CN112444804A - 使用可变脉冲重复频率的冲激雷达 - Google Patents

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Abstract

一种使用可变脉冲重复频率的冲激雷达，具体地，提供一种设备，包括发射机，所述发射机包括耦合到天线的脉冲式射频(RF)源。接收机包括耦合到所述天线的放大器。控制器被配置成调整所述设备的测距周期的一个或多个持续时间，其中所述测距周期包括门控模式的第一持续时间和非门控模式的第二持续时间。所述门控模式在所述发射机的发射期间遮蔽所述放大器。所述非门控模式在所述发射期间降低所述放大器的增益。

Description

使用可变脉冲重复频率的冲激雷达
技术领域
本公开大体上涉及雷达系统，并且更具体地说，涉及一种具有长程和短程检测能力的冲激雷达。
背景技术
RF测距系统采用飞行时间(TOF)原理来确定发射机和靶标之间的距离。通常，发射机朝向靶标发射波形。波形然后由靶标朝向接收机反射或重发。反射或重发到达接收机的持续时间确定了发射机和靶标之间的距离。
靶标的例子包括反射率相对弱的远处靶标和朝向接收机反射较强信号的附近靶标。单基地雷达将发射机和接收机天线组合以降低RF测距系统的成本。然而，单基地雷达无法在长程和短程两种模式下操作，因此限制了其应用。
发明内容
根据本发明的一个方面，提供一种设备，包括：
发射机，所述发射机包括耦合到天线的脉冲式射频(RF)源；
接收机，所述接收机包括耦合到所述天线的放大器；以及
控制器，所述控制器被配置成调整所述设备的测距周期的一个或多个持续时间，其中所述测距周期包括门控模式的第一持续时间和非门控模式的第二持续时间，所述门控模式在所述发射机的发射期间遮蔽所述放大器，并且所述非门控模式在所述发射期间降低所述放大器的增益。
根据一个或多个实施例，所述测距周期进一步包括停用模式的第三持续时间，其中所述停用模式包括停用所述发射机。
根据一个或多个实施例，所述设备被暂时共享给多个测距应用。
根据一个或多个实施例，进一步包括被动靶标，所述被动靶标能够朝向所述天线反射所述发射。
根据一个或多个实施例，进一步包括主动靶标，所述主动靶标被配置成从所述发射机接收所述发射并朝向所述天线发射第二发射。
根据一个或多个实施例，所述控制器包括机器学习电路系统，所述机器学习电路系统被配置成标识所述设备的范围内的一个或多个靶标的靶标分类。
根据本发明的第二方面，提供一种用于使用可变脉冲重复频率操作冲激雷达的方法，包括：
用发射机在门控模式期间发射射频(RF)脉冲，所述发射机包括天线；
用所述发射机在非门控模式期间发射所述RF脉冲；
用接收机从至少一个靶标接收返回发射，包括在所述门控模式期间发射时遮蔽放大器并在所述非门控模式期间发射时降低所述放大器的增益，其中所述接收机包括耦合到所述天线的放大器；以及
响应于最大工作周期操作而调整所述门控模式的第一持续时间和所述非门控模式的第二持续时间中的至少一个。
根据一个或多个实施例，进一步包括将所述冲激雷达暂时共享给多个靶标。
根据一个或多个实施例，进一步包括基于检测到的短程靶标的第一数目和检测到的长程靶标的第二数目而调整所述第一持续时间和所述第二持续时间中的至少一个。
根据一个或多个实施例，进一步包括基于为短程靶标的所述至少一个靶标的所需第一信噪比(SNR)容限和为长程靶标的所述至少一个靶标的所需第二SNR容限而调整所述第一持续时间和所述第二持续时间中的至少一个。
根据一个或多个实施例，进一步包括基于一个或多个预定义参数而调整所述第一持续时间和所述第二持续时间中的至少一个。
根据一个或多个实施例，进一步包括基于所述至少一个靶标的推断分类而调整所述第一持续时间和所述第二持续时间中的至少一个。
根据一个或多个实施例，进一步包括使用所述至少一个靶标和另一个靶标的相对移动的机器学习来推断所述至少一个靶标的所述推断分类。
根据本发明的另一方面，提供一种用于使用可变脉冲重复频率操作冲激雷达的方法，包括：
用发射机在门控模式期间发射射频(RF)脉冲，所述发射机包括天线；
