CN111352081B - 用于高分辨率雷达系统的行波成像歧管 - Google Patents

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Abstract

本公开涉及“用于高分辨率雷达系统的行波成像歧管”。本公开涉及一种雷达系统，所述雷达系统包括行波成像歧管(TIM)天线，该行波成像歧管(TIM)天线包括具有多个路径的波导，该多个路径被构造成使得多个路径中的相邻路径具有不同的路径长度。该雷达系统还包括处理器，该处理器被构造成生成要在波导的开口处输入的发射信号或处理从波导的开口获得的反射。

Description

用于高分辨率雷达系统的行波成像歧管
背景技术
本公开涉及一种用于高分辨率雷达系统的行波成像歧管(TIM)。
无线电检测和测距(雷达)系统越来越多地在各种应用中用于检测和跟踪物体。例如，在车辆(例如，汽车、卡车、建筑设备、农场设备、自动化工厂设备)上，雷达系统可检测和跟踪物体，以有利于车辆操作的增强或自动化。距离和角分辨率是许多雷达应用(例如车辆应用)中的重要量度，以有利于正确识别物体的相对位置。因此，希望提供用于高分辨率雷达系统的TIM。
发明内容
在一个示例性实施方案中，雷达系统包括行波成像歧管(TIM)天线，该行波成像歧管(TIM)天线包括具有多个路径的波导，使得多个路径中的相邻路径具有不同的路径长度。该雷达系统还包括处理器，以生成要在波导的开口处输入的发射信号或处理从波导的开口获得的反射。
除本文所述的一个或多个特征之外，发射信号是频率调制信号。
除本文所述的一个或多个特征之外，该雷达系统还包括辐射狭槽，该辐射狭槽被布置成线并且被构造成覆盖多个路径，其中多个路径具有路径长度的伪随机分布。
除本文所述的一个或多个特征之外，该雷达系统还包括相对于辐射狭槽的线正交地布置的多个TIM天线。
除本文所述的一个或多个特征之外，多个TIM天线被构造成在多个TIM天线中的相邻TIM天线之间具有相同的相位差。
除本文所述的一个或多个特征之外，该雷达系统还包括一个或多个附加辐射元件，这些辐射元件与辐射狭槽中的每一个相关联并且相对于辐射狭槽的线正交地布置。附加辐射元件为孔耦接贴片天线、电介质棒天线、偶极子天线、喇叭天线、螺旋天线或漏波天线。
除本文所述的一个或多个特征之外，该雷达系统还包括具有布置成线的第二辐射狭槽的第二TIM天线。TIM天线的辐射狭槽基于发射信号发射伪随机辐射图案，第二TIM天线的第二辐射狭槽接收由TIM天线发射的伪随机辐射图案产生的反射能量，并且布置成线的辐射狭槽垂直于布置成线的第二辐射狭槽。
除本文所述的一个或多个特征之外，辐射狭槽相对于TIM天线的轴线倾斜45度，并且第二辐射狭槽相对于第二TIM天线的轴线倾斜45度。
除本文所述的一个或多个特征之外，TIM天线是串联布置的多个TIM天线中的一个。
除本文所述的一个或多个特征之外，为多个TIM天线中的每一个提供相应的一个发射信号，并且每个发射信号的相移受到单独控制。
在另一个示例性实施方案中，一种构造雷达系统的方法包括将行波成像歧管(TIM)天线制造成包括具有多个路径的波导，其中多个路径被构造成使得多个路径中的相邻路径具有不同的路径长度。该方法还包括将处理器构造成生成要在波导的开口处输入的发射信号或处理从波导的开口获得的反射。
除本文所述的一个或多个特征之外，构造处理器包括处理器生成发射信号作为频率调制信号。
除本文所述的一个或多个特征之外，制造TIM天线包括制造布置成线的辐射狭槽作为多个路径的覆盖件，并且多个路径具有路径长度的伪随机分布。
除本文所述的一个或多个特征之外，该方法还包括制造相对于辐射狭槽的线正交地布置的多个TIM天线。
除本文所述的一个或多个特征之外，制造多个TIM天线包括将多个TIM天线构造成在多个TIM天线中的相邻TIM天线之间具有相同的相位差。
