CN110850412B - 针对未知位置处目标的对雷达系统中收发器位置偏移的估计和补偿 - Google Patents

Abstract

一种雷达系统包括两个或多个节点，每个节点包括一个或多个发射天线以及一个或多个接收天线。雷达系统还包括处理器，用于获得在两个或多个节点中的每个节点处的已接收信号，估计基于已接收信号识别的每个目标的到达角，估计两个或多个节点中的每一个节点相对于已知位置的偏移，以及在估计已接收信号中后续目标的到达角的过程中补偿该偏移。

Description

针对未知位置处目标的对雷达系统中收发器位置偏移的估计 和补偿

技术领域

本发明涉及针对未知位置处目标的对雷达系统中收发器位置偏移的估计和补偿。

背景技术

车辆(例如，汽车、卡车、施工设备、农场设备以及自动化制造设备)越来越多地使用传感器来检测其附近的物体。该检测可用于增强或自动化车辆操作。示例性传感器包括照相机、光检测和测距(激光雷达)系统、无线电检测和测距(雷达)系统。雷达系统可以包括多个收发器，这些收发器是包括一个或多个发射天线和一个或多个接收天线的节点。当节点的位置已知时，多个收发器便于获得高角度分辨率。然而，由于许多因素，例如温度、振动和安装力，随着雷达系统随时间运行，节点位置可能发生变化。在具有已知目标位置的校准或测试环境中，可以确定与原始节点位置的偏移。然而，在雷达系统(例如，车辆中的雷达系统)的正常操作期间，目标位置是未知的，并且该校准过程是不可能的。

因此，针对未知位置目标提供对雷达系统中收发器位置偏移的估计和补偿是十分必要的。

发明内容

在一个示例性实施例中，雷达系统包括两个或多个节点。每个节点包括一个或多个发射天线以及一个或多个接收天线。雷达系统还包括处理器，用于在两个或多个节点中的每个节点处获得已接收信号，估计基于已接收信号识别的每个目标的到达角，估计两个或多个节点中的每个节点相对于已知位置的偏移，以及在估计已接收信号中后续目标的到达角的过程中补偿该偏移。

除了本文描述的一个或多个特征之外，处理器还基于波束形成过程来估计到达角，该波束形成过程指示雷达系统的视场中的每个方位角处的振幅。

除了本文描述的一个或多个特征之外，处理器还识别基于已接收信号识别的目标中的点目标。

除了本文描述的一个或多个特征之外，处理器还基于点目标来估计两个或多个节点中的每个节点相对于已知位置的偏移。

除了本文描述的一个或多个特征之外，处理器还使用偏移假设来生成对应于基于已接收信号识别的目标中的每点目标的到达角估计的合成阵列响应。

除了本文描述的一个或多个特征之外，处理器还根据已接收信号确定偏移假设中提供合成阵列响应与所测量阵列响应之间的最佳匹配的最佳匹配偏移假设。

除了本文描述的一个或多个特征之外，处理器对与每个点目标相关联的最佳匹配偏移假设进行平均，以估计两个或多个节点中的每个节点相对于已知位置的偏移。

除了本文描述的一个或多个特征之外，雷达系统位于车辆中。

除了本文描述的一个或多个特征之外，到达角用于增强车辆的操作或使车辆的操作自动化。

在另一示例性实施例中，配置雷达系统的方法包括：从两个或多个节点中的每个节点的一个或多个发射天线进行发射，以及在两个或多个节点中的每个节点的一个或多个接收天线处接收已接收信号。该方法还包括估计基于已接收信号识别的每个目标的到达角，估计两个或多个节点中的每个节点相对于已知位置的偏移，以及在估计已接收信号中后续目标的到达角的过程中补偿该偏移。

除了本文描述的一个或多个特征之外，基于波束形成过程来估计到达角，该波束形成过程指示雷达系统的视场中的每个方位角处的振幅。

除了本文描述的一个或多个特征之外，估计两个或多个节点中的每个节点相对于已知位置的偏移包括：识别基于已接收信号识别的目标中的点目标并且使用偏移假设来生成对应于基于已接收信号识别的目标中的每个点目标的到达角估计的合成阵列响应。

