CN112470029B - 用于增强目标检测的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

提供了一种用于确定地面交通工具外部的目标的空间布置或特性的系统。该系统可以包括配置成发送和接收雷达信号的雷达天线阵列，以及可操作地耦合到雷达天线阵列的控制器。控制器可以被配置为使用地面交通工具的空间信息和雷达天线阵列的空间配置，以通过衰减与雷达天线阵列相关的有效灵敏度图案中的一个或多个旁瓣或增强与雷达天线阵列相关的有效灵敏度图案中的主瓣来生成增强的主瓣。控制器可以被配置为使用增强的主瓣来确定(i)目标相对于地面交通工具的空间布置或(ii)目标的特性。

Description

用于增强目标检测的系统和方法
相关申请的交叉引用
本申请要求于2018年12月3日提交的美国专利申请No.16/208,442的优先权，其要求于2018年5月23日提交的美国临时专利申请No.62/675,550的权益，两者出于所有目的通过引用整体并入于此。
背景技术
无线电检测与测距(雷达)可用于许多应用中，包括目标检测、测距、测向和制图。传统上，雷达已用于飞行器、卫星和海上船只中以定位物体和成像地形。近年来，雷达在汽车中的应用(例如，盲点检测、避免碰撞和自动驾驶等)越来越多地被使用。与受天气和能见度变化影响的基于光学的传感器(例如，相机或光检测和测距(LIDAR)系统)不同，雷达能够在弱光条件下、黑暗中以及所有类型的天气条件下工作。
但是，现有的汽车雷达技术可能缺乏以下所需的分辨率：(1)感测不同的物体；(2)区分间距较近的物体；或(3)检测道路或周围环境中物体的特性。现有汽车雷达系统的分辨率可能会在方位角和仰角方面受到限制。另外，由于汽车车身尺寸的限制，现有的汽车雷达系统趋向于具有有限数量的天线和/或天线通道，以及有限的孔径尺寸。
为了提高角分辨率，某些检测系统可能会使用多个天线。这样的系统可能需要以一定距离间隔开的大量天线，以实现改进的角分辨率。然而，这样的系统通常需要额外的组件和传感器，这些组件和传感器对于商用汽车的使用来说是昂贵的。此外，这种系统的总物理尺寸可能使得在地面交通工具上实施这种系统不切实际。
随着近来对自动驾驶的重视，需要在机动交通工具上的远程检测系统，该系统可以提前通知驾驶员关于道路上的潜在障碍物或危险。然而，至少鉴于上述挑战，现有的汽车雷达技术可能尚未准备好和/或不适合在汽车上的远程检测系统中部署。
发明内容
存在对在地面交通工具上的向前和/或向后高分辨率雷达系统的需求，当地面交通工具在环境中移动时，该雷达系统可用于精确地检测目标以及目标的空间布置和/或特性。本文所公开的高分辨率雷达系统可以是能够在相对于雷达系统彼此非常接近的多个目标之间进行区分的雷达系统。雷达系统可以通过提高方位角分辨率、仰角分辨率或其任意组合来实现更高的分辨率。方位角分辨率是雷达系统区分相似范围但不同方位的物体的能力。仰角分辨率是雷达系统区分相似范围但不同仰角的对象的能力。方位角和仰角分辨率可能是雷达阵列几何形状的函数。如果雷达系统能够感测一个或多个目标的存在，将一个或多个目标区分为单独的目标和/或确定一个或多个目标的某些物理特性，则它可以准确地检测目标和/或目标的特征。
本文公开的系统和方法可以使用任何雷达天线阵列(例如，成本相对较低、紧凑且易于商业获得的毫米波长雷达天线阵列)来实现。本文公开的雷达系统可以具有角分辨率，该角分辨率能够使用来自雷达天线阵列的返回来精确测量和跟踪交通工具位置。雷达天线阵列可以是稀疏天线阵列。稀疏天线阵列可以具有比典型的全采样阵列中的天线间隔更远的多个天线，其中相邻天线元件分开由雷达系统发射和/或接收的雷达信号波长的至多一半。如果完全采样的阵列中的相邻天线分开雷达信号波长的约一半以上，则雷达系统在其方向响应可能会出现混叠旁瓣。混叠旁瓣可能是雷达系统定向响应中的峰值，其不一定与目标的真实物理位置相对应。本文公开的系统和方法可以通过抑制稀疏天线阵列雷达系统的方向响应中的混叠旁瓣来提高具有稀疏天线阵列的雷达系统的角分辨率。通过最小化由稀疏天线阵列生成的混叠旁瓣，本文所公开的系统和方法可以使用稀疏天线阵列作为完全采样的阵列来实现相似的分辨率，同时使用更少的雷达天线。
一方面，本公开提供了用于确定地面交通工具外部的目标的空间布置或特性的系统和方法。该系统可以包括雷达天线阵列和可操作地耦合到雷达天线阵列的至少一个控制器。雷达天线阵列可以安装在地面交通工具上。雷达天线阵列可以被配置为发射连续雷达脉冲并接收与连续雷达脉冲的至少一个子集相对应的多个信号。多个信号可以是在所述连续雷达脉冲的至少子集与所述目标交互时生成的。可以从多个信号获得有效的灵敏度图案。有效灵敏度图案可以与雷达天线阵列相关。有效灵敏度图案可以包括主瓣(main lobe)和旁瓣(side lobe)。旁瓣可以包括混叠旁瓣(aliasing side lobe)。至少一个控制器可以可操作地耦合到雷达天线阵列。所述至少一个控制器可以被配置为在地面交通工具运动时使用地面交通工具的空间信息以及雷达天线阵列的空间配置以提供增强的主瓣。可以通过相对于主瓣衰减旁瓣或通过相对于旁瓣增强主瓣来提供增强的主瓣。控制器可以被配置为使用增强的主瓣来确定目标的空间布置或特性。
