域数据，压缩该频域数据，以及将经压缩的频域数据发射到通信链路。该方法还包括解压缩从通信链路所接收的经压缩的频域数据，以获得恢复的频域数据，以及基于经恢复的频域数据来检测至少一个雷达目标。
根据另一示例性实施例，该方法包括发射RF信号以及接收来自至少一个雷达目标的相应的后向散射信号，生成表示后向散射信号的具有第一数据速率的数字雷达信号，降低数字雷达信号的数据速率以获得具有第二数据速率的数字雷达信号，以及将数字雷达信号发射到通向中央雷达处理单元的通信链路。该方法还包括通过将数字雷达信号转换到频域来提供频域数据，以及基于经恢复的频域数据来检测至少一个雷达目标。
此外，本文描述了一种雷达传感器。根据一个示例性实施例，雷达传感器包括用于发射RF信号的发射机和接收机，接收机被配置为接收来自至少一个雷达目标的相应的后向散射信号和提供对应的数字雷达信号。雷达传感器还包括处理器，该处理器被配置为将数字雷达信号转换到频域，从而提供相应的频域数据，以及压缩频域数据。通信接口被配置为经由可操作地被耦合到通信接口的通信链路发射经压缩的频域数据。
根据另一示例性实施例，雷达传感器包括用于发射RF信号的发射机以及接收机，接收机被配置为接收来自至少一个雷达目标的相应的后向散射信号和提供具有第一数据速率的对应的数字雷达信号。抽取器接收数字雷达信号以及被配置为降低第一数据速率以获得具有第二数据速率的数字雷达信号，该第二数据速率低于第一数据速率。雷达传感器还包括通信接口，该通信接口被配置为经由可操作地被耦合到通信接口的通信链路以第二数据速率发射数字雷达信号。
附图说明
参考以下附图和描述可以更好地理解本发明。图中的部件不一定按比例绘制；相反重点在于说明本发明的原理。此外，在附图中，相同的附图标记指定对应的部件。在附图中：
图1图示了用于距离和/或速度测量的FMCW雷达系统的操作原理的略图。
图2包括图示了用于FMCW雷达系统中的RF信号的频率调制的两个时序图。
图3是图示了FMCW雷达设备的基本结构的方框图。
图4是图示了模拟RF前端的一个示例的电路图，其可以被包括在图3的FMCW雷达设备中。
图5是图示了用于雷达传感器中的数据采集的啁啾序列的时序图。
图6图示了通常用于雷达传感器的距离多普勒信号处理(Range Doppler SignalProcessing)的概念。
图7图示了可以被用于车辆中的雷达ECU的一个示例性结构。
图8图示了被安装在汽车中的一个示例性分布式雷达传感器系统。
图9更详细地图示了图8的分布式雷达传感器系统的一个示例性实现。
图10图示了在本文所描述的实施例中如何实现数据压缩的一个示例的时序图。
图11图示了雷达信号处理方法的一个示例性实施例的流程图，该雷达信号处理方法部分地在雷达ECU中并且部分地在中央雷达后处理单元中执行。
图12示意性地图示了中央雷达后处理单元的一个示例。
图13更详细地图示了图8的分布式雷达传感器系统的另一示例性实现。
具体实施方式
图1图示了常规的频率调制连续波(FMCW)雷达传感器1。在本示例中，分别使用分离的发射(TX)天线5和接收(RX)天线6(双基地或伪-单基地雷达配置)。然而，应注意，可以使用单个天线，使得接收天线和发射天线在物理上是相同的(单基地雷达配置)。发射天线连续地辐射RF信号SRF(t)，其例如通过锯齿信号(周期性线性斜坡信号)进行频率调制。发射信号SRF(t)在目标T处被后向散射，目标T位于雷达设备的测量范围内的雷达信道中，并且后向散射信号yRF(t)由接收天线6接收。后向散射信号被表示为yRF(t)。
图2图示了信号SRF(t)的所提及的频率调制。如图2的第一图所示，信号SRF(t)由一系列“啁啾”组成，即具有增加(上啁啾)或减小(下啁啾)的正弦波形。在本示例中，芯片的瞬时频率fLO(f)在所限定的时间跨度TCHIRP内从起始频率fSTART线性地增加到停止频率fSTOP(参见图2的第二图)。这种啁啾也称为线性频率斜坡。在图2中图示了三个完全相同的线性频率斜坡。然而，应注意，参数JSTART、fSTOP、TCHIRP以及个体频率斜坡之间的暂停可以根据雷达设备1的实际实现而变化。在实践中，频率变化可以是例如线性(线性啁啾、频率斜坡)、指数(指数啁啾)或双曲线(双曲线啁啾)。
图3是图示了雷达传感器1的一个示例性结构的方框图。因此，至少一个发射天线5(TX天线)和至少一个接收天线6(RX天线)被连接到RF前端10，RF前端10可以被集成在半导体芯片中，该半导体芯片通常被称为单片微波集成电路(MMIC)。RF前端10可以包括RF信号处理所需的所有电路部件。这样的电路部件可以包括例如本地振荡器(LO)、RF功率放大器、低噪声放大器(LNA)、定向耦合器(诸如环形耦合器和循环器)以及用于将RF信号(例如，所接收的信号yRF(t)，参见图1)下变频到基带或IF带的混频器。注意，可以使用天线阵列代替单个天线。所描绘的示例示出了双基地(或伪-单基地)雷达系统，其具有分离的RX和TX天线。在单基地雷达系统的情况下，单个天线或单个天线阵列可以被用于同时接收和发射电磁(雷达)信号。在这种情况下，可以使用定向耦合器(例如，循环器)将待发射到雷达信道的RF信号与从雷达信号所接收的RF信号分离。