除本文所述的一个或多个特征之外，该方法还包括将与每个辐射狭槽相关联的一个或多个天线附加辐射元件布置成相对于辐射狭槽的线正交。附加辐射元件为孔耦接贴片天线、电介质棒天线、偶极子天线、喇叭天线、螺旋天线或漏波天线。
除本文所述的一个或多个特征之外，该方法还包括制造具有布置成线的第二辐射狭槽的第二TIM天线。TIM天线的辐射狭槽基于发射信号发射伪随机辐射图案，第二TIM天线的第二辐射狭槽接收由TIM天线发射的伪随机辐射图案产生的反射能量，并且布置成线的辐射狭槽垂直于布置成线的第二辐射狭槽。
除本文所述的一个或多个特征之外，制造TIM天线和制造第二TIM天线包括使辐射狭槽相对于TIM天线的轴线倾斜45度，并且使第二辐射狭槽相对于第二TIM天线的轴线倾斜45度。
除本文所述的一个或多个特征之外，该方法还包括串联制造多个TIM天线。
除本文所述的一个或多个特征之外，构造处理器包括处理器为多个TIM天线中的每一个提供相应的一个发射信号，每个发射信号的相移受到单独控制。
结合附图和以下的具体实施方式，本公开的上述特征和优点以及其它特征和优点将变得显而易见。
附图说明
其它特征、优点和细节仅以举例的方式出现在以下具体实施方式中，具体实施方式涉及附图，其中：
图1为根据一个或多个实施方案的包括用于高分辨率雷达系统的行波成像歧管(TIM)天线的车辆的框图；
图2A为根据一个或多个实施方案的示例性TIM天线的剖视图；
图2B示出了根据一个或多个实施方案的示例性TIM天线的覆盖件；
图3示出了涉及视场减小的TIM天线的示例性实施方案的雷达系统的各个方面；
图4示出了具有多个TIM天线以增大视场的示例性实施方案的雷达系统的各个方面；
图5示出了根据一个示例性实施方案的具有不同发射和接收TIM天线的雷达系统的各个方面；
图6示出了根据另一个示例性实施方案的具有不同发射和接收TIM天线的雷达系统的各个方面；并且
图7示出了TIM天线的阵列的示例性实施方案。
具体实施方式
以下描述在本质上仅为示例性的，并非旨在限制本公开、其应用或用途。应当理解，在所有附图中，相应的附图标号表示类似或对应的部件和特征。
如前所述，雷达系统有利于增强或自动化车辆操作。受益于雷达系统提供的检测和跟踪的示例性车辆系统包括自动驾驶系统、防撞系统、自适应巡航控制系统和自动制动系统。通常，对于基于车辆的雷达系统，希望覆盖整个360度方位角以及45度仰角的宽视场(FOV)。现有方法涉及使用窄的高增益光束(例如，笔形光束)并顺序扫描FOV。然而，这种方法可能很耗时，因为它需要大量的采集。
例如，在传统的相控阵雷达中，可使用与每个发射天线元件相关联的相移器来控制雷达光束的方向性以实现顺序扫描。覆盖100度乘45度FOV的示例性1度光束将需要4500个光束或4500次采集来覆盖FOV。发射信号可为频率扫描，例如线性调频连续波(LFMCW)信号(即，啁啾)。在具有多个发射元件的多输入多输出(MIMO)雷达系统中，可使用时间伪随机代码将每个相移器设置成例如0度或180度，使得远场辐射图案是在啁啾的频率范围内变化的伪随机模式。通过解调(已知的)发射元件代码并形成发射元件信号的线性组合，可在接收信号之后形成诸如笔形光束的高增益光束。然而，各自具有相关联的相移器的多个发射元件代表雷达系统中的重要硬件成本。
本文详述的系统和方法的实施方案涉及用于高分辨率雷达系统的TIM天线。在TIM天线中，歧管形式的波导经由曲折馈线由发射信号。可使用相同类型的TIM天线从雷达附近的物体接收由传输引起的反射能量。通过改变跨歧管的波导部分的长度(即，具有路径长度的伪随机分布)，随着啁啾从歧管辐射或由歧管收集，即创建针对远场辐射图案的伪随机模式。根据本文详述的实施方案的数字光束形成也增大了角分辨率，但与常规或MIMO阵列中的每个发射元件相关联的相移器不同，硬件成本显著降低。另外，例如，采集时间比传统相控阵列相对较短。波导中路径长度的伪随机分布有利于采集时间的这种缩短。即，如果路径长度全部相同，则将生成高增益光束(例如，推扫式光束)，但该光束必须扫过FOV，从而需要多次采集。然而，根据本文详述的实施方案的TIM天线仅需要单次采集来覆盖FOV。