在一些实施方式中，雷达天线阵列可以包括发射天线和接收天线。在一些实施方式中，雷达天线阵列可以包括虚拟天线。在一些实施方式中，雷达天线阵列可以被配置为相对于地面交通工具的运动方向沿向前的方向或向后的方向安装在地面交通工具上。
在一些实施方式中，雷达天线阵列的空间配置可以至少部分地基于所述雷达天线阵列的检测场内的成像区域和角分辨率。在一些实施方式中，雷达天线阵列的孔径尺寸可以至少部分地基于雷达天线阵列的角分辨率和工作波长。在一些实施方式中，至少一个控制器可以被配置为至少部分地使用雷达天线阵列的角分辨率和工作波长来定义地面交通工具行进的距离。在一些实施方式中，有效灵敏度图案中的旁瓣可以位于与有效灵敏度图案中的主瓣成角度的距离处。在一些实施方式中，雷达天线阵列的空间配置可以包括雷达天线阵列的相邻天线之间的间隔，使得成角度的距离可以大于成像区域。在一些情况下，雷达天线阵列的相邻天线可以以一定间隔分布，使得旁瓣位于成像区域之外。在某些情况下，可以针对方位角和仰角单独定义成像区域。在一些情况下，成像区域可以与地面交通工具的运动的向前或向后方向覆盖至少±10度。在一些情况下，成像区域与地面交通工具的运动的向前或向后方向覆盖不超过±60度。
在一些实施方式中，地面交通工具的空间信息可以包括地面交通工具行进的距离。雷达天线阵列的空间配置可以包括雷达天线阵列的相邻天线之间的间隔。控制器可以被配置为相对于主瓣衰减旁瓣或相对于旁瓣增强主瓣以提供增强的主瓣。控制器可以被配置为至少部分地基于地面交通工具行进的距离和雷达天线阵列的相邻天线之间的间隔来提供增强的主瓣。
在一些实施方式中，雷达天线阵列的空间配置可以包括雷达天线阵列的相邻天线之间的间隔。该间隔可以大于雷达天线阵列的工作波长的一半。在一些情况下，间距可以比雷达天线阵列的工作波长的一半大至少10％。在一些情况下，间隔可以大于大约2毫米。
在一些实施方式中，雷达天线阵列可以被配置为以脉冲重复频率发送连续雷达脉冲，使得当地面交通工具在运动中时，地面交通工具在两个连续雷达脉冲之间的位置变化可以是从雷达天线阵列工作波长的大约四分之一到大约六倍。在一些情况下，地面交通工具在两个连续雷达脉冲之间的位置变化可以小于雷达天线阵列的工作波长的大约一半。
在一些实施方式中，至少一个控制器可以被配置为使用交通工具位置传感器来获得地面交通工具的位置信息。交通工具位置传感器可以包括选自惯性测量单元、全球定位系统传感器、相机、光检测和测距单元、车轮编码器和雷达的至少一个部件。在一些情况下，交通工具位置传感器可以与雷达天线阵列分开。交通工具位置传感器可以被配置为安装至地面交通工具。
在一些实施方式中，至少一个控制器可以被配置为通过衰减与多个目标相关的多个旁瓣或通过增强与多个目标相关的多个主瓣来确定多个目标的空间布置或特性以提供多个增强的主瓣。多个目标可以包括该目标。在一些情况下，至少一个控制器可以被配置为在多个旁瓣已经被衰减或者多个主瓣已经被增强之后，在多个目标的空间布置或特性之间进行区分。
在一些实施方式中，系统可以被配置为执行用于识别目标的位置的方法。该方法可以包括使用安装在地面交通工具上的雷达天线阵列从地面交通工具外部的环境收集雷达数据。雷达数据可以包括主瓣和旁瓣。旁瓣可以是混叠旁瓣。该方法可以进一步包括收集地面交通工具的位置信息。该方法可以进一步包括至少使用位置信息来相对于主瓣衰减旁瓣或相对于旁瓣增强主瓣以生成增强的主瓣。该方法可以进一步包括使用增强的主瓣以至少90％的检测精度来识别目标在环境中的位置。目标具有至少为0.2米的尺寸。目标可以位于与地面交通工具至少1米的距离处。在一些情况下，雷达天线阵列可以在地面交通工具的向前方向上设置在地面交通工具的前侧。在一些情况下，雷达天线阵列可以在地面交通工具的后向方向上设置在地面交通工具的后侧。
在一些情况下，系统可以被配置为执行用于确定目标的空间布置或特性的方法。该方法可以包括在地面交通工具上设置雷达天线阵列。该方法可以进一步包括借助于雷达天线阵列，发射连续雷达脉冲并接收与连续雷达脉冲的至少子集相对应的多个信号。多个信号可以是在所述连续雷达脉冲的至少子集与所述目标交互时生成的。与雷达天线阵列相关的有效灵敏度图案可以从多个信号获得。有效灵敏度图案可以包括主瓣和旁瓣。旁瓣可以包括混叠旁瓣。该方法可以进一步包括在交通工具运动时使用地面交通工具的位置信息和雷达天线阵列的空间配置以提供增强的主瓣。可以通过在交通工具运动时使用地面交通工具的位置信息和雷达天线阵列的空间配置来提供增强的主瓣，以相对于主瓣衰减旁瓣或相对于旁瓣增强主瓣。