在频率调制连续波(FMCW)雷达传感器的情况下，由TX天线5所辐射的发射RF信号可以在大约20GHz(例如24GHz)与81GHz(例如，汽车应用中为77GHz)之间的范围内。如上所提及，由RX天线6所接收的RF信号包括雷达回波，即已经在所谓的雷达目标处后向散射的信号。所接收的RF信号yRF(t)被下变频到基带，并且使用模拟信号处理在基带中进一步处理(参见图3，基带信号处理链20)，其主要地包括对基带信号的滤波和放大。基带信号最后使用一个或多个模拟到数字转换器30被数字化，并且在数字域中被进一步处理(参见图3，例如在数字信号处理器40中实施的数字信号处理链)。整个系统由系统控制器50控制，系统控制器50可以至少部分地使用处理器(诸如执行适当固件的微控制器)来实施。数字信号处理器40可以是系统控制器50的一部分或与其分离。RF前端10和模拟基带信号处理链20(以及可选地ADC 30)可以被集成在单个MMIC中。然而，部件可以被分布在两个或更多集成电路之中。
图4图示了RF前端10的一个示例性实施方式，其可以被包括在图3中所示的雷达传感器中。注意，图4图示了RF前端的基本结构的简化电路图。应用的实际实现可能在很大程度上取决于应用，当然更复杂。RF前端10包括生成RF信号SLO(t)的本地振荡器(LO)101，其可以如上文参考图2所解释的那样被频率调制。信号SLO(t)也被称为LO信号。在雷达应用中，LO信号通常在SHF(超高频)或EHF(极高频)频带中，例如，在汽车应用中在76GHz与81GHz之间。
LO信号SLO(t)在发射信号路径中以及在接收信号路径中被处理。由TX天线5所辐射的发射信号SRF(t)是通过例如使用RF功率放大器102放大LO信号SLO(t)而生成的。放大器102的输出被耦合到TX天线5，例如经由带状线、耦合器等。由RX天线6所提供的接收信号yRF(t)被提供给混频器104。在本示例中，接收信号yRF(t)(即，天线信号)由RF放大器103(增益g)预放大，使得混频器在其RF输入处接收放大信号g·yRF(t)。混频器104在其参考输入处进一步接收LO信号SLO(t)，并且被配置为将放大信号g·yRF(t)下变频到基带。在混频器输出处得到的基带信号被表示为yBB(t)。基带信号yBB(t)由模拟基带信号处理链20(也参见图3)进一步处理，其主要地包括一个或多个滤波器(例如带通21)以去除不需要的边带和镜像频率以及一个或多个放大器(诸如放大器22)。可以被供应给模拟到数字转换器(参见图3)的模拟输出信号被表示为y(t)。
在本示例中，混频器104将RF信号g·yRF(t)(放大的天线信号)下变频到基带。相应的基带信号(混频器输出信号)由yBB(t)表示。下变频可以在单个级(即从RF频带到基带)中或经由一个或多个中间级(从RF频带到IF频带，以及随后到基带)完成。可以使用模拟到数字转换器30(参见图3，图4中未示出)将模拟输出信号y(t)数字化，并且相应的数字输出信号被表示为y[n]。
图5示意性地图示了通常在FMCW雷达传感器中实施的示例性FM方案。在所描绘的示例中，发射十六个上啁啾的序列用于一次数据采集。注意，在实践中，啁啾序列通常包括更多的啁啾(例如256个啁啾)，并且本示例仅为了说明目的而被简化。用于评估雷达回波的一种示例性信号处理方法在图6中图示出。
图6图示了FMCW雷达传感器所使用的测量原理，该FMCW雷达传感器辐射频率调制的雷达信号，该信号使用锯齿形调制信号进行调制。图6的子图(a)图示了传出雷达信号随时间的频率(实线，参见图4，信号SRF(f))和相应的传入雷达信号(虚线，参见图4，信号yRF(t))。因此，传出雷达信号的频率从起始频率fSTART线性地增加到停止频率fSTOP，然后回落到fSTART并再次增加直到达到停止频率fSTOP，等等。如前面参考图5所提及，传出雷达信号由一系列“频率斜坡”组成，也被称为“啁啾脉冲”或“啁啾”。根据应用，可以在两个后续啁啾之间插入所限定的调制暂停，其中，雷达信号可以在暂停期间(或者在停止与开始频率之间的任何频率)保持在停止频率或起始频率。一个啁啾的持续时间可以在几微秒到几毫秒的范围内，例如50μs到2000μs。然而，根据应用，实际值可以更大或更小。
由于雷达信号从天线到雷达目标(在该处，雷达信号被后向散射)的行进时间，传入雷达信号(由天线所接收)相对于传出雷达信号(由天线所辐射)滞后了一个时滞Δt。时滞Δt通常被称为往返延迟RTD。雷达目标与雷达传感器的距离dT是dT＝c·Δt/2，即光速c乘以时滞Δt的一半。从图6(子图a)可以看出，时滞Δt导致频移Δf(拍频)，其可以通过下混频该传入信号(参见图4，混频器104)以及随后的数字频谱分析来测量。当使用线性啁啾(即锯齿形调制信号)时，时滞Δt可以被计算为Δt＝Δf/k，其中因子k是频率斜坡的倾斜度，其可以被计算为k＝(fSTOP-fSTART)/TCHIRP。