用所述发射机在非门控模式期间发射所述RF脉冲；
在停用模式期间停用所述发射机；
用接收机从至少一个靶标接收返回发射，包括在所述门控模式期间发射时遮蔽放大器并在所述非门控模式期间发射时降低所述放大器的增益，其中所述接收机包括耦合到所述天线的放大器；以及
响应于降低能量操作而调整所述门控模式的第一持续时间、所述非门控模式的第二持续时间和所述停用模式的第三持续时间中的至少一个。
根据一个或多个实施例，进一步包括将所述冲激雷达暂时共享给多个靶标。
根据一个或多个实施例，进一步包括基于检测到的短程靶标的第一数目和检测到的长程靶标的第二数目而调整所述第一持续时间和所述第二持续时间中的至少一个。
根据一个或多个实施例，进一步包括基于为短程靶标的所述至少一个靶标的所需第一信噪比(SNR)容限和为长程靶标的所述至少一个靶标的所需第二SNR容限而调整所述第一持续时间和所述第二持续时间中的至少一个。
根据一个或多个实施例，进一步包括基于一个或多个预定义参数而调整所述第一持续时间和所述第二持续时间中的至少一个。
根据一个或多个实施例，进一步包括基于所述至少一个靶标的推断分类而调整所述第一持续时间和所述第二持续时间中的至少一个。
根据一个或多个实施例，进一步包括使用所述至少一个靶标和另一个靶标的相对移动的机器学习来推断所述至少一个靶标的所述推断分类。
附图说明
本发明是以例子的方式示出且不受附图的限制，附图中相同的附图标记指示类似的元件。图中的元件是为了简单和清楚而示出，且未必按比例绘制。
图1是射频(RF)测距系统的示例实施例的示意图。
图2是单基地脉冲式雷达系统的示例实施例的示意图。
图3、图4和图5是根据本公开的示例实施例的示出冲激雷达的顺序操作模式的时序图视图。
图6、图7和图8是根据本公开的另一个示例实施例的示出冲激雷达的顺序操作模式的时序图视图。
图9是根据本公开的示例实施例的用于使用可变脉冲重复频率操作冲激雷达的方法的流程图图示。
图10是根据本公开的示例实施例的用于使用可变脉冲重复频率操作冲激雷达的方法的流程图图示。
具体实施方式
本文中所描述的实施例实现了在长程(例如门控模式)和短程(例如非门控模式)中交替地操作的脉冲式雷达系统。在长程模式下，针对较高的可用信噪比(SNR)支持接收机遮蔽性(receiver blindness)。在短程模式下，接收机检测与从单基地发射机到接收机的直接馈通信号重叠的靶标反射或重发。因此，本文中所描述的脉冲式(例如冲激)雷达系统提供了对短程和长程靶标的成本竞争性检测，以及用于基于靶标特性的组合来调谐雷达系统的操作模式的动态手段。
图1示出RF测距系统的示例实施例10，其中靶标重发从雷达接收的波形。应了解，本公开的教示既适用于具有并置的发射机和接收机的单基地雷达，也适用于发射机和接收机之间具有实质性间隔的双基地雷达。此外，本公开被预期为在具有被动靶标(例如反射接收到的信号)或主动靶标(例如主动地重发接收到的信号)的单基地或双基地雷达实施例中实施。实施例10采用TOF原理来确定两个对象或对象上的标记之间的距离。具体地说，实施例10包括雷达12和靶标14。雷达12用发射机20将波形(例如线性调频脉冲(chirp)或脉冲)通过路径22发射到接收机24。波形作为对目标14的“质询(challenge)”跨路径22行进并且其中经过的运送时间等于“TOF-1”。接收机24通过网26将请求传送到发射机28，其中经过的处理时间等于“Tproc”。发射机28将第二发射通过路径30发射到雷达12的接收机32。第二发射是对雷达12的质询的“响应”，并以等于“TOF-2”的运送时间沿路径30运送。
控制器34通过相应网36和38控制发射机20和接收32的操作。具体地说，控制器发起来自发射机20的发射，并开始用往返飞行时间(“RTToF”)计数器40计算雷达12和靶标14之间的距离。发射机20用网42上的开始请求来开始计数器40以建立开始时间44。接收机32用网46上的停止请求来停止计数器40以建立停止时间48。开始时间44和停止时间48之间的时间差是测定时间(Tmeas)。类似地，通过测量接收机24从发射机20接收波形时的时间52和发射机28将第二波形发射到接收机32时的时间54之间的时间差，靶标14用计数器50测量处理时间(Tproc)。因此，雷达12和靶标14之间的距离(D)由以下方程式(1)给出，其中“c”是包括路径22和30的介质中的光速。