该方法可以进一步包括使用增强的主瓣来确定目标的空间布置或特性。在一些情况下，可以在地面交通工具相对于目标运动时基本实时地确定目标的空间布置或特性。在一些情况下，雷达天线阵列可以相对于地面交通工具的运动方向沿向前的方向安装在地面交通工具上。在一些情况下，雷达天线阵列可以相对于地面交通工具的运动方向沿向后的方向安装在地面交通工具上。在一些情况下，雷达天线阵列的空间配置可以包括雷达天线阵列的相邻天线之间的间隔。该间隔可以大于雷达天线阵列的工作波长的一半。在一些情况下，该方法可以进一步包括通过衰减与多个目标相关的多个旁瓣或通过增强与多个目标相关的多个主瓣来确定多个目标的空间布置或特性，以提供多个增强的主瓣。多个目标可以包括该目标。在一些情况下，该方法可以进一步包括在多个旁瓣已经被衰减或者多个主瓣已经被增强之后，在多个目标的空间布置或特性之间进行区分。
根据以下详细描述，本公开的其他方面和优点对于本领域技术人员将变得容易理解，其中，仅示出和描述了本公开的说明性实施方式。将会认识到，本公开内容能够具有其他和不同的实施方式，并且其若干细节能够在各种容易理解的方面进行修改，所有这些都不脱离本公开内容。因此，附图和描述本质上应被认为是说明性的，而不是限制性的。
援引并入
本说明书中提到的所有出版物、专利和专利申请都以相同的程度通过引用并入本文，就好像每个单独的出版物、专利或专利申请被明确地并单独地指示通过引用并入一样。
附图说明
在所附权利要求书中具体阐述了本发明的新颖特征。通过参考下面的详细描述，可以更好地理解本发明的特征和优点，所述详细描述阐述了说明性实施方式和附图，其中利用了本发明的原理，在附图中：
图1A示出了根据一些实施方式的可以在交通工具上使用以检测周围环境中的一个或多个目标的系统。
图1B示出了根据一些实施方式的可操作地耦合到雷达天线阵列的一个或多个控制器。
图2A示出了根据一些实施方式的雷达天线阵列。
图2B示出了根据一些实施方式的具有空间配置和检测场的雷达天线阵列。
图2C示出了根据一些实施方式的收发器。
图3A示出了根据一些实施方式的雷达天线阵列的有效灵敏度图案。
图3B示出了根据一些实施方式的具有增强的主瓣的有效灵敏度图案。
图4示出了根据一些实施方式的具有在主瓣和旁瓣之间的成角度的距离的有效灵敏度图案。
图5示出了根据一些实施方式的可操作地耦合到雷达天线阵列和交通工具位置传感器的控制器。
图6示出了根据一些实施方式的具有一个或多个增强的主瓣的有效灵敏度图案。
图7示出了被编程或以其他方式配置为实现本文提供的方法的计算机控制系统。
具体实施方式
尽管本文已经示出和描述了本公开的各种实施方式，但是对于本领域技术人员而言容易理解的是，仅通过示例的方式提供了这样的实施方式。在不脱离本公开的情况下，本领域技术人员可以想到许多变化、改变和替换。应当理解，可以采用本文所述的本公开的实施方式的各种替代方案。
如本文所用，术语“地面交通工具”通常是指被配置为通过接触地面或在地面以下的位置来操作的交通工具。在一些示例中，地面交通工具是汽车、公共汽车、火车、卡车、自行车、摩托车、踏板车、船、潜艇或在地面上使用的任何运输设备。地面交通工具可以是汽车。地面交通工具可以是通常通过与地面接触或在地下操作而操作的任何机械，例如用于地面的机器人。地面交通工具可能无法在空中或太空中操作。例如，地面交通工具可能不是飞机或直升机。
每当术语“至少”、“大于”或“大于或等于”位于一系列两个或更多个数值中的第一数值之前时，术语“至少”、“大于”或“大于或等于”适用于该系列数值中的每个数值。例如，大于或等于1、2或3等于大于或等于1，大于或等于2或大于或等于3。
每当术语“不大于”、“小于”或“小于或等于”位于一系列两个或更多个数值中的第一个数值之前时，术语“不大于”、“小于”或“小于或等于”适用于该系列数值中的每个数值。例如，小于或等于3、2或1等于小于或等于3，小于或等于2或小于或等于1。
本公开提供了可以提高对来自地面交通工具的物体的检测的系统和方法。现有的汽车雷达技术可能缺乏以下所需的分辨率：(1)感测不同的物体；(2)区分间距较近的物体；或(3)检测道路上或周围环境中物体的特性。此外，由于汽车车身尺寸的限制，现有的汽车雷达系统往往具有有限数量的天线和/或天线通道以及有限的孔径尺寸。本文公开的系统和方法可以例如通过使用交通工具位置信息和合成孔径雷达来抑制可能在稀疏天线阵列的方向响应中生成的混叠旁瓣，来提高地面交通工具上基于雷达的目标检测系统的分辨率。本文所公开的SAR系统可以通过使用平台或交通工具的运动路径电子和/或虚拟地仿真大天线或孔径来从移动的地面平台或地面交通工具提供高分辨率的雷达图像。
