CN109425854B - 多分辨率多普勒处理 - Google Patents

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Abstract

提供了一种用于处理从雷达视场中的多个目标中的一个反射的回波信号的系统和方法。方法包括：响应于一系列传输脉冲而接收从雷达视场中的一个或多个目标反射的回波信号；生成包含来自接收的回波信号的样本的接收信号向量；以及将接收信号向量应用至滤波器组，该滤波器组配置为计算用于多普勒频率组的多普勒频谱，每个滤波器被调谐至该多普勒频率组，其中，用于每个滤波器的积分处理时间相对于每个滤波器的多普勒频率发生变化。

Description

多分辨率多普勒处理
技术领域
本发明总体上涉及雷达系统，并且更加具体地涉及一种用于实施多分辨率多普勒处理的系统和方法。
背景技术
许多现代车辆都配备有先进的安全和驾驶员辅助系统，这些系统需要稳健且精确的对象检测和追踪系统以控制响应性主车辆操纵。这些系统使用定期的或者连续的对象检测和控制算法来估算各个对象参数，诸如，相对对象距离、速度、行进方向、以及大小。例如，雷达装置通过传输从传感器的视场内的目标反射出的电磁信号来检测和定位对象(即，目标)。反射信号作为回波返回至雷达，在雷达处对其进行处理以便确定各种信息，诸如，传输/接收能量的往返行进时间。然而，当存在多个目标时，某些雷达装置缺乏在紧密定位的多个目标之间进行区分所需要的角度和空间分辨率(即，无点目标假设)。在这些情况下，其中，两个紧密定位的目标不能通过距离或者角度来分离开，如果雷达装置的多普勒分辨率足够高，则仍可以通过多普勒频率来使这些目标分离开。
当雷达与目标之间存在相对距离变化率、或者径向速度时，多普勒效应本身会显现出来。当雷达的传输信号从这种目标上被反射时，返回信号的载波频率将被移动。假定并置的发射器和接收器，则所产生的多普勒频移是雷达与目标之间的载波波长和相对径向速度(距离变化率)的函数。当目标移动远离雷达时，相对径向速度或者距离变化率被定义为是正的并且产生负多普勒频移。
采用多普勒处理的雷达系统可以是连续波(CW)雷达系统或者脉冲雷达系统。CW雷达仅仅观察返回信号相对于传输信号的载波频率之间的多普勒频移。脉冲多普勒雷达使用相干脉冲群，其中，每个连续射频(RF)脉冲之间的载波频率具有固定的或者确定性的相位关系。相干性将脉冲群的频谱中的能量集中在通过脉冲重复频率(PRF)分离开的不同光谱线周围。在光谱线中的该分离允许对多普勒频移进行区别。
传输信号的脉冲性质容许接收器的时间选通，这允许消除直接传输能量泄漏到接收器中。这会容许使用单个天线来用于传输和接收，如若不然的话这将是不可行的。脉冲多普勒雷达也可以使用距离选通，这会将脉冲间隔时期划分为单元或者距门。每个距门的持续时间通常小于或者等于传输脉冲带宽的倒数。距离选通可以帮助消除过度接收器噪声以防其干扰目标返回脉冲，并且允许利用脉冲延迟测距来进行距离测量(即，测量在脉冲的传输与目标回波的接收之间的时间)。
雷达的多普勒分辨率与多普勒处理积分时间(其是多普勒滤波器持续时间)成比例。多普勒处理积分时间通常是由保持在距离分辨单元内的反射点(即，目标)的持续时间来确定。照惯例，根据针对特定雷达应用已知的最高目标速度，雷达中的多普勒处理积分时间在整个多普勒频谱上是固定的。因此，针对这些雷达关于较慢目标的多普勒分辨率会受到限制。
发明内容
根据一个实施例，提供了一种用于处理从雷达视场中的多个目标中的一个反射的回波信号的方法。该方法包括：响应于一系列传输脉冲而接收从雷达视场中的一个或多个目标反射的回波信号；生成包含来自接收的回波信号的样本的接收信号向量；以及将接收信号向量应用至滤波器组，该滤波器组配置为计算用于多普勒频率组的多普勒频谱，每个滤波器被调谐至该多普勒频率组，其中，用于每个滤波器的积分处理时间相对于每个滤波器的多普勒频率发生变化。在一个示例中，该滤波器组配置为应用有限冲激响应(FIR)和/或离散傅里叶变换(DFT)。每个滤波器的多普勒频率与检测目标的相对速度相对应。接收信号向量代表在相干脉冲间隔(CPI)期间从以脉冲重复频率(PRF)进行传输的传输脉冲接收的回波信号。