除了本文描述的一个或多个特征之外，该方法还包括：根据接收到的信号，在提供合成阵列响应和测量阵列响应之间的最佳匹配的偏移假设中确定最佳匹配偏移假设，以及对与每个点目标相关联的最佳匹配偏移假设进行平均，以估计两个或多个节点中的每个节点相对于已知位置的偏移。

在又一个示例性实施例中，车辆包括雷达系统，该雷达系统包括两个或多个节点。每个节点包括一个或多个发射天线以及一个或多个接收天线。雷达系统还包括处理器，用于在两个或多个节点中的每个节点处获得已接收信号，估计基于已接收信号识别的每个目标的到达角，估计两个或多个节点中的每个节点相对于已知位置的偏移，以及在估计已接收信号中的后续目标的到达角的过程中补偿该偏移。该车辆还包括车辆控制器，以基于到达角来增强车辆操作或使车辆操作自动化。

除了本文描述的一个或多个特征之外，处理器基于波束形成过程来估计到达角，该波束形成过程指示雷达系统的视场中的每个方位角处的振幅。

除了本文描述的一个或多个特征之外，处理器识别基于已接收信号识别的目标中的点目标。

除了本文描述的一个或多个特征之外，处理器基于点目标估计两个或多个节点中的每一个节点相对于已知位置的偏移。

除了本文描述的一个或多个特征之外，处理器使用偏移假设来生成对应于基于已接收信号识别的目标中的每个点目标的到达角估计的合成阵列响应。

除了本文描述的一个或多个特征之外，处理器根据已接收信号在提供合成阵列响应和测量阵列响应之间的最佳匹配的偏移假设中确定最佳匹配偏移假设。

除了本文描述的一个或多个特征之外，处理器对与每个点目标相关联的最佳匹配偏移假设进行平均，以估计两个或多个节点中的每个节点相对于已知位置的偏移。

当结合附图阅读以下详细描述时，本发明的上述特征和优点以及其他特征和优点将变得显而易见。

附图说明

其他特征、优点和细节仅作为示例出现在以下详细描述中，该详细描述参考附图，其中：

图1是涉及根据一个或多个实施例的雷达系统的场景的框图；

图2详细描述了根据一个或多个实施例的雷达系统的各方面；以及

图3是根据一个或多个实施例的在雷达系统中估计和补偿收发器节点的位置中的偏移的方法的工艺流程。

具体实施方式

以下描述本质上仅是示例性的，但并不旨在限制本发明，其应用或用途。应该理解的是，在整个附图中，相应的附图标记表示相同或相应的部件和特征。

在雷达系统中，发射器发射能量，并且当一个或多个目标处于雷达系统的视场中时，目标反射一些能量，这些能量可以被雷达系统捕获为已接收信号。雷达系统可包括多个发射元件和多个接收元件。对已接收信号的处理提供关于目标的信息，例如每个目标的距离、多普勒、方位、仰角和振幅。可以基于已知的波束形成过程来估计到达角。数字波束形成涉及针对目标反射的每个到达角从每个接收元件处的已接收信号的向量和实际已接收信号矩阵获得复标量向量。数字波束形成基于所获得的向量的复标量的阈值为每个检测到的目标提供方位角(即，到达角)。波束形成结果可以在二维图中表示为沿一个轴的方位角和沿另一个轴的振幅。主瓣(即，具有最高振幅的角度)表示目标的到达角。其他较低振幅称为旁瓣。

如前所述，雷达系统中的多个收发器或节点便于以比单个节点更高的角分辨率确定目标位置。然而，例如，由于诸如温度和振动之类的因素，节点位置相对于它们在操作期间形成的原始位置的偏移降低了到达角估计的精确度。为了补偿这些偏移并改进目标角度估计，确定这些偏移通常需要使用已知位置处的目标来校准节点位置。然而，在操作期间(例如，当雷达系统在车辆中操作时)执行需要目标在已知位置的校准过程是具有挑战性的。本文详述的系统和方法的实施例涉及用于未知位置处目标的雷达系统中的收发器位置偏移的估计和补偿。具体地，对于雷达系统的每个节点，使用涉及为收集点目标数据的过程来估计节点旋转偏移和节点位置偏移。

