CN109444819B - 雷达系统及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

本公开提供了一种雷达系统及其控制方法，雷达系统包括多个雷达单元，每个雷达单元包括：至少一个射频通道，每个射频通道用于根据接收信号产生模拟输入信号；处理模块，与各个射频通道相连，用于对模拟输入信号采样获得数字信号，并对数字信号执行第一数字信号处理过程以获得中间数据。其中，当多个雷达单元处于联合工作模式时，指定的雷达单元对多个雷达单元提供的多个中间数据集中执行第二数字信号处理过程，从而获得雷达系统的结果数据。本公开提供的雷达系统及其控制方法具有良好的可扩展性和可复制性，降低了开发成本和实现成本，容易实现射频通道数量的增加，进而能够构建大规模的雷达系统、实现探测距离以及探测角度的精度和分辨率的提升。

Description

雷达系统及其控制方法
技术领域
本发明涉及雷达技术领域，更具体地，涉及一种雷达系统及其处理方法。
背景技术
通常情况下，雷达系统的探测距离受限于发射功率的大小，探测角度的精度与分辨率受限于接收通道的数量。目前，单一芯片中无法设置大量的发射接收通道，并且，当单一芯片中的接收通道数量增多时，需要提高后端信号处理能力并相应地增大存储单元的容量，这都为提高探测角度的精度和分辨率带来了困难。
为解决上述困难，通常的做法是在雷达系统中设置级联的多个射频收发芯片(或射频收发模块)，并将各个射频收发芯片产生的中频信号提供给后端的微处理器(MicroControllerUnit,MCU)进行信号处理。
具体地，图1示出了一种现有技术的雷达系统1000的结构示意图。如图1所示，现有的雷达系统1000包括处理器U0以及排列为阵列的多个射频芯片(或射频模块)1100，为了实现各个射频芯片的同步，处理器U0需要向各个射频芯片提供相应的同步信号sync。每个射频芯片1100分别通过对应的天线获得接收信号，并根据同步信号sync将接收信号转换为中频信号IF。处理器U0对来自各个射频芯片1100的中频信号IF进行信号处理，从而解析得到接收信号提供的最终数据。
可以看出，现有的雷达系统至少存在着以下不足之处：1、现有的雷达系统所采用的处理器U0和多个射频芯片1100为不同的芯片，开发过程中需要分别进行设计开发，不仅不利于设计效率的提升，且不利于在片上系统层面对雷达系统进行整合；2、信号处理过程集中在单个的处理器U0内进行，因此要求处理器U0具有强大的处理能力，导致成本高、系统复杂；3、当雷达系统需要较多的接收通道时，虽然射频芯片的数量可以通过扩展阵列的方式增加，但是处理器U0的处理能力存在性能上限和成本上限，因此现有的雷达系统的接收通道的最大值受限于处理器U0的处理能力和成本，导致雷达系统的可扩展性较差，不利于构建大规模的雷达系统。
发明内容
为了解决上述现有技术存在的问题，本发明提供的雷达系统及其控制方法通过将至少部分信号处理过程分布在各个雷达单元内，降低了开发难度和实现成本，具有良好的可扩展性，能够更容易地在雷达系统中集成较多的射频通道以构建大规模的雷达系统，从而实现探测距离以及探测角度精度和分辨率的提升。
根据本发明的一方面，提供了一种雷达系统，其特征在于，包括多个雷达单元，每个所述雷达单元包括：至少一个射频通道，每个所述射频通道用于获得接收信号并根据接收信号产生模拟输入信号；处理模块，与所述至少一个射频通道相连，用于对所述模拟输入信号进行采样获得数字信号，并对所述数字信号执行第一数字信号处理过程以获得中间数据，其中，当所述多个雷达单元处于联合工作模式时，指定的所述雷达单元对所述多个雷达单元提供的多个所述中间数据集中执行第二数字信号处理过程，从而获得所述雷达系统的结果数据。
可选的，当所述雷达单元处于独立工作模式时，在该雷达单元内，所述处理模块对所述中间数据执行所述第二数字信号处理过程，从而获得该雷达单元的所述结果数据。
可选的，在每个所述雷达单元中，所述至少一个射频通道包括：至少一个接收天线，用于获得所述接收信号；以及前端模块，与所述至少一个天线相连，用于根据本振信号将所述接收信号转换成所述模拟输入信号，所述处理模块包括：模数转换器，用于根据采样时钟信号对所述模拟输入信号进行采样，从而获得相应的数字信号；以及雷达处理器，包括第1至M个子处理单元和用于存储所述中间数据和/或所述结果数据的存储单元，其中第1至k个子处理单元用于实现所述第一数字信号处理过程，第k+1至M个子处理单元用于实现所述第二数字信号处理过程，其中M为大于等于2的自然数，k为大于等于1且小于M的自然数。
可选的，所述至少一个射频通道还包括：至少一个发射天线，用于根据所述本振信号向外提供发射信号。
可选的，所述第1至M个子处理单元分别执行以下各个数字信号处理过程的至少部分过程：傅里叶变换、目标检测、角度检测和点云成像。
可选的，所述第一数字信号处理过程包括第一维傅里叶变换、第二维傅里叶变换以及目标检测。
可选的，所述多个雷达单元包括一个主雷达单元和多个从雷达单元，当所述多个雷达单元处于联合工作模式时，所述主雷达单元产生所述本振信号和所述采样始终信号并提供给所述多个从雷达单元。
可选的，所述主雷达单元依次与所述多个从雷达单元级联。
