CN110520754A - 用于使用表面穿透雷达进行车辆定位的方法和系统 - Google Patents

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Abstract

公开了一种用于车辆定位的方法和表面穿透雷达(SPR)系统。该方法包括将具有第一频率的雷达信号发射到邻近于车辆的表面下区域中。获取表面下区域内的第一表面下体积的第一SPR图像集，并且通过第一SPR图像集确定车辆的位置数据。将具有大于第一频率的频率的第二雷达信号发射到表面下区域中，并且获取表面下区域内的第二表面下体积的第二SPR图像集。第二表面下体积至少部分地与第一表面下体积重叠。从第一SPR图像集确定的位置数据的分辨率高于从第二SPR图像集确定的位置数据。

Description

用于使用表面穿透雷达进行车辆定位的方法和系统
相关申请
本申请要求2017年1月27日提交且题为“LGPR Capability”的美国临时专利申请号62/451,313以及2017年7月7日提交且题为“Localizing Ground-Penetrating Radar”的美国临时专利申请号62/529,740的在先申请日的权益，所述申请通过引用整体并入本文。
本发明中的政府权利
本发明是在美国空军授予的合同号FA8721-05-C-0002的政府支持下完成的。政府拥有本发明的某些权利。
技术领域
本发明总体上涉及用于使用表面穿透雷达进行车辆定位的方法和系统。该方法和系统可用于车辆的导航。
背景技术
结构化环境(例如道路网络)中的自主导航方法通常可以分为两类。在第一类中，自主车辆像人类一样进行导航，除了简单的地图和道路的一般规则之外几乎没有道路特征的预先存在的知识。第二类方法依赖于对环境的广泛的先验知识，例如，标记车道边界的全球定位系统(GPS)测量结果的密集集合以及所有停车标志、人行横道等的地图。由于现实世界环境的极端可变性，第一类提出了具有挑战性的方法。第二类方法已经得到例如国防高级研究计划局(DARPA)城市挑战赛和谷歌自动驾驶汽车项目的评估。结果已经表明，可以实现在结构化、特征鲜明的地形中实现可靠自主导航的“丰富地图”方法；然而，依赖详细的先前地图的一个重大挑战是系统必须保持对地图内车辆位置的精确、准确的了解。
传统上，GPS接收器已被用于提供全局定位；然而，单独的GPS不能提供保持在交通车道内所需的精度。此外，GPS精度在具有多路径或阴影的环境中严重恶化，并且信号很容易被希望干扰操作的其他人阻挡或故意破坏。基于GPS的系统可以利用差分信号算法或通过利用惯性传感器增加位置估计来进行改进；然而，由此产生的系统通常昂贵，并且可能需要附加的基础设施，例如基站。
为了克服这些限制，一些自主车辆感测本地环境并将传感器测量结果配准到先前观察的地图中。这种地图匹配方法的成功在很大程度上取决于传感器的类型和区域设置。被动视觉方法(例如，采用一个或多个数字视频摄像机的方法)由于场景照明的变化，在室外环境中可能表现较差。太阳照射角度和云量的变化可能导致系统看到与先前地图观察期间感测的场景明显不同的场景。主动视觉感测(例如LIDAR)是另一种方法，并且在自主车辆(例如谷歌自动驾驶汽车)所使用的技术中。传感器典型地传输相反地相对较暗的频率的光，并测量返回的强度，而不依赖于自然或不受控制的照明。算法被用于在先前测量结果的地图中搜索类似的强度模式以确定车辆的位置。虽然主动感测方法解决了不一致的场景照明问题，但是当明显的场景随着天气条件显著变化时会遇到困难。例如，雪模糊了将场景与先前获取的场景进行匹配所需的重要特征。其它天气条件，例如，雾、雨和灰尘也会影响性能。此外，所观察到的场景的动态方面可能产生进一步的复杂性。例如，其它运动车辆的存在和由于阵风引起的典型静态特征的移动提出了重大挑战。还使用汽车雷达，但主要是为了规避障碍。目前，没有用作主要的定位方法的角度或距离分辨率。因此，基于地图的定位的当前感测方法对于普通的真实世界条件并不鲁棒。此外，有源传感器(例如采用光检测和测距(LIDAR)传感器的那些传感器)通常需要昂贵的精密设计的电光机械系统。
发明内容
本技术的示例性实施例包括用于车辆定位的方法和表面穿透雷达(SPR)系统。
在所述方法的一些实施例中，将具有第一频率的第一雷达信号发射到车辆下方的表面下区域；将具有第二频率的第二雷达信号发射到所述表面下区域，其中所述第二频率大于所述第一频率。所述方法还包括，基于所述第一雷达信号，获取第一表面下区域的第一SPR图像集，以及基于所述第二雷达信号，获取与所述第一表面下区域至少部分地重叠的第二表面下区域的第二SPR图像集。基于所述第一SPR图像集确定车辆的位置数据；以及在另一步骤中，基于所述第二SPR图像集确定车辆的位置数据。
