CN109725314A - 车载雷达系统 - Google Patents

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Abstract

一种用于地面车辆的雷达系统，包括MIMO系统，该MIMO系统包括多个发射器、多个接收器、以及包括与多个发射器和多个接收器通信的解释器的控制器。发射器包括第一发射器和多个第二发射器，并且发射器的每个包括与发射天线通信的信号发生器，发射天线设置成发射雷达信号。每个雷达信号是包括啁啾开始部分的线性调频连续波(LFM‑CW)雷达信号，并且接收器的每个包括接收天线，接收天线设置成接收反射的雷达信号。发射器是可控的，使得与来自第一发射器的LFM‑CW雷达信号的啁啾开始部分相比，来自第二发射器的LFM‑CW雷达信号的啁啾开始部分具有逐渐增加的时间延迟。

Description

车载雷达系统
背景技术
当在部署在地面车辆上时，车载雷达系统可用于检测和定位其他车辆、行人以及固定或移动物体。
发明内容
描述了一种用于地面车辆的雷达系统，并且包括MIMO(多输入多输出)系统，该系统包括多个发射器、多个接收器、以及包括与多个发射器和多个接收器通信的解释器的控制器。多个发射器包括第一发射器和多个第二发射器，并且每个发射器包括与发射天线通信的信号发生器，发射天线设置成发射雷达信号。每个雷达信号是包括啁啾开始部分的线性调频连续波(LFM-CW)雷达信号，并且每个接收器包括接收天线，接收天线设置成接收反射的雷达信号。发射器是可控的，使得与从第一发射器发射的LFM-CW雷达信号的啁啾开始部分相比，从第二发射器发射的LFM-CW雷达信号的啁啾开始部分具有逐渐增加的时间延迟。
本公开的一个方面包括多个发射天线设置在车辆上的共同位置。
本公开的另一方面包括多个接收天线设置在车辆上的共同位置。
本公开的另一方面包括多个发射器中的每个信号发生器被配置为独立于发射器的其他信号发生器产生相应的LFM-CW雷达信号。
本公开的另一方面包括发射天线紧邻车辆上的接收天线。
本公开的另一方面包括信号发生器是啁啾数字直接合成器设备。
本公开的另一方面包括多个发射器是可控的，使得与从第一发射器发射的LFM-CW雷达信号的频率相比，从第二发射器发射的LFM-CW雷达信号的相应啁啾开始部分具有逐渐增加的频率。
本公开的另一方面包括逐渐增加的时间延迟被选择为使得从每个第二发射器发射的LFM-CW雷达信号与从第一发射器发射的LFM-CW雷达信号正交。
本公开的另一方面包括每个接收器，每个接收器包括接收天线，其被设置为接收反射的雷达信号，并且其中每个接收器包括匹配滤波器，其被设置为识别来自反射的雷达信号的预期接收信号。
本公开的另一方面包括解释器被设置为基于反射的雷达信号实现图像形成和分析。
本公开的另一方面包括一种用于操作设置在车辆上的MIMO雷达系统的方法。
本发明的上述特征和优点以及其他特征和优点从以下结合附图对一些最佳模式的详细描述和用于实现如所附权利要求中限定的本教导的其他实施例是非常清晰的。
附图说明
现在将参考附图通过示例描述一个或多个实施例，其中：
图1示意性地示出了根据本公开的可以设置在车辆上的车载雷达系统；以及
图2以图形方式示出了根据本公开的由线性调频连续波(LFM-CW)雷达系统发射的雷达信号。
附图不一定按比例绘制，并且呈现如本文所公开的本公开的各种优选特征的略微简化的表示，包括例如特定维度、方位、位置和形状。与这些特征相关的细节将部分地由特定的预期应用和使用环境确定。
具体实施方式