可选的，级联在前的所述雷达单元分别将本级的中间数据对应的地址或其与前级雷达单元提供的地址合并之后的地址提供给下一级雷达单元，从而在最后一级所述雷达单元中获得最终地址，各个所述从雷达单元分别将其自身产生的所述中间数据直接地或者通过级联在前的所述从雷达单元传输至所述主雷达单元，所述主雷达单元作为所述指定的雷达单元生成所述结果数据。
可选的，级联在前的所述雷达单元分别将本级的中间数据对应的地址或其与前级雷达单元提供的地址合并之后的地址提供给下一级雷达单元，并将本级的中间数据和各个前级雷达单元的中间数据提供给下一级雷达单元，最后一级从雷达单元作为所述指定的雷达单元，用于根据前一级雷达单元提供的地址和各级雷达单元提供的中间数据生成最终的所述结果数据。
可选的，级联在前的所述雷达单元将本级的中间数据或本级的中间数据与前一级的中间数据合并之后的数据提供给下一级雷达单元，最后一级从雷达单元作为所述指定的雷达单元，用于根据前一级雷达单元提供的数据生成最终的所述结果数据。
可选的，每个所述雷达单元分别由独立的片上系统芯片实现。
可选的，每个所述雷达单元通过总线结构实现同步和数据交换。
可选的，所述总线结构设置于电路板上或芯片封装结构内。
可选的，所述多个雷达单元排布成阵列。
根据本发明的另一方面，还提供了一种用于雷达系统的控制方法，其特征在于，所述雷达系统包括多个雷达单元，所述控制方法包括：每个所述雷达单元分别根据获得的接收信号产生模拟输入信号，并对所述模拟输入信号进行采样以获得相应的数字信号；每个所述雷达单元分别对其采样得到的所述数字信号执行第一数字信号处理过程，从而获得相应的中间数据；以及当所述多个雷达单元处于联合工作模式时，指定的所述雷达单元对所述多个雷达单元提供的多个所述中间数据集中执行第二数字信号处理过程，从而获得所述雷达系统的结果数据。
可选的，所述控制方法还包括：当所述雷达单元处于独立工作模式时，该雷达单元对其产生的所述中间数据执行所述第二数字信号处理过程，从而获得该雷达单元的所述结果数据。
可选的，每个所述雷达单元分别根据获得的接收信号产生模拟输入信号并对所述模拟输入信号进行采样以获得相应的数字信号的步骤包括：在每个所述雷达单元中，根据本振信号将所述接收信号转换成所述模拟输入信号；根据采样时钟信号对所述模拟输入信号进行采样，从而获得相应的所述数字信号。
可选的，所述控制方法还包括：根据所述本振信号向外提供发射信号。
可选的，每个所述雷达单元分别包括第1至M个子处理单元，其中，第1至k个子处理单元用于实现所述第一数字信号处理过程，第k+1至M个子处理单元用于实现所述第二数字信号处理过程，其中M为大于等于2的自然数，k为大于等于1且小于M的自然数。
可选的，所述第1至M个子处理单元分别执行以下各个数字信号处理过程的至少部分过程：傅里叶变换、目标检测、角度检测和点云成像。
可选的，所述第一数字信号处理过程包括第一维傅里叶变换、第二维傅里叶变换以及目标检测。
可选的，所述多个雷达单元包括一个主雷达单元和多个从雷达单元，当所述多个雷达单元处于联合工作模式时，所述主雷达单元产生所述本振信号和所述采样始终信号并提供给所述多个从雷达单元。
可选的，所述主雷达单元依次与所述多个从雷达单元级联。
可选的，级联在前的所述雷达单元分别将本级的中间数据对应的地址或其与前级雷达单元提供的地址合并之后的地址提供给下一级雷达单元，从而在最后一级所述雷达单元中获得最终地址，各个所述从雷达单元分别将其自身产生的所述中间数据直接地或者通过级联在前的所述从雷达单元传输至所述主雷达单元，所述主雷达单元作为所述指定的雷达单元生成所述结果数据。
可选的，级联在前的所述雷达单元分别将本级的中间数据对应的地址或其与前级雷达单元提供的地址合并之后的地址提供给下一级雷达单元，并将本级的中间数据和各个前级雷达单元的中间数据提供给下一级雷达单元，最后一级从雷达单元作为所述指定的雷达单元，用于根据前一级雷达单元提供的地址和各级雷达单元提供的中间数据生成最终的所述结果数据。
可选的，级联在前的所述雷达单元将本级的中间数据或本级的中间数据与前一级的中间数据合并之后的数据提供给下一级雷达单元，最后一级从雷达单元作为所述指定的雷达单元，用于根据前一级雷达单元提供的数据生成最终的所述结果数据。
可选的，每个所述雷达单元通过总线结构实现同步和数据交换。
本发明实施例的雷达系统及其控制方法通过将部分或全部信号处理过程分布在各个雷达单元内进行处理，取代了现有技术中统一进行数据处理的处理器，因此对各个雷达单元的处理能力的要求较低，使得雷达系统具有更好的可扩展能力并降低了雷达系统的实现成本，从而能够很容易地实现射频通道数量的增加以构建大规模的雷达系统，提升了雷达系统的探测距离以及探测角度的精度和分辨率；同时，各个雷达单元的结构近似或完全相同，因此在对雷达系统进行设计或扩展时，所需的设计时间和系统的复杂程度均大大降低，不需要分别对不同的芯片或模块进行再设计，提高了设计效率、降低了设计成本和设计难度。
在优选的实施例中，各个雷达单元能够成组地或独立地由片上系统芯片实现，从而增强了雷达系统的片上集成度。
在一些优选的实施例中，雷达系统及其控制方法采用具有总线结构的传输单元实现各个雷达单元的同步以及数据传输，结构简单；在另一些优选的实施例中，雷达系统及其控制方法采用了具有主-从结构的传输单元，将数字信号处理过程分为多个部分，各个部分可在单个雷达单元内集中进行或在多个雷达单元内分布执行，从而在实现了上述技术效果的同时，降低了对各个雷达单元的处理能力的要求，且不需要设置数据承载能力和传输能力强大的总线，因此具有更高的灵活性，进一步降低了雷达系统的扩展难度和成本，从而更容易实现探测距离以及探测角度精度和分辨率的提升。