在一些实施例中，基于所述第一SPR图像集确定车辆的位置数据的步骤生成第一分辨率的位置数据，并且基于所述第二SPR图像集确定车辆的位置数据的步骤还基于第一分辨率的位置数据，并生成第二分辨率的位置数据。所述第二分辨率高于所述第一分辨率。
在一些实施例中，所述方法还可包括响应于位置数据来控制车辆的运动。
在一些实施例中，所述第一SPR图像集和所述第二SPR图像集的获取包括分别对来自所述表面下区域的第一接收雷达信号和第二接收雷达信号应用距离门(range gate)。
在一些实施例中，所述第一SPR图像集和所述第二SPR图像集中的至少一个包括根据深度进行加权的SPR图像。在其它实施例中，所述第一SPR图像集和所述第二SPR图像集中的至少一个包括具有被排除的深度的SPR图像。
所述第一雷达信号可以具有第一多个频率，并且所述第二雷达信号可以具有第二多个频率。所述第一多个频率和所述第二多个频率可以包括重叠的频率。所述第二多个频率可以包括所述第一多个频率的所有频率。所述第一多个频率包括所述第二多个频率的所有频率。第一雷达信号和/或第二雷达信号可以包括随时间的离散频率的斜坡。可以同时发射所述第一雷达信号和所述第二雷达信号。所述第一雷达信号和所述第二雷达信号可以是包括所述第一频率和所述第二频率的单个雷达信号。可以从相同雷达发射器元件或不同雷达发射器元件发射所述第一雷达信号和所述第二雷达信号。可以基于表面下区域中的一个或多个特征的属性来选择第一频率和第二频率中的至少一个。
在一些实施例中，所述第二表面下区域的深度小于所述第一表面下区域的深度。
在一个实施例中，所述方法还包括将至少一个附加的雷达信号发射到所述表面下区域，每个附加雷达信号具有与所述第一雷达信号、所述第二雷达信号和每个其它的附加雷达信号不同的频率组成。针对每个附加雷达信号获取附加的SPR图像集，并且基于附加的SPR图像集确定车辆的位置数据。
在另一实施例中，所述方法还包括将一个或多个中间雷达信号发射到所述表面下区域。每个中间雷达信号具有大于所述第一频率且小于所述第二频率的中间频率，并且每个中间频率与每个其它的中间频率不同。对于每个中间雷达信号，获取中间表面下区域的中间的SPR图像集集合，并且对于每个中间的SPR图像集，基于中间的SPR图像集中的相应一组来确定车辆的位置数据。
在SPR系统的一些实施例中，所述系统包括SPR天线阵列、雷达处理器和配准模块。所述SPR天线阵列包括多个天线元件并且被配置为将具有第一频率的第一雷达信号和具有第二频率的第二雷达信号发射到邻近于车辆的表面下区域。所述第二频率大于所述第一频率，并且所述天线元件还被配置为从所述表面下区域接收返回雷达信号。所述雷达处理器与所述SPR天线阵列进行通信，并且被配置为基于所述第一雷达信号获取第一表面下区域的第一SPR图像集，并且基于所述第二雷达信号，获取与所述第一表面下区域至少部分地重叠的第二表面下区域的第二SPR图像集。所述配准模块与处理器进行通信，并且被配置为基于所述第一SPR图像集确定所示车辆的位置数据，并基于所述第二SPR图像集确定所示车辆的位置数据。
所述SPR天线阵列还可以被配置为向表面下区域发射至少一个附加雷达信号，每个附加雷达信号具有与所述第一雷达信号、所述第二雷达信号以及每个其它的附加雷达信号不同的频率内，并且雷达处理器还被配置为针对每个附加雷达信号获取附加的SPR图像集。配准模块还可以被配置为基于所述附加的SPR图像集和先前针对车辆确定的位置数据来确定车辆的位置数据。
所述SPR天线阵列还可以被配置为将一个或多个中间雷达信号发射到所述表面下区域，每个中间雷达信号具有大于所述第一频率、小于所述第二频率并且与每个其它的中间频率的中间频率。对于每个中间雷达信号，所述雷达处理器还可以被配置为获取中间表面下区域的中间的SPR图像集。配准模块还可以被配置，对于每个中间的SPR图像集，基于中间的SPR图像集中的相应一组和先前针对车辆确定的位置数据来确定车辆的位置数据。
附图说明
通过结合附图参考以下描述，可以更好地理解本发明的上述和其它优点，其中在各个图中相似的数字表示的相似结构元件和特征。为清楚起见，可能未在每个图中标记每个元件。附图不一定是按比例绘制的，而是将重点放在说明本发明的原理上。
图1A示出了根据预定行程路径在道路网络内行进的车辆。
图1B示出了图1A的车辆的侧视图。
图2是根据本发明的用于车辆定位的方法的实施例的流程图表示。
图3以图形方式描绘了GPR天线阵列沿着车辆轨道的相对于地下区域的运动，其中先前获取的GPR图像数据对于该地下区域是可用的。
