CN110249234B - 使用多极化毫米波信号的微小物体检测 - Google Patents

使用多极化毫米波信号的微小物体检测 Download PDF

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Abstract

毫米或mm波系统(100)包括通过发射器(102)将毫米波(mm波)雷达信号(112‑2、112‑4)发射到物体(106、108)。发射的mm波雷达信号(112‑2、112‑4)可以包括至少两个信号取向，并且响应于每个信号取向，物体反射对应的信号反射(114‑2、114‑4)。检测信号反射并确定物体的位置。

Description

使用多极化毫米波信号的微小物体检测
背景技术
雷达系统已被商业、私人和军事部门用于检测相对较大的快速移动目标的存在和跟踪位置。例如，雷达系统已被用于跟踪诸如火箭、人、汽车、飞行器等目标。然而，在短距离内和存在高背景杂波或噪声的情况下检测非常小和慢速移动的目标不是高度优先事项。已经进行了许多尝试来设计用于检测小型和慢速移动目标的雷达系统，并且由于多种原因这些尝试是不可靠的。
首先，使用脉冲雷达来检测和跟踪小型和慢速移动目标已受到目标的雷达截面的限制，该雷达截面非常小，并且任何背景噪声都可能趋向于使雷达致盲。脉冲雷达具有最小范围，并且目标的有限雷达截面可以进一步限制目标的检测和跟踪。其次，使用连续波(CW)多普勒雷达对于目标的特定配置是有效的；然而，当检测小型和快速移动的物体时，CW多普勒雷达受到周围噪声的限制。
合成孔径雷达(SAR)使用多个极化天线。SAR系统通常可以用于卫星或大型飞行器。SAR系统依赖于精确已知/确定的运动信息，其可以由天线载体的传感器提供以实现高图像分辨率。来自共极化和交叉极化的信息被组合用于物体分类。期望提供一种独立系统而不使用单独的传感器来提供关于共极化和交叉极化的信息。SAR系统进一步需要对极化信道进行特定处理。两个不同极化信道之间的较高SNR信道用于物体检测和定位。
发明内容
所描述的示例包括毫米或mm波检测，并且尤其是用于在密集天气条件和嘈杂环境中检测微小、细小和小型物体的mm波系统。例如，mm波系统可以包括多个发射器，用于将mm波雷达信号发射到物体。发射的mm波雷达信号可以包括至少两个信号取向，诸如至少一个水平极化信号和至少一个垂直极化信号，其可以由具有对应的不同预先配置的固定极化的不同发射器发射。响应于每个信号取向，物体可以反射与至少两个信号取向中的每个对应的信号。基于反射信号，处理器可以确定可以包括最高信噪比(SNR)、更高信号幅度等的信号取向，并利用所确定的信号取向来检测和确定物体的位置。
附图说明
图1是示出如本文所述的毫米波(mm波)系统的示例应用的示例场景。
图2示出了如本文所述的用于实现示例实施例的示例mm波系统。
图3示出了如本文所述的用于实现示例实施例的mm波系统对物体的示例检测。
图4示出了如本文所述的用于实现示例实施例的mm波系统对多极化信号的示例使用。
图5是示出用于通过如本文所述的mm波系统检测微小物体的示例方法的示例过程图。
具体实施方式
在附图中，附图标记的一个或更多个最左边的数字标识首次出现附图标记的附图。贯穿附图使用相同的数字来引用相似的特征和部件。
图1是示出如本文所述的mm波系统的示例应用的示例场景100。如图所示，场景100包括例如具有mm波系统104的装置102、第一物体106、第二物体108、发射的mm波雷达信号112和反射的返回-mm波雷达信号114。
例如，装置102可以是远程控制的，并且包括远程控制传感器和诸如mm波系统104、数码相机等的相机系统。尽管远程控制装置102例如可以使用安装的数码相机在操作期间执行特定区域的三维(3D)勘查，但安装的数码相机可能受到要检测的物体(即，第一物体106和/或第二物体108)的大小和尺寸以及周围天气条件的限制。在该示例中，装置102可以是可能需要检测微型或薄的物体的炸弹处理机器人、无人机、汽车、玩具或机器，如下文进一步描述。
与数码相机相反，mm波系统104可以被配置为例如发射W波段(75GHz-110GHz)mm波雷达信号，以在密集天气条件下和在嘈杂环境中检测和确定小且薄的第一物体106和/或第二物体108的位置。小且薄的物体可以包括电线、金属电缆、细塑料线、细橡胶电缆、细小网线等。在该示例中，mm波系统104可以在W波段(75GHz-110GHz)下工作，并且特别是在76GHz-81GHz范围内，使用不同的发射极化组合(即水平和/或垂直极化)发射mm波雷达信号。在该示例中，mm波系统104可以使用同一信道来发射和接收mm波雷达信号。