附图说明
通过以下参照附图对本发明实施例的描述，本发明的上述以及其他目的、特征和优点将更为清楚。
图1示出了一种现有技术的雷达系统的结构示意图。
图2示出本发明第一实施例的雷达系统中各个雷达单元的结构示意图。
图3示出本发明第一实施例的处理模块执行数字信号处理过程的步骤示意图。
图4示出本发明第二实施例的雷达系统的示意性框图。
图5示出了本发明第三实施例的雷达系统的示意性框图。
图6示出了雷达系统的同步机制的局部结构示意图。
图7示出图6中的雷达系统的第一种实现结构的示意性框图。
图8示出图6中的雷达系统的第二种实现结构的示意性框图。
图9示出图6中的雷达系统的第三种实现结构的示意性框图。
图10示出本发明第四实施例的雷达系统的控制方法的流程示意图。
具体实施方式
以下将参照附图更详细地描述本发明。在各个附图中，相同的元件采用类似的附图标记来表示。为了清楚起见，附图中的各个部分没有按比例绘制。此外，在图中可能未示出某些公知的部分。
图2示出本发明第一实施例的雷达系统中各个雷达单元的结构示意图。
如图2所示，本发明第一实施例的雷达系统包括多个雷达单元2100。其中，各个雷达单元2100可以排列为阵列。
进一步地，每个雷达单元2100包括前端模块2110、处理模块2120以及至少一个天线。其中，每个天线作为接收天线和/或发射天线，用于获得接收信号和/或向外提供发射信号。
前端模块2110根据本振信号LO将各个天线提供的接收信号转换成相应的模拟输入信号，从而前端模块2110与所述至少一个天线(可以形成天线阵列)形成该雷达单元2100的至少一个射频通道。作为具体的实施例，发射天线可以根据相同的本振信号LO向外提供发射信号。作为具体的实施例，如图2所示，前端模块2110包括多个提供发射通道Tx的天线、多个提供接收通道Rx的天线、多个混频器Mx、模拟处理电路2111以及本振信号发生器2112。在接收过程中，各个混频器Mx分别将对应的接收通道Rx提供的接收信号与本振信号LO混频得到初级模拟信号，各个初级模拟信号在模拟处理电路2111中被转换模拟输入信号。在一些实施例中，本振信号发生器2112产生的本振信号LO被各个发射通道Tx和接收通道Rx共用。
处理模块2120与各个射频通道相连，用于对模拟输入信号进行采样获得数字信号，并对数字信号执行第一数字信号处理过程以获得中间数据。具体地，处理模块2120包括模数转换器2121和雷达处理器2122。其中，模数转换器2121用于根据采样时钟信号clk_sample对模拟输入信号进行采样，从而获得相应的数字信号；雷达处理器2122包括第1至M个子处理单元和用于存储中间数据和/或结果数据的存储单元，其中第1至k个子处理单元用于实现所述第一数字信号处理过程，第k+1至M个子处理单元用于实现所述第二数字信号处理过程，其中M为大于等于2的自然数，k为大于等于1且小于M的自然数。
雷达单元2100通过相应的端口C_OUT将中间数据提供给外部电路(例如为其他雷达单元或其他外部电路)。
优选地，每个雷达单元中的各个射频通道以及处理模块2120集成于同一个片上系统芯片内。
在一些实施例中，每个雷达单元的处理模块2120还包括辅助处理器2123，其可以根据雷达处理器2122提供的输出结果进行进一步处理，并将处理后获得的中间数据通过相应的端口C_OUT输出。
本实施例的雷达系统中，各个雷达单元接收到的接收信号将会最终经过第一数字信号处理过程和第二数字处理过程转换成雷达系统的结果数据。各个雷达单元可以工作于独立工作模式或联合工作模式：在联合工作模式下，指定的雷达单元对各个雷达单元提供的中间数据集中执行第二数字信号处理过程，从而获得雷达系统的结果数据；在独立工作模式下，独立工作的雷达单元构成雷达系统，该雷达单元中的处理模块对其获得的中间数据继续执行第二数字信号处理过程，从而获得该雷达单元的结果数据。
本发明实施例的雷达系统中的多个雷达单元可以联合实现接收数据的处理，从而获得目标物的距离、速度和角度信息等结果数据或根据结果数据获得点云雷达图像。下面以此为例进一步说明。
图3示出本发明第一实施例的处理模块执行数字信号处理过程的步骤示意图。
如图3所示，在本实施例中，结果数据例如为角度检测结果数据和/或点云成像结果数据。雷达处理器2122中的第1至M个子处理单元例如分别执行以下各个数字信号处理过程的至少部分过程：傅里叶变换、目标检测、角度检测和点云成像，其中傅里叶变换可以包括第一维FFT变换(1D-FFT)和第二维FFT变换(2D-FFT)。
当该雷达单元独立工作时，如图3所示，处理模块中的模数转换器首先对模拟输入信号进行采样以获得数字信号，随后雷达处理器基于该数字信号进行傅里叶变换(第一维FFT变换(1D-FFT)和第二维FFT变换(2D-FFT))、目标检测等，从而获得最终结果。在此情况下，该雷达单元单独作为雷达系统运行，图3中的实线箭头示出了相关流程。