如本文所描述和示出的，所公开的实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下详细描述并非旨在限制所要求保护的本公开的范围，而是仅代表其可能的实施例。另外，尽管在以下描述中阐述了许多具体细节以便提供对本文公开的实施例的透彻理解，但是可以在没有这些细节中的一些的情况下实践一些实施例。此外，为了清楚起见，没有详细描述相关领域中理解的某些技术材料，以避免不必要地模糊本公开。此外，附图是简化的形式，并不是精确的比例。仅出于方便和清楚的目的，可以相对于附图使用诸如顶部、底部、左侧、右侧、上、上方、之上、下方、之下、后方和前方的方向术语。这些和类似的方向术语不应被解释为限制本公开的范围。此外，如本文所示和所述的本公开可以在缺少本文未具体公开的要素的情况下实施。
参考附图，其中相同的附图标记对应于相同或相似的组件，图1与本文公开的实施例一致，示意性地示出了可以设置在车辆10上的车载雷达系统20。车辆10可以包括但不限于商用车辆、工业车辆、农用车辆、乘用车辆形式的地面车辆、飞机、船只、火车、全地形车辆、个人运动装置、机器人等，以实现本公开的目的。车辆10可包括提供一定程度自主车辆控制的高级驾驶辅助系统(ADAS)60和远程信息处理系统70。车载雷达系统20提供与车辆10近端的车辆、行人和其他物体的位置和轨迹有关的信息，这种信息被传送到ADAS 60以供其使用，其可以包括通知驾驶员并自主地控制车辆10。
如本文所使用的，ADAS 60包括能够提供一定程度的驾驶自动化的车载控制系统。术语“驾驶员”和“操作员”描述负责指导车辆10的操作的人员，无论是主动地参与控制一个或多个车辆功能还是指导自主车辆操作。驾驶自动化可包括各种动态驾驶和车辆操作。驾驶自动化可以包括与单个车辆功能相关的一定程度的自动控制或干预，例如转向、加速和/或制动，其中驾驶员持续地对车辆10进行整体控制。驾驶自动化可以包括一定程度的自动控制或者涉及同时控制多个车辆功能的干预，例如转向、加速和/或制动，其中驾驶员持续地对车辆进行全面控制。驾驶自动化可以包括所有车辆驾驶功能的同时自动控制，包括转向、加速和制动，其中驾驶员在行程期间放弃对车辆10的控制一段时间。驾驶自动化可以包括同时自动控制车辆驾驶功能，包括转向、加速和制动，其中驾驶员在整个行程中放弃对车辆的控制。驾驶自动化包括配置成在各种驾驶模式下监测空间环境以在动态操作期间执行各种驾驶任务的硬件和控制器。作为非限制性示例，驾驶自动化可包括巡航控制、自适应巡航控制、车道变换警告、干预和控制、自动停车、加速、制动等。ADAS 60优选地包括一个或多个车辆系统和相关联的控制器，其提供一定程度的驾驶自动化。与ADAS 60相关联的车辆系统、子系统和控制器被实施为执行与自主车辆功能相关联的一个或多个操作，作为非限制性示例，包括自适应巡航控制(ACC)操作、车道引导和车道保持操作、车道变换操作、转向辅助操作、物体避免操作、停车辅助操作、车辆制动操作、车辆速度和加速操作、车辆横向运动操作，例如，作为车道引导、车道保持和车道变换操作的一部分等。
车载雷达系统20可以被配置为多输入/多输出(MIMO)系统，其包括发射部分30、接收部分40和信号构造器控制器50。车载雷达系统20的元件被配置为作为线性调频连续波(LFM-CW)系统操作。选择LFM-CW系统的发射频率和相关操作参数以实现车辆10的预期操作环境的范围、距离分辨率、角度分辨率和速率分辨率的期望值。
雷达系统20的发射部分30包括一定数量的n个发射器33，其由标号33a、33b、33c、...33n表示。发射器33a、33b、33c、...33n中的每个包括相应的信号发生器34a、34b、34c、...34n，其与相应的数模转换器(调制器)35a、35b、35c、...35n通信，数模转换器(调制器)35a、35b、35c、...35n与相应的功率放大器36a、36b、36c、...36n通信，功率放大器36a、36b、36c、...36n向相应的天线37a、37b、37c、...37n提供功率信号。发射器33a、33b、33c、...33n的操作由发射器控制器32控制。在一个实施例中，信号发生器34a、34b、34c、...34n是啁啾数字直接合成器设备。在一个实施例中，n个发射器33设置在车辆10上的共同位置。