根据一个示例性实施方案，图1是包括用于高分辨率雷达系统110的一对TIM天线120a、120b(通常称为120)的车辆100的框图。虽然示出的情况是对发射和接收使用单独的TIM天线120a、120b，但根据替代实施方案，雷达系统110可包括同时用于发射和接收的单个TIM天线120。图1中所示的车辆100是汽车101。雷达系统110还包括控制器130。车辆包括执行自动驾驶或控制车辆100的操作的各个方面(例如，制动、转向)的一个或多个车辆控制器140(例如，电子控制单元(ECU))。车辆100还可包括附加传感器150(例如，光检测和测距(LIDAR)系统、照相机)。虽然在图1中针对雷达系统110、车辆控制器140和其它传感器150示出了示例性位置，但根据替代实施方案，这些部件可位于车辆100中或车辆上的其它位置。
雷达系统110的控制器130单独或结合车辆控制器140使用，可生成啁啾以生成发射信号122并处理接收到的反射125。因此，控制器130或车辆控制器140可包括振荡器和其它部件以生成啁啾。雷达系统110的控制器130和车辆控制器140还可包括处理电路。雷达系统110和车辆控制器140的处理电路可包括专用集成电路(ASIC)、电子电路、处理器(共享、专用或组)、执行一个或多个软件或固件程序的存储器、组合逻辑电路和/或提供所述功能的其它合适部件。雷达系统110可用于检测其FOV中的物体160，例如图1中所示的行人165。雷达系统110提供的信息可包括物体160的距离、距离变化率、方位角和仰角。参考图2进一步详细说明了雷达系统110的各个方面。
图2A和2B示出了用于图1所示的雷达系统110的示例性TIM天线120的不同视图。图2A是TIM天线120的剖视图。示出了TIM天线120的示例性取向，并且指示了方位角(Az)和仰角(El)。在76至81GHz频带工作的TIM天线120的示例性尺寸在El侧可为约2.4英寸，在Az侧为0.6英寸。图2A中的剖视图显示波导由歧管或多个曲折线215组成。图2B示出了TIM天线120的覆盖件225。覆盖件225包括有利于发射传输能量的开口或狭槽220。根据一个示例性实施方案，可将每个狭槽220的尺寸和布置设定成与歧管线215对应，并且每个狭槽220的宽度可为阶梯式的或在狭槽220内包括其它物理特征以控制从每个狭槽220辐射的能量大小。
如进一步讨论的那样，波导217的每条线215所遍历的距离(即，线长度LL)的变化导致伪随机辐射图案。该伪随机辐射图案类似于与每个发射元件相关联的相移器的不同设置所产生的图案，但采用无源天线来实现。通过工作频带扫描频率产生伪随机发射模式，类似于在MIMO雷达中在频率扫描过程中改变相移器的状态所产生的模式。由于天线具有互易性，该技术也可用作接收天线。根据替代实施方案，可通过改变波导的宽度(即，每条线215的宽度)或通过插入电介质或磁性材料以改变有效(电)路径长度来获得伪随机辐射图案。
啁啾可输入到TIM天线120中，并且除此之外或另选地，可在波导217的开口210处从TIM天线120获得反射信号。即，TIM天线120可为收发器构型中的发射天线、接收天线或两者。如图2A所示，当信号穿过歧管形式的波导时，在每条线215中穿过的长度(即，每条线长度LL)可以不同，并且每条线215表示天线元件。LL的差异可通过限定歧管端部的导电材料205产生。如前所述，LL的有效差异可相反通过在波导内插入特定长度的电介质或磁性材料，以改变节段之间的长度并在节段之间产生电长度差异而产生。由于天线元件之间的相移存在伪随机差异，因此线长度LL的伪随机变化导致伪随机天线图案(即，在远场辐射图案中)。有效地破坏光束(即，使光束为不定向的)所需的线条长度LL之间的差值(ΔL)可确定为：
