CN110857982A - 来自非同步雷达交叉发射反射的目标位置估计 - Google Patents

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Abstract

车辆、用于车辆的雷达系统以及估计物体的交叉发射范围的方法。雷达系统包括第一雷达、第二雷达和处理器。第一雷达发射测试信号。第二雷达与第一雷达分离开选定的距离，并接收包括从第一雷达直接接收的测试信号和来自目标的测试信号的反射的总信号。处理器对总信号执行非线性操作，以获得直接接收的测试信号和反射信号的交叉相关项，并从交叉相关项估计物体的交叉发射范围。

Description

来自非同步雷达交叉发射反射的目标位置估计
引言
本主题公开涉及使用雷达信号确定物体的雷达参数，尤其涉及使用非同步雷达确定物体的位置。
在车辆雷达系统中，通常有多个雷达位于车辆上。每个雷达总体上包括发射器和接收器。发射器发射从物体反射和在接收器处接收的信号，以便确定物体的参数，诸如物体的位置。通过同步的多个雷达，可以使用从在车辆的一个定位处的雷达发射的信号与在车辆的另一定位处的另一雷达处接收的反射信号来确定这些参数。然而，雷达同步要求显著量的附加处理电路系统和功率需要。相应地，期望提供一种不要求同步雷达来确定物体位置的系统和方法。
发明内容
在一个示例性实施例中，公开了一种估计物体的交叉发射范围的方法。该方法包括从发射器发射测试信号，在与发射器分离的接收器接收包括直接从发射器接收的测试信号和来自物体的测试信号的反射的总信号，在总信号上执行非线性操作以获得直接接收的测试信号和反射信号的交叉相关项，以及从交叉相关项估计物体的交叉发射范围。
除了此处描述的一个或多个特征，发射器和接收器是非同步的。执行非线性操作进一步包括对总信号求平方、获得总信号的标量积以及获得总信号的绝对值中的至少一个。该方法进一步包括将带通滤波器应用到非线性操作的结果。该方法进一步包括将交叉相关项进行积分，以估计在发射器、物体与接收器之间的往返行程延迟。该方法进一步包括将傅立叶变换应用到交叉相关项，并从傅立叶光谱结果中的峰值估计物体的交叉发射范围。该方法进一步包括将来自交叉相关项的物体的所估计的交叉发射范围与来自自发射回波的物体的估计的自发射范围进行组合。
在另一示例性实施例中，公开了一种用于车辆的雷达系统。雷达系统包括第一雷达、第二雷达和处理器。第一雷达被配置成发射测试信号。第二雷达与第一雷达分离开选定的距离，并被配置成接收包括直接来自第一雷达接收的测试信号和来自目标的测试信号的反射的总信号。处理器被配置成对总信号执行非线性操作，以获得直接接收的测试信号和反射信号的交叉相关项，并从交叉相关项估计物体的交叉发射范围。
除了此处描述的一个或多个特征，第一雷达和第二雷达是非同步的。处理器进一步被配置成通过执行对总信号求平方、获得总信号的标量积和获得总信号的绝对值中的至少一个来执行非线性操作。处理器进一步被配置成将滤波器应用到非线性操作的结果。处理器进一步被配置成对交叉相关项进行积分，以估计物体的交叉发射范围。处理器进一步被配置成将来自交叉相关项的物体的估计的交叉发射范围与来自自发射回波的物体的自发射范围的估计组合。处理器进一步被配置成基于估计的交叉发射范围相对于物体导航车辆。
在又一示例性实施例中，公开了一种车辆。该车辆包括第一雷达、第二雷达和处理器。第一雷达被配置成发射测试信号。第二雷达与第一雷达分离开选定的距离，并被配置成接收包括直接从第一雷达接收的测试信号和来自目标测试信号的反射的总信号。处理器被配置成对总信号执行非线性操作，以获得直接接收的测试信号和反射信号的交叉相关项，并从交叉相关项估计物体的交叉发射范围。
除了此处描述的一个或多个特征，第一雷达和第二雷达是非同步的。处理器进一步被配置成通过执行对总信号求平方、获得总信号的标量积和获得总信号的绝对值中的至少一个来执行非线性操作。处理器进一步被配置成将滤波器应用到非线性操作的结果。处理器进一步被配置成对交叉相关项进行积分，以估计物体的交叉发射范围。处理器进一步被配置成将来自交叉相关项的物体的估计的交叉发射范围与来自自发射回波的物体的估计的自发射范围的组合。