当该雷达单元与其他雷达单元或其他电路联合工作时，如图3中的虚线所示，当雷达单元中的模数转换器通过采样获得数字信号之后，雷达处理器可以基于该数字信号将第一维的FFT变换结果、第二维的FFT变换结果、目标检测结果等数据作为中间数据输出至其他雷达单元或其他电路，从而原则上可以在任何一个数据处理阶段实现该雷达单元与外部电路的数据交换；接收该中间数据的雷达单元或其他电路将该中间数据继续传递给其他电路或对该中间数据继续执行第二数字信号处理过程(例如图3所示的角度检测和点云成像)。在此情况下，该雷达单元与其他雷达单元和/或其他电路实现了分布式的雷达处理系统。
作为替代的实施例，本发明提供的雷达系统也可以在汇总地执行了部分子步骤之后再次将数据分散到各个雷达单元中进行进一步的处理，并通过再次汇总得到结果数据，即雷达系统的数字信号处理过程可以包括至少一次汇总处理过程(在指定的雷达单元中执行)和至少一次分布处理过程(在各个雷达单元中分别执行)。
作为一种优选的实施例，与汇总处理过程相比，每次分布处理过程计算的数据量较小，从而避免对各个雷达单元之间的数据传输能力和指定进行汇总处理过程的雷达单元的数据承载能力造成负担。
以图3所示的数字信号处理过程为例，由于目标检测之前的数据吞吐量及需要的存储空间很大，因此难以满足对雷达系统的实时性要求。为了保证雷达系统的性能，作为优选的实施例，各个雷达单元均在完成了目标检测的数据处理阶段之后提供中间数据，保证各个雷达单元提供的中间数据的数据量以及所需的存储空间被限制在较小的范围内。进一步地，各个雷达单元之间只需交换目标检测后得到的目标地址及其对应的2D-FFT信息；随后在指定的雷达单元内汇总各个雷达单元提供的目标地址及对应的2D-FFT信息，并集中执行角度检测等进一步的数据处理，最终在指定的雷达单元内获得结果数据。
图4示出本发明第二实施例的雷达系统的示意性框图。
如图4所示，本发明第二实施例的雷达系统2000利用总线结构DATABUS0实现各个雷达单元2100之间的同步以及数据的传输与交换。每个雷达单元2100的内部结构与图2所示的雷达单元相同，在此不再赘述。
优选地，总线结构设置于雷达系统所在的电路板上并分布于多个片上系统芯片之间，各个雷达单元成组地或单独地集成于对应的片上系统芯片内。进一步优选地，所述多个片上系统芯片分布于总线结构的两侧。作为替代的实施例总线结构也可以直接设置于芯片封装结构中。
上述实施例的雷达系统利用分别设置在每个雷达单元中的处理模块取代了现有技术中统一进行数据处理的处理器，并采用与各个雷达单元相连的总线结构实现时钟同步、数据同步以及数据交换，因此对处理模块的处理能力的要求较低，使得雷达系统具有更好的可扩展能力并降低了雷达系统的实现成本，从而能够很容易地实现射频通道数量的增加以构建大规模的雷达系统，提升了雷达系统的探测距离以及探测角度的精度和分辨率；同时，各个雷达单元的结构近似或完全相同，因此在对雷达系统进行设计或扩展时，所需的设计时间和系统的复杂程度均大大降低，不需要分别对不同的芯片或模块进行再设计，提高了设计效率、降低了设计成本和设计难度。
上述实施例的雷达系统采用了总线结构。然而，随着射频通道数量的增大，总线结构需要具有更高的数据承载能力和数据传输速率才能支持雷达单元之间的数据共享，同时也需要在各个雷达单元之间设置非常严格的同步机制。为此，本发明在图1所示的雷达系统的基础上提供了第二实施例的雷达系统，以降低传输单元和同步机制的设计难度。
图5示出了本发明第三实施例的雷达系统的示意性框图。
如图5所示，本发明第三实施例的雷达系统同样包括多个雷达单元，其中每个雷达单元的内部结构与图2所示的雷达单元相同，在此不再赘述。
与上述第二实施例中的雷达系统不同的是，在本实施例中，多个雷达单元包括一个主雷达单元2100A和多个从雷达单元2100B，从而形成不同于总线结构的主从结构。本实施例中各个雷达单元的处理模块产生的中间数据会在指定的一个雷达单元(主雷达单元和多个从雷达单元之一)中进一步被执行第二数字处理过程，从而利用该指定的雷达单元得到最终的结果数据。
具体地，主雷达单元2100A可以与各个从雷达单元2100B依次级联。下面将以此为例进行详细描述。
当多个雷达单元处于联合工作模式时，需要设计同步机制使得主雷达单元2100A和从雷达单元2100B同步，该同步机制主要包括三方面：本振信号LO的同步、模数转换器的采样时钟信号的同步以及雷达单元内部的各个处理器的同步。作为一种具体的实施例，主雷达单元2100A产生本振信号LO和采样时钟信号clk_sample并提供给各个从雷达单元2100B，各个雷达单元的处理模块基于相同的采样时钟信号clk_sample对相应的模拟输入信号进行采样，前端收发链路中的各个前端模块共享相同的本振信号LO(例如由主雷达单元2100A中的锁相环结构向各个从雷达单元2100B的前端模块2110直接或间接地提供主本振信号LO)，从而实现各个雷达单元之间的同步。
下面基于图6对雷达系统的同步机制进行详细说明。需要说明的是，图6中仅示出了各个雷达单元中的部分结构(例如本振信号发生器、多个缓冲器或反相器、多个开关、发射通道、接收通道、模数转换器ADC和雷达处理器等)。并且，为了简化说明，下面将会以包含两个雷达单元的雷达系统为例对雷达单元之间的同步和数据交换进行说明，然而本发明不限于此，本领域技术人员可以根据需要将下面的实施例扩展成包含两个以上雷达单元的雷达系统。
如图6所示，主雷达单元2100A(例如由第一芯片SOC_A实现)和从雷达单元2100B(例如由第二芯片SOC_B实现)分别具有本振信号输出端LO_OUT、本振信号输入端LO_IN、采样时钟输出端SYNC_OUT以及采样时钟输入端SYNC_IN。