在等式1中，β0是在开口210处输入的啁啾的中心频率处波导中的传播常数。例如，雷达系统110的工作频带可为通常用于车辆应用的77千兆赫(GHz)至81GHz。因此，中心频率可为79GHz。在宽视场范围内提供高分辨率数字形成光束所需的平均线长度LL(L平均)由下式给出：
在等式2中，Δβ是工作频率范围内传播常数的变化。对于77GHz至81GHz的示例性工作频率范围和3毫米(mm)的波导217宽度，Δβ为0.108rad/mm，因此L平均＝58mm。
图3示出了涉及FOV减小的TIM天线120的示例性实施方案的雷达系统110的各个方面。示出了一行TIM孔310。根据图3所示的视图，具有线长度LL的伪随机分布的波导217位于TIM孔310的后面。示例性孔是参考图2讨论的辐射狭槽220。附加辐射元件320也示于图3中示出了用于这些附加辐射元件320的馈线330。在图3所示的示例性实施方案中，附加辐射元件320布置成沿着馈线330彼此等距。示例性的附加辐射元件320为孔耦接贴片天线、电介质棒天线、偶极子天线、喇叭天线、螺旋天线和漏波天线。如图所示，这些附加辐射元件320相对于针对示例性TIM天线120显示的TIM孔310的阵列正交地布置。如示例性取向(即，沿着仰角轴线)所示布置的辐射元件320减小了雷达系统110的垂直FOV。即，单个辐射元件310的相对相位是固定的，从而减小了垂直于布置TIM孔310的阵列所沿的轴线(例如，在示例中为方位角)的轴线(例如，在示例中为仰角)上的FOV。
图4示出了包括多个TIM天线120的阵列的示例性实施方案的雷达系统110的各个方面。在图4的示例性实施方案中，示出了四个TIM天线120-1、120-2、120-3、120-4(一般称为120)。TIM天线120相对于针对每个TIM天线120显示的一行辐射狭槽220正交地布置。每个TIM天线120可单独工作，或者可一起工作，并且可为发射或接收模式。即，当TIM天线120用于传输时，每个TIM天线120在TIM天线120的对应开口210(如图2所示)处具有啁啾输入。输入到每个TIM天线120的啁啾扫描的频率可以不同，这是MIMO的一种形式。以这种方式，可在方位角方向上实现数字光束形成。另选地，输入到每个TIM天线120的啁啾的振幅和频率范围可以相同，但相位可以不同，可能具有用于MIMO的伪随机相位代码或者在TIM阵列之间具有相等的相位差以形成物理光束。例如，输入到TIM天线120-4和120-3的啁啾之间的相位差可与输入到TIM天线120-3和120-2以及TIM天线120-2和120-1的啁啾之间的相位差相同。以这种方式，可在仰角方向上实现光束转向。当TIM天线120用于接收时，每个TIM天线120具有单独的下变频器和耦接到开口210的其它硬件，并且在接收之后以数字方式形成光束。
图5和图6示出了根据示例性实施方案的具有不同发射和接收TIM天线120的雷达系统110。使用辐射狭槽220的TIM天线120产生或接收相对于狭槽220在特定方向上偏振的辐射。如果两个这样的TIM天线120以发射TIM天线120和接收TIM天线120轴线彼此正交地使用，则发射TIM天线120和接收TIM天线120将为交叉偏振的，如图5所示。这在一些雷达系统110中可能是期望的，因为复杂物体(例如，车辆、行人)趋于反射偏振与透射偏振正交的大量能量。在其它雷达系统110中，为了减轻由接收TIM天线120收集的反射功率总量的减少，可以进行修改。在一个示例性情况下，可使用圆偏振的辐射TIM元件。在另一个示例性情况下，可旋转两组TIM天线120中的一组的偏振以使偏振旋转90度。实现此目的的一种方式可为在波导217与输出孔之间物理地扭转狭槽90度。另一种方式可为在天线120上使用偏振旋转器。第三种方式可为使用相对于TIM天线120的轴线倾斜45度的辐射狭槽，如图6所示。