通过以下结合附图的详细描述，本发明的以上特征和优点以及其它特征和优点是清楚明白的。
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，详细描述参考附图，其中：
图1示出了根据各种实施例的具有相关联的轨迹规划系统的车辆；
图2描绘了图1的车辆使用来自单一雷达的自发射回波执行确定物体的范围的方法；
图3示出了使用交叉发射回波确定物体的范围的方法；
图4示出了图1的车辆的示例性雷达系统的细节；
图5示出了展示使用非同步雷达用于确定物体的范围的方法的流程图；和
图6描绘了展示自发射范围和交叉发射范围的结果进行组合得到的结果的示意图。
具体实施方式
以下描述本质上仅仅是示例性的，并不旨在限制本公开、其应用或使用。应当理解的是，在所有附图中，相应的附图标记指示相似或相应的部件和特征。
根据示例性实施例，图1示出了根据各种实施例的车辆10，其具有在100处所描绘的相关联的轨迹规划系统。通常，轨迹规划系统100确定用于车辆10的自动驾驶的轨迹规划。车辆10通常包括底盘12、车身14、前轮16和后轮18。车身14被布置在底盘12上并且基本上包围车辆10的组件。车身14和底架12可共同地形成框架。轮子16和18各自在车身14的对应的拐角附近旋转地联接到底盘12。
在各种实施例中，车辆10是自主车辆，并且轨迹规划系统100被结合到自主车辆10(后文称为自主车辆10)中。自主车辆10例如是被自动控制以将乘客从一个位置承载到另一位置的车辆。在所展示的实施例中，自主车辆10被描绘为客车，但是应当理解的是，也可以使用任何其他车辆包括摩托车、卡车、运动型多用途车、娱乐车辆、船舶、飞机等。在示例性实施例中，自主车辆10是所谓的四级或五级自动化系统。参照自动驾驶系统的、动态驾驶任务的所有方面的驾驶模式特定性能，四级系统指示高度自动化，即使人类驾驶员没有适当地响应请求以干预。参照自动驾驶系统在可以由人类驾驶员管理的所有道路和环境条件下的动态驾驶任务的所有方面的全时间性能，五级系统指示全自动化。
如图所示，自主车辆10通常包括推进系统20、传动系统22、转向系统24、制动器系统26、传感器系统28、致动器系统30、至少一个数据存储设备32和至少一个控制器34。在各种实施例中，推进系统20可以包括内燃机、诸如牵引电动机的电机、和/或燃料电池推进系统。变速器系统22被配置成根据可选择的速比将动力从推进系统20传输到车轮16和18。根据各个实施例，变速器系统22可以包括步进比自动变速器、无级变速器或其他适当的变速器。制动器系统26被配置成向车轮16和18提供制动扭矩。在多个实施例中，制动系统26可以包括摩擦制动器、诸如电机的再生制动系统、和/或其他适当的制动系统。转向系统24影响车轮16和18的位置。虽然为了说明的目的被描绘为包括转向盘，但是在本公开的范围内预期的一些实施例中，转向系统24可以不包括转向盘。
传感器系统28包括感测自主车辆10的外部环境和/或内部环境的可观察状况的一个或多个感测设备40a-40n。感测设备40a-40n可以包括但不限于雷达、激光雷达、全球定位系统、光学摄像机、热摄像机、超声传感器和/或其他传感器。在各种实施例中，车辆10包括雷达系统，该雷达系统包括雷达传感器阵列，雷达传感器沿着车辆10位于在不同位置。在操作中，雷达传感器发送被传感器的视野中的一个或多个物体50反射回车辆10的电磁脉冲48。反射脉冲52表现为在雷达传感器的一个或多个检测。
致动器系统30包括一个或多个致动器设备42a-42n，其控制一个或多个车辆特征，诸如但不限于推进系统20、变速器系统22、转向系统24和制动系统26。在各种实施例中，车辆特征可以进一步包括内部和/或外部车辆特征，诸如但不限于门、行李箱和诸如通风、音乐、照明等舱体特征(未编号)。