接收部分40包括一定数量的m个接收器43，其由标号43a、43b、43c、...43m表示。接收器43a、43b、43c、...43m中的每个包括相应的天线47a、47b、47c、...47m，天线47a、47b、47c、...47m与相应的功率放大器46a、46b、46c、...46m通信，功率放大器46a、46b、46c、...46m与相应的数模转换器45a、45b、45c、...45m通信，数模转换器45a、45b、45c、...45m与相应的信号发生器44a、44b、44c、...44m通信。接收器43a、43b、43c、...43m的操作由接收器控制器42控制。在一个实施例中，m个接收器43设置在车辆10上的共同位置。在一个实施例中，m个接收器43和n个发射器设置在车辆10上的共同位置。
发射器控制器32与发射器33a、33b、33c、...33n、接收器控制器42中的每个通信，并且在一个实施例中，与接收器43a、43b、43c、...43m通信。接收器控制器42与接收器43a、43b、43c、...43m通信。接收器43a、43b、43c、...43m与信号构造器控制器50通信。
在一个实施例中，n个发射器33的数量可以等于m个接收器43的数量。或者，n个发射器33的数量可以小于m个接收器43的数量，或者n个发射器33的数量可以大于m个接收器43的数量。
发射器控制器32命令发射器33a、33b、33c、...33n的定时和控制，以实现LFM-CW雷达信号的产生和发射。接收器控制器42与接收器43a、43b、43c、...43m相互作用以接收和记录反射的雷达信号，即回波信号。接收器控制器42包括匹配滤波器，其被设置为从反射的雷达信号中识别预期的接收信号以实现解码。信号构造器控制器50基于雷达信号接收和记录的数据实现图像形成和分析。匹配滤波器用于允许接收的信号在一系列产生的LFM-CW雷达信号上单独可辨别。
远程信息处理控制器70包括能够进行车外通信的无线远程信息处理通信系统，包括与具有无线和有线通信能力的通信网络80通信。远程信息处理控制器70能够进行包括短程车辆到车辆(V2V)通信的车外通信。替代地或另外地，远程信息处理控制器70具有能够与手持设备(例如，蜂窝电话、卫星电话或另一电话设备)进行短距离无线通信的无线远程信息处理通信系统。在一个实施例中，手持设备装载有软件应用程序，该软件应用程序包括与远程信息处理控制器通信的无线协议，并且手持设备执行车外通信，包括经由通信网络80与车外控制器85通信。替代地或另外地，远程信息处理控制器通过经由通信网络80与车外控制器85通信来直接执行车外通信。
术语“控制器”和诸如控制模块、模块、控制、控制单元、处理器和类似术语的相关术语是指专用集成电路(ASIC)、电子电路、中央处理单元(例如，微处理器和存储器和存储设备形式的相关联的非暂时性存储器组件(只读、可编程只读、随机访问、硬盘驱动器等))的一种或多种组合。非暂时性存储器组件能够存储一个或多个软件或固件程序或例程、组合逻辑电路、输入/输出电路和设备、信号调节和缓冲电路以及可以由一个或多个处理器访问以提供所描述的功能的其他组件形式的机器可读指令。输入/输出电路和设备包括模拟/数字转换器和监测来自传感器的输入的相关设备，对这些输入以预设的采样频率或响应于触发事件进行监测。软件、固件、程序、指令、控制例程、代码、算法和类似术语表示包括校准和查找表的控制器可执行指令集。每个控制器执行控制例程以提供所需的功能。例程可以以规则的间隔执行，例如在正在进行的操作期间每100微秒执行一次。或者，可以响应于触发事件的发生来执行例程。控制器之间的通信以及控制器、致动器和/或传感器之间的通信可以使用直接有线点对点链路、网络通信总线链路、无线链路或其他合适的通信链路来实现。通信包括以合适的形式交换数据信号，包括例如经由导电介质交换电信号，经由空气交换电磁信号，经由光波导交换光信号等。数据信号可包括表示来自传感器的输入、致动器命令和控制器之间的通信的离散、模拟或数字化模拟信号。术语“信号”指的是传达信息的物理上可辨别的指示符，并且可以是能够穿过介质的合适的波形(例如，电、光、磁、机械或电磁)，例如DC、AC、正弦波、三角波、正方形波、振动等。