图5是根据一个示例性实施方案的具有不同发射和接收TIM天线120的雷达系统110。示出的发射TIM天线120-T和接收TIM天线120-R(通常称为120)具有对应的辐射狭槽220-T和220-R(通常称为220)。控制器130将啁啾提供给发射TIM天线120-T并处理从接收TIM天线120-R获得的反射。控制器130的各个方面在图5中详述。如图所示，振荡器510产生弧度频率扫描ωq，其中q表示离散时间指数。功率分配器(P)为混频器本地振荡器(LO)抽取功率，并将其余部分传送到功率放大器(PA)，以向发射TIM天线120-T提供高功率啁啾。当接收TIM天线120-R接收到反射时，使用低噪声放大器(LNA)放大反射信号功率然后再将结果与LO混合。结果是可被进一步处理(例如，提供给模数转换器(ADC)并进行数字处理)的混频器输出电压Vq。可使用匹配的滤波处理或基于TIM天线120的示例性取向具有较短采集时间的其它已知技术来估计距离、距离变化率和方位。
如图5所示，发射TIM天线120-T的辐射狭槽220-T的阵列垂直(即正交)于接收TIM天线120-R的辐射狭槽220-R的阵列。因此，TIM天线120-T和120-R是交叉偏振的。根据辐射狭槽220-T、220-R的阵列的取向，发射TIM天线120-T根据一个示例性实施方案以仰角发射伪随机图案，而接收TIM天线120-R在方位角上具有伪随机辐射图案。这使得发射TIM天线120-T在数字处理后产生在方位角平面上具有低方向性(即宽度)但在仰角平面上具有高方向性的有效光束，并且接收TIM天线120-R在数字处理后产生在仰角平面上具有低方向性但在方位角平面上具有高方向性的有效光束。此类光束通常被称为“推扫式”光束，因为它们在一个维度上宽而在另一个维度上窄。如图所示，发射TIM天线120-T和接收TIM天线120-R的组合产生检测图案，该检测图案是两个正交取向的推扫式光束的产物，从而产生在方位角和仰角上具有高分辨率的笔形光束。可从位于两个有效光束的交叉点处的任何物体160接收大量反射信号，但从交叉点外部的物体160接收的反射信号不多。因此，利用图5所示的示例性构型产生低延迟三维雷达图像。
图6是根据另一个示例性实施方案的具有不同发射和接收TIM天线120的雷达系统110。如图6所示，发射TIM天线120-T的辐射狭槽220-T的阵列轴线垂直(即，正交)于接收TIM天线120-R的辐射狭槽220-R的阵列轴线。与图5中所示的辐射狭槽220-T、220-R不同，辐射狭槽220-T、220-R两者的阵列相对于TIM天线120-T、120-R的相应轴线倾斜45度。因此，发射辐射狭槽220-T和接收辐射狭槽220-R具有相同的取向，因此是共偏振的。这种布置避免由图5中的接收TIM天线120-R收集的反射功率总量减少(因为图5中的辐射狭槽220-T、220-R是交叉偏振的)。
图7示出了根据一个或多个实施方案的TIM天线120的阵列的一个示例性实施方案。TIM天线120的阵列增大了布置辐射狭槽220可沿的平面中的增益(由图7中的虚线710指示)。如图7所示，TIM天线120-1至120-n(通常称为120)布置为阵列，使得每个TIM天线120是子阵列。每个TIM天线120的耗散性损耗较低，并且信噪比(SNR)的增大系数等于阵列中所用的信道(TIM天线120)数量。图6的布置可为参考图4讨论的布置的变型。这样，可对输入到每个开口210-1至210-n(通常称为210)的啁啾进行相位编码，如参考图4所讨论的那样，用于MIMO处理。