D＝(TOF-1+TOF-2)*c/2＝(Tmeas-Tproc)*c/2 方程式(1)
在另一个实施例中，其中靶标14被动地反射由发射机20发射的波形，因此在方程式1中处理时间Tproc为零。在基于以在大约3GHz和10GHz之间操作的IEEE 802.15.4高速率脉冲(HRP)重复频率超宽带(UWB)为依据的冲激无线电超宽带(“IR UWB”)协议的雷达的示例实施例中，雷达收发机作为双基地雷达或单基地雷达进行操作。图2示出包括收发机62和靶标64的示例实施例60。实施例60被配置为单基地雷达，其中并置的发射机和接收机形成收发机62。在一个实施例中，收发机62包括具有极为接近的相应天线的发射机和接收机。在另一个实施例中，发射机和接收机共享同一个天线66，从而降低了RF测距系统的成本。
在单基地雷达的实施例60中，脉冲由收发机62朝向靶标64发射，并且然后反射脉冲(例如第二发射)68由靶标64反射。使用针对图1所描述的方法计算收发机62和靶标64之间的距离(或范围)70。对于物理上接近收发机62的靶标，当收发机62在门控模式下发射时，存在雷达遮蔽范围72，这是因为在收发机62的接收部分被遮蔽时，反射脉冲68返回到收发机62。在此背景中，术语“遮蔽”意指接收机通过一种或多种技术忽略接收到的波形，所述技术包括但不限于停用接收机的放大器或对放大器的输出进行门控。
在单基地雷达的一个示例实施例中，如图2所示出，实施相对低成本的雷达以执行例如(人类)存在检测、呼吸速率监测或心跳监测的功能。作为特定情况，在IR-UWB无线电主要用于车辆进出路的情况下，外部安装的收发机的雷达模式允许重复使用同一个硬件来充当停车传感器(例如用于自动远程停车)。类似地，在另一个实施例中，内部安装的IR-UWB收发机用于汽车中的车舱内雷达监测或姿势控制。
在RF测距系统的实施例中，例如在图1和图2中所描述的实施例中，期望使安全性和链路预算最大化，同时使当前消耗、时延和系统成本最小化。因此，在一个示例实施例中，RF测距系统是基于IR-UWB收发机(例如使用基于IEEE 802.15.4HRP UWB的协议)。IR-UWB收发机提供了用于支持脉冲雷达功能的构件，其具有脉冲发射机、被设计成提供信道冲激响应(CIR)的精确估计的接收机，以及使用单个天线66支持发射和接收功能的能力。
在具有包括在例如控制器34中的高效数字信号处理器(DSP)算法的情况下，链路预算主要由接收机灵敏度决定，这是因为发射机往往会受到平均(average或mean)功率谱密度规定(例如对于在FCC第15部分和/或ETSI EN 302 065下的UWB装置为-41.3dBm/MHz)的限制。
在使用门控模式的传统脉冲雷达中，接收机会在发射期间被遮蔽，这意指：与单基地脉冲雷达的连续波(CW)对应物不同，单基地脉冲雷达在信号接收期间不需要降低接收机增益，这是由于来自发射机的信号以大的幅度(例如从直接发射机到接收机馈通耦合)到达接收机。由门控模式提供的此较大接收机增益产生了较佳的接收机灵敏度(例如其允许脉冲雷达相较于CW雷达在相等的平均发射功率下实现较大的链路预算)。
对于短程雷达的示例实施例，不允许接收机遮蔽性，这是因为感兴趣的反射可能与出现在接收机处的来自发射机的(直接馈通)信号(部分地)重叠。例如，就典型的UWB脉冲形状来说，大约10ns的典型脉冲持续时间将会施加与大约1.5米往返飞行时间相对应的遮蔽时间(例如将不会检测到接近度低于1.5米的靶标，如图2的雷达遮蔽范围72所示出)。此情境在遮蔽接收机会需要额外时间进行模式切换的情况下更糟，这种情况是通常发生的情况。当在门控模式RF测距系统中考虑模式切换时，几米的典型雷达遮蔽范围72是常见的。本文中所描述的实施例使脉冲雷达的操作模式在门控(例如长程)模式和非门控(例如短程)模式之间交替。下文在表1中比较了门控模式和非门控模式雷达系统的特性。