发射器33a、33b、33c、...33n设置成发射相应的多个雷达信号，包括采用LFM-CW雷达操作。发射器33a、33b、33c、...33n中的每个发射包括啁啾开始的雷达信号，其示例参考图2以图形方式示出。LFM-CW雷达的一个特征是，频率和时间上是等价的。因此，如本文所详述的，可以有利地结合发射器33b、33c、...33n的啁啾开始相对于发射器33a的啁啾开始的时间延迟，以实现发射器33a、33b、33c、...33n之间的频率偏移。
在操作中，通过在相应的啁啾开始中结合时间延迟，发射器33b、33c、...33n相对于发射器33a在频率上偏移。这包括控制多个发射器33a、33b、33c、...33n以实现与用于第一发射器的啁啾开始部分(例如，发射器33a)相比，从连续的第二发射器(例如，发射器33b、33c、...33n)发射的LFM-CW雷达信号的连续啁啾开始部分中逐渐增加时间延迟。
发射的雷达信号可以通过以下关系在数学上表示：
在该关系中，S(t)是发射的信号，A是Tx的振幅，ω是Tx信号频率(啁啾)，τi是第i个发射器Tx的Tx#i啁啾开始延迟。
当发射器信号S(t)是LFM信号时，时间延迟等于恒定频移，可表示如下：
在这种关系中，A是发射器信号Tx的振幅，而ωi是Tx#i的信号频率(啁啾)。
在接收器端，多个发射器信号使得目标在不同范围的每个接收器43a、43b、43c、...43m处被接收多次，其范围等于LFM信号中的频率。接收关系可以用以下关系表示：
在这种关系中，R是范围[米]，c是光速[米/秒]，τ是时间延迟[秒]，f是频率[赫兹]，并且S是啁啾斜率[兆赫兹/秒]。
通过在相应的啁啾开始中增加时间延迟来使发射器信号在频率上偏移。
因此，基带可以实现频率分离，如等式1和2所示，这种频率偏移在基带中产生了分离的、偏移的响应。通过将来自基带的一个段的每个响应与另一个段进行匹配，可以对响应进行微调，从而降低噪声并改善目标。
可以有利地结合在发射器33b、33c、...33n的啁啾开始中引入相对于发射器33a的啁啾开始的时间延迟，以实现发射器33a、33b、33c、...33n之间的频率偏移，使得相应发射的LFM-CW雷达信号呈现正交。同样，在接收器43a、43b、43c、...43m处，可以使用匹配滤波器对回波信号进行解码，该匹配滤波器被设置为识别来自反射雷达信号的预期接收信号，以利用相应的预期接收信号进行解码。
天线设计参数，包括孔径、功率密度、可用功率、增益、噪声和噪声抑制、带宽、辐射方向图(方向)，是特定于应用以实现期望结果的。
图2以图形方式示出了与第一发射器信号202和第二发射器信号204的频率[赫兹]相关的基带LFM振幅，其中在垂直轴210上指示振幅并且在水平轴220上指示频率。因为频率和时间在LFM-CW雷达中是等效的，所以水平轴220也表示时间。因此，第一发射器信号202在时间/频率222处以啁啾开始启动并且在时间/频率226处终止。第二发射器信号204在啁啾开始中具有延迟，并且在222和226中间的时间/频率224处启动。如224所示，第二发射器信号204的啁啾开始的延迟转换为频移，并且与第一发射器信号202相比，频移在基带中产生分离的、偏移的响应。当在一个接收器中接收到回波响应时，可以实现将来自基带的一个片段的响应与基带的另一个片段匹配以清除响应、减少噪声并找到期望的目标，即，识别车辆10的路径中的物体。