典型的雷达系统可以包括完全采样的雷达天线阵列。完全采样的雷达天线阵列可以是被配置为使得相邻天线元件分开雷达系统发送和/或接收的雷达信号的波长的至多一半的雷达天线阵列。如果相邻天线分开超过雷达信号波长的大约一半，则雷达系统的方向响应可能会出现混叠旁瓣。混叠旁瓣可能是雷达系统方向响应中的峰值，其可能与目标的真实物理位置不符。稀疏天线阵列雷达系统可以是包括稀疏天线阵列的雷达系统。稀疏天线阵列可以是雷达天线阵列，该雷达天线阵列具有比典型的全采样阵列中的天线间隔更远的多个天线。本文公开的系统和方法可以通过抑制稀疏天线阵列雷达系统的方向响应中的混叠旁瓣来提高稀疏天线阵列雷达系统的角分辨率。通过最小化由稀疏天线阵列雷达系统生成的混叠旁瓣，本文所公开的系统和方法可以使用稀疏天线阵列作为全采样阵列来实现相似的分辨率，同时还使用更少的雷达天线。
图1A示出了可以用于交通工具104上以确定周围环境101中的一个或多个目标102的空间布置或特性的系统100。该系统可以被安装至交通工具的任一侧，或者被安装至交通工具的一侧或多侧，例如交通工具的前侧、后侧、侧面、顶侧或底侧。在一些情况下，系统可以安装在交通工具的两个相邻侧面之间。该系统可以定向成检测交通工具前方、交通工具后方或交通工具侧面的一个或多个目标。
该系统可包括常规雷达系统、相控阵雷达系统、AESA(有源电子扫描阵列)雷达系统、合成孔径雷达(SAR)系统、MIMO(多输入多输出)雷达系统和/或相控MIMO雷达系统中的任何一个或多个元件。常规雷达系统可以是使用由发射天线发射并由接收天线接收的无线电波来检测物体的雷达系统。相控阵雷达系统可以是雷达系统，其可以操纵由发射和接收模块发射的一个或多个无线电波的相位，并使用由以不同相位发射的无线电波生成的相长和相消干涉图案来操纵期望方向上的无线电波束。AESA雷达系统可以是使用一个或多个发射和接收模块来生成不同相位和/或频率的一个或多个无线电波束的相控阵雷达系统。合成孔径雷达系统可以是使用单个天线将来自不同几何位置的多个原始雷达回波组合为相干聚焦图像的相控阵雷达系统。MIMO雷达系统可以是使用多个发射天线来独立于其他发射天线来发射一个或多个信号并且使用多个接收天线来独立于其他接收天线来接收由发射天线发射的一个或多个信号的雷达系统。相控MIMO雷达系统可以是包括相控阵雷达系统或MIMO雷达系统的一个或多个组件或特征的雷达系统。
本文公开的方法和系统可以应用于任何合适的地面交通工具。地面交通工具可以是使用可再生或不可再生能源(太阳能、热能、电能、风能、石油等)在地面上或地面附近(在1米、2米、3米等内)移动的机动交通工具或任何其他交通工具。地面交通工具可以是自动驾驶交通工具，或者可以由诸如人类或动物的活动对象操作。地面交通工具可以是静止的，移动的或能够移动的。
本文公开的方法和系统可以应用于任何合适的空中交通工具。空中交通工具可以是使用可再生或不可再生能源(太阳能、热能、电能、风能、石油等)在空中或太空中移动的机动交通工具或任何其他交通工具。空中交通工具可以是自动驾驶交通工具，或者可以由诸如人类或动物的活动对象操作。该空中交通工具可以是静止的，移动的或能够移动的。
本文公开的方法和系统可以应用于任何合适的水上交通工具。水上交通工具可以是使用可再生或不可再生能源(太阳能、热能、电能、风能、石油等)在水上或在水中移动的机动交通工具或任何其他交通工具。水上交通工具可以是自动驾驶交通工具，或者可以由诸如人类或动物的活动对象操作。该水上交通工具可以是静止的，移动的或能够移动的。
交通工具可以是陆上交通工具。交通工具可能会在地面上行驶。替代地或附加地，交通工具可能能够在水上或水中、地下、空中和/或太空中行驶。交通工具可以是汽车。交通工具可以是地面交通工具、水运工具、飞机和/或航天器。交通工具可以在地面上自由行驶。交通工具可以在两个或更多个维度内自由行驶。交通工具可以主要在一条或多条道路上行驶。
可选地，该交通工具可以是无人驾驶交通工具。交通工具上可能没有乘客或操作员。交通工具可能有也可能没有乘客可以乘坐的空间。交通工具可能具有也可能没有空间来容纳交通工具要运载的货物或物体。交通工具可以具有或可以不具有允许交通工具与环境相互作用的工具(例如，收集样本，移动物体)。交通工具可能有也可能没有散落到环境中的物体(例如，光、声音、液体、农药)。交通工具可以在不需要人操作员的情况下操作。
在一些实施方式中，交通工具可以允许一个或多个乘客乘坐交通工具。该交通工具可以包括一个或多个乘客乘坐该交通工具的空间。交通工具可具有内部驾驶室，该内部驾驶室具有用于一个或多个乘客的空间。交通工具可能有也可能没有操作员。例如，交通工具可以具有用于交通工具驾驶员的空间。在一些实施方式中，交通工具可能能够由操作员驾驶。替代地或附加地，可以使用自动驾驶系统来操作交通工具。
在一些实施方式中，交通工具可以在手动驾驶模式和自动驾驶模式之间切换，在手动驾驶模式期间，驾驶员将驾驶交通工具，在自动驾驶模式期间，自动控制器可以生成操作交通工具的信号而无需驾驶员的干预。在一些实施方式中，交通工具可以提供驾驶员协助，其中驾驶员可以主要手动驾驶交通工具，但是交通工具可以执行一些自动化程序或协助驾驶员执行一些程序(例如，变道、会车、停车、自动制动)。在一些实施方式中，交通工具可以具有默认操作模式。例如，手动驾驶模式可以是默认操作模式，或者自动驾驶模式可以是默认操作模式。