尽管上文已经概述了FMCW雷达传感器的基本操作原理，但是应注意，在实践中可以应用更复杂的信号处理。特别地，由于多普勒效应所导致的传入信号的附加频移fD可导致距离测量的误差，因为多普勒频移fD加到频移Δf，这归因于如上文所解释的雷达信号的行进时间。根据应用，多普勒频移也可以根据传出和传入雷达信号来估计，并且在一些应用中，多普勒频移对于距离测量可以忽略不计。当啁啾持续时间TCHIRP短，使得频移Δf与雷达传感器的测量范围内的任何距离的多普勒频移fD相比较高时，这可能特别是这种情况。在本示例中，雷达信号的频率从fSTART增加到fSTOP，这导致所谓的“上啁啾”。然而，相同的测量技术可以被应用“下啁啾”，即当停止频率fSTOP低于起始频率fSTART并且频率在啁啾期间从fSTART减少到fSTOP时。在一些雷达系统中，当基于“上啁啾”和“下啁啾”计算距离时，可以消除多普勒频移。可以将雷达目标的实际所测量的距离dT计算为从上啁啾回波所获得的距离值和从下啁啾回波所获得的距离值的平均值；通过平均多普勒频移抵消。然而，这些基本信号处理技术在FMCW雷达领域中是已知的，因此这里不再详细解释。
数字FMCW雷达信号的标准信号处理(参见图3，DSP 40)包括距离多普勒映射(也被称为距离多普勒图像)的计算。一般地，线性FMCW雷达通过发射一系列线性啁啾并混合来自目标的延迟的回波(参见图4，信号yRF(t))与发射信号的副本(参见图4，混频器104)来获得目标信息(即雷达目标的距离和速度)。可以从该混合信号的频谱(即，从得到的拍频)中提取目标距离信息。在几个啁啾的相干积分之后可以获得距离多普勒映射。距离多普勒映射可以被用作各种标识和分类算法的基础。雷达目标与雷达传感器的距离dT可以被计算为
dT＝c·Δf·TCHIRP/(2·B)， (1)
其中，Δf表示拍频，而B表示啁啾的带宽(B＝|fSTOP-fSTART|)。因此，线性FMCW雷达的基本信号处理是确定拍频。当雷达目标移动时，必须考虑多普勒效应以确定雷达目标的速度(相对于雷达传感器)的信息，这可以基于所提及的距离多普勒映射来完成，距离多普勒映射可以使用所谓的距离多普勒处理来计算。
用于计算距离多普勒映射的常用方法是二维傅里叶变换，其通常使用快速傅立叶变换(FFT)算法来实施。因此，第一FFT被应用于每个啁啾的N个采样以获得距离信息(从拍频获得)，并且第二FFT被应用于从M个连续啁啾中取得的采样序列(例如，M个连续啁啾的第n个采样，n＝0,2,......,N-1)以获得多普勒信息。距离多普勒处理的结果可以被组织在被称为距离多普勒映射的M×N矩阵X(m,n)中。
在图6中示意性地图示了距离多普勒处理。图6的第一子图(子图a)图示了与图5类似的啁啾序列。实线表示所发射的啁啾(参见图4，信号SRF(t))，并且虚线表示对应的雷达回波(例如图4，信号yRF(t))。图6的第二子图(子图b)图示了下变频的基带信号，例如，在图4的示例中为信号y(t)。该信号被数字化(即采样和量化)，其中，选择采样时间间隔使得每个啁啾由N个样本表示。因此，当M个后续啁啾被数字化时(精确地说，所得到的基带信号被数字化)，获得N乘M个数目的样本，其可以被布置在N×M矩阵S(n,m)中，如图6的第三子图(子图c)所示。在图6子图c的示例中，索引n表示矩阵的行号(n＝0,1,2,...,N-1)，可以被视为快时间索引(沿着各个列的后续采样之间的时间距离是TCHIRP/N)，其中，索引m表示矩阵的列(m＝0,1,2,...,M-1)可以被视为慢时间索引(沿着各个线的两个后续采样之间的时间距离是TCHIRP)。可以通过沿快时间轴应用第一FFT(产生包括距离信息的距离时间映射R(n,m))并且随后沿慢时间轴应用第二FFT(产生距离多普勒映射X(n,m))来获得距离多普勒映射X(n,m)。也就是说，在第一级中，针对每列计算FFT，并且在第二级中，针对图6中所示的矩阵的每一行计算FFT。注意，距离多普勒映射X(n,m)可以根据从特定天线所接收的(下变频和数字化)雷达信号来计算。如果使用多于一个接收天线(即接收信道)，则可以为每个天线计算距离多普勒映射Xr(n,m)(索引r表示天线阵列中的特定天线)。r对应的距离多普勒映射Xr(n,m)可以被视为三维阵列，其通常被称为“雷达数据立方体”(频域数据)。
如所提及，距离映射R(n,m)、距离多普勒映射X(n,m)或雷达数据立方体可以被用作用于检测雷达传感器周围(视场)内的雷达目标的各种信号处理技术的输入数据。例如，已知若干阈值技术用以检测由雷达信道中的物体(雷达目标)引起的距离映射或距离多普勒映射中的峰值(即局部最大值)。也就是说，如果距离映射或距离多普勒映射中的值超过特定阈值，则检测到目标。然而，雷达信号中所包括的噪声和杂波可能引起错误检测(被称为误报警)，并且误报警率(FAR)是雷达信号处理中的相关参数。一种特定技术使用自适应阈值来实现恒定的误报警率(CFAR)。各种CFAR检测算法在雷达信号后处理领域中是已知的，因此这里不再详细讨论。最近，已经使用更复杂的检测算法，例如人工神经网络(ANN)来改进嘈杂环境中雷达目标的检测质量(参见例如S.Wunsch,J.Fink,F.K.Jondral:ImprovedDetection by Peak Shape Recognition Using Artificial Neural Networks,in:IEEEProc.of 82nd Vehicular Technology Conference(VTC Fall),Boston,MA,USA,6-9September 2015)。任何阈值技术(如CFAR或任何其他检测技术)的输出是例如存在于距离多普勒映射(FFT峰值)中的峰值列表。执行附加的信号处理步骤以从FFT峰值获得本文表示为T(i)的雷达目标列表，其中，i是所检测的雷达目标的索引。