mm波系统104将例如W波段-mm波雷达信号112-2发射到第一物体106的方向。响应于该发射，mm波系统104可以使用同一发射信道从第一物体106接收返回-mm波雷达信号114-2。在该示例中，发射的mm波雷达信号112-2可以具有至少两个信号取向，诸如一个水平信号极化和一个垂直信号极化，其可以由具有不同预先配置的固定极化的不同发射器发射。在这种情况下，接收的返回-mm波雷达信号114-2可以包括对应于发射的mm波雷达信号112的每个信号取向的信号反射。
类似地，mm波系统104将例如发射的mm波雷达信号112-4发射到第二物体108的方向，并且响应于该发射，mm波系统104可以从第二物体108接收返回-mm波雷达信号114-4。
在上文的示例中，mm波系统104可以被配置为使用所接收的返回-mm波雷达信号114-2和114-4，以便分别检测第一物体106和第二物体108的存在。此外，mm波系统104可以被配置为确定和利用信号取向，该信号取向可以有助于有效地识别第一物体106和/或第二物体108与装置102的位置和距离。例如，mm波系统104可以包括具有不同预先配置的固定极化的接收器。在该示例中，具有特定预先配置的固定极化的每个接收器可以基于源-mm波雷达信号112的信号取向接收返回-mm波雷达信号114。在该示例中，mm波系统104可以使用具有最高信噪比(SNR)的信号取向来识别第一物体106和/或第二物体108与装置102的位置和距离。
尽管装置102的示例基本框图以有限的方式示出了基本部件，但是为了简化本文描述的实施例，没有描述诸如处理器、存储设备、应用程序、存储器等的其他部件。
图2示出了如本文所述的用于实现示例实施例的示例mm波系统104。如图所示，示例mm波系统104可以包括多个发射器200、多个接收器202、极化控制器204和信号处理器206。此外，图2示出了水平极化mm波雷达信号208和垂直极化mm波雷达信号210，其可以分别由第一发射器200-2和第二发射器200-4发射。此外，图2示出了水平极化反射信号212和垂直极化反射信号214，其分别对应于发射的水平极化mm波雷达信号208和垂直极化mm波雷达信号210。水平极化反射信号212和垂直极化反射信号214可以分别由多个接收器202的第一接收器202-2和第二接收器202-4接收。
在图2中的多个发射器和接收器中的每个发射器和接收器可以分别预先配置，例如，以具有固定的极化。例如，第一发射器200-2和第二发射器200-4可以预先配置为分别具有水平和垂直极化。类似地，第一接收器202-2和第二接收器202-4可以预先配置为分别具有水平和垂直极化。在该示例中，第一接收器202-2和第二接收器202-4可以被配置为分别从第一发射器200-2和第二发射器200-4接收发射的mm波信号。
如本文所述，多个发射器200可以被配置为在使用具有预先配置的固定极化的至少两个不同发射器发射水平极化mm波雷达信号208和垂直极化mm波雷达信号210时在76GHz-81GHz频谱下操作。例如，至少两个不同的发射器可以耦合到对应的发射器天线(未示出)。此外，尽管图2中的多个发射器200示出了在使用至少两个不同的信号取向(即，水平和垂直极化)发射mm波雷达信号时的几个不同的发射器，但是具有预先配置的固定极化的额外数量的发射器可以在不影响本文描述的实施方式的情况下添加和利用。
水平极化信号208可以包括平行于地球表面的天线电场，而垂直极化信号210可以包括垂直于地球表面的天线电场。水平极化信号208可以由第一发射器200-2发射，而垂直极化信号210可以由第二发射器200-4发射。
发射的水平极化mm波雷达信号208和垂直极化mm波雷达信号210可以被第一物体106分别接收和反射为水平极化反射信号212和垂直极化反射信号214。例如，细带刺铁丝网-第一物体106可以从第一发射器200-2接收mm波雷达信号112-2的水平极化信号208。在该示例中，细带刺铁丝网-第一物体106可以响应于接收的mm波雷达信号112-2的水平极化信号208而反射水平极化反射信号212。
类似地，细带刺铁丝网-第一物体106例如可以从第二发射器200-4接收mm波雷达信号112-2的垂直极化信号210。在该示例中，细带刺铁丝网-第一物体106可以响应于接收的mm波雷达信号112-2的垂直极化信号210而反射垂直极化反射信号214。