目标可以是交通工具外部的任何物体。目标可以是生物或无生命的物体。目标可以是行人、动物、交通工具、建筑物、路标、人行道、人行道沿、围栏、树木或可能阻碍交通工具沿任何给定方向行驶的任何物体。目标可以是静止的，移动的或能够移动的。
目标可以位于交通工具的前、后或侧面。目标可以定位在距离交通工具约1、2、3、4、5、10、15、20、25、50、75或100米的范围内。目标可以位于地面、水中或空中。目标可以相对于交通工具沿任何方向定向。目标可以定向为面向交通工具，也可以定向为背对交通工具，其角度范围为0到360度。在一些实施方式中，目标可以包括地面交通工具外部的多个目标。
目标可能具有可以测量或检测的空间布置或特性。空间布置信息可以包括关于目标相对于地面交通工具的位置、速度、加速度和其他运动学特性的信息。目标的特性可以包括有关目标的尺寸、形状、方向和材料属性(例如，反射率)的信息。
在一些实施方式中，目标可以具有至少0.2米的尺寸，在地面交通工具的侧面方向上，并且距离地面交通工具至少大约1米。在一些实施方式中，目标可以具有至少0.2米的尺寸，在地面交通工具的向前或向后的方向上，并且距离地面交通工具至少大约1米。
周围环境可以是交通工具可以在其中操作的位置和/或设置。周围环境可以是室内或室外空间。周围环境可能是城市、郊区或乡村环境。周围环境可能是高海拔或低海拔设置。周围环境可能包括能见度较差的设置(夜间、大雨、雾气、空气中的微粒)。周围环境可以包括在交通工具的行驶路径上的目标。周围环境可以包括在交通工具的行驶路径之外的目标。周围环境可以是交通工具外部的环境。
如图1B所示，系统100可以包括雷达天线阵列110和一个或多个控制器130-1、130-2、130-3。一个或多个控制器可以可操作地耦合到雷达天线阵列。控制器可以在地面交通工具104上实现，也可以在服务器上远程实现。控制器可以包括计算机处理器、专用集成电路、图形处理单元或现场可编程门阵列。
图2A示出了雷达天线阵列110。雷达天线阵列可以包括常规雷达系统、相控阵雷达系统、AESA(有源电子扫描阵列)雷达系统、合成孔径雷达(SAR)系统、MIMO(多输入多输出)雷达系统或相控MIMO雷达系统。常规雷达系统可以是使用由发射天线发射并由接收天线接收的无线电波来检测物体的雷达系统。相控阵雷达系统可以是操纵由发射和接收模块发射的一个或多个无线电波的相位，并使用由以不同相位发射的无线电波生成的相长和相消干涉图案来操纵期望方向上的无线电波束的雷达系统。AESA雷达系统可以是使用一个或多个发射和接收模块来生成不同相位和/或频率的一个或多个无线电波束的相控阵雷达系统。合成孔径雷达系统可以是使用单个天线将来自不同几何位置的多个原始雷达回波组合为相干聚焦图像的相控阵雷达系统。MIMO雷达系统可以是使用多个发射天线来独立于其他发射天线来发射信号，并且使用多个接收天线来独立于其他接收天线来接收由发射天线发射的一个或多个信号的雷达系统。相控MIMO雷达系统可以是包括相控阵雷达系统或MIMO雷达系统的一个或多个组件或特征的雷达系统。
雷达天线阵列可以被配置为安装到地面交通工具的前侧、后侧或侧面。雷达天线阵列可以被安装到交通工具的任何一侧，或者被安装到交通工具的一侧或多侧，例如，交通工具的前侧、后侧、侧面、顶侧和/或底侧。在一些情况下，雷达天线阵列可以安装在交通工具的两个或更多个相邻侧面之间。
雷达天线阵列可以被配置为发送一个或多个雷达脉冲。雷达脉冲可以是由雷达天线阵列在大约1Hz至大约300GHz的频率范围内发射的任何电磁波。一个或多个雷达脉冲可以是由雷达天线阵列以预定频率重复发射的连续雷达脉冲。
连续雷达脉冲可以以等于脉冲重复频率的预定频率发送。脉冲重复频率可以是雷达天线阵列重复发送连续雷达脉冲的速率。脉冲重复频率可以小于或等于9KHz。脉冲重复频率可以大于9KHz。脉冲重复频率可以是1KHz、2KHz、3KHz、4KHz、5KHz、6KHz、7KHz、8KHz、9KHz、或1KHz与9KHz之间的任何值。在一些实施方式中，脉冲重复频率可以优选地在大约7KHz至大约9KHz的范围内。可以基于最大交通工具速度来设计雷达系统的脉冲重复频率。可以设计脉冲重复频率，使得连续雷达脉冲之间的时间对应于小于值S的交通工具行驶距离。S可以小于1.5mm或大于2mm。S可以等于1.5mm或等于2mm。S可以大于或等于1.5mm。S可以小于或等于2mm。S可以是1.5mm、1.6mm、1.7mm、1.8mm、1.9mm、2mm或1.5mm至2mm之间的任何值。