当雷达单元独立工作时(例如雷达系统中仅有主雷达单元工作)：如图6所示，主雷达单元2100A内部的开关s2,s4导通、s1和s3断开，同时端口LO_OUT,LO_IN,SYNC_IN,SYNC_OUT(或相应的内部信号)都处于不连接状态(无效状态)；从雷达单元2100B关闭。
当主雷达单元与从雷达单元联合工作时：主雷达单元2100A中的开关s2,s4断开、s1和s3闭合，从雷达单元2100B中的开关s1’,s2’,s4’断开、s3闭合；同时，主雷达单元2100A的端口LO_OUT向主雷达单元2100A的端口LO_IN以及从雷达单元2100B的端口LO_IN提供本振信号LO，且主雷达单元2100A的端口SYNC_OUT向主雷达单元的端口SYNC_IN和从雷达单元2100B的端口SYNC_IN提供采样时钟信号clk_sample，从而实现各个雷达单元的本振信号的同步和采样时钟信号的同步。主雷达单元和从雷达单元联合工作时的连接关系如图7中的虚线所示。
图7示出图6中的雷达系统的第一种实现结构的示意性框图。该雷达系统仅示出级联的三个雷达单元，然而本发明实施例不限于此，本领域技术人员可以据此设计出包含两个或两个以上的雷达单元的雷达系统。同时需要说明的是，各个雷达单元中的部分模块未示出。
如图7所示，主雷达单元2100A将其目标检测后获得的目标地址传输给从雷达单元2100B1；从雷达单元2100B1根据其本身的目标检测后获得的目标地址以及主雷达单元提供的目标地址生成第一级合并目标地址(第一级合并目标地址可以包括主雷达单元和/或从雷达单元提供的目标地址)，并将该第一级合并目标地址传输给从雷达单元2100B2；从雷达单元2100B2同样根据其自身目标检测后获得的目标地址以及从雷达单元2100B1提供的第一级合并目标地址生成第二级合并目标地址(第二级合并目标地址包括从雷达单元2100B2提供的目标地址和/或从雷达单元2100B1提供的第一级合并目标地址)，并产生最终目标地址。
随后，从雷达单元2100B2将最终目标地址及其对应的2D-FFT信息传回给从雷达单元2100B1；从雷达单元2100B1根据最终目标地址将其对应的2D-FFT信息和从雷达单元2100B2提供的2D-FFT信息共同传输回给主雷达单元2100A；主雷达单元2100A根据最终目标地址将其对应的2D-FFT信息以及从雷达单元2100B1和2100B2传回的2D-FFT信息共同提供给主雷达单元中的雷达处理器，使得雷达处理器中的角度检测单元或点云成像处理单元能够对各个雷达单元提供的2D-FFT信息进一步处理并产生雷达系统的结果数据。
图8示出图6中的雷达系统的第二种实现结构的示意性框图。同样地，该雷达系统仅示出级联的三个雷达单元，然而本发明实施例不限于此，本领域技术人员可以据此设计出包含两个或两个以上的雷达单元的雷达系统。同时需要说明的是，各个雷达单元中的部分模块未示出。
如图8所示，主雷达单元2100A将其目标检测后获得的目标地址及其对应的2D-FFT信息传输给从雷达单元2100B1；从雷达单元2100B1通过其自身的目标检测后获得目标地址及其对应的2D-FFT信息，并根据其自身的目标地址以及主雷达单元2100A提供的目标地址生成第一级合并目标地址(第一级合并目标地址可以包括主雷达单元和/或从雷达单元提供的目标地址)，随后将该第一级合并目标地址、主雷达单元2100A提供的2D-FFT信息以及从雷达单元2100B1提供的2D-FFT信息传输给从雷达单元B；从雷达单元2100B2同样通过其自身的目标检测获得目标地址及其对应的2D-FFT信息，并根据其自身的目标地址以及从雷达单元2100B1提供的第一级合并目标地址生成第二级合并目标地址(第二级合并目标地址包括从雷达单元2100B2提供的目标地址和/或从雷达单元2100B1提供的第一级合并目标地址)，随后从雷达单元2100B2根据第二级合并目标地址获得最终目标地址，并根据最终目标地址将从雷达单元2100B1、从雷达单元2100B2以及主雷达单元2100A提供的2D-FFT信息共同提供给从雷达单元2100B2中的雷达处理器，使得雷达处理器中的角度检测单元或点云成像处理单元能够对各个雷达单元提供的2D-FFT信息进一步处理并产生雷达系统的结果数据。
图9出图6中的雷达系统的第三种实现结构的示意性框图。同样地，该雷达系统仅示出级联的三个雷达单元，然而本发明实施例不限于此，本领域技术人员可以据此设计出包含两个或两个以上的雷达单元的雷达系统。同时需要说明的是，各个雷达单元中的部分模块未示出。
如图9所示，主雷达单元将其目标检测后获得的目标地址以及对应的2D-FFT信息传输给雷达处理器中的角度检测和点云成像处理单元。该处理单元将其角度检测的计算结果及主雷达单元的目标地址传输给从雷达单元A；从雷达单元A根据其本身的目标检测后获得的目标地址与主雷达单元提供的目标地址生成第一级合并目标地址(第一级合并目标地址可以包括主雷达单元和/或从雷达单元提供的目标地址)，并将第一级合并目标地址对应的2D-FFT信息提供给从雷达单元A的角度检测和点云成像处理单元，该处理单元根据第一级合并目标地址对应获得自身的2D-FFT信息，并根据该2D-FFT信息以及由主雷达单元提供的角度检测计算结果进行运算，得到第一级合并结果，最后将第一级合并结果和第一级合并目标地址共同传输给从雷达单元B；从雷达单元B根据其本身的目标检测后获得的目标地址和第一级合并目标地址生成第二级合并目标地址(第二级合并目标地址包括从雷达单元B提供的目标地址和/或从雷达单元A提供的第一级合并目标地址)，并将第二级合并目标地址对应的2D-FFT信息提供给从雷达单元B中的角度检测和点云成像处理单元，该处理单元根据第二级合并目标地址对应获得自身的2D-FFT信息，并根据该2D-FFT信息以及由从雷达单元A提供的第一级合并结果进行运算，从而产生雷达系统的结果数据。