在一个示例中，用于每个滤波器的积分处理时间与滤波器的多普勒频率成反比，以便使得积分处理时间随着与每个滤波器相关联的多普勒频率减小而增加。
在另一示例中，积分处理时间代表来自接收信号向量的多个积分样本，该多个积分样本用于计算针对滤波器的给定多普勒频率的多普勒频谱，其中，fi是该多普勒频率组，并且Ni是用于计算用于每个滤波器的多普勒频谱的积分样本的数量，其中，i的范围为0至K-1，其中，K是该滤波器组中的滤波器的数量，并且其中，f0＜fk-1并且N0＞NK-1。
根据另一实施例，提供了一种用于处理从雷达视场中的多个目标中的一个反射的回波信号的方法。方法包括：根据脉冲重复频率(PRF)传输一系列传输脉冲；响应于一系列传输脉冲而接收从雷达视场中的一个或多个目标反射的回波信号；生成包含来自接收的回波信号的样本的接收信号向量，其中，接收信号向量中的样本与包含一个或多个目标的视场中的距离分辨单元相对应；以及在特定距门处生成用于多普勒频率组的多普勒频谱，该多普勒频谱是使用来自接收信号向量的预定数量的积分样本来进行计算，其中，预定数量的积分样本相对于该多普勒频率组中的每个多普勒频率发生变化。
根据本发明的又另一实施例，提供了一种用于处理从雷达视场中的多个目标中的一个反射的回波信号的系统。系统包括：至少雷达传感器，该至少雷达传感器配置为响应于一系列传输脉冲而接收从雷达视场中的一个或多个目标反射的回波信号；以及至少一个信号处理模块，该至少一个信号处理模块配置为生成包含来自接收的回波信号的样本的接收信号向量并且将该接收信号向量应用至滤波器组，该滤波器组配置为计算用于多普勒频率组的多普勒频谱，每个滤波器被调谐至该多普勒频率组，其中，用于每个滤波器的积分处理时间相对于每个滤波器的多普勒频率发生变化。
附图说明
下文将结合附图对本发明的一个或多个实施例进行描述，其中，相似的附图标记表示相似的元件，并且在附图中：
图1示出了根据本公开的实施例的示例性雷达检测系统的概览图；以及
图2示出了流程图，描绘了用于实施根据本公开的示例性实施例的多分辨率多普勒处理的示例性方法。
具体实施方式
根据需要，本文公开了详细实施例。然而，应理解，所公开的实施例仅仅是各种形式和替代形式、以及其组合的示例。如本文所使用的，词语“示例性的”广泛地用于指用作图解、试样、模型或者模式的实施例。附图不必按照比例绘制，并且一些附图可以被放大或者缩小以便示出特定部件的细节。在其它情况下，并未对本领域的普通技术人员众所周知的部件、系统、材料、或者方法进行详细描述以便避免使本公开模糊不清。因此，本文所公开的特定结构细节和功能细节不应被理解为具有限制性，而是仅仅作为权利要求书的基础以及作为用于教导本领域的技术人员的代表性基础。此外，尽管下文在一些情况下可能针对车辆对方法和方法论进行描述，但本领域的普通技术人员应理解，汽车应用仅仅是示例性的，并且本文所公开的概念还可以应用于任何其它合适的雷达检测系统，诸如，例如，空中交通管制、海上航行、以及武器制导系统，仅举几例。如本文所描述的，术语“车辆”也应被宽泛地理解为不仅包括乘用车辆，而且包括任何其它车辆，包括但不限于：摩托车、卡车、运动型多用途车(SUV)、休闲车(RV)、船舶、以及飞行器。
已知雷达使用多普勒处理(即，滤波)来将多个目标的多普勒频率分离开以便确定其相对速度。雷达关于速度来解决紧密定位的目标的能力取决于雷达的多普勒分辨率(即，多普勒滤波器的分辨率)，多普勒频率与多普勒滤波器处理积分时间(即，多普勒滤波器持续时间)成比例。积分时间是基于目标相干时间来进行确定，目标相干时间部分地取决于目标在距离分辨单元内保持的时间量。照惯例，多普勒处理是针对各个多普勒滤波器使用固定积分时间来执行。换言之，虽然滤波器组中的各个多普勒滤波器被调谐至不同的多普勒频率，但各个滤波器使用相同的处理积分时间，滤波相同数量的样本。因此，各个滤波器具有相同的多普勒分辨率，多普勒分辨率通常是根据针对特定应用预期的最高速度目标来设置，这会限制雷达确定相同距离分辨单元内的较低速度目标的速度的能力。