表1：门控和非门控模式的性质
Figure BDA0002651195700000071
本文中所描述的RF测距系统的示例实施例调整了门控模式和非门控模式(以及在一些实施例中，还有停用模式)的相对持续时间。这些模式的相对持续时间的调整是基于以下标准中的一个或多个动态地进行。在一个示例实施例中，基于检测到的短程靶标的数目相对于长程靶标的数目来调整门控和非门控模式的相对持续时间(或工作周期)。例如，当检测到的靶标的大部分是短程时，将额外时间分配到非门模式操作。在另一个示例实施例中，使用短程靶标的SNR容限相对于长程靶标的SNR容限。因为短程靶标反射更多的信号功率，所以短程靶标所需的SNR通常小于长程靶标所需的SNR。在另一个示例实施例中，针对编程或设置的使用情况定义门控模式持续时间和非门控模式持续时间的预定义比率。例如，用于姿势控制的雷达优先处理手移动的短程检测。
在另一个示例实施例中，基于观测到的靶标特性推断靶标类型或分类，所述观测到的靶标特性包括但不限于两个或更多个检测到的靶标之间或检测到的靶标和RF收发机之间的反射信号强度和相对移动。在另一个示例实施例中，推断靶标分类或类型包括使用机器学习和/或人工智能。
图3至图5示出冲激雷达(例如用于RF测距)的顺序操作模式，其在两种模式的重复序列中为雷达发射分配最大时间。图3至图5还示出“工作周期”优化，其中工作周期是指门控模式对非门控模式的比率。在图3中，门控模式80与非门控模式82交错，所述模式各自具有相等的持续时间(例如5ms)。图4示出以长程靶标的SNR为代价而有利于短程靶标的实施例。此处，门控模式90的持续时间(例如1ms)小于非门控模式92的持续时间(例如9ms)。图5示出以短程靶标的SNR为代价而有利于长程靶标的实施例。此处，门控模式100的持续时间(例如9.5ms)大于非门控模式102的持续时间(例如0.5ms)。
在一个实施例中，基于如上文所论述的多种标准动态地调整门控模式和非门控模式的相对持续时间。应了解，图3至图5的门控模式、非门控模式和停用模式的持续时间被示出为示例实施例，且不将本公开限制为具有这些模式的不同持续时间的其它实施例。
图6至图8示出在三种模式的重复序列中用于降低能量操作的冲激雷达(例如用于RF测距)的顺序操作模式。在图6中，门控模式110与非门控模式112和停用模式114交错。虽然门控模式110和非门控模式112都具有5ms的相等持续时间(且因此具有用于长程靶标和短程靶标的相等加权)，但是停用模式114在90ms时大致上更长，以减少能耗。在一个实施例中，停用模式114通过停用收发机来减少能耗。图7示出以长程靶标的SNR为代价而有利于短程靶标的实施例。此处，门控模式130的持续时间(例如1ms)小于非门控模式132的持续时间(例如9ms)。类似于图6，停用模式134在90ms时大致上更长，以减少能耗。图8示出以短程靶标的SNR为代价而有利于长程靶标的实施例。此处，门控模式150的持续时间(例如9.5ms)大于非门控模式152的持续时间(例如0.5ms)。类似于图6，停用模式154在90ms时大致上更长，以减少能耗。
在一个实施例中，基于如上文所论述的多种标准动态地调整门控模式和非门控模式的相对持续时间。应了解，门控模式、非门控模式和停用模式的持续时间被示出为示例实施例，且不将本公开限制为具有这些模式的不同持续时间的其它实施例。
图9参考图1示出了用于使用可变脉冲重复频率操作冲激雷达的方法170。在172处，在门控模式期间发射(例如用发射机20)RF脉冲。在174处，在非门控模式期间发射RF脉冲。在176处，接收(例如用接收机32)返回发射。在门控模式期间遮蔽接收机的放大器。在非门控模式期间降低接收机的放大器的增益。在178处，响应于最大工作周期操作而调整(例如用控制器34)门控模式的第一持续时间和/或非门控模式的第二持续时间(例如图3至图5)。