图4是根据本发明的用于车辆的自主或半自主操作的导航系统的实施例的框图。
图5示出了在沿着车辆轨道的一段行进期间所获取的表面穿透雷达(SPR)图像的切片的示例。
图6是更为详细地描绘由图4的雷达处理器和配准模块执行的处理的示意图。
图7A示出了先前获取的针对行程路径的SPR参考图像的沿轨道切片。
图7B示出了针对车辆轨道的被配准到图7A的SPR参考图像的SPR图像的沿轨道的切片。
图7C示出了图7A和图7B的两个SPR图像切片的差异图像。
图8是用于车辆定位的方法的另一实施例的流程图表示。
图9A是示出了从SPR系统的发射器元件到车辆下方的表面下的两个不同雷达信号的传输的车辆的侧视图。
图9B是图9A中所示的车辆的前视图。
具体实施方式
在下面描述的各种实施例中对地面和地面表面下方的地下区域进行参考。可以理解的是，地面包括土壤、路面或铺面，例如沥青和混凝土层、砾石、沙子等，并且地面表面是与空气、阵列、流体或自由空间的界面。在一些情况下，表面还可以包括围绕隧道、矿井和车辆可以行进通过的其他通道的表面。
更一般地，本文对表面穿透雷达(SPR)和探地雷达(GPR)进行参考。如本文所使用的，SPR意味着被配置为从表面下区域获取数据的任何雷达系统。SPR可以被配置和定向为获得针对沿着隧道或通道的墙壁表面、天花板、地板或一个或多个表面后面的表面下区域的数据。在某些情况下，SPR还可以获得表面的数据。将会认识到的是，GPR系统是这样一种类型的SPR系统，其被配置为从地面表面下方的区域获取数据，并且还可以获取地面表面的数据。如本文所使用的，表面下区域是指表面后面的区域，例如地面表面后面的地下区域。可替选地，表面下区域可以是结构表面后面的区域，例如墙壁或天花板结构内部和/或后面的区域。
简而言之，本公开涉及用于车辆定位的方法和系统。该方法包括将具有第一频率的雷达信号从SPR系统发射到车辆下方或车辆附近的表面下区域。获取表面下区域内的第一表面下体积的第一SPR图像集，并且从第一SPR图像集确定车辆的位置数据。将具有大于第一频率的频率的第二雷达信号从SPR系统发射到表面下区域中，并且获取表面下区域内的第二表面下体积的第二SPR图像集。第二表面下体积至少部分地与第一表面下体积重叠。从第二SPR图像集确定位置数据。通常，由于用于获取第二SPR图像集的较高频率，从第二SPR图像集所确定的位置数据的分辨率高于从第一SPR图像集所确定的位置数据的分辨率。
确定每组SPR图像的位置数据可以包括将所获取的SPR图像与先前针对表面下区域所获取的SPR图像进行比较，所述表面下区域至少部分地与沿着车辆轨道的表面下区域重叠，例如，如在题为“Vehicle Localization Using Surface Penetrating Radar”的美国专利号8,949,024中所描述的，其公开内容通过引用整体并入本文。先前获取的SPR图像可以用作表面下地图以辅助车辆导航。可以创建具有不同精度和表面下深度的地图。较低精度的地图被用于在车辆经过测绘的表面下区域期间进行粗略定位跟踪。例如，较低精度的地图可以与第一SPR图像集一起使用以获得较低精度的位置数据，并且然后可以将较高精度的地图与粗略的位置数据结合使用以从第二SPR图像集获得精细的位置数据。粗略定位有助于减少用于精细定位的搜索量并且增加最终确定的位置数据的鲁棒性和准确性。另外，基于多个地图使用针对每个车辆位置所获得的多个配准匹配进一步有助于提高鲁棒性和准确性。在一些情况下，可以提取地图内的重要特征集的子集，以允许使用美国专利号8,949,024中描述的技术将车辆快速全局定位为粗略定位。减少的处理集用于在全局参考中快速地“重新定位”车辆。这个技术在拒绝GPS的环境中(例如当车辆失去踪迹并且没有准确的全局位置估计时)是有益的。
虽然下面主要针对自主地面车辆导航进行描述，但方法对于期望高精度车辆定位数据的所有应用都是有用的。此外，车辆不限于在陆地上行进的汽车和其他形式的地面车辆，而还可以是能够在水上、水下、地下、室内或通过飞行进行导航的车辆。
图1A描绘了根据预定的行程路径(虚线)12在道路网络内行进的车辆10。行程路径12表示车辆10在空间中并且可选地在时间上的期望路线。可以组合预定义的路径分段以定义行程路径12。图1A中示出的行程12的部分包括右转弯然后左转弯。尽管在常规的道路网络中示出了行程路径12，但是应当理解的是，行程路径不限于所建立的路径，例如街道、道路、高速公路等，并且在某些情况下，行程路径可以跨越开阔的地形。