相应地，下文描述的系统和方法涉及确定雷达视场中的一个或多个目标的径向速度，并且更加具体地涉及雷达装置，该雷达装置配置为使用用于多分辨率多普勒处理的方法来在以不同相对速度在相同距离分辨单元内移动的多个目标之间进行区别。如下文详细的描述的，所公开的雷达包括多普勒滤波器组，该多普勒滤波器组具有多个滤波器，该多个滤波器被调谐至不同的多普勒频率，其中，各个滤波器具有与多普勒频率成比例的预定义可变多普勒处理积分时间。即是说，每个滤波器的多普勒处理积分时间相对于滤波器的多普勒频率发生变化。更加具体地，在一个实施例中，每个滤波器的多普勒处理积分时间与每个滤波器的多普勒频率成反比。这样，对于雷达的任何给定多普勒输出频谱(即，多普勒轮廓)，被调谐至频谱的较低端(与较低速度目标相对应)中的多普勒频率的滤波器配置为相对于被调谐至频谱的较高端(与较高速度目标相对应)中的多普勒频率的滤波器具有更长的处理积分时间。因此，针对特定雷达观察体积内的所有检测目标实现了多普勒分辨率的增加。
图1示出了可以用于实施所公开的方法的雷达检测系统10。尽管本文描述的方法和方法论涉及在图1中示出的雷达配置，但本领域的普通技术人员应理解，雷达检测系统10仅仅是示例性的，并且为了便于解释已经在许多方面进行了简化。技术人员进一步应理解，本文所公开的概念和方法可以应用于具有任何几何配置的任何合适的雷达检测系统，包括但不限于：具有合成和/或物理天线元件的雷达系统，合成和/或物理天线元件均匀地或者不均匀地间隔开并且被布置作为线性阵列、平面阵列、以及/或者共形阵列。此外，本领域的普通技术人员应理解，在图1中示出的信号处理模块为了便于解释进行了过度简化。在实践中，信号处理模块可以取决于用于雷达检测装置10的特定应用和设计标准而在结构和复杂性上发生变化。此外，尽管处于解释目的，图1示出了单个信号处理模块，但本领域的普通技术人员应理解，雷达系统10可以配置为包括单独的模块和/或装置，这些单独的模块和/或装置配置为执行雷达功能，诸如，但不限于：信号生成和传输；接收和处理回波信号；以及参数检测和估算。
在图1中示出的雷达检测系统10包括一个或多个雷达传感器12，一个或多个雷达传感器12配置为创建用于监测特定有关区域的传感器视场14。雷达传感器12配置为传输从雷达传感器的视场14内的远程对象或者目标18反射出的电磁信号16。反射信号20作为回波返回并且由信号处理模块22处理，信号处理模块22配置为从该回波提取与检测目标有关的信息，诸如，例如，距离、方位角、以及包括多普勒测量的距离变化率数据。信号处理模块22可以是单式模块或者可以包括多个其它模块或者子模块，其配置为根据本文所公开的方法和算法来接收和处理雷达回波信号。
在一个实施例中，信号处理模块22包括但不限于：放大器、混合器、振荡器、组合器、滤波器、以及转换器。由信号处理模块22执行的功能可以发生变化，但通常包括：执行各种滤波、放大、转换、以及数字化功能，以及分析信号的各种特性以便确定信号的特点，诸如，相位、频率、以及振幅。如本领域的技术人员理解的，用于从信号提取该信息的技术可以发生变化，但可以包括但不限于：使用傅里叶变换的同相正交分析和频域分析。在一个实施例中，信号处理模块22还可以包括但不限于：用于执行脉冲压缩和杂波抑制(例如，多普勒滤波)功能的部件。如下文详细的描述的，根据本文所公开的方法，信号处理模块22配置为生成多普勒轮廓并且确定雷达视场14中的一个或多个目标18的径向速度，并且更加具体地在以不同相对速度在相同距离分辨单元24内移动的多个目标18之间进行区别。
在一个特定实施例中，雷达检测系统10在车辆上进行实施，其中，信号处理模块22可以被实施作为车辆控制模块，该车辆控制模块配置为接收雷达传感器24的输出。控制模块可以包括任何种类的电子处理装置、存储装置、输入/输出(I/O)装置、以及/或者其它已知的部件，并且可以执行各种控制和/或通信有关功能。取决于特定实施例，控制模块可以是独立的车辆电子模块，其可以被并入或者包括在另一车辆电子模块(例如，泊车辅助控制模块、制动控制模块等)内，或者其可以是较大网络或者系统(例如，碰撞控制模块(CCM)、牵引力控制系统(TCS)、电子稳定性控制(ESC)系统、防抱死制动系统(ABS)、驾驶员辅助系统、自适应巡航控制系统、车道偏离警示系统等)的一部分，仅举几种可能性。控制模块不限于任一特定实施例或者布置。