控制器34包括至少一个处理器44和计算机可读存储设备或介质46。处理器44可以是任何定制的或可商购的处理器、中央处理单元、图形处理单元、与控制器34相关联的几个处理器中的辅助处理器、基于半导体的微处理器(以微芯片或芯片组的形式)、宏处理器、其任何组合或总体上用于执行指令的任何设备。例如，计算机可读存储设备或介质46可以包括只读存储器、随机存取存储器和保活存储器中的易失性和非易失性存储。KAM是永久性或非易失性存储器，当处理器44断电时，其可以被用于存储各种操作变量。计算机可读存储设备或介质46可以使用许多已知存储设备中的任何一个来实施，诸如PROM(programmableread-only memory，可编程只读存储器)、EPROM(electrically PROM，电PROM)、EEPROM(electrically erasable PROM，电可擦除PROM)、闪存或能够存储由控制器34在控制自主车辆10中使用的数据(其中一些代表可执行指令)的任何其他电、磁、光或组合存储器设备。
指令可以包括一个或多个分离的程序，程序中的每一个包括用于实施逻辑功能的可执行指令的有序列表。这些指令在由处理器44执行时接收和处理来自传感器系统28的信号，执行用于自动控制自主车辆10的部件的逻辑、计算、方法和/或算法，并且向致动器系统30生成控制信号，以基于逻辑、计算、方法和/或算法来自动控制自主车辆10的部件。尽管在图1中仅示出了一个控制器34，但自主车辆10的实施例可以包括通过任何合适的通信介质或通信介质的组合进行通信并且协作来处理传感器信号、执行逻辑、计算、方法和/或算法、并且生成控制信号以自动控制自主车辆10的特征的任意数量的控制器34。
轨迹规划系统100基于物体和/或它们在车辆的环境内的定位的确定来导航自主车辆10。在各种实施例中，控制器34在车辆10上的不同定位操作多个雷达，以使用非同步雷达，尤其是使用非同步雷达之间的交叉发射回波确定物体50的定位(即，范围、仰角和方位角)。所确定的定位可以单独地使用或者与由单一雷达系统获得的类似参数组合使用，以便提供导航目的提供物体50的范围、方位角和/或仰角。一旦确定了物体的各种参数，诸如范围、方位角、仰角、速度等。控制器34可以操作一个或多个致动器设备42a-n、推进系统20、传动系统22、转向系统24和/或制动器26，以便相对于物体50导航车辆10。
图2描绘了图1的车辆10执行使用来自车辆10的单个雷达的自发射回波确定物体50的自发射范围R的方法。车辆10示出了第一雷达202和第二雷达204。第一雷达202和第二雷达中的每一个都可以包括发射器和至少一个接收器。替代性地，每个雷达可以包括既作为发射器又作为接收器操作的换能器。
参考图4，图4示出了车辆10的示例性雷达系统的细节。第一雷达202包括用于发射一个或多个测试信号的发射器402和用于接收一个或多个测试信号的反射的多个接收器404。类似地，第二雷达204包括用于发射一个或多个测试信号的发射器406和用于接收一个或多个测试信号的反射的多个接收器408。显然，当第一雷达202和第二雷达404是非同步时，从第一雷达202的发射器402发射的测试信号可以由第二雷达204的多个接收器408接收，并且从第二雷达204的发射器406发射的测试信号可以由第一雷达202的多个接收器404接收。在各种实施例中，测试信号是线性调制频率(linear modulated frequency，LFM)信号，也被称为啁啾信号。
返回图2，示出了第二雷达204，其展示了用于确定物体104相对于车辆10的自发射范围的自发射回波的操作。虽然第二雷达204是为了展示的目的而示出的，但是应当理解的是，第一雷达202也可以独立于第二雷达204或者与第二雷达204组合使用自发射回波确定物体50的范围。在自发射回波中，第二雷达204发射测试信号s(t)并接收来自物体50的测试信号的反射r(t)。因为第二雷达204(即，相同的雷达)的发射器和接收器是彼此同步的，所以从反射信号r(t)与本地雷达发射的信号s(t)的相关性获得自发射范围R，如在等式中所示的。(1):
R∝argmaxμ∫r(t)*s(t-μ)dt 等式(1)
其中μ是在发射信号s(t)和接收信号r(t)之间的延迟偏移。等式(1)适用于当发射器和接收器同步时的范围确定。然而，等式(1)当使用不同步的发射器和接收器时不成立的。