图7图示了常规雷达传感器的一个示例性结构，其可以例如被用于车辆中以检测车辆周围的物体和人。在汽车应用中，雷达传感器通常被称为雷达ECU(电子控制单元)，其表示分离的物理实体(模块)。如图7图示，雷达ECU可包括一个或多个MMIC 100、200等等，其中，每个MMIC可以包括RF前端、模拟基带信号处理和模拟到数字转换，如先前在图3中所示。每个MMIC可以被配置为接收来自一个或多个天线的信号(接收信道)。(一个或多个)MMIC被连接到控制器50(其可以包括DSP 40)，控制器50被配置为编译所接收的雷达数据立方体并将所提及的检测技术(诸如CFAR检测算法)应用于被包括在雷达数据立方体中的数据(例如，在各个接收信道的距离多普勒映射中)。为此目的，控制器50和DSP可以用适当的软件和/或固件编程。控制器50和/或DSP 40可以被编程为基于所检测的FFT峰值(使用例如CFAR检测方法)生成所检测的雷达目标T(i)和相关联信息(例如速度、到达方向、雷达目标的分类等)，其可以经由通信接口60数字地传送到上位控制单元，通信接口60被连接到通信总线61。通信总线61可以是任何串行或并行总线，以用于传输数字数据，诸如CAN(控制器区域网络)、以太网、FlexRay、SPI(串行外围接口)等。
注意，取决于在雷达ECU 1(雷达传感器)中所使用的(一个或多个)检测算法，控制器50和/或DSP可能必须提供显著的计算能力以便实时检测雷达目标(特别是在处理从多个雷达ECU接收到的数据时)。在本文所描述的示例中，雷达ECU的计算能力被部分地“重新定位”在一个中央雷达目标后处理单元中。因此，雷达ECU中仅保持一些基本计算，例如，计算距离映射和距离多普勒映射以用于标识相关峰值所需的所提及的傅里叶变换的计算(基于此，可以进行数据压缩)。附加地，可以可选地从雷达ECU中的距离多普勒映射计算到达方向(DoA)。图8示意性地图示了在车辆中使用雷达传感器的分布式系统的一个示例。雷达传感器1至7(雷达ECU)被分布在车辆上，其中，雷达传感器1、2和3被布置在汽车的前侧，雷达传感器5和6被布置在汽车的后侧，并且雷达传感器4和7布置在汽车的驾驶员侧和乘客侧。雷达传感器1至7与中央雷达目标后处理单元8(例如，经由通信总线)耦合。中央雷达目标后处理单元8包括处理器(例如，CPU)，其被配置为基于从每个雷达传感器接收的信息或基于从雷达传感器1至7所接收的累积的信息来检测一个或多个雷达目标(即，物体、人等)。为了检测雷达目标，与当前在雷达传感器中所使用的算法相比，雷达目标检测单元8可以使用更复杂的算法。在一些实施例中，传感器融合技术被应用于将从雷达传感器所获得的信息与由其他类型的传感器(例如，相机)所获得的信息组合。
具有中央雷达后处理单元8的分布式雷达传感器系统允许基于由两个或更多个体雷达传感器所提供的传感器信息来检测雷达目标(即，物体、人等)。例如，从雷达传感器1所获得的距离映射中的峰值可能太低而无法被标识为雷达目标。然而，在从相邻雷达传感器2所获得的距离映射中可存在对应的峰值。中央后处理单元8能够评估从传感器1和2两者所获得的信息，因此，由于雷达目标出现在由一个或多个雷达传感器所提供的距离多普勒映射中，可以能够检测到雷达目标。相比之下，雷达传感器(诸如图7中所示的传感器)具有内部雷达目标检测并且不具有中央后处理，仅能够基于由传感器本身所获取的传感器信息来检测雷达目标。
集中雷达后处理牵涉在个体雷达传感器与中央后处理单元之间交换大量传感器数据。对于大多数检测算法，中央后处理单元需要被包括在雷达数据立方体中的信息(即，距离映射(第一级FFT)和/或距离多普勒映射(第二级FFT))。根据实际应用和雷达传感器的数目，连接中央后处理单元与个体雷达传感器的通信链路必须允许数据速率在每秒千兆位的范围内，这显着高于用于标准通信链路(诸如CAN(控制器区域网络)或100MBit以太网(100BASE-T)的最大值数据速率。