图2示出了流程图，描绘了用于使用上文针对图1描述的雷达检测系统10来实施多分辨率多普勒处理的示例性方法100。应理解，方法100的步骤不必按照任何特定顺序来呈现并且能够且设想了按照替代顺序来执行一些或者所有步骤。方法100在步骤102处开始，根据已知的技术使用雷达传感器12来生成和传输电磁信号。在一个实施例中，信号作为具有脉冲宽度和脉冲重复频率(PRF)的一系列脉冲来被传输。
在步骤104处，从雷达视场14中的一个或多个目标反射的回波信号被接收在信号处理模块22处。在一个实施例中，回波信号是以取样频率Fs被取样并且根据已知的技术被处理以便生成接收信号向量x，其代表用于每个距离单元(其也可以被称为距离库或者距门)的的接收信号样本。在一个非限制性示例中，x＝[x0、x1、...、xL-1]，其中，L是相干处理间隔(CPI)中的传输脉冲的数量。换言之，x代表响应于L个传输脉冲接收的回波信号的样本，其中，x中的样本与距离分辨单元24中的特定距离单元(即，特定距离位置)相对应。如本领域的技术人员理解的，用于特定距离分辨单元的距离单元或者距门的数量部分地取决于雷达的距离分辨率、脉冲宽度、以及脉冲重复频率(PRF)。
在步骤106处，针对处于特定距门处的多普勒频率组(即，滤波频率)计算出多普勒频谱。在一个实施例中，多普勒频谱是使用来自接收信号向量的预定数量的积分样本来进行计算，其中，预定数量的积分样本相对于该多普勒频率组中的每个多普勒频谱发生变化。多普勒频谱可以是根据适合于所公开的方法的任何多普勒处理技术来进行计算，包括但不限于：有限冲激响应(FIR)处理、无线冲激响应(IIR)、以及离散傅里叶变换(DFT)。
在一个实施例中，将接收信号向量应用至滤波器组，该滤波器组配置为计算用于多普勒频率组的多普勒频谱，每个滤波器被调谐至该多普勒频率组，其中，用于每个滤波器的积分处理时间相对于每个滤波器的多普勒频率发生变化。用于每个滤波器的积分处理时间与滤波器的多普勒频率成反比，以便使得积分处理时间随着与每个滤波器相关联的多普勒频率减小而增加。积分处理时间代表来自接收信号向量的多个积分样本，该多个积分样本用于计算针对滤波器的给定多普勒频率的多普勒频谱。每个滤波器的多普勒频率与检测目标的相对速度相对应。在一个实施例中，该滤波器组配置为应用离散傅里叶变换(DFT)。
根据特定实施例，用于多普勒频率组fi＝{f0,f1,…,fK-1}的多普勒频谱是通过使用函数g(x,fi,Ni)对接收信号向量进行滤波来进行计算，其中，Ni是用于计算fi中的多普勒频谱的接收信号向量x的样本的持续时间，并且K是在其上计算多普勒频谱的滤波器组中的滤波器的数量。在一个示例中，
Figure GDA0004118787660000081
其中，xn是利用取样频率Fs接收的样本序列，fi是多普勒频率组，Ni是用于计算用于每个滤波器的多普勒频谱的积分样本的持续时间或者数量，并且其中，f0＜fk-1并且N0＞NK-1。
这样，函数g在计算频谱中的较低多普勒频率时使用较大积分/观察时间并且在计算频谱中的较高多普勒频率时使用较小积分/观察时间。用于该方法的论证在于多普勒频谱是在如下假设下进行计算的：假设目标保持在相同的距离分辨单元中，即，目标运动是使得目标处于相同的分辨单元中。
在一个非限制性示例中，对于多普勒滤波器频率fi与用于该滤波的积分样本的数量Ni之间的关系，给出了：
Figure GDA0004118787660000082
其中，Δ是距离分辨单元航迹(其通常与信号带宽成反比)；Fc是信号载波频率；Fs是取样频率(在上文进行定义)；并且c是光速。上述公式示出了积分时间(通过积分样本的数量来实现)与多普勒频率成反比。如下给出了该公式的导数。将τi表示为多普勒积分时间，其通过如下给出：
Figure GDA0004118787660000083