即，输入到每个开口210的每个啁啾的振幅和频率扫描可以相同，但重复图案中的相位可以不同。例如，当阵列中具有四个TIM天线120时，每个天线的相位可为0度、180度、0度和180度或0度、0度、180度、180度，并且该代码可能在啁啾之间或从啁啾到啁啾在时间上变化。相反，可使用正交波形或时分复用方案来调制子阵列。例如，可通过依次从每个TIM天线120发射来实现MIMO架构。这可改善雷达系统110的光束形成性能。对于接收天线阵列，来自每个TIM天线120的输出将单独向下转换和数字化以用于随后的数字处理。
虽然参考示例性实施方案描述了以上公开内容，但本领域技术人员将理解，在不脱离其范围的情况下，可进行各种改变并且可用等同物替换其元件。另外，在不脱离本发明的实质范围的情况下，可进行许多修改以使具体情况或材料适应本公开的教导内容。因此，预期本公开不限于所公开的具体实施方案，而是将包括落入其范围内的所有实施方案。

Claims (8)

1.一种雷达系统，包括：
行波成像歧管(TIM)天线，所述行波成像歧管(TIM)天线包括具有多个路径的波导，所述多个路径被构造成使得所述多个路径中的相邻路径具有不同的路径长度；
处理器，所述处理器被构造成生成要在所述波导的开口处输入的发射信号或处理从所述波导的所述开口获得的反射；以及
辐射狭槽，所述辐射狭槽被布置成线并且被构造成覆盖所述多个路径，其中所述多个路径具有路径长度的伪随机分布。
2.根据权利要求1所述的雷达系统，还包括相对于所述辐射狭槽的所述线正交地布置的多个所述TIM天线，其中所述多个TIM天线被构造成在所述多个TIM天线中的相邻TIM天线之间具有相同的相位差。
3.根据权利要求1所述的雷达系统，还包括一个或多个附加辐射元件，所述附加辐射元件与所述辐射狭槽中的每一个相关联并且相对于所述辐射狭槽的所述线正交地布置，其中所述附加辐射元件为孔耦接贴片天线、电介质棒天线、偶极子天线、喇叭天线、螺旋天线或漏波天线。
4.根据权利要求1所述的雷达系统，还包括具有布置成线的第二辐射狭槽的第二TIM天线，其中所述TIM天线的所述辐射狭槽基于所述发射信号发射伪随机辐射图案，所述第二TIM天线的所述第二辐射狭槽接收由所述TIM天线发射的所述伪随机辐射图案产生的反射能量，布置成线的所述辐射狭槽垂直于布置成线的所述第二辐射狭槽，并且所述辐射狭槽相对于所述TIM天线的轴线倾斜45度，并且所述第二辐射狭槽相对于所述第二TIM天线的轴线倾斜45度。
5.一种构造雷达系统的方法，所述方法包括：
将行波成像歧管(TIM)天线制造成包括具有多个路径的波导，所述多个路径被构造成使得所述多个路径中的相邻路径具有不同的路径长度；以及
将处理器构造成生成要在所述波导的开口处输入的发射信号或处理从所述波导的所述开口获得的反射，其中所述制造所述TIM天线包括制造布置成线的辐射狭槽作为所述多个路径的覆盖件，其中所述多个路径具有路径长度的伪随机分布。
6.根据权利要求5所述的方法，还包括制造相对于所述辐射狭槽的所述线正交地布置的多个所述TIM天线，其中制造所述多个TIM天线包括将所述多个TIM天线构造成在所述多个TIM天线中的相邻TIM天线之间具有相同的相位差。
7.根据权利要求5所述的方法，还包括将与所述辐射狭槽中的每一个相关联的一个或多个天线附加辐射元件布置成相对于所述辐射狭槽的所述线正交，其中所述附加辐射元件为孔耦接贴片天线、电介质棒天线、偶极子天线、喇叭天线、螺旋天线或漏波天线。
8.根据权利要求5所述的方法，还包括制造具有布置成线的第二辐射狭槽的第二TIM天线，其中所述TIM天线的所述辐射狭槽基于所述发射信号发射伪随机辐射图案，所述第二TIM天线的所述第二辐射狭槽接收由所述TIM天线发射的所述伪随机辐射图案产生的反射能量，并且布置成线的所述辐射狭槽垂直于布置成线的所述第二辐射狭槽，其中制造所述TIM天线和制造所述第二TIM天线包括使所述辐射狭槽相对于所述TIM天线的轴线倾斜45度，并且使所述第二辐射狭槽相对于所述第二TIM天线的轴线倾斜45度。
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