图9图示了包括雷达ECU 1(雷达传感器)和由通信链路9所连接的中央后处理单元8的系统。为了在允许中央雷达后处理单元8运行目标检测和分类算法的同时压缩在雷达传感器中累积的传感器数据(例如，距离多普勒映射，DoA信息)，雷达ECU可以被配置为运行图11中所示的计算步骤(还参见下文的描述)。在进行压缩时，重要的是不要过度压缩传感器数据，使得在中央雷达后处理单元中被识别为有效雷达目标的FFT峰值不会归因于在(一个或多个)雷达传感器中进行信号处理(压缩)而丢失。由于这个原因，与现存的雷达传感器(其不使用中央雷达后处理以用于目标检测)相比，在(一个或多个)雷达传感器中所执行的阈值技术可能选择性较差。例如，在(一个或多个)雷达传感器中所执行的阈值技术可以被配置为检测例如比常规雷达传感器中所必需的多10％的FFT峰值。一旦在雷达传感器中检测/选择了FFT峰值，在雷达传感器中所执行的本地软件算法可以决定是否在距离和/或在(一个或多个)多普勒维度中添加频谱值(谱线、频率区)，其与所检测的峰值的频谱线相邻。可选地，为了进一步压缩传感器数据，传感器可以计算方位角和俯仰角(即DoA检测)，以避免发送从天线阵列(或虚拟天线阵列)的每个个体天线所获得的信息的需要。综上所述，为了降低待经由通信链路发送的数据，在跨通信链路传送压缩的传感器数据S(n)之前，传感器数据(例如频域数据(诸如距离映射或距离多普勒映射))被压缩。传感器数据的压缩可以例如使用适当的软件指令在每个雷达ECU的DSP 40中实施。
传感器信息的解压缩在中央后处理单元8中完成，并且经解压缩的传感器数据被用作在中央后处理单元中实施的雷达信号处理的剩余计算阶段的输入数据(例如，有效峰值检测、目标检测和分类、目标追踪等)。为了解压缩所接收的数据，例如，可以假定，为了压缩数据在(一个或多个)雷达ECU中已被省略的频谱值(频谱线、频率区)为零。在图9所描绘的示例中，雷达ECU 1包括通信接口60。另外的雷达ECU 2和3可以以类似的方式实施。中央雷达处理单元8还可以包括用于经由通信链路与雷达ECU通信的通信接口71。中央雷达处理单元8还可以包括处理器72(诸如CPU(中央处理单元))，处理器72被配置为执行软件指令。如所提及的，雷达目标检测算法可以至少部分地被实施为软件。通信链路可以是任何公共总线系统，如CAN、以太网(例如100BASE-T)、FlexRay等。归因于所提及的压缩，中间数据速率对于雷达ECU 1、2和3与中央后处理单元8之间的通信是足够的。然而，在备选实施例中(诸如图13的示例)，使用高速串行数据链路，其能够处置每秒千兆位范围的数据传递速率。
图10图示了距离维度中(参见图6，距离多普勒映射X(n,m)的列)或多普勒维度中(参见图6，距离多普勒映射X(n,m)的行)或距离多普勒维度中(参见图6，距离多普勒映射X(n,m)的对角线)的频谱线(即，频率区或用于特定离散频率的FFT值)的序列的一个示例性波形，其中，波形包括一个或多个待检测的峰值。图9所示的新颖雷达传感器概念的目的在于雷达传感器运行峰值检测算法，从而仅预先选择FFT峰值(而不执行目标检测)，而图7的常规雷达传感器选择FFT峰值和随后基于所选择的峰值执行目标检测。根据图11所示的方法，虽然像CFAR这样的复杂算法仍然可以用于预先选择FFT峰值，但可以放宽CFAR算法的参数以避免“释放”FFT峰值，当使用在中央雷达处理单元8中所执行的更复杂的后处理技术时，这可能被检测为表示真实的雷达目标。这可以通过改变条件来完成，使得中央后处理将丢弃至少10％的FFT所检测的峰值。作为CFAR算法的备选，图11中所示的处理技术允许使用更简单的算法，如简单的阈值技术。综上，不同于常见方法，雷达传感器中的峰值检测不被用于检测雷达目标(即标识雷达目标的位置和速度)，而是用以通过预先选择后续在中央雷达处理单元8中被处理的FFT峰值压缩传感器数据，传感器数据需要被传递到中央雷达处理单元8。因此，与常规方法相比，预先选择的灵敏度可被选择为相对较高(即，阈值可被选择相对较低)以便检测更多的峰值。在这种情况下，注意，为了数据压缩的目的，所检测的峰值是否由真实雷达目标或由噪声或杂波引起并不相关。
为了实现数据的减少/压缩，丢弃除了所检测的峰值和特定数目的相邻值(频率区)之外的所有值，以用于向中央雷达后处理单元8的数据传输的目的，这允许显著减少经由通信链路待传输的数据。也就是说，雷达数据立方体的压缩是本文所描述的示例中的有损压缩。图10中的虚线图示了所得到的压缩信号，其中，为了说明的目的，未选择的FFT频率区被设置为零。如图10所示，不仅保持在频率f0处的峰值P1(即不设置为零)，而且保持相邻值(即频率f1和f2处的FFT频率区)。在本示例中，保持在所检测的峰值的中心频率f0周围的特定带宽f2-f1内的所有值(例如，相应峰值的主瓣内的值)。这允许中央雷达处理单元8分析峰值的形状(例如主瓣或其部分)，而不仅是峰值P1本身，以用于改进雷达目标的检测和分类。
如所提及，雷达目标的实际检测/分类可以在中央雷达处理单元8中完成，以用于所有连接的雷达ECU。在中央雷达处理单元8中，可以通过对在数据传输中已被省略的那些FFT频率区插入零值(零填充)来解压缩(重建)从雷达ECU所接收的数据(例如，经压缩的距离映射或距离多普勒映射)。然而，与雷达目标的检测相关的信息(即所检测的峰值和相应主瓣的形状)不被修改并且仍然被包括在经解压缩的数据中。图11的流程图通过示例的方式图示了如图8和9中图示的分布式雷达传感器系统的功能。因此，步骤X1和X2(以及可选地步骤X2A)由雷达ECU 1、2、3等中的每一个执行。步骤X3表示跨数据链路的数据传输(参见图9)，并且由中央雷达后处理单元8执行步骤X4和X5(例如，对于所有雷达ECU)。如上文所提及，数字频域传感器数据(诸如距离映射和/或距离多普勒映射X(n,m))是根据由基带信号处理链20和连接在其下游的ADC 30所提供的数字化基带信号y[n]计算(步骤X1)(参见图3和图4)。随后，被包括在距离映射和/或距离多普勒映射中的传感器数据被压缩。在本文所描述的示例中，通过标识峰值(局部最大值)并且将所检测的峰值的主瓣之外的值丢弃为零来实现数据压缩(步骤X2，也参见图10)。因此，除了所检测的峰值之外，可以可选地考虑距离和/或多普勒维度中的相邻FFT频率区的信号值(参见图10中的频率f1和f2)。