根据示例性实施例，图1是涉及雷达系统110的场景的框图。图1所示车辆100是汽车101。参考图2进一步详述，雷达系统110在汽车101的发动机罩正下方。根据替代或附加实施例，一个或多个雷达系统110可以位于车辆100中或其上的其他位置。同样也显示了另一传感器115(例如，摄像机、声纳、激光雷达系统)。由雷达系统110和一个或多个其他传感器115获得的信息可以提供给控制器120(例如，电子控制单元)，用于图像或数据处理、目标识别以及随后的车辆控制。

控制器120可以使用该信息来控制一个或多个车辆系统130。在示范性实施例中，车辆100可以是自主车辆，并且控制器120可以使用来自雷达系统110和其他来源的信息来执行已知的车辆操作控制。在替代实施例中，控制器120可以使用来自雷达系统110和其他来源的信息作为已知系统(例如，避碰系统、自适应巡航控制系统、驾驶员警报)的一部分来增强车辆操作。雷达系统110和一个或多个其他传感器115可用于检测物体140，例如图1所示的行人145。控制器120可以包括处理电路，该处理电路可以包括专用集成电路(ASIC)、电子电路、执行一个或多个软件或固件程序的处理器(共享的、专用的或成组的)以及存储器、组合逻辑电路和/或提供所述功能的其他适当部件。

图2详细描述了根据一个或多个实施例的雷达系统110的各方面，其示出了用于示例性雷达系统110的四个节点210a、210b、210c、210d(通常称为210)。例如，节点210a包括四根天线220a、220b、220c、220d(通常称为220)。天线220a可以在天线220b、220c、220d接收时进行发送。图2所示的示例性配置并不旨在限制节点210的数量、天线220的数量或在根据一个或多个实施例处理的雷达系统110的给定节点210中发送或接收的天线220的数量。已接收信号的处理可以由作为雷达系统110的一部分的处理器240完成。根据替代或附加实施例，该处理可以由控制器120执行。处理器240可以包括类似于控制器120的处理电路。偏移230a、230b、230c、230d(通常为230)指示示例性节点210从其原始(已知)位置经历的示例性偏移230。该偏移230包括从原始位置的旋转以及位置的改变。

其位置未知的目标140在图2中示出。目标140相对于节点210的阵列的中心的到达角θ值得关注。由雷达系统110获得的到达角θ估计的精度受到偏移230的影响，从而需要根据一个或多个实施例的估计和补偿。当节点210的位置已知时，对节点210处接收的反射执行波束形成的结果是相对于主瓣，在到达角θ处的并且处于低旁瓣电平的窄主瓣。偏移230导致更高的旁瓣电平。虽然这可能对涉及单个目标140的场景中的结果几乎没有影响，但是在多目标场景中，较高的旁瓣导致与目标140相关的数据彼此干扰。

图3是根据一个或多个实施例的在雷达系统110中估计和补偿收发器节点210的位置中的偏移230的方法300的工艺流程。在框310处，获得点目标的范围包括基于波束成形结果将目标140识别为点目标。即，在雷达系统110的正常操作期间，当波束形成结果(指示角度与振幅)包括单个主瓣时，则相关联的目标140被认为是点目标。在框320处，估计每个点目标的到达角θ是指使用波束形成工艺结果来识别与最高振幅相关联的角度。

在框330处，过程包括生成与估计的到达角θ对应的合成阵列响应并使用偏移假设。对于关于节点210的偏移230的每个假设，到达角θ估计用于生成节点210阵列的合成响应。在框340处，将对应于偏移230的每个假设的合成响应与实际测量的阵列响应进行比较。所述过程包括确定合成阵列响应能够最佳匹配测量的阵列响应的偏移230的假设。将该确定的假设在M个点目标上进行平均(例如，一千个点目标)。

具体地，根据示例性实施例，可以使用以下优化(即，最小化)：

如前所述，M表示被平均分配的点目标的数量(即，m是点目标指标)。另外，N是节点210的数量(即，n是节点指标)，T是用于发送的每个节点210的天线220的数量(即，t是发送天线指标)，并且R是用于接收的每个节点210的天线220的数量(即，r是接收天线指标)。是给定节点210n的偏移230的旋转方面，其是三个角度(偏航角、俯仰角、倾斜角)的矢量。/>是给定节点210n的位置偏移230。S表示测量信号，α是必须进行优化的增益因子。θ⁽ⁿ⁾和δ⁽ⁿ⁾是给定节点210n的旋转和位置偏移230的假设，以及/>是根据波束形成结果的目标140(点目标)的估计位置。如果被视为并且用作点目标的小百分比的目标140实际上是多个或分布式目标，则图3中所示的估计和补偿过程仍然可行。