通过具有需要相对小的孔径的MIMO雷达系统20的实施例，该配置可以采用可以部署在车辆(例如客车)上的天线阵列来实现高角度分辨率，并且实现与MIMO雷达能力的同时发射器信号正交性。
可以在功能和/或逻辑块组件和/或各种处理步骤方面描述本教导。应该认识到，这样的块组件可以由已经配置为执行指定功能的硬件、软件和/或固件组件组成。
根据本公开的实施例可以体现为装置、方法或计算机程序产品。因此，本公开可以采取完全硬件实施例，完全软件实施例(包括固件、常驻软件、微代码等)的形式，或者组合软件和硬件方面的实施例，其在本文中通常可称为“模块”或“系统”。此外，本公开可以采用体现在有形表达介质中的计算机程序产品的形式，该介质具有包含在介质中的计算机可用程序代码。
详细描述和附图或图是对本教导的支持和描述，但是本教导的范围仅由权利要求限定。虽然已经详细描述了用于执行本教导的一些最佳模式和其他实施例，但是存在用于实践所附权利要求中限定的本教导的各种替代设计和实施例。

Claims (10)

1.一种用于车辆的雷达系统，包括：
多输入多输出(MIMO)系统，包括多个发射器、多个接收器、以及包括与所述多个发射器和所述多个接收器通信的解释器的控制器；
其中所述多个发射器包括第一发射器和多个第二发射器；
其中所述多个发射器中的每个包括与发射天线通信的信号发生器，所述发射天线设置成发射雷达信号；
其中所述多个接收器中的每个包括接收天线，所述接收天线设置成接收反射的雷达信号；
其中每个发射的雷达信号是包括啁啾开始部分的线性调频连续波(LFM-CW)雷达信号；以及
其中所述多个发射器是可控的，使得与从所述第一发射器发射的LFM-CW雷达信号的啁啾开始部分相比，从所述多个第二发射器发射的LFM-CW雷达信号的相应啁啾开始部分具有逐渐增加的时间延迟。
2.根据权利要求1所述的雷达系统，其中所述多个发射天线设置在所述车辆上的共同位置。
3.根据权利要求1所述的雷达系统，其中所述多个接收天线设置在所述车辆上的共同位置。
4.根据权利要求1所述的雷达系统，其中所述多个发射器中的每个信号发生器被配置为独立于所述发射器的其他信号发生器产生相应的LFM-CW雷达信号。
5.根据权利要求1所述的雷达系统，其中所述发射天线紧邻所述车辆上的所述接收天线。
6.根据权利要求1所述的雷达系统，其中所述信号发生器包括啁啾数字直接合成器设备。
7.根据权利要求1所述的雷达系统，包括所述多个发射器是可控的，使得与从所述第一发射器发射的LFM-CW雷达信号的频率相比，从所述第二发射器发射的LFM-CW雷达信号的相应啁啾开始部分具有逐渐增加的频率。
8.根据权利要求1所述的雷达系统，其中所述逐渐增加的时间延迟被选择为使得从所述多个第二发射器中的每个发射的LFM-CW雷达信号与从所述第一发射器发射的LFM-CW雷达信号正交。
9.根据权利要求1所述的雷达系统，其中所述多个接收器中的每个包括接收天线，所述接收天线被设置为接收反射的雷达信号，并且其中所述多个接收器中的每个包括匹配滤波器，所述匹配滤波器被设置为识别来自所述反射的雷达信号的预期接收信号。
10.一种用于地面车辆的雷达系统，包括：
多输入多输出(MIMO)系统，包括：多个发射器，每个包括发送天线；多个接收器，每个包括接收天线；以及控制器，与所述多个发射器和所述多个接收器通信；
其中每个发射器包括与发射天线通信的信号发生器，所述发射天线设置成发射雷达信号；
其中每个接收器包括接收天线，所述接收天线设置成接收反射的雷达信号；
其中每个雷达信号是包括啁啾开始部分的线性调频连续波(LFM-CW)雷达信号；以及
其中从所述发射器发射的LFM-CW雷达信号的相应啁啾开始部分具有逐渐增加的时间延迟。
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