下面将具体描述图9中的数字信号处理过程。
角度检测和点云图像生成主要是计算出物体在不同角度上的产生的能量分布谱，谱峰值点对应物体方向，而谱的直接输出即可用于生成点云图像。具体地说来，每个反射物在每个接收通道的2D-FFT信息中存在一个峰值，假设有n个通道，则分别记这些峰值为xi,i＝1……n。为了得到不同方向上的能量分布谱，需要根据接收信号转换得到的数字信号中包含的信息产生加权系数ωi(θ),i＝1……n，其中θ表征方向角度,其取值范围例如为-90°到90°，其取值间隔例如为1°，可以得到能量分布谱SpectrumBFM(θ)的计算公式：
由于当各个雷达单元处于联合工作模式时，n个接收通道是分布在不同的雷达单元上的，所以每个雷达单元只能提供部分的n个峰值中的部分峰值xi。在一些实施例中，各个雷达单元也只能获得n个加权系数中的部分加权系数ωi(θ)，即各个雷达单元只能获得部分天线信息。
以包含两个雷达单元的雷达系统为例，假设第一个雷达单元中包含n1个接收通道，第二个雷达单元中包含n2个接收通道，其中n1和n2分别为非零自然数且n1+n2＝n，则能量分布谱SpectrumBFM(θ)的计算公式可以写成：
也就是说，如图9所示，级联在第一级的雷达单元可以把计算好的值直接传递给第二级的雷达单元；第二级的雷达单元计算得到/>值之后，只需要将第一级雷达单元传输过来的中间数据/>值与本级雷达单元产生的中间数据/>合并后取模，并继续传输给下一级的雷达单元，以此类推，最终在最后一级的雷达单元中获得结果数据，即能量分布谱SpectrumBFM(θ)。
在图7和图8所示的雷达系统中，雷达单元之间的最大数据传输量和系统的雷达单元总数量成正比。而在图9所示的雷达系统中，雷达单元之间的数据传输量基本保持不变，因此该方案能够进一步减少雷达单元之间的信息传输量、增强可扩展性。
本发明第三实施例的雷达系统采用了具有主从结构的传输单元，将数字信号处理过程分为多个部分，并在各个雷达单元中分布式地执行相应的部分或在指定的雷达单元中集中执行相应的部分，从而在实现了上述技术效果的同时，降低了对各个雷达单元的处理能力的要求，且不需要设置数据承载能力和传输能力强大的总线，因此具有更高的灵活性，进一步降低了雷达系统的扩展难度和成本，从而更容易实现探测距离以及探测角度精度和分辨率的提升。
图10示出本发明第四实施例的雷达系统的控制方法的流程示意图。
本发明第四实施例的雷达系统的控制方法包括步骤S410至S440，其中，雷达系统包括多个雷达单元(雷达系统例如为上述实施例中的雷达系统)。
在步骤S410中，每个雷达单元分别根据获得的接收信号产生模拟输入信号，并对模拟输入信号进行采样以获得相应的数字信号。具体地，每个雷达单元根据本振信号将接收信号转换成模拟输入信号、根据采样时钟信号对模拟输入信号进行采样，从而获得相应的数字信号。在一些实施例中，每个雷达单元根据相同的本振信号向外提供发射信号。
在步骤S420中，每个雷达单元分别对其采样得到的数字信号执行第一数字信号处理过程，从而获得相应的中间数据。
在步骤S430中，当多个雷达单元处于联合工作模式时，指定的雷达单元对多个雷达单元提供的多个中间数据集中执行第二数字信号处理过程，从而获得雷达系统的结果数据。
在步骤S440中，当雷达单元处于独立工作模式时，该雷达单元对其产生的中间数据执行第二数字信号处理过程，从而获得该雷达单元的结果数据。
作为一种具体的实施例，每个雷达单元分别包括第1至M个子处理单元。第1至k个子处理单元用于实现第一数字信号处理过程，第k+1至M个子处理单元用于实现第二数字信号处理过程，其中M为大于等于2的自然数，k为大于等于1且小于M的自然数。
其中，第1至M个子处理单元分别执行以下各个数字信号处理过程的至少部分过程：傅里叶变换、目标检测、角度检测和点云成像。第一数字信号处理过程例如包括第一维傅里叶变换、第二维傅里叶变换以及目标检测；第二数字信号处理过程例如包括角度检测和点云成像。
各个雷达单元之间可以形成主从结构的连接关系，也可以构成总线结构的连接关系。相应的控制方法参见上述各实施例，在此不再赘述。
本发明实施例的雷达系统及其控制方法通过将部分或全部信号处理过程分布在各个雷达单元内进行处理，取代了现有技术中统一进行数据处理的处理器，因此对各个雷达单元的处理能力的要求较低，使得雷达系统具有更好的可扩展能力并降低了雷达系统的实现成本，从而能够很容易地实现射频通道数量的增加以构建大规模的雷达系统，提升了雷达系统的探测距离以及探测角度的精度和分辨率；同时，各个雷达单元的结构近似或完全相同，因此在对雷达系统进行设计或扩展时，所需的设计时间和系统的复杂程度均大大降低，不需要分别对不同的芯片或模块进行再设计，提高了设计效率、降低了设计成本和设计难度。