在一种实施方式中，并且在其中细带刺铁丝网-第一物体106与来自第二发射器200-4的垂直极化信号210正交定位的示例配置中，与水平极化反射信号212相比，垂直极化反射信号214可以具有较低信噪比(SNR)和较低的反射信号幅度。因此，与垂直极化反射信号214相比，水平极化反射信号212可以提供更好的信号反射(即，更高的SNR)以用于确定细带刺铁丝网-第一物体106的存在、位置和距离。
多个接收器202可以包括分别接收水平极化反射信号212和垂直极化反射信号214的第一接收器202-2和第二接收器202-4。至少两个接收器可以耦合到对应的接收器天线(未示出)。进一步地，尽管图2中的多个接收器202示出了在使用至少两个不同的信号取向(即，水平和垂直极化)接收返回-mm波雷达信号时的几个不同的接收器，但是具有预先配置的固定极化的额外数量的接收器可以在不影响本文描述的实施方式的情况下添加和利用。
极化控制器204可以耦合到多个发射器200和多个接收器202。例如，极化控制器204可以被配置为从多个发射器200选择发射器(即，第一发射器200-2或第二发射器200-4)用于信号发射，并且从多个接收器202选择接收器(即，第一接收器202-2或第二接收器202-4)用于信号接收。在该示例中，接收器侧的接收器的所选信号极化可以对应于发射侧的发射器的信号极化。
在一种实施方式中，多个发射器200可以包括将mm波RF电流转换为被辐射到空间中的电磁波的发射器天线。在该实施方式中，极化控制器204可以被配置为选择具有特定信号极化配置的发射器以用于将mm波RF电流发射到空间中。类似地，在接收期间，极化控制器204可以被配置为选择具有特定信号极化配置的接收器以用于接收反射信号。例如，多个发射器中的每个发射器和多个接收器中的每个接收器可以包括可以由极化控制器204控制的开关/切换设备。
极化控制器204可以进一步促进mm波雷达信号112-2的信号极化的不同序列组合。例如，极化控制器204可以依次切换第一发射器200-2和第二发射器200-4，从而最初以交替的水平和垂直信号极化方式发射mm波雷达信号112-2。此后，极化控制器204可以基于在接收器侧看到的它们的对应SNR来利用水平或垂直信号极化。在该示例中，可以利用具有更好SNR、幅度等的信号极化来确定第一物体106的距离和位置。
信号处理器206可以被配置为处理接收的水平极化反射信号212和垂直极化反射信号214。例如，信号处理器206可以确定水平极化反射信号212和垂直极化反射信号214之间的哪个反射信号可以包括较高SNR。在该示例中，信号处理器206可以利用具有较高SNR的信号极化(即，水平极化反射信号212或垂直极化反射信号214)来确定第一物体106的距离和位置。在该示例中，信号处理器206可以发送可以由极化控制器204接收的控制信号，以便将交替信号极化或取向改变为单个信号取向。
例如，如图2所示，带刺铁丝网-第一物体106可以反射水平极化反射信号212和垂直极化反射信号214，其分别对应于水平极化信号208和垂直极化信号210。在该示例中，水平极化反射信号212可以包括与特定采样率上的垂直极化反射信号214相比产生更高信号峰值或更高信号幅度和更高SNR的信号。这样，信号处理器206可以在确定第一物体106的位置时使用水平极化反射信号212。
如本文所述，信号处理器206例如可以利用预定义的SNR阈值来确定可以用于确定第一物体106的位置和距离的反射信号。预定义的SNR-阈值可以包括可以用于区分不同信号取向的反射信号的SNR值。例如，信号处理器106可以将水平极化反射信号212和垂直极化反射信号214与SNR预定义的SNR阈值进行比较。在该示例中，信号处理器106可以拒绝或接受用于确定反射物体诸如第一物体106的存在和距离的信号反射。
图3示出了如本文所述的用于实现示例实施例的mm波系统对物体的示例检测。特别地，图3示出了mm波系统104，其可以被配置为例如执行第二物体108的初始检测，第二物体108可以包括特别是在密集天气条件下难以检测的细小网线。在该示例中，发射的mm波雷达信号112-4可以包括可以由第二物体108接收和反射的圆极化信号300。例如，可以通过激活被预先配置为彼此异相90°的第一发射器200-2和第二发射器200-4来生成圆极化信号300。在另一示例中，多个发射器200中的发射器中的一个可以被预先配置为具有固定的圆极化。