尽管被描绘为汽车，但车辆10可以是任何移动平台或结构，通过非限制性的示例包括，用于运输乘客或有效载荷(例如设备、传感器和其它物体)的平台。车辆10具有改变方向(即，转向)、加速和减速的能力。尽管图示中的车辆10因其可控制的自由度小于总自由度而通常被理解为非完整的，但也预期完整的车辆，例如具有全向车轮的车辆。在其它实施例中，车辆10能够改变其高度(或与地面表面的距离)、倾角、偏航和滚转中的一个或多个。车辆10包括基于GPR的导航系统并且以自主模式进行操作，即，车辆10的乘客操作受限或不存在，并且车辆10没有接收用于导航的远程命令。通过示例的方式，受限的操作可以包括乘客对速度的控制，而其它操作保持在自主控制下。
图1B示出了车辆10的侧视图。导航系统包括被固定到车辆前部的GPR天线阵列14。在所示出的实施例中，GPR天线阵列14包括用于发射雷达信号的空间上不变的发射和接收天线元件的线性配置。在其它实施例中，GPR天线阵列14可以位于车辆12上的其它位置，并且发射和接收天线元件不需要被线性地布置。线性阵列14标称地平行于地面表面并且垂直于行进方向进行延伸。在替代配置中，GPR天线阵列14可以更接近地面或道路的表面，或与地面或道路的表面接触。GPR信号16从发射天线元件向下传播通过车辆前方的道路表面并进入表面下区域。通过接收天线元件来检测向上反向散射的GPR信号18。
还参照图2，示出了根据本发明的实施例的用于车辆定位的方法100的流程图。方法100包括从沿着车辆10的轨道的表面下区域获取(步骤110)SPR图像(例如，GPR图像)。将SPR图像与针对下述表面下区域先前获取并存储的的SPR参考图像进行比较(步骤120)，上述表面下区域与针对预定义的行程路径12的表面下区域至少部分地重叠。应当注意的是，用于获取沿车辆轨道的表面下区域的图像的用于车辆的SPR系统不需要与用于获得先前获取、存储和在比较中使用的SPR参考图像的SPR系统相同。例如，与用于获取SPR参考图像的SPR系统相比，SPR天线阵列和车辆SPR系统的其它组件可以显著更便宜并且具有不同的性能特性。此外，例如，由于SPR系统被安装或附接到车辆10的特定位置，SPR系统的轨道可能在操作期间不同于车辆轨道。因此，应当理解的是，沿着车辆轨道所获取的SPR图像可以相应地偏移。
在一些实施例中，SPR图像还包括表面数据，即，表面下区域与空气或本地环境的界面的数据。如果SPR天线阵列不与表面接触，则所接收的最强返回信号通常基于由表面所引起的反射。在一些情况下，表面形貌的变化可能有益于在步骤120中所执行的比较。
基于比较来确定(步骤130)车辆10的位置。位置数据可以是全局的或局部的(例如，相对于车辆的先前轨道的数据)。可选地，车辆位置数据用于生成(步骤140)车辆导航命令。更具体地，可以经由车辆导航命令连续地控制车辆的速度、加速度、方向、角速度和角加速度，以将车辆10保持在沿着行程路径12的期望位置。在一些实施例中，车辆的位置数据与一个或多个其它传感器或导航系统所提供的数据结合使用以引导车辆10。通过示例的方式，这种传感器和导航系统包括惯性导航系统(INS)、GPS、声音导航和测距(SONAR)系统、LIDAR系统、摄像机、惯性测量单元(IMU)和辅助雷达系统。
图3描绘了GPR天线阵列沿着车辆轨道的相对于存在GPR参考图像的表面下(地下)区域的移动。阴影区域表示对于车辆GPR天线阵列的一个位置，车辆的GPR参考图像的表面下区域和新获取的GPR图像的表面下区域的部分重叠。如图所示，GPR参考图像的表面下区域对应于所获取的参考图像的参考车辆的弯曲轨道，但应该认识到的是，可以使用多个测量路径获取参考GPR图像并且可以将参考GPR图像组合为更大的地理覆盖。由于GPS数据有限的精确度，车辆所经过的轨道通常偏离根据GPS坐标数据定义的所选择的行程路径。下面更详细地描述的由自主车辆导航系统所生成的命令被用于影响车辆路径改变，以减小或最小化车辆轨道和所选择的行程路径之间的差异。此外，可以沿着行程路径的分段来修改车辆的速度，以维持安全操作、适应速度限制并且对于通过行程路径，实现期望的完成时间。
图4是导航系统30的实施例的框图，导航系统30可用于例如根据图2的方法100自主地操作车辆。导航系统30包括用户界面32，用户可通过用户界面32输入数据以定义行程路径或选择预定义的行程路径。在一些实施例中，用户界面32是导航模块的一部分，导航模块向用户显示查询并接受输入，其中输入用于描述用户想去哪里以及遵循什么路线。根据行程路径从SPR参考图像源34获取SPR图像。在一些实施例中，无论所选择的行程路径如何，都基于当前位置自动获取SPR图像数据。SPR参考图像源34可以是系统30的本地或远程的。可替选地，使用本地和远程源的组合。移动导航系统还包括具有SPR天线阵列的移动SPR系统36。由雷达处理器38来控制移动SPR系统36的发射操作，其中雷达处理器38还接收由SPR天线阵列所提供的返回雷达信号。在一些实施例中，根据深度对返回雷达信号的数据进行加权以补偿范围损失(例如衰减)，使得所有数据被调整到具有根据深度的均匀幅度分布的相同的比例。可替选地，可以对数据进行加权，以便强调或排除某些深度。例如，可以通过加权来强调具有稳定的表面下特征的深度，以优先处理参考数据的寿命。类似地，通过加权的强调可以用于使深度变浅以优先处理数据的分辨率。雷达处理器38生成低于并包括SPR天线阵列下方的道路表面的表面下区域的SPR图像。