在优选的实施例中，各个雷达单元能够成组地或独立地由片上系统芯片实现，从而增强了雷达系统的片上集成度。
在一些优选的实施例中，雷达系统及其控制方法采用具有总线结构的传输单元实现各个雷达单元的同步以及数据传输，结构简单；在另一些优选的实施例中，雷达系统及其控制方法采用了具有主-从结构的传输单元，将信号处理过程分为多个部分，各个部分可在单个雷达单元内集中进行或在多个雷达单元内分布执行，从而在实现了上述技术效果的同时，降低了对各个雷达单元的处理能力的要求，且不需要设置数据承载能力和传输能力强大的总线，因此具有更高的灵活性，进一步降低了雷达系统的扩展难度和成本，从而更容易实现探测距离以及探测角度精度和分辨率的提升。
应当说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
依照本发明的实施例如上文所述，这些实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施例。显然，根据以上描述，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地利用本发明以及在本发明基础上的修改使用。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。

Claims (24)

1.一种雷达系统，其特征在于，包括多个雷达单元，每个所述雷达单元包括：
至少一个射频通道，每个所述射频通道用于获得接收信号并根据接收信号产生模拟输入信号；
处理模块，与该雷达单元中的各所述射频通道相连，用于对所述模拟输入信号进行采样获得数字信号，并对所述数字信号执行第一数字信号处理过程以获得该雷达单元的中间数据，所述第一数字信号处理过程包括第一维傅里叶变换、第二维傅里叶变换以及目标检测；
其中，当所述多个雷达单元处于联合工作模式时，将所述多个雷达单元中的一个雷达单元作为指定的雷达单元，并只利用所述指定的雷达单元对所有雷达单元提供的所述中间数据集中执行第二数字信号处理过程，从而获得所述雷达系统的结果数据，所述第二数字信号处理过程包括角度检测；
其中，各个雷达单元均在完成了目标检测的数据处理阶段之后提供中间数据，各雷达单元之间只需交换目标检测后得到的目标地址及其对应的2D-FFT信息，随后在所述指定的雷达单元内汇总各个雷达单元提供的目标地址及对应的2D-FFT信息，并集中执行角度检测，获得所述结果数据。
2.根据权利要求1所述的雷达系统，其特征在于，当所述雷达单元处于独立工作模式时，在该雷达单元内，
所述处理模块对所述中间数据执行所述第二数字信号处理过程，从而获得该雷达单元的所述结果数据。
3.根据权利要求1所述的雷达系统，其特征在于，在每个所述雷达单元中，
所述至少一个射频通道包括：
至少一个接收天线，用于获得所述接收信号；以及
前端模块，与所述至少一个天线相连，用于根据本振信号将所述接收信号转换成所述模拟输入信号，
所述处理模块包括：
模数转换器，用于根据采样时钟信号对所述模拟输入信号进行采样，从而获得相应的数字信号；以及
雷达处理器，包括第1至M个子处理单元和用于存储所述中间数据和/或所述结果数据的存储单元，其中第1至k个子处理单元用于实现所述第一数字信号处理过程，第k+1至M个子处理单元用于实现所述第二数字信号处理过程，其中M为大于等于2的自然数，k为大于等于1且小于M的自然数。
4.根据权利要求3所述的雷达系统，其特征在于，所述至少一个射频通道还包括：
至少一个发射天线，用于根据所述本振信号向外提供发射信号。
5.根据权利要求3所述的雷达系统，其特征在于，所述第1至M个子处理单元分别执行以下各个数字信号处理过程的至少部分过程：
傅里叶变换、目标检测、角度检测和点云成像。
6.根据权利要求3所述的雷达系统，其特征在于，所述多个雷达单元包括一个主雷达单元和多个从雷达单元，
当所述多个雷达单元处于联合工作模式时，所述主雷达单元产生所述本振信号和所述采样时钟信号并提供给所述多个从雷达单元。
7.根据权利要求6所述的雷达系统，其特征在于，所述主雷达单元依次与所述多个从雷达单元级联。
8.根据权利要求7所述的雷达系统，其特征在于，
级联在前的所述雷达单元分别将其目标检测后获得的目标地址或所述目标地址与前级雷达单元提供的目标地址合并之后的目标地址提供给下一级雷达单元，从而在最后一级所述雷达单元中获得最终目标地址；
各个所述从雷达单元分别将所述最终目标地址及其对应的2D-FFT信息直接地或者通过级联在前的所述从雷达单元传输至所述主雷达单元，所述主雷达单元作为所述指定的雷达单元，根据所述最终目标地址将其对应的2D-FFT信息以及各个所述从雷达单元传回的2D-FFT信息共同提供给所述主雷达单元中的雷达处理器，使所述雷达处理器中的角度检测单元能够对各个雷达单元提供的2D-FFT信息进一步处理并生成所述结果数据。
9.根据权利要求7所述的雷达系统，其特征在于，
级联在前的所述雷达单元分别将其目标检测后获得的目标地址或所述目标地址与前级雷达单元提供的目标地址合并之后的目标地址提供给下一级雷达单元，并将本级获得的所述目标地址对应的2D-FFT信息和各个前级雷达单元提供的2D-FFT信息提供给下一级雷达单元；