图3示出了使用交叉发射回波确定物体50的交叉发射范围R’的方法。交叉发射回波使用第一雷达202和第二雷达204两个。第一雷达202和第二雷达204由选择的或已知的距离分离并且彼此不同步。附加地，第一雷达202和第二雷达204在彼此的视线内。交叉发射范围是从第一雷达202到物体50，然后到第二雷达204的行进距离。在更一般的意义上，物体的交叉发射范围是使用通过物体在任何两个不同雷达之间的行进信号确定的范围。
作为交叉发射回波范围的示例，第一雷达202生成从第一雷达202向所有方向传播的测试信号s(t)(304)。第二雷达204接收两个信号作为测试信号的发射的结果。首先，第二雷达204直接接收已经从第一雷达202直接行进到第二雷达204的测试信号s(t)。第二，第二雷达204从物体50接收测试信号304的反射r(t)(306)。在第二雷达204接收的结果总信号y(t)由等式给出。(2):
y(t)＝r(t)+s(t-τ) 等式(2)
其中r(t)是反射信号306并且s(t-τ)是直接接收的测试信号304。变量τ与第一雷达202和第二雷达204之间的距离相关，该距离是已知的量。
以便从等式的总信号y(t)获得交叉相关项。(2)，对总信号y(t)执行非线性操作。在各种实施例中，非线性操作可以包括：对总信号求平方、执行总信号的标量积、获得总信号的绝对值等。为了展示的目的，等式。(3)示出了对总信号求平方的结果：
y2(t)＝r2(t)+s2(t-τ)+2r(t)s(t-τ) 等式(3)
非线性操作引入的术语是反射的平方和测试信号的平方以及交叉相关项，2r(t)s(t-τ)。因此，执行非线性操作生成交叉相关项可以用于使用等式从非同步雷达确定交叉发射范围。(1)或类似的等式。对于LFM测试信号，交叉相关项给出正弦信号，诸如
Figure BDA0002078917700000071
或者复指数信号。
Figure BDA0002078917700000072
在任一种情况下，频率f与发射天线、物体和接收天线之间的往返行程延迟成比例。因此，通过对交叉相关项应用傅立叶变换估计交叉相关项的频率f，从而确定往返行程延迟。傅立叶光谱的峰值与用于单个物体的往返行程延迟相关。对于在不同位置的多个物体，傅立叶变换产生多个峰值，与多个物体相关的多个往返行程延迟中的每一个峰值对应一个峰值。在各种实施例中，傅立叶变换通过离散傅立叶变换或者快速傅立叶变换来实施。可以将带通滤波器应用到傅立叶变换的输出。参照图5讨论使用交叉发射回波的交叉发射范围确定。
图5示出了流程图500，其展示了使用非同步雷达用于确定到物体204的范围R的方法。在盒502中，在第一雷达生成测试信号s(t)。在各种实施例中，测试信号s(t)是线性频率调制信号或“啁啾”信号。在盒504中，在与第一雷达非同步的第二雷达接收总信号y(t)，该总信号是从第一雷达直接接收的测试信号和从物体的测试信号的反射的总和。
在盒506中，对总信号执行非线性操作。非线性操作产生反射信号的平方、直接接收信号的平方和交叉相关项，该交叉相关项包括反射信号和直接接收信号的乘积在时间上转移一个时间延迟。反射信号的平方和直接接收信号的平方是高频率项和DC(低频率)项。因此，在盒508中，将滤波器应用到信号，以便去除这些术语。在各种实施例中，滤波器是带通滤波器。
在盒510中，使用例如傅立叶变换将滤波后的信号(即，交叉乘积项)变换到频率空间中。在盒512中，交叉乘积项的峰值位于频率空间中。在傅立叶域中的峰值与物体的交叉反射范围成比例和/或相关。在盒514中，推导出偏移(cτ)，该偏移由从发射器到接收器的直接路径延迟引入。傅立叶光谱中的峰值是往返行程延迟(沿着从发射器到物体和到接收器的路径)和沿着直接路径(在发射器和接收器之间)的延迟τ之间的差异的测量。通过τ或通过相应的距离测量cτ调整往返行程延迟测量，以便消除来自交叉发射范围计算中的偏移。
在盒516中，交叉发射范围测量和自发射范围测量组合成均匀波束形成信号。对于包括第一雷达202和第二雷达204的雷达系统，第一雷达202和第二雷达204两者都可以用于使用自发射回波来确定自发射范围。另外，可以使用两个交叉发射回波范围来确定交叉发射范围。因为每个雷达具有多个发射器和接收器，因此矩阵A1(θ)、A2(θ)、A3(θ),A4(θ)对应于用于自发射回波和交叉发射回波的多个发射器和接收器路径。组合范围信号z(θ)如在等式中所示。(4):