图5示出了在沿着车辆轨道的一段行进期间获取的SPR图像的切片的示例。横轴表示沿车辆轨道的距离，并且纵轴表示地面表面以下的深度。图像中描绘的地下区域对应于单个天线信道，并且具有根据天线元件的间隔确定的交叉轨道分辨率。在图中根据灰度表示SPR电压数据。SPR图像包括表示表面下区域内的结构和物体(例如岩石、根、巨石、管道、空隙和土壤分层)的特征，以及指示表面下区域中土壤或材料属性的变化的其它特征。
再次参考图4，为车辆所获取的SPR图像在空间上与先前获取的与行程路径重叠的SPR图像进行配准。在各种实施例中，在配准过程中确定的偏移数据或位置误差数据被提供给转换模块42，转换模块42生成针对车辆进行校正的GPS数据。校正的GPS数据被提供给车辆控制模块44，使得以保持车辆沿期望的行程路径的方式控制转向、定向、速度、姿势和加速/减速。例如，车辆控制模块可以包括车辆中的电气、机械和气动装置或与车辆中的电气、机械和气动装置进行协作以实现转向和速度控制。在具有各种类型的推进和控制机构的其他实施例中，车辆控制模块还可包括一个或多个液压、涡轮、螺旋桨、控制表面、形状变化和化学系统或装置，或者与一个或多个液压、涡轮、螺旋桨、控制表面、形状变化和化学系统或装置进行配合。为了返回到所期望的行程路径，可以控制车辆以避免快速或突然的校正，并且替代的是穿过路径以在更前方的点处逐渐返回到期望的行程路径。
可以定义上面描述的行程路径以对路径分段进行匹配，路径分段与用于获取从SPR参考图像源34所获取的SPR图像的一个或多个“参考车辆”所使用的路径分段相同；然而，这不是一般要求。方法允许当具有先前获得的SPR参考图像与车辆的表面下区域的SPR图像中存在足够的重叠时，要确定的全局定位数据。因此，行程路径不限于与先前获得的SPR图像数据相关联的参考车辆路径。此外，如果参考车辆所获得的SPR图像被全局地参考，则在配准过程中所获得的数据可用于生成车辆的位置和姿势的全局估计。因此，只要全局路径与沿着完整的全局路径的SPR参考图像至少部分地重叠，则全局估计可用于遵循用户定义的任何全局路径。
如上所述，可以组合或拼合先前获取的SPR参考图像，以提供比可以针对移动SPR系统的单次通过所获取的参考图像数据更多的参考图像数据。例如，可以通过移动GPR系统的多次通过来获取多车道高速公路的GPR参考图像数据，其中每次通过对应于高速公路的单个车道。可以无缝地组合车道的GPR参考图像，以提供高速公路的整个宽度的图像数据。因此，车辆的导航系统可以使用参考图像以用于在任何车道中行进以及用于在邻近车道之间转换。可替选地，只要在车辆的表面下区域与所存储的用于高速公路的GPR参考图像中表示的表面下区域之间存在足够的重叠，就可以在所存储的GPR参考图像中仅表示高速公路宽度的一部分(例如，中心车道)。可以由全局路径定义用于车辆的行程路径，而不需特别参考用于获得SPR参考图像的参考车辆的路径。可替选地，可以通过在实际车辆轨道和与GPR参考图像相关联的路径之间保持期望的横向偏移来使用邻近于中心车道的车道来定义行程路径。车辆所收集的任何其它数据(甚至在跟踪路径时)可用于更新参考图像数据。
图6是更为详细地描绘由图4的雷达处理器38和配准模块40所执行的处理的示意图。获取先前获得的用于行程路径的SPR图像数据50并将其内插到三维网格52上。示出了对应于多个阵列扫描的交叉轨道SPR图像切片54A至54N(通称为54)，其中每个图像切片54对应于单个SPR天线阵列扫描沿着车辆轨道的唯一位置。在纬度、经度、高度、滚转和偏航中应用基于相关性的配准过程56，以将车辆阵列扫描54配准到被内插到网格上的SPR图像数据52。在一些实施例中，在配准之前实时发生插值；然而，在其它实施例中，执行插值可以充分地先于使用内插的数据。通过在先前获得的表面下地图中配准当前数据的位置并计算所得到的校正的局部或全局位置，来确定SPR天线阵列的位置。
可以使用从SPR天线阵列的单次扫描所获取的数据来执行基于相关性的配准过程56。在可替代的实施例中，多次扫描被用于配准以实现更鲁棒的位置估计。例如，对于较大部分的表面下区域，可以将在几秒的时间段内所获取的数据与先前获得的图像数据的多次扫描进行关联。