雷达天线阵列可以被配置为接收多个信号。多个信号可以是连续雷达脉冲的子集，该连续雷达脉冲由雷达天线阵列发射并在与外部目标相互作用之后反射回雷达天线阵列。
如图2A所示，雷达天线阵列110可以包括发射天线112和接收天线114。在一些实施方式中，雷达天线阵列可以包括一个或多个发射天线112-1、112-2和/或一个或多个接收天线114-1、114-2。雷达天线阵列可用于检测周围环境101中的一个或多个目标102。
发射天线可以是可以将电信号转换为电磁波并发射电磁波的任何天线(偶极天线、定向天线、贴片天线、扇形天线、八木天线、抛物线天线、网格天线)。在一些实施方式中，可使用一个或多个发射天线来发射一个或多个雷达脉冲。雷达脉冲可以是在大约1赫兹(Hz)至大约300吉赫兹(GHz)的频率范围内由发射天线发射的任何电磁波。一个或多个雷达脉冲可以是由一个或多个发射天线以预定频率重复发射的连续雷达脉冲。
如图2A所示，连续雷达脉冲105可以具有中心频率f0。中心频率可以是雷达系统的下限和上限频率的算术或几何平均值。截止频率可能是雷达系统频率响应中的上边界或下边界，在该边界处信号衰减开始迅速增加。截止频率可以被定义为功率输出与功率输入之比具有大约0.707的幅度的频率。连续雷达脉冲可具有与由发射天线发射的连续雷达脉冲的中心频率相关的波长。
可以以等于脉冲重复频率的预定频率来发射一个或多个雷达脉冲。脉冲重复频率可以是一个或多个发射天线重复发射连续雷达脉冲的速率。脉冲重复频率可以小于或等于9KHz。脉冲重复频率可以大于9KHz。脉冲重复频率可以是至少大约1KHz、2KHz、3KHz、4KHz、5KHz、6KHz、7KHz、8KHz、9KHz、或在1KHz和9KHz之间的任何值。在一些实施方式中，脉冲重复频率可以优选地在约7KHz至约9KHz的范围内。可以基于最大交通工具速度来设计雷达系统的脉冲重复频率。可以设计脉冲重复频率，使得连续雷达脉冲之间的时间对应于小于值S的交通工具行驶距离。S可以小于1.5毫米(mm)或大于2mm。S可以等于1.5mm或等于2mm。S可以大于或等于1.5mm。S可以小于或等于2mm。S可以为至少大约1.5mm、1.6mm、1.7mm、1.8mm、1.9mm、2mm或1.5mm至2mm之间的任何值。在一些情况下，S可以等于与连续雷达脉冲的中心频率f0相对应的波长的大约一半。在一些情况下，可以选择脉冲重复频率，以使地面交通工具行进的距离小于与连续雷达脉冲的中心频率相对应的波长的大约一半。
接收天线可以是可以接收电磁波并将射频辐射波转换为电信号的任何天线(偶极天线、定向天线、贴片天线、扇形天线、八木天线、抛物线天线、网格天线)。接收天线可用于接收连续雷达脉冲的子集，其由发射天线发射，并在与外部目标相互作用后反射回接收天线。在一些实施方式中，一个或多个接收天线可用于接收由一个或多个发射天线发射并在与外部目标相互作用之后反射回该一个或多个接收天线的连续雷达脉冲的子集。
雷达天线阵列可以具有空间配置。空间配置可以包括固定位置、固定定向或固定位置和/或固定定向的组合。雷达天线阵列可以相对于地面交通工具的一侧或多侧具有固定位置。雷达天线阵列可以被配置为安装到地面交通工具的前侧、后侧或侧面。雷达天线阵列可以被安装到交通工具的任何一侧，或者被安装到交通工具的一侧或多侧，例如安装在交通工具的前侧、后侧、侧面、顶侧和/或底侧。在一些情况下，雷达天线阵列可以安装在交通工具的两个或更多相邻侧面之间。雷达天线阵列可以相对于交通工具的运动路径具有固定定向。相对于交通工具的运动路径，雷达天线阵列可以在从0度到360度的方位角和/或仰角的任何方向上定向。在一些实施方式中，雷达天线阵列可以被配置为相对于地面交通工具的运动方向沿向前的方向安装。在其他实施方式中，雷达天线阵列可以被配置为相对于地面交通工具的运动方向沿向后的方向安装。
在一些实施方式中，雷达天线阵列的空间配置可以包括雷达天线阵列中的相邻发射和/或接收天线之间的固定空间配置。雷达天线阵列可以包括以相对于彼此固定的空间配置布置的发射天线和接收天线。在一些实施方式中，发射和接收天线可以被布置为使得它们在同一平面中。在其他实施方式中，发射天线和接收天线可以在或可以不在基本上相同的平面上。例如，发射天线可以在第一平面上，而接收天线可以在第二平面上。第一平面和第二平面可以彼此平行。替代地，第一平面和第二平面不需要平行，并且可以彼此相交。在一些情况下，第一平面和第二平面可以彼此垂直。
发射天线和接收天线可以处于相同地面高度，也可以处于不同地面高度。那里的发射和接收天线可能具有垂直定向或水平定向，也可能没有垂直定向或水平定向。垂直定向度可以小于或等于约90度，80度，70度，60度，50度，40度，30度，20度，10度，5度，3度或1度。水平定向度可以小于或等于大约90度，80度，70度，60度，50度，40度，30度，20度，10度，5度，3度或1度。