z(θ)＝A1(θ)y1+A2(θ)y2+A3(θ)y3+A4(θ)y4 等式(4)
其中y1是从第一雷达确定的自发射范围，y2是从第二雷达确定的自发射范围，y3是通过从第一雷达发射测试信号并在第二雷达接收反射而确定的交叉发射范围，以及y4是通过从第二雷达发射测试信号并在第一雷达接收反射而确定的交叉发射范围。组合范围信号z(θ)可以提供给图1的处理器44，以指示用于控制相对于物体50的车辆10的导航物体50的位置。
图6描绘了展示自发射范围和交叉发射范围的结果进行组合的结果的图。曲线601示出了用于仅使用来自单个雷达的自发射范围的物体50的角度定位的峰值。曲线603示出了用于使用本文公开的自发射和交叉发射范围方法的组合的物体50的角度定位的峰值。每条曲线的光束宽度指示经由各自的范围方法获得的物体的估计定位和分辨率。使用交叉反射范围的曲线603的光束宽度(从约-5°到+5°)比仅使用自发射范围的曲线605的光束宽度(从约-15°到+15°)减小至少2倍。因此，物体50的角度分辨率增加了至少2倍。
应当理解的是，使用附加的交叉发射回波，正如使用图4的雷达系统的多个接收器可能的那样，可以增加交叉发射范围期间的范围估计的数量，因此可以用于进一步减小光束宽度，或者等同地，以增加物体的角度分辨率。
虽然已经参考示例性实施例描述了以上公开，但是本领域技术人员将理解的是，在不脱离其范围的情况下，可以进行各种改变并且可以用等同物代替其元件。此外，在不脱离本发明的实质范围的情况下，可以进行许多修改以使特定情况或材料适应本公开的教导。因此，本发明旨在不限于所公开的特定实施例，而是将包括未落入其范围内的所有实施例。

Claims (10)

1.一种估计物体的交叉发射范围的方法，包括：
从发射器发射测试信号；
在与所述发射器分离的接收器接收总信号，所述总信号包括直接从所述发射器接收的所述测试信号和来自所述物体的所述测试信号的反射；
对所述总信号执行非线性操作，以获得所述直接接收的测试信号和所述反射信号的交叉相关项；和
从所述交叉相关项估计所述物体的所述交叉发射范围。
2.如权利要求1所述的方法，其中，执行所述非线性操作进一步包括以下中的至少一项：(i)对所述总信号求平方；(ii)获得所述总信号的标量积；以及(iii)获得所述总信号的绝对值。
3.如权利要求1所述的方法，进一步包括：对所述交叉相关项进行积分，以估计发射器、物体和接收器之间的所述往返行程延迟。
4.如权利要求1所述的方法，进一步包括：对所述交叉相关项应用傅立叶变换，并从傅立叶光谱结果中的所述峰值估计所述物体的所述交叉发射范围。
5.如权利要求1所述的方法，进一步包括：将来自所述交叉相关项的所述物体的所述估计的交叉发射范围与来自自发射回波的所述物体的自发射范围的估计进行组合。
6.用于车辆的雷达系统，包括：
第一雷达，被配置成发射测试信号；
第二雷达，所述第二雷达与所述第一雷达分离开选定的距离，所述第二雷达被配置成接收包括从所述第一雷达直接接收的所述测试信号和从所述目标的所述测试信号的反射的总信号；和
处理器，被配置为：
对所述总信号执行非线性操作，以获得所述直接接收的测试信号和所述反射信号的交叉相关项；和
从所述交叉相关项估计所述物体的交叉发射范围。
7.如权利要求6所述的雷达系统，其中，所述处理器进一步被配置成通过执行以下中的至少一项来执行所述非线性操作：(i)对所述总信号求平方；(ii)获得所述总信号的标量积；以及(iii)获得所述总信号的绝对值。
8.如权利要求6所述的雷达系统，其中，所述处理器进一步被配置成将所述交叉相关项积分，以估计所述物体的所述交叉反射范围。
9.如权利要求6所述的雷达系统，其中，所述处理器进一步被配置成将来自所述交叉相关项的所述估计的所述物体的交叉反射范围与来自自发射回波的所述物体的自发射范围的估计组合。
10.如权利要求6所述的雷达系统，其中，所述处理器进一步被配置成基于所述估计的交叉发射范围相对于所述物体导航所述车辆。
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