在使用用于数据表示和相关性最大化的三维电压地图作为匹配技术的替代方案中，可以使用基于特征的方法。在这种替代方法中，将三维电压数据变换为数据中的一组特征点，基于可能的对象(例如，岩石、探井盖、交通灯传感器或根)来识别这些特征点，这些对象具有特定的特征参数，例如，位置、频率响应和方向。一旦建立了特征集，匹配技术可以使用距离度量来找到与特征集的最接近的匹配以确定位置。这种替代技术类似于使用在图像处理中所使用的尺度不变特征变换(SIFT)和加速鲁棒特征(SURF)特征检测技术。
图7A和7B示出了先前获取的针对行程路径的SPR参考图像的沿轨道切片60和针对配准到参考路径的车辆轨道的SPR图像的沿轨道切片62。预期参考SPR图像切片60和配准的SPR图像切片62基本上相同。图7C示出了两个SPR图像切片60和62的差异图像64，其指示在获取参考切片60的SPR数据之后开发或引入的表面下区域中的特征。这些特征可以指示人为的改变，例如，管道装置、电气和排水通道等。相反地，特征可以归因于可能需要修复的表面下条件的变化。例如，在题为“Mobile Coherent Change Detection GroundPenetrating Radar”的美国专利号8,786,485中描述了如何检测这些特征的示例，所述专利通过引用整体并入本文。下面描述的用于车辆定位的方法的实施例可以被应用于改变检测GPR技术，以提高新检测到的特征的检测准确性。
上面描述的各种实施例涉及道路网络上的导航，并且因此涉及通常可以被称为室外表面环境中的导航。可替选地，可以在室内环境中(例如，建筑物内部或建筑物的复合体内)控制车辆。车辆可以导航走廊、仓库、制造区域等。在其它替代方案中，可以在可能对人类有害的区域中(例如，在核电设施中以及可能存在生物危害的医院和研究设施中)的结构内控制车辆。在各种实施例中，SPR被用于获得SPR图像，SPR图像包括地板、天花板或墙壁中和/或后面的表面下区域。因此，移动SPR系统可以被定向为发射雷达信号并且在优选的方向上接收雷达信号。
另一种替代环境是地下环境，通过示例的方式，其可以包括地下隧道或矿井通道。因此，采矿车辆可以配置有SPR天线阵列，SPR天线阵列被配置为在与可使用的先前获取的SPR参考图像的车辆行进方向正交的任何方向上进行发射和接收。可选地，采矿车辆可以通过确定在与相应的SPR参考图像进行配准之后由车辆所获取的SPR图像中的差异，来检查隧道或通道结构的变化或内容。
可以采用上面描述的方法的变型来提高车辆定位的准确性和鲁棒性。对图8进行参考，图8示出了用于车辆定位的方法200的实施例的流程图表示，以及对图9A和图9B进行参考，图9A和9B分别示出了在从GPR阵列82向车辆80下方的表面下区域的发射雷达信号期间，车辆80的侧视图和前视图。
方法200包括将具有第一频率F1的第一雷达信号84发射(步骤210)到表面下区域中并且获取(步骤220)表面下区域的至少一部分体积的第一GPR图像集，其中第一雷达信号84在表面下区域中传播。将具有频率F2的第二雷达信号86发射(步骤230)到表面下区域中，并且针对接收第二雷达信号86的表面下体积获取(步骤240)第二GPR图像集。频率F2大于频率F1。通过非限制性数字示例的方式，第一频率F1可以是从大约100MHz延伸到大约400MHz的频率范围中的频率，并且第二频率F2可以是从大约1GHz延伸到大约2GHz的频率范围中的频率。在替代的数字示例中，第一频率F1可以是从大约100MHz延伸到大约400MHz的频率范围中的频率，并且第二频率F2可以是从大约200MHz延伸到大约400MHz的频率范围中的频率。
例如使用上面描述的配准过程的实施例确定(步骤250)粗略定位数据，并且基于第二GPR图像集确定(步骤260)车辆的更为准确的定位数据。由于频率的不同，第一雷达信号84通常穿透到表面下区域中比第二雷达信号86的深度更深的深度；然而，基于第一GPR图像集所确定的定位数据通常具有更粗略的分辨率。在一个实施例中，使用较低分辨率的地图和粗略的地下特征来确定粗略定位数据。通过第一雷达信号84所获得的这种粗略定位数据可用于减少使用第二GPR图像集进行的定位确定的搜索量，第二GPR图像集用于增加最终确定的位置数据的鲁棒性和准确性。可以使用可能包括较小地下特征的更高的分辨率地图来确定通过使用第二GPR图像集所获得的精细定位数据。
优选地，在发射第一雷达信号84之后以最小延迟发射第二雷达信号86。这显著地减小了由两个雷达信号在地面采样之间行进的距离以及由两个地面采样之间的GPR天线阵列的位置中的差异导致的误差。在一个实施例中，第一频率F1和第二频率F2同时被发射。