如上文所提及的，所检测的峰值之间的零值不需要被明确地发射到中央雷达后处理单元，这可以导致待发射的数据的显著减少(步骤X3)。因此，通过简单地不将所检测的峰值的主瓣之间的值发射到中央雷达后处理单元8，可以隐含地将这些值设置为零。在该中央雷达后处理单元8中，从(一个或多个)雷达ECU 1、2、3等所接收的压缩信号进行解压缩(即恢复)，其可以通过零填充所检测的峰值的主瓣之间的“间隙”而成为圆顶形(步骤X4)。最后，(一个或多个)经解压缩的信号(恢复的距离多普勒映射X’(n,m))被进一步处理以检测雷达目标(步骤X5)。如所提及的，与“传统”阈值技术相比，可以使用一个或多个神经网络来改进检测的质量和可靠性。
如图11所图示，到达方向(DoA)可以可选地在雷达ECU 1、2、3中确定，例如，通过评估包括在例如来自针对不同接收信道所获得的距离多普勒映射的雷达数据立方体中的多普勒频率(步骤X2A)。所确定的DoA数据也可以经由串行通信链路传递并在中央雷达后处理单元8中进一步处理。然而，在一些实施例中，在雷达ECU中可以省略步骤X2A，并且关于到达方向的信息可以在中央雷达后处理单元8中确定(信号后处理步骤X5)。
图12更详细地示意性地图示了中央雷达后处理单元8的一个示例。类似于图9中的示例，中央雷达后处理单元8包括通信接口，通信接口用于经由通信链路与其他ECU(诸如例如，雷达ECU 1、2和3)以及(可选地)与相机和图像处理单元81通信。在本示例中，功能单元73至77表示被实施为软件并由CPU 72所执行的功能。然而，应理解，这些功能也可以至少部分地使用专用硬件或其他不同于CPU 72的处理器实施。功能单元73(解压缩、信号恢复)被配置为根据从雷达ECU 1、2、3等经由通信链路接收的压缩数据恢复距离多普勒映射(参见图11，步骤X4和X4a)。这些距离多普勒映射X’(n,m)被供应给功能单元74，功能单元74包括一个或多个人工神经网络，其用于基于所恢复的距离多普勒映射X’(n,m)来检测雷达目标。功能块74的输出是所检测的雷达目标T(i)的列表(即它们的位置和速度)。
中央雷达后处理单元8还可以包括功能单元75，其被配置为将来自其他传感器的数据与从雷达后处理单元74所获得的信息(所检测的目标的列表T(i))组合。组合传感器数据的技术通常被称为“传感器融合”，并且是已知的。在本示例中，从相机和随后的图像处理(例如在ECU 81中实施)所获得的传感器数据与雷达目标的列表T(i)组合。然而，附加的非雷达传感器和传感器融合单元75的使用是可选的。最后，由传感器融合单元75所提供的组合的传感器数据可以被提供给驾驶决策单元76，驾驶决策单元76可以被配置为基于所组合的传感器信息，决定驾驶操纵(例如减速、制动、加速、改变转向角等)。驾驶决策单元可以被视为自动巡航控制(ACC)系统的一部分或自动驾驶汽车的控制器的一部分。应理解，功能单元75(传感器融合)以及功能单元76(驾驶决策单元)可以在分离的ECU中实施，并且被布置为远离中央雷达后处理单元8，但是(例如，经由通信链路)与其连接。
图12中还示出了雷达监测单元77(功能单元)，其被配置为监测和记录从每个雷达ECU 1、2、3等所接收的所有或一些压缩数据，以及还记录来自后处理(例如，在功能单元74中)的对应输出数据。在一些实施例中，监测单元77可以在分离的ECU中实施。基本上，监测单元77可以被配置为将上文所提及的数据存储到非易失性存储器。存储在非易失性存储器中的数据可以被定期传递给车辆制造商(例如，经由在车辆检验期间的有线连接或经由无线连接(诸如3G或4G通信链路)，参见图示到主机90的数据链路的点划线，其可以在车辆制造商的控制下)。然后，该数据可以例如由车辆制造商使用以优化/改进在中央雷达处理单元8中所使用的信号处理算法。在所描绘的示例中，监测单元还可以接收和存储由决策单元76和外部ECU 81(相机和图像处理)所提供的数据。
总结以上解释，监测单元77可以被耦合到中央雷达后处理单元8(或被包括在中央雷达后处理单元8中)，并且被配置为在检测雷达目标的同时首先存储从被耦合到中央雷达后处理单元8的雷达ECU中的至少一个雷达ECU接收的数据(例如，表示雷达数据立方体的数据)，以及其次存储表示由雷达后处理单元8所获得的结果或中间结果的相关联数据。当使用传感器融合技术时，监测单元77还可以存储从其他(非雷达)传感器(例如相机)所获得的信息以及与从至少一个雷达ECU所接收的数据相关联的信息。