多普勒频率与目标相对速度之间的关系ν是由如下给出：
Figure GDA0004118787660000094
其可以被写作/>
Figure GDA0004118787660000095
通过将积分时间设置为等于距离分辨单元航迹Δ，
Figure GDA0004118787660000091
并且通过将/>
Figure GDA0004118787660000092
代入到其中，/>
Figure GDA0004118787660000093
应理解，前述内容是对本发明的一个或多个实施例的描述。本发明不限于本文所公开的(多个)特定实施例，而是仅仅由如下权利要求书限定。此外，前述描述中包含的声明涉及特定实施例并且不应被理解为对本发明的范围或者权利要求书中所使用的术语的定义构成限制，除非在上文对术语或者措辞进行明确地定义。各种其它实施例以及对所公开的(多个)实施例进行的各种改变和修改对于本领域的技术人员而言将变得显而易见。所有这些其它实施例、改变、以及修改均意在落在所附权利要求书的范围内。
如在本说明书和权利要求书中使用的，当与一个或多个部件或者其它物品的列表一起使用时，术语“例如(e.g.)”、“例如(for example)”、“比如”、“诸如”、以及“如同”，以及动词“包括”、“具有”、“包含”及其其它动词形式分别应被理解为开放式的，表示该列表不应被看作是排除其它附加部件或者物品。其它术语也应使用其最宽泛的合理含义来进行理解，除非其用在需要不同解释的语境中。
尽管上述描述包括计算机可读指令的一般语境，但本公开也可以与其它程序模块一起和/或作为硬件和软件的组合进行实施。术语“算法”、“方法”、“应用”、或者其变体在本文广泛地用于包括例程、程序模块、程序、部件、数据结构、算法等。应用可以在各种系统配置上进行实施，包括单处理器或者多处理器系统、基于微处理器的电子装置、其组合等等。

Claims (8)

1.一种用于处理从雷达视场中的多个目标中的一个反射的回波信号的方法，所述方法包括如下步骤：
响应于一系列传输脉冲而接收从所述雷达视场中的一个或多个目标反射的回波信号；
生成包含来自所述接收的回波信号的样本的接收信号向量；
将所述接收信号向量应用至一组滤波器，所述组滤波器配置为计算用于多普勒频率组的多普勒频谱，每个滤波器被调谐至所述多普勒频率组，其中，用于每个滤波器的积分处理时间相对于每个滤波器的所述多普勒频率发生变化，
其中，用于每个滤波器的所述积分处理时间与所述滤波器的所述多普勒频率成反比，使得所述积分处理时间随着与每个滤波器相关联的所述多普勒频率减小而增加。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述积分处理时间代表来自所述接收信号向量的多个积分样本，所述多个积分样本用于计算针对滤波器的给定多普勒频率的所述多普勒频谱。
3.根据权利要求2所述的方法，其中，来自所述接收信号向量的用于计算所述多普勒频谱的所述多个积分样本随着与每个滤波器相关联的所述多普勒频率减小而增加。
4.根据权利要求2所述的方法，其中，所述积分样本与所述多普勒频率之间的关系是
Figure FDA0004118787630000011
其中，Δ是距离分辨单元航迹，Fc是信号载波频率；Fs是取样频率，c是光速，fi是多普勒频率组，并且Ni是用于计算用于每个滤波器的所述多普勒频谱的积分样本的数量。
5.根据权利要求4所述的方法，其中，i的范围为0至K-1，其中，K是所述滤波器组中的滤波器的数量，并且其中，f0<fk-1并且N0＞NK-1。
6.根据权利要求1所述的方法，其中，所述滤波器组配置为应用有限冲激响应滤波器(FIR)和离散傅里叶变换(DFT)中的至少一个。
7.根据权利要求1所述的方法，其中，每个滤波器的所述多普勒频率与检测目标的相对速度相对应。
8.根据权利要求1所述的方法，其中，所述接收信号向量代表在相干脉冲间隔(CPI)期间从以脉冲重复频率(PRF)进行传输的传输脉冲接收的回波信号。
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