在替代实施例中，可以使用多于两个的采样。例如，可以利用增加频率的雷达信号序列(例如，步进的频率斜坡)来获得更为准确的定位数据。
可以根据预期存在于至少一些GPR图像中的一个或多个特征的特性，来选择频率F1和F2以及任何中间频率或频率范围。例如，可以选择频率，使得在数据中强调或不强调特定深度范围或特征类型、稳定性、杂波水平和特征尺寸。因此，频率选择可以允许强调诸如交通灯传感器、管道、道路和土壤的层的特征。频率F1可以基于雷达反射率和用于粗略定位的丰富的表面下特征的尺寸来选择，而频率F2可以基于第二雷达信号86所穿透的表面下区域中的较小表面下特征的已知存在来选择。
可以从相同的雷达发射器元件发射第一雷达信号84和第二雷达信号86，但这不是必需的。例如，如果第二雷达信号86的搜索量在第一雷达信号84的成像的表面下区域内，则可以使用不同的发射器元件。
第一雷达信号84和第二雷达信号86到表面下的传输分别导致来自表面下区域的第一接收雷达信号和第二接收雷达信号。第一GPR图像集和第二GPR图像集的获取可以包括将距离门应用于第一接收雷达信号和第二接收雷达信号。可以选择距离门的“宽度”以定义GPR图像的尺寸。例如，可以选择距离门以定义GPR图像的上部和下部深度。可以选择距离门以避免具有较不稳定的特征、低特征群和/或已知的已经改变的特征的表面下区域。因此，使用具有更稳定和/或更多特征的区域，从而确定更准确的定位数据。
在一个实施例中，每个雷达信号84，86包括多个频率，其中第一雷达信号84中的频率小于第二雷达信号86中的频率。可替选地，两个雷达信号84，86的频率范围可能存在一些重叠。例如，第一雷达信号84的一些最高的频率分量可以处于比第二雷达信号86的最低的频率分量更高的频率。在另一种替代方案中，第二雷达信号86的频率范围可以包括第一雷达信号84的所有频率。
在一个实施例中，第一雷达信号84和第二雷达信号86中的任一个或两者可能具有随时间进行变化的频率。例如，雷达信号可以包括随着时间的离散频率的斜坡。在另一个实施例中，可以存在发射的单个雷达信号，单个雷达信号实际上是上面描述的第一雷达信号84和第二雷达信号86的同时的总和，并且可以根据频率组成独立地处理来自表面下区域的返回信号。
在上面描述的方法200的实施例中，使用两个雷达信号；然而，在其它实施例中，可以使用三个或更多个雷达信号。例如，除了第一雷达信号84和第二雷达信号86之外，可以使用一个或多个中间雷达信号。每个中间雷达信号可以具有大于第一雷达信号84的频率F1、小于第二雷达信号86的频率F2并且不同于其它中间雷达信号的频率的中间频率。针对每个中间雷达信号的相应的表面下区域采集一组GPR图像，并且对于这些组GPR图像中的每组，确定车辆的位置数据。因此，可以通过多个级别的增加分辨率的累进来进行最终的定位确定。
虽然已经参考具体实施例示出和描述了本发明，但是所属领域的技术人员应该理解的是，在不脱离本发明的范围的情况下，可以在形式和细节上进行各种改变。

Claims (24)

1.一种用于车辆定位的方法，所述方法包括：
将具有第一频率的第一雷达信号发射到车辆下方的表面下区域；
将具有第二频率的第二雷达信号发射到所述表面下区域，所述第二频率大于所述第一频率；
基于所述第一雷达信号，获取第一表面下区域的第一表面穿透雷达(SPR)图像集；
基于所述第二雷达信号，获取与所述第一表面下区域至少部分地重叠的第二表面下区域的第二SPR图像集；
基于第一SPR图像集确定车辆的位置数据；以及
基于所述第二SPR图像集确定车辆的位置数据。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第一雷达信号具有第一多个频率，并且所述第二雷达信号具有第二多个频率。
3.根据权利要求2所述的方法，其中，所述第一多个频率和所述第二多个频率包括重叠的频率。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第一雷达信号和/或所述第二雷达信号包括随时间的离散频率的斜坡。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，同时发射所述第一雷达信号和所述第二雷达信号。
6.根据权利要求2所述的方法，其中，所述第二多个频率包括所述第一多个频率的所有频率。
7.根据权利要求2所述的方法，其中，所述第一多个频率包括所述第二多个频率的所有频率。