图13更详细地图示了图8的分布式雷达传感器系统的另一示例性实施方式。类似于图9的示例，一个或多个雷达ECU(雷达传感器)经由通信链路被连接到中央雷达后处理单元8。然而，在本示例中，高速通信链路61’被用于将(一个或多个)雷达ECU连接到中央雷达后处理单元。在这种情况下，“高速”是指每秒千兆位范围的数据速率。为了降低待发送的信息量，使用数据速率降低单元31在雷达传感器中完成数据速率降低。例如，通过采用在ADC30下游耦合到ADC 30的抽取器31可以完成数据速率降低。在图13的示例中，由ADC 30所提供的数字信号y[n]表示以第一(高的)数据速率采样的原始数据，以及y’[n]表示具有降低的(较低的)数据速率的对应信号，其包括被传递到中央雷达后处理单元8的原始数据。过采样允许改进模拟到数字转换的信噪比(SNR)和线性度。由抽取器31所使用的抽取率可以由雷达ECU的控制器50固定或自适应地设置。在这种情况下，抽取率可以由硬件配置或基于从中央雷达处理单元8接收的控制信息来配置。
由ADC 30所提供的原始数据(其可以被包括在雷达ECU 1中使用的MMIC 100中)被传递到中央雷达处理单元8而无需进一步的数据压缩，由中央雷达处理单元8所接收的数据可以由CPU 72直接处理，其中，在这种情况下，该处理包括执行雷达数据立方体的计算(即，用于生成距离多普勒映射的FFT计算)以及雷达目标检测、分类、追踪等。在雷达ECU中，数字传感器数据的数字预处理比先前的示例容易得多，因为不需要数据压缩，因此不必在雷达ECU中计算FFT变换和峰值检测。因此，仅仅需要控制器50来控制数据流而不是用于信号处理。
图13还图示了由中央雷达处理单元8所提供(特别是由CPU 72所提供)的基本功能。与先前的示例不同，距离多普勒映射的计算在中心雷达信号处理单元8中完成(并未分散在雷达ECU中)。这是可能的，因为在雷达ECU中所执行的“数据压缩”不是基于FFT峰值的检测/选择，而仅仅是由个体雷达ECU所生成的原始数据流的数据速率降低(抽取)。因此，距离映射和距离多普勒映射(即雷达数据立方体)的计算可以被重新定位到中央雷达信号处理单元8(参见图13，功能单元82)。此外，FFT峰值的检测/选择可以被重新定位到中央雷达信号处理单元8(参见图13，功能单元83)。信号后处理(功能单元74)、传感器融合(功能单元75)以及驾驶决策(功能单元76和81)可以以与图12的先前示例中相同或类似的方式实施。
在本示例中，中央雷达信号处理单元8还可以包括监测单元77，其可以基本地以与图12的先前示例中相同的方式实施。为了降低待被存储在监测单元77中的数据量，可以通过仅存储与一个或多个给定标准匹配的所选择的FFT峰值来降低FFT峰值的数目，例如，它们高于特定的预定义(例如可变)阈值。
尽管已经关于一个或多个实施方式说明和描述本发明，但是在不脱离所附权利要求的精神和范围的情况下，可以对图示示例进行变更和/或修改。特别是关于由上文所描述部件或结构(单元、组件、设备、电路、系统等)执行的各种功能，用于描述这些部件的术语(包括对“装置”的引用)旨在对应于(除非另有指示)执行所描述的部件的指定功能的任何部件或结构(例如，即在功能上等同)，即使结构上不等同于所公开的结构，其执行本发明的本文在图示的示例性实施方式中的功能。
另外，尽管可能仅关于若干实施方式中的一个公开了本发明的特定特征，但是这样的特征可以与其他实施方式的一个或多个其他特征组合，如可能期望的并且对于任何给定或特定的应用是有利的。此外，在详细说明和权利要求中使用术语“包括”、“包含”、“具有”、“含有”或其变体的范围，这些术语旨在被包括在类似于术语“包括”的方式。

Claims (24)

1.一种系统，包括：
至少一个雷达传感器，包括发射机和接收机，所述发射机用于发射RF信号，所述接收机被配置为接收来自至少一个雷达目标的相应后向散射信号和提供对应的数字雷达信号；
至少一个通信链路；以及
中央雷达信号处理单元，经由所述通信链路被连接到所述至少一个雷达传感器；
其中所述至少一个雷达传感器包括处理器，所述处理器被配置为将所述数字雷达信号转换到频域，从而提供相应的频域数据，以及压缩所述频域数据，以及
其中所述中央雷达信号处理单元被配置为经由所述通信链路接收经压缩的频域数据，解压缩所述经压缩的频域数据，以及基于经解压缩的频域数据来检测所述至少一个雷达目标。
2.根据权利要求1所述的系统，
其中所述频域数据和/或经解压缩的频域数据包括距离映射和距离多普勒映射中的至少一项。
3.根据权利要求1或2所述的系统，
其中，为了压缩所述频域数据，所述处理器被配置为检测所述频域数据中的峰值，以及选择表示所检测的峰值的频域数据。
4.根据权利要求3所述的系统，
其中，为了压缩所述频域数据，所述处理器被配置为丢弃不表示所选择的频域数据和相邻的频谱值的频域数据。
5.根据权利要求3或4所述的系统，
其中表示所检测的峰值的频域数据包括所检测的峰值的频谱值和相邻的频谱值。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的系统，
其中，为了对经压缩的频域数据进行解压缩，所述中央雷达信号处理单元被配置为通过零填充来代替由于压缩而丢失的所述频域数据的部分。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的系统，