图10参考图1示出了用于使用可变脉冲重复频率操作冲激雷达的方法180。在182处，在门控模式期间发射(例如用发射机20)RF脉冲。在184处，在非门控模式期间发射RF脉冲。在186处，停用发射机(例如发射机20)。在另一个实施例中，停用包括发射机20和接收机32的收发机。在188处，接收(例如用接收机32)返回发射。在门控模式期间遮蔽接收机的放大器。在非门控模式期间降低接收机的放大器的增益。在190处，响应于降低能量操作而调整(例如用控制器34)门控模式的第一持续时间和/或非门控模式的第二持续时间和/或停用模式的第三持续时间(例如图6至图8)。
应了解，所公开的实施例至少包括以下内容。在一个实施例中，一种设备包括发射机，所述发射机包括耦合到天线的脉冲式射频(RF)源。接收机包括耦合到所述天线的放大器。控制器被配置成调整所述设备的测距周期的一个或多个持续时间，其中所述测距周期包括门控模式的第一持续时间和非门控模式的第二持续时间，所述门控模式在所述发射机的发射期间遮蔽所述放大器，并且所述非门控模式在所述发射期间降低所述放大器的增益。
所述设备的可替换的实施例包括以下特征中的一个或其任何组合。所述测距周期进一步包括停用模式的第三持续时间，其中所述停用模式包括停用所述发射机。所述设备被暂时共享给多个测距应用。被动靶标能够朝向所述天线反射所述发射。主动靶标被配置成从所述发射机接收所述发射并朝向所述天线发射第二发射。所述控制器包括机器学习电路系统，所述机器学习电路系统被配置成标识所述设备的范围内的一个或多个靶标的靶标分类。
在另一个实施例中，一种用于使用可变脉冲重复频率操作冲激雷达的方法包括用发射机在门控模式期间发射射频(RF)脉冲。所述发射机包括天线。用所述发射机在非门控模式期间发射所述RF脉冲。用接收机从至少一个靶标接收返回发射，包括在所述门控模式期间发射时遮蔽放大器并在所述非门控模式期间发射时降低所述放大器的增益，其中所述接收机包括耦合到所述天线的放大器。响应于最大工作周期操作而调整所述门控模式的第一持续时间和所述非门控模式的第二持续时间中的至少一个。
用于使用可变脉冲重复频率操作冲激雷达的所述方法的可替换的实施例包括以下特征中的一个或其任何组合。将所述冲激雷达暂时共享给多个靶标。基于检测到的短程靶标的第一数目和检测到的长程靶标的第二数目而调整所述第一持续时间和所述第二持续时间中的至少一个。基于为短程靶标的所述至少一个靶标的所需第一信噪比(SNR)容限和为长程靶标的所述至少一个靶标的所需第二SNR容限而调整所述第一持续时间和所述第二持续时间中的至少一个。基于一个或多个预定义参数而调整所述第一持续时间和所述第二持续时间中的至少一个。基于所述至少一个靶标的推断分类而调整所述第一持续时间和所述第二持续时间中的至少一个。使用所述至少一个靶标和另一个靶标的相对移动的机器学习来推断所述至少一个靶标的所述推断分类。
在另一个实施例中，一种用于使用可变脉冲重复频率操作冲激雷达的方法包括用发射机在门控模式期间发射射频(RF)脉冲。所述发射机包括天线。用所述发射机在非门控模式期间发射所述RF脉冲。在停用模式期间停用所述发射机。用接收机从至少一个靶标接收返回发射，包括在所述门控模式期间发射时遮蔽放大器并在所述非门控模式期间发射时降低所述放大器的增益，其中所述接收机包括耦合到所述天线的放大器。响应于降低能量操作而调整所述门控模式的第一持续时间、所述非门控模式的第二持续时间和所述停用模式的第三持续时间中的至少一个。
用于使用可变脉冲重复频率操作冲激雷达的所述方法的可替换的实施例包括以下特征中的一个或其任何组合。将所述冲激雷达暂时共享给多个靶标。基于检测到的短程靶标的第一数目和检测到的长程靶标的第二数目而调整所述第一持续时间和所述第二持续时间中的至少一个。基于为短程靶标的所述至少一个靶标的所需第一信噪比(SNR)容限和为长程靶标的所述至少一个靶标的所需第二SNR容限而调整所述第一持续时间和所述第二持续时间中的至少一个。基于一个或多个预定义参数而调整所述第一持续时间和所述第二持续时间中的至少一个。基于所述至少一个靶标的推断分类而调整所述第一持续时间和所述第二持续时间中的至少一个。使用所述至少一个靶标和另一个靶标的相对移动的机器学习来推断所述至少一个靶标的所述推断分类。