8.根据权利要求1所述的方法，其中，基于所述第一SPR图像集确定车辆的位置数据的步骤生成第一分辨率的位置数据，其中，基于所述第二SPR图像集确定车辆的位置数据的步骤是进一步基于所述第一分辨率的位置数据的并生成第二分辨率的位置数据，并且其中所述第二分辨率大于所述第一分辨率。
9.根据权利要求1所述的方法，其中所述第二表面下区域的深度小于所述第一表面下区域的深度。
10.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第一雷达信号和所述第二雷达信号是包括所述第一频率和所述第二频率的单个雷达信号。
11.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第一雷达信号和所述第二雷达信号是从相同雷达发射器元件发射的。
12.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第一雷达信号和所述第二雷达信号是从不同的雷达发射器元件发射的。
13.根据权利要求1所述的方法，还包括，响应于位置数据来控制车辆的运动。
14.根据权利要求1所述的方法，还包括：
将至少一个附加的雷达信号发射到所述表面下区域，每个附加雷达信号具有与所述第一雷达信号、所述第二雷达信号和每个其它的附加雷达信号不同的频率组成；
针对每个附加雷达信号获取附加的SPR图像集；以及
基于所述附加的SPR图像集确定车辆的位置数据。
15.根据权利要求1所述的方法，还包括：
将一个或多个中间雷达信号发射到所述表面下区域，每个中间雷达信号具有大于所述第一频率且小于所述第二频率的中间频率，并且每个中间频率与每个其它的中间频率不同；
对于每个中间雷达信号，获取中间表面下区域的中间的SPR图像集；以及
对于每个中间的SPR图像集，基于中间的SPR图像集中的相应一组来确定车辆的位置数据。
16.根据权利要求1所述的方法，其中，获取所述第一SPR图像集和所述第二SPR图像集包括分别对来自所述表面下区域的第一接收雷达信号和第二接收雷达信号应用距离门。
17.根据权利要求1所述的方法，其中，基于所述表面下区域中一个或多个特征的属性来选择所述第一频率和所述第二频率中的至少一个。
18.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第一SPR图像集和所述第二SPR图像集中的至少一个包括根据深度进行加权的SPR图像。
19.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第一SPR图像集和所述第二SPR图像集中的至少一个包括具有被排除的深度的SPR图像。
20.一种表面穿透雷达(SPR)系统，包括：
SPR天线阵列，其包括多个天线元件，并且被配置为将具有第一频率的第一雷达信号和具有第二频率的第二雷达信号发射到邻近于车辆的表面下区域，所述第二频率大于所述第一频率，所述天线元件还被配置为从所述表面下区域接收返回雷达信号；
雷达处理器，其与所述SPR天线阵列进行通信，所述雷达处理器被配置为：
基于所述第一雷达信号，获取第一表面下区域的第一SPR图像集；并且
基于所述第二雷达信号，获取与所述第一表面下区域至少部分地重叠的第二表面下区域的第二SPR图像集；以及
配准模块，其与处理器进行通信，所述配准模块被配置为：
基于所述第一SPR图像集确定车辆的位置数据；并且
基于所述第二SPR图像集确定车辆的位置数据。
21.根据权利要求20所述的SPR系统，其中，所述SPR天线阵列还被配置为向所述表面下区域发射至少一个附加雷达信号，每个附加雷达信号具有与所述第一雷达信号、所述第二雷达信号和每个其它的附加雷达信号不同的频率组成，并且其中所述雷达处理器还被配置为针对每个附加雷达信号获取附加的SPR图像集。
22.根据权利要求21所述的SPR系统，其中，所述配准模块还被配置为基于所述附加的SPR图像集和先前针对车辆确定的位置数据来确定车辆的位置数据。
23.根据权利要求20所述的SPR系统，其中所述SPR天线阵列还被配置为将一个或多个中间雷达信号发射到所述表面下区域，每个中间雷达信号具有大于所述第一频率且小于所述第二频率的中间频率，并且每个中间频率与每个其它的中间频率不同，并且其中，对于每个中间雷达信号，所述雷达处理器还被配置为获取中间表面下区域的中间的SPR图像集。
24.根据权利要求23所述的SPR系统，其中，所述配准模块还被配置为，对于每个中间的SPR图像集，基于中间的SPR图像集中的相应一组和先前针对车辆确定的位置数据来确定车辆的位置数据。
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