最后一级从雷达单元作为所述指定的雷达单元，用于通过自身的目标检测获得目标地址及其对应的2D-FFT信息，根据其自身的目标地址和前一级雷达单元提供的目标地址合并生成的目标地址获得最终目标地址，根据所述最终目标地址将各级雷达单元提供的2D-FFT信息共同提供给本级雷达单元的雷达处理器，使所述雷达处理器中的角度检测单元能够对各级雷达单元提供的2D-FFT信息进行一步处理并生成所述结果数据。
10.根据权利要求1所述的雷达系统，其特征在于，每个所述雷达单元分别由独立的片上系统芯片实现。
11.根据权利要求1所述的雷达系统，其特征在于，每个所述雷达单元通过总线结构实现同步和数据交换。
12.根据权利要求11所述的雷达系统，其特征在于，所述总线结构设置于电路板上或芯片封装结构内。
13.根据权利要求1所述的雷达系统，其特征在于，所述多个雷达单元排布成阵列。
14.一种用于雷达系统的控制方法，其特征在于，所述雷达系统包括多个雷达单元，所述控制方法包括：
每个所述雷达单元分别根据获得的接收信号产生模拟输入信号，并对所述模拟输入信号进行采样以获得相应的数字信号；每个所述雷达单元分别对其采样得到的所述数字信号执行第一数字信号处理过程，从而获得该雷达单元的中间数据，所述第一数字信号处理过程包括第一维傅里叶变换、第二维傅里叶变换以及目标检测；以及
当所述多个雷达单元处于联合工作模式时，将所述多个雷达单元中的一个雷达单元作为指定的雷达单元，并只利用所述指定的雷达单元对所有雷达单元提供的所述中间数据集中执行第二数字信号处理过程，从而获得所述雷达系统的结果数据，所述第二数字信号处理过程包括角度检测；
其中，各个雷达单元均在完成了目标检测的数据处理阶段之后提供中间数据，各雷达单元之间只需交换目标检测后得到的目标地址及其对应的2D-FFT信息，随后在所述指定的雷达单元内汇总各个雷达单元提供的目标地址及对应的2D-FFT信息，并集中执行角度检测，获得所述结果数据。
15.根据权利要求14所述的控制方法，其特征在于，所述控制方法还包括：
当所述雷达单元处于独立工作模式时，该雷达单元对其产生的所述中间数据执行所述第二数字信号处理过程，从而获得该雷达单元的所述结果数据。
16.根据权利要求14所述的控制方法，其特征在于，每个所述雷达单元分别根据获得的接收信号产生模拟输入信号并对所述模拟输入信号进行采样以获得相应的数字信号的步骤包括：在每个所述雷达单元中，
根据本振信号将所述接收信号转换成所述模拟输入信号；
根据采样时钟信号对所述模拟输入信号进行采样，从而获得相应的所述数字信号。
17.根据权利要求16所述的控制方法，其特征在于，所述控制方法还包括：根据所述本振信号向外提供发射信号。
18.根据权利要求16所述的控制方法，其特征在于，每个所述雷达单元分别包括第1至M个子处理单元，
其中，第1至k个子处理单元用于实现所述第一数字信号处理过程，第k+1至M个子处理单元用于实现所述第二数字信号处理过程，其中M为大于等于2的自然数，k为大于等于1且小于M的自然数。
19.根据权利要求18所述的控制方法，其特征在于，所述第1至M个子处理单元分别执行以下各个数字信号处理过程的至少部分过程：
傅里叶变换、目标检测、角度检测和点云成像。
20.根据权利要求16所述的控制方法，其特征在于，所述多个雷达单元包括一个主雷达单元和多个从雷达单元，
当所述多个雷达单元处于联合工作模式时，所述主雷达单元产生所述本振信号和所述采样时钟信号并提供给所述多个从雷达单元。
21.根据权利要求20所述的控制方法，其特征在于，所述主雷达单元依次与所述多个从雷达单元级联。
22.根据权利要求21所述的控制方法，其特征在于，
级联在前的所述雷达单元分别将其目标检测后获得的目标地址或所述目标地址与前级雷达单元提供的目标地址合并之后的目标地址提供给下一级雷达单元，从而在最后一级所述雷达单元中获得最终目标地址，
各个所述从雷达单元分别将所述最终目标地址及其对应的2D-FFT信息直接地或者通过级联在前的所述从雷达单元传输至所述主雷达单元，所述主雷达单元作为所述指定的雷达单元，根据所述最终目标地址将其对应的2D-FFT信息以及各个所述从雷达单元传回的2D-FFT信息共同提供给所述主雷达单元中的雷达处理器，使所述雷达处理器中的角度检测单元能够对各个雷达单元提供的2D-FFT信息进一步处理并生成所述结果数据。
23.根据权利要求21所述的控制方法，其特征在于，
级联在前的所述雷达单元分别将其目标检测后获得的目标地址或所述目标地址与前级雷达单元提供的目标地址合并之后的目标地址提供给下一级雷达单元，并将本级获得的所述目标地址对应的2D-FFT信息和各个前级雷达单元提供的2D-FFT信息提供给下一级雷达单元；
最后一级从雷达单元作为所述指定的雷达单元，用于通过自身的目标检测获得目标地址及其对应的2D-FFT信息，根据其自身的目标地址和前一级雷达单元提供的目标地址合并生成的目标地址获得最终目标地址，根据所述最终目标地址将各级雷达单元提供的2D-FFT信息共同提供给本级雷达单元的雷达处理器，使所述雷达处理器中的角度检测单元能够对各级雷达单元提供的2D-FFT信息进行一步处理并生成所述结果数据。
24.根据权利要求14所述的控制方法，其特征在于，每个所述雷达单元通过总线结构实现同步和数据交换。
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