尽管本文中参考特定实施例描述了本发明，但是在不脱离如所附权利要求书所阐述的本发明的范围的情况下，可以做出各种修改和改变。因此，说明书和附图应被视为说明性的而非限制性的，并且所有此类修改都旨在包括于本发明的范围内。本文中关于特定实施例所描述的任何益处、优点、问题解决方案并不意图被理解为任何或所有权利要求的关键、必需或必要的特征或元件。
除非另有说明，否则例如“第一”和“第二”之类的术语用于任意地区分此类术语所描述的元件。因此，这些术语未必意图指示此类元件的时间或其它优先级排序。

Claims (10)

1.一种设备，其特征在于，包括：
发射机，所述发射机包括耦合到天线的脉冲式射频(RF)源；
接收机，所述接收机包括耦合到所述天线的放大器；以及
控制器，所述控制器被配置成调整所述设备的测距周期的一个或多个持续时间，其中所述测距周期包括门控模式的第一持续时间和非门控模式的第二持续时间，所述门控模式在所述发射机的发射期间遮蔽所述放大器，并且所述非门控模式在所述发射期间降低所述放大器的增益。
2.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述测距周期进一步包括停用模式的第三持续时间，其中所述停用模式包括停用所述发射机。
3.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述设备被暂时共享给多个测距应用。
4.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，进一步包括被动靶标，所述被动靶标能够朝向所述天线反射所述发射。
5.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，进一步包括主动靶标，所述主动靶标被配置成从所述发射机接收所述发射并朝向所述天线发射第二发射。
6.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述控制器包括机器学习电路系统，所述机器学习电路系统被配置成标识所述设备的范围内的一个或多个靶标的靶标分类。
7.一种用于使用可变脉冲重复频率操作冲激雷达的方法，其特征在于，包括：
用发射机在门控模式期间发射射频(RF)脉冲，所述发射机包括天线；
用所述发射机在非门控模式期间发射所述RF脉冲；
用接收机从至少一个靶标接收返回发射，包括在所述门控模式期间发射时遮蔽放大器并在所述非门控模式期间发射时降低所述放大器的增益，其中所述接收机包括耦合到所述天线的放大器；以及
响应于最大工作周期操作而调整所述门控模式的第一持续时间和所述非门控模式的第二持续时间中的至少一个。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，进一步包括将所述冲激雷达暂时共享给多个靶标。
9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，进一步包括基于检测到的短程靶标的第一数目和检测到的长程靶标的第二数目而调整所述第一持续时间和所述第二持续时间中的至少一个。
10.一种用于使用可变脉冲重复频率操作冲激雷达的方法，其特征在于，包括：
用发射机在门控模式期间发射射频(RF)脉冲，所述发射机包括天线；
用所述发射机在非门控模式期间发射所述RF脉冲；
在停用模式期间停用所述发射机；
用接收机从至少一个靶标接收返回发射，包括在所述门控模式期间发射时遮蔽放大器并在所述非门控模式期间发射时降低所述放大器的增益，其中所述接收机包括耦合到所述天线的放大器；以及
响应于降低能量操作而调整所述门控模式的第一持续时间、所述非门控模式的第二持续时间和所述停用模式的第三持续时间中的至少一个。
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