发射和接收天线可以布置成具有相同的垂直定向度。例如，发射和接收天线可以以零度的垂直定向布置。在另一个示例中，发射和接收天线可以稍微向上倾斜，或者可以稍微向下倾斜。替代地，发射和接收天线可以具有略微不同的垂直方向。例如，一个发射和/或接收天线可以稍微向上倾斜，而另一个发射和/或接收天线可以稍微向下倾斜或正水平。在一些实施方式中，发射和接收天线可以具有略微不同的水平和/或垂直方向或基本不同的水平和/或垂直方向。水平和/或垂直方向的变化可以使系统检测到各种高度的不同对象(例如，可能处于一定高度以下并且不易检测到的儿童，小型动物(例如，宠物)，自行车，摩托车，卡车(例如，18轮车)，带有后挡板的卡车等)。
在一些情况下，发射天线可以在第一方向上对准，而接收天线可以在第二方向上对准。在XY平面，XZ平面或YZ平面中，第一方向和第二方向之间的角度可以在0度至360度的范围内。第一方向和第二方向之间的角度可以是0度，45度，90度，135度，180度，225度，270度，315度，360度或0度至360度之间的任何值。替代地，发射天线可以位于第一平面上，而接收天线可以位于第二平面上，并且第一平面和第二平面可以是彼此不平行或不垂直的不同平面。
如图2B所示，雷达天线阵列110的空间配置还可以包括发射天线112与接收天线114之间的相对固定距离d。相对固定距离可以是1mm，2mm，3mm，4mm，5mm，6mm，7mm，8mm，9mm，10mm，10cm，100cm，1m或1mm至1m之间的任何值。相对固定距离可以具有基于预定阈值的公差。该阈值可以与发射的雷达脉冲的波长的百分比或发射的雷达脉冲的波长的一小部分的百分比相关联。发射雷达脉冲的波长的一小部分可以小于或等于发射雷达脉冲的波长的大约1、0.75、0.67、0.5、0.33、0.25、0.2或0.1。在一些情况下，发射的雷达脉冲的波长的一小部分可以大于1。例如，发射的雷达脉冲的波长的一小部分可以至少约为1.25、1.5、1.75、2、3、4、5、6、7、8、9或10倍发射雷达脉冲的波长。雷达天线阵列还可以具有检测场119。检测场可以包括如本文其他地方所述的成像区域。成像区域可以是雷达天线阵列的检测场所包围的区域的子集。在一些情况下，雷达天线阵列的空间配置可以至少部分地基于成像区域，如本说明书中稍后更详细描述的。
通过将一个发射和/或接收天线刚性安装到支撑结构上，可以基本上保持固定的空间配置。支撑结构可以将发射天线和接收天线相对于彼此保持在固定位置。交通工具的运动可能导致相对于彼此和/或相对于环境的角度小于5度，3度，2度，1度，0.5度或0.1度的变化。小于所提供的度数的这种移动可以构成发射和/或接收天线基本固定。支撑结构可以由基本上刚性的材料形成。在一些替代实施方式中，发射天线和接收天线可以相对于彼此移动。在交通工具的操作期间，发射和接收天线可以相对于车身移动。支撑结构可以包括一个或多个铰链，球形接头，轨道，滑动件，凹槽或其他机构，其可以允许发射和接收天线相对于彼此移动。支撑结构可以包括一个或多个致动器，该致动器可以使发射和接收天线相对于彼此移动。在一些实施方式中，发射天线和接收天线可以由载体支撑在支撑结构上。如本文其他地方所述，载体可以是万向架。载体可以包括单轴万向架、两轴万向架或三轴万向架。发射天线和接收天线可以相对于支撑结构绕偏航、俯仰和/或滚转轴线旋转。在一些实施方式中，在某个时刻，载体可以将发射和接收天线相对于彼此、支撑结构和/或交通工具保持在固定位置。在一些实施方式中，载体可以允许相对于支撑结构、交通工具或惯性参考系绕一个、两个或多个自由度运动，以维持发射天线和接收天线之间的固定布置。发射天线和接收天线可以沿相同方向旋转大约相同的量。在一些情况下，可以借助于一个或多个连杆来保持固定的布置。连杆可以包括串行或并行连杆。连杆可以是多杆连杆。固定的布置可以借助于运动联接来维持。可以通过以刚性方式机械地耦合发射天线单元和接收天线单元来维持固定配置。发射天线和接收天线的布置可以被实时控制。发射天线和接收天线的布置可以在交通工具的操作期间被控制。
发射天线和接收天线可以固定在共用支撑件的凹槽或套筒内。发射天线和接收天线可以借助于托架或其他类型的紧固件附接到公共支撑件。发射天线和接收天线可以完全或部分地嵌入公共支撑件中。公共支撑件上的发射天线和接收天线可以彼此靠近放置。在一些实施方式中，相邻的发射和/或接收天线之间的距离可以小于30cm，20cm，15cm，10cm，7cm，5cm，3cm，2cm，1cm，0.5cm或0.1cm。发射天线和接收天线可以由支撑结构支撑。发射天线和接收天线的重量可以由支撑结构承担。
在一些实施方式中，支撑结构可以被内置在交通工具的底盘中或集成到交通工具的底盘中。交通工具的底盘可包括交通工具的内部框架或交通工具的车身面板。在一些情况下，交通工具底盘的一部分可以包括可以增强雷达信号的材料。如果信号强度相对于信号噪声增加，则可以增强雷达信号。