如图所示，发射的圆极化信号300可以由第二物体108接收，并然后作为信号302反射，信号302可以包括在圆极化mm波雷达信号112-4的特定信号取向上的间歇峰值信号304。例如，由信号302表示的返回-mm波雷达信号114-4可以包括峰值信号304，其可以在每个周期的大约45度处发生。在该示例中，信号处理器206可以利用峰值信号304来确定用于确定第二物体108的距离和位置的必要信号取向。因此，可以最初使用圆极化信号300来检测物体的存在，并确定用于确定物体与mm波系统104的距离的必要信号极化。
图4示出了如本文所述的用于实现示例实施例的mm波系统的多极化信号的示例使用。多极化信号可以包括水平和垂直信号极化的组合，以通过多个发射器200产生特定量的信号极化。
参考图3，其中信号处理器206可以利用峰值信号304来确定用于确定第二物体108的距离和位置的必要信号取向，极化控制器204可以利用并组合例如分别来自第一发射器200-2和第二发射器200-4的水平和垂直信号极化两者，以生成例如45度信号取向400。在该示例中，水平和垂直信号极化的组合可以将辐射电磁场的E平面方向调整为45度信号取向，其包括具有更高SNR和更高信号幅度的峰值信号，如结合图3所述。在该示例中，mm波系统104可以被配置为使用多信号极化在密集的天气条件期间检测和确定薄和小物体的位置，而不是使用如结合图2所述的交替的水平或垂直信号取向或极化。
在物体端，第二物体108可以接收包括45度信号取向的发射的mm波雷达信号112-4，并且然后将反射信号402反射，反射信号402可以包括具有一致高的信号幅度(其具有更高的SNR)的反射信号。
图5示出了示例过程图500，其示出了用于通过如本文所述的mm波系统检测微小物体的示例方法。描述该方法的顺序不旨在被解释为限制，并且可以以任何顺序组合任何数量的所描述的方法框以实现该方法或替代方法。另外，在不脱离本文描述的主题的精神和范围的情况下，可以从方法中删除各个框。此外，该方法可以以任何合适的硬件、软件、固件或其组合来实现，而不脱离本发明的范围。
在框502处，执行由多个发射器向物体发射mm波雷达信号。例如，mm波系统104的多个发射器200将mm波雷达信号112发射到物体的方向。在该示例中，mm波雷达信号112可以包括至少两个信号取向。因此，至少两个信号取向可以包括多个交替的水平和垂直极化mm波雷达信号。在其他情况下，至少两个信号取向可以进一步包括水平和垂直信号极化的不同序列组合。
在框504处，执行由多个接收器从物体接收返回-mm波雷达信号。例如，接收的返回-mm波雷达信号114-2可以包括与至少两个信号取向中的每个对应的信号反射。因此，根据多个发射的mm波雷达信号的配置，返回-mm波雷达信号114-2的反射信号可以对应于发射的mm波雷达信号112-2的信号极化。
在框506处，执行由处理器检测和确定物体的位置。信号处理器206可以被配置为处理接收的返回-mm波雷达信号114-2的接收的水平极化反射信号212和垂直极化反射信号214。例如，信号处理器206可以确定水平极化反射信号212和垂直极化反射信号214之间的哪个信号可以包括更高的SNR。在该示例中，信号处理器206可以利用具有较高SNR的信号极化(即，水平极化反射信号212或垂直极化反射信号214)来确定第一物体106的位置。在该示例中，信号处理器206可以发送可以由极化控制器204接收的控制信号，以便将交替的信号极化或取向改变为单个信号取向。

Claims (17)

1.一种毫米波系统即mm波系统，包括：
多个发射器，其被配置为将毫米波雷达信号即mm波雷达信号发射到物体，发射的mm波雷达信号包括至少两个信号取向，其中所述至少两个信号取向中的一个信号取向被从所述多个发射器中的一个发射器发射，并且所述至少两个信号取向中的另一个信号取向被从所述多个发射器中的另一个发射器发射，其中所述一个信号取向的相位和极化不同于所述另一个信号取向；
多个接收器，其被配置为从所述物体接收返回mm波雷达信号，接收的返回mm波雷达信号包括与所述至少两个信号取向中的每个对应的信号反射；