如前面针对框340所述，并且如方程式所示，认为合成阵列响应最接近地匹配测量的阵列响应的偏移230的假设被认为是节点210的偏移230的最佳估计。在框350处，节点210的所得偏移230用于调整波束成形。即，在框350处，该过程包括在与随后的已接收信号一起使用的波束成形中补偿每个节点210(在框340)的估计偏移230。图3中所示的过程可以连续地、周期性地或基于事件(例如，通过监视波束成形结果以检测偏移230的变化)进行重复执行。在框340处，被平均的点目标的数量可以是固定的，可以是基于持续时间的(例如，在超过一小时内检测到的平均点目标)，或者可以在另一基础上设置(例如，通过监视波束成形结果以检测偏移230的变化)。

虽然已经参考示例性实施例对以上发明内容进行了描述，但是本领域技术人员应当理解的是，在不脱离本发明的范围的情况下，可以进行各种改变并且可以用等同物替换其元件。另外，在不脱离本发明的基本范围的情况下，可以进行许多修改以使特定情况或材料适应本发明的教导。因此，可以说明的是，本发明不限于所公开的特定实施例，而是能够包括属于其范围内的所有实施例。

Claims (5)

1.一种雷达系统，包括：

两个或多个节点，每个节点包括一个或多个发射天线以及一个或多个接收天线；以及

处理器，配置为获得在所述两个或多个节点中的每个节点处的已接收信号，估计基于所述已接收信号识别的每个目标的到达角，估计所述两个或多个节点中的每一个节点相对于已知位置的偏移，以及在估计所述已接收信号中后续目标的所述到达角的过程中补偿所述偏移；

其中，所述处理器还配置为在基于所述已接收信号所识别的所述目标中识别点目标，以及基于所述点目标来估计所述两个或多个节点中的每一个节点相对于所述已知位置的偏移；

其中，所述处理器还配置为使用偏移假设来生成合成阵列响应，所述合成阵列响应与基于所述已接收信号识别的所述目标中的每个点目标的所述到达角的估计相对应；并且

其中，所述处理器还配置为根据所述已接收信号，提供所述合成阵列响应和测量的阵列响应之间的最佳匹配的偏移假设中确定所述最佳匹配偏移假设，以及所述处理器还配置为对与每个点目标相关联的所述最佳匹配偏移假设进行平均，以估计所述两个或多个节点中的每一个节点相对于所述已知位置的偏移。

2.根据权利要求1所述的雷达系统，其中，所述处理器还配置为基于波束形成过程来估计所述到达角，所述波束形成过程指示所述雷达系统的视场中的每个方位角处的振幅。

3.根据权利要求1所述的雷达系统，其中，所述雷达系统位于车辆中，并且所述到达角用于增强所述车辆的操作或使车辆的操作自动化。

4.一种配置雷达系统的方法，所述方法包括：

从两个或多个节点中的每个节点的一个或多个发射天线发射；

在所述两个或多个节点中的每个节点的一个或多个接收天线处接收已接收信号；

使用处理器估计基于所述已接收信号识别的每个目标的到达角度；

使用所述处理器估计所述两个或多个节点中的每个节点相对于已知位置的偏移；以及

在估计所述已接收信号中后续目标的到达角的过程中，使用所述处理器补偿所述偏移；

其中，所述估计两个或多个节点中的每一个节点相对于已知位置的偏移的步骤包括：识别基于所述已接收信号识别的所述目标中的点目标以及使用偏移假设来生成与基于所述已接收信号识别的所述目标中的每个点目标的所述到达角的估计相对应的合成阵列响应；并且

进一步包括根据所述已接收信号在所述偏移假设中确定提供所述合成阵列响应与测量阵列响应之间的最佳匹配的最佳匹配偏移假设，以及对与每个点目标相关联的所述最佳匹配偏移假设进行平均，以估计所述两个或多个节点中的每个节点相对于所述已知位置的偏移。

5.根据权利要求4所述的方法，其中，基于波束形成过程来估计所述到达角，所述波束形成过程指示所述雷达系统的视场中的每个方位角处的振幅。