其中，为了检测至少一个雷达目标，所述中央雷达信号处理单元被配置为使用至少一个人工神经网络。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的系统，还包括：
监测单元，被包括在所述中央雷达信号处理单元中或与所述中央雷达信号处理单元耦合，并且被配置为存储表示从所述至少一个雷达传感器所接收的频域数据的数据和在所述中央雷达信号处理单元中被处理的数据。
9.根据权利要求8所述的系统，
其中所述监测单元被配置为经由有线或无线通信信道发射所存储的数据。
10.一种方法，包括：
发射RF信号以及接收来自至少一个雷达目标的相应的后向散射信号；
生成表示所述后向散射信号的数字雷达信号；
通过将所述数字雷达信号转换到频域来提供频域数据；
压缩所述频域数据；
将经压缩的频域数据发射到通信链路；
解压缩从所述通信链路接收的所述经压缩的频域数据，以获得恢复的频域数据；
基于所述恢复的频域数据来检测所述至少一个雷达目标。
11.根据权利要求10所述的方法，其中压缩所述频域数据包括：
使用有损数据压缩。
12.根据权利要求10或11所述的方法，其中压缩所述频域数据包括：
检测在所述频域数据中的一个或多个峰值；以及
选择表示所检测的峰值的频域数据，以获得所述经压缩的频域数据。
13.根据权利要求12所述的方法，
其中表示所检测的峰值的频域数据包括所检测的峰值的频谱值和相邻的频谱值。
14.根据权利要求10至13中任一项所述的方法，其中解压缩所述经压缩的频域数据包括：
通过零填充来代替由于所述压缩而丢失的所述频域数据的部分。
15.根据权利要求10至14中任一项所述的方法，
其中检测所述至少一个雷达目标是由被包括在中央雷达信号处理单元中的处理器完成的；以及
所述方法还包括：
通过存储表示经解压缩的频域数据的数据和在所述中央后处理单元中所处理的对应的数据来监测所述中央雷达处理单元的操作。
16.根据权利要求15所述的方法，其中所述监测包括：
经由有线或无线通信信道来发射所存储的数据。
17.一种系统，包括：
至少一个雷达传感器，包括发射机和接收机，所述发射机用于发射RF信号，所述接收机被配置为接收来自至少一个雷达目标的相应的后向散射信号和提供具有第一数据速率的对应的数字雷达信号；
抽取器，接收所述数字雷达信号以及被配置为降低所述第一数据速率以获得具有第二数据速率的所述数据雷达信号，所述第二数据速率低于所述第一数据速率；
至少一个通信链路；以及
中央雷达信号处理单元，经由所述通信链路被连接到至少一个雷达传感器；
其中所述中央雷达信号处理单元被配置为：经由所述通信链路接收具有所述第二数据速率的所述数字雷达信号，以将所述数字雷达信号转换到频域，从而提供相应的频域数据，以及基于所述频域数据来检测所述至少一个雷达目标。
18.根据权利要求17所述的系统，
其中所述第一数据速率与所述第二数据速率之间的比率是可调的。
19.根据权利要求17所述的系统，
其中基于由所述中央雷达处理单元所提供的信息，所述第一数据速率与所述第二数据速率之间的比率是可调的。
20.一种方法，包括：
发射RF信号以及接收来自至少一个雷达目标的相应的后向散射信号；
生成表示所述后向散射信号的具有第一数据速率的数字雷达信号；
降低所述数字雷达信号的所述数据速率，以获得具有第二数据速率的所述数字雷达信号；
将所述数字雷达信号发射到通向中央雷达处理单元的通信链路；
通过将所述数字雷达信号转换到频域来提供频域数据；以及
基于所恢复的频域数据来检测所述至少一个雷达目标。
21.一种雷达传感器，包括：
发射机，所述发射机用于发射RF信号，以及接收机，所述接收机被配置为接收来自至少一个雷达目标的相应的后向散射信号和提供对应的数字雷达信号；
处理器，被配置为将所述数字雷达信号转换到频域，从而提供相应的频域数据，以及压缩所述频域数据，以及
通信接口，被配置为经由可操作地耦合到所述通信接口的通信链路发射经压缩的频域数据。
22.根据权利要求21所述的雷达传感器，
其中所述发射机、所述接收机、所述处理器和所述通信接口被包括在单个半导体芯片或单个半导体封装中。
23.根据权利要求21或22所述的雷达传感器，
其中所述频域数据和/或经解压缩的频域数据包括距离映射和/或距离多普勒映射；以及
其中，为了压缩所述频域数据，所述处理器被配置为检测在所述频域数据中的峰值，以及选择表示所检测的峰值的频域数据。
24.一种雷达传感器，包括：
发射机，所述发射机用于发射RF信号；以及接收机，所述接收机被配置为接收来自至少一个雷达目标的相应的后向散射信号和提供具有第一数据速率的对应的数字雷达信号；
抽取器，接收所述数字雷达信号，以及被配置为降低所述第一数据速率以获得具有第二数据速率的所述数字雷达信号，所述第二数据速率低于所述第一数据速率；以及
通信接口，被配置为经由可操作地被耦合到所述通信接口的通信链路以所述第二数据速率发射所述数字雷达信号。
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