处理器，其被配置为基于对应于所述信号取向中的选定信号取向的所接收的信号反射的选择来检测和确定所述物体的位置，所述处理器被配置为检测所述物体并根据所接收的信号反射确定要选择所发射的信号取向中的哪一个，所述处理器进一步被配置为选择所述多个发射器中的仅发射所述信号取向中的选定信号取向的对应发射器，并且所述处理器进一步被配置为选择所述多个接收器中的从所述物体接收信号反射的对应接收器，所述处理器进一步被配置为使用仅从所选择的接收器接收的信号反射来确定所述物体的所述位置，其中所接收的信号反射对应于从所选择的发射器发射的所述选定信号取向。
2.根据权利要求1所述的mm波系统，其中所述至少两个信号取向至少包括由单独的发射器发射的一个水平极化和一个垂直极化。
3.根据权利要求1所述的mm波系统，进一步包括耦合到所述多个发射器的极化控制器，其中所述极化控制器被配置为选择所述多个发射器中的仅发射所述信号取向中的选定信号取向的对应发射器。
4.根据权利要求3所述的mm波系统，其中所述极化控制器被配置为从所述多个接收器中选择用于接收所述信号反射的对应接收器。
5.根据权利要求1所述的mm波系统，其中所述发射的mm波雷达信号包括W波段内的频率范围，所述W波段包括75GHz-110GHz的范围。
6.根据权利要求1所述的mm波系统，其中所述多个接收器被配置为在接收所述信号反射时具有不同的信号极化。
7.一种雷达检测方法，包括：
通过多个发射器将毫米波雷达信号即mm波雷达信号发射到物体，发射的mm波雷达信号包括从所述多个发射器中的不同发射器发射的至少两个信号取向；
通过多个接收器从所述物体接收返回mm波雷达信号，接收的返回mm波雷达信号包括对应于所述至少两个信号取向中的每个的信号反射；以及
基于对应于所述信号取向中的选定信号取向的所接收的信号反射，通过处理器检测和确定所述物体的位置，所述处理器根据所接收的信号反射检测物体并随后基于所接收的信号反射确定要选择所发射的信号取向中的哪一个，所述处理器进一步选择所述多个发射器中的仅发射所述信号取向中的选定信号取向的对应发射器，并进一步从所述多个接收器中选择从所述物体接收信号反射的对应接收器，并且所述处理器使用仅从所选择的接收器接收的信号反射来确定所检测的物体的位置，其中所接收的信号反射对应于仅从所选择的发射器发射的所述选定信号取向。
8.根据权利要求7所述的方法，其中所述发射包括通过所述多个发射器中的不同发射器发射水平极化信号和垂直极化信号。
9.根据权利要求7所述的方法，其中所述发射的mm波雷达信号包括W波段内的频率范围，所述W波段包括75GHz-110GHz的范围。
10.根据权利要求7所述的方法，其中所述接收在接收所述信号反射时利用不同的信号极化。
11.根据权利要求7所述的方法，其中所述多个发射器中的每个发射器被配置为以固定的信号极化发射mm波雷达信号。
12.根据权利要求7所述的方法，其中所述多个接收器中的每个接收器被配置为以固定的信号极化接收信号反射。
13.根据权利要求7所述的方法，其中所述检测包括比较水平极化返回mm波雷达信号的信号幅度与垂直极化返回mm波雷达信号的信号幅度。
14.一种雷达检测装置，包括：
多个发射器，其被配置为使用不同的发射器将水平极化mm波雷达信号和垂直极化mm波雷达信号发射到物体；
多个接收器，其被配置为接收从所述物体反射的分别与发射的所述水平极化mm波雷达信号和所述垂直极化mm波雷达信号对应的水平极化反射信号和垂直极化反射信号；
处理器，其被配置为基于从所述物体反射的被接收的所述水平极化反射信号或所述垂直极化反射信号中的选定反射信号来检测和确定所述物体的位置，所述处理器进一步被配置为选择所述多个发射器中的对应于所述水平极化反射信号或所述垂直极化反射信号中的所述选定反射信号的一个发射器，所述处理器进一步被配置为选择所述多个接收器中的对应于所述水平极化反射信号或所述垂直极化反射信号中的所述选定反射信号的一个接收器，并且所述处理器进一步被配置为使用仅由所选择的接收器接收的反射信号来确定所述物体的所述位置。
15.根据权利要求14所述的雷达检测装置，进一步包括耦合到所述多个发射器的极化控制器，其中所述极化控制器被配置为选择所述多个发射器中的仅发射所述水平极化mm波雷达信号和所述垂直极化mm波雷达信号中的选定信号的对应发射器。
16.根据权利要求15所述的雷达检测装置，其中所述极化控制器被配置为选择所述多个接收器中的用于接收所述水平极化反射信号或所述垂直极化反射信号的对应接收器。
17.根据权利要求14所述的雷达检测装置，其中发射的所述水平极化mm波雷达信号和所述垂直极化mm波雷达信号包括76GHz-81GHz的频率范围。
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