支撑结构能够使一个或多个发射和/或接收天线与运动中的交通工具所经历的振动、冲击或撞击解耦合。在一些实施方式中，固定空间配置还可以由机构来修改或控制，该机构被配置为调整和/或校准一个或多个发射和/或接收天线的对准或位置。该机构可以是开环控制系统、闭环控制系统、反馈环系统、前馈环系统或其任何组合。
在一些实施方式中，该系统可以是如本文其他地方所述的SAR系统或基于SAR的系统。SAR系统可以包括雷达天线阵列。雷达天线阵列可以具有虚拟天线。虚拟天线可以是由合成孔径雷达(SAR)系统(或基于SAR的系统)模拟的天线和/或天线阵列。SAR系统可以类似于相控阵雷达系统操作，但是可以代替多个并行天线元件，而可以使用单个天线将来自地面交通工具不同几何位置的多个原始雷达回波组合为相干聚焦图像。SAR系统可以部分地通过使用平台或交通工具的运动路径以电子和/或虚拟地模拟大型天线或孔径，来从移动的地面平台或地面交通工具提供高分辨率的雷达图像。在一些实施方式中，虚拟天线可以是由多输入多输出(MIMO)雷达系统(或基于MIMO的系统)模拟的天线和/或天线阵列。MIMO雷达系统可以使用多个发射天线来独立于其他发射天线发送信号，并且使用多个接收天线来独立于其他接收天线接收信号。MIMO雷达系统可以使用多个发射天线M和多个接收天线N来模拟M×N个发射和/或接收天线的虚拟阵列。在其他实施方式中，虚拟天线可以是由基于SAR的系统、基于MIMO的系统或包括基于SAR的系统和/或基于MIMO的系统的一个或多个特征的任何系统模拟的天线和/或天线阵列。
系统可以包括收发器。收发器可以包括一个或多个发射元件和/或一个或多个接收元件。一个或多个发射元件和一个或多个接收元件可以具有或可以不具有公共电路。在一些情况下，收发器可以包括发射器和接收器。
如图2C所示，收发器111可以可操作地耦合到雷达天线阵列的一个或多个天线元件。例如，收发器111可以可操作地耦合到雷达天线阵列的一个或多个发射天线112和/或一个或多个接收天线114。在一些情况下，收发器111的发射元件(即，发射器)可以可操作地耦合到一个或多个发射天线。在一些情况下，收发器111的接收元件(即，接收器)可以可操作地耦合到一个或多个接收天线。雷达天线阵列可以包括或可以不包括收发器111。收发器111可以集成或可以不集成到雷达天线阵列中。
发射器可以是被配置为生成一个或多个电信号、一个或多个电磁波和/或一个或多个雷达脉冲以进行传输的电路或设备。发射器可以可操作地耦合到一个或多个发射天线。发射器可被配置为将一个或多个电信号、一个或多个电磁波和/或一个或多个雷达脉冲提供给一个或多个发射天线以进行发射。在一些情况下，发射器可以被配置为在使用一个或多个发射天线发射一个或多个信号之前调制一个或多个信号。
接收器可以是被配置为接收和/或处理由一个或多个接收天线接收的一个或多个电信号、一个或多个电磁波和/或一个或多个雷达脉冲的电路或设备。接收器可以可操作地耦合到一个或多个接收天线。一个或多个接收天线可以被配置为将一个或多个电信号、一个或多个电磁波和/或一个或多个雷达脉冲提供给接收器以进行处理。接收器可以被配置为通过过滤、放大和/或解调在一个或多个接收天线处接收到的一个或多个电信号、电磁波或雷达脉冲来处理一个或多个电信号、一个或多个电磁波和/或一个或多个雷达脉冲。
在本文其他地方描述的任何实施方式中，雷达天线阵列可以可操作地耦合到一个或多个收发器。替代地，本文所述的任何雷达天线阵列可包括一个或多个收发器。一个或多个收发器中的一个或多个发射器可以可操作地耦合到一个或多个发射天线。一个或多个收发器中的一个或多个接收器可以可操作地耦合到一个或多个接收天线。在一些情况下，本文描述的任何雷达天线阵列可以包括系统配置，该系统配置包括一个或多个天线元件(例如，发射天线和/或接收天线)、一个或多个发射元件(例如，发射器)和一个或多个接收元件(例如，接收器)。
如图3A所示，雷达天线阵列可以具有与雷达天线阵列相关联的有效灵敏度图案115。有效灵敏度图可以是雷达天线阵列的辐射图案。辐射图案可以是根据方位角和/或仰角显示雷达天线阵列的方向性或增益的图案。雷达天线阵列的方向性或增益可以部分地由雷达天线阵列的辐射强度与各向同性天线的辐射强度之比来确定。各向同性天线可以是能够在所有方向上均匀地辐射或接收能量的天线。辐射强度可以是雷达天线阵列每单位立体角辐射或接收的功率的函数。立体角可以是与球体的表面积的一部分相对应的面积单位。辐射图案可以包括一个或多个波瓣。波瓣可以是辐射图案内的区域，在该区域中天线的方向性或增益达到局部最大值。相对于雷达天线阵列的预定定向，可以在0度到360度的任何方向上定向波瓣。雷达天线阵列的预定定向可以由相对于地面交通工具的运动路径在0度到360度范围内的方位角和/或仰角限定。
如图3A所示，有效灵敏度图案115可以包括一个或多个旁瓣116-1、116-2、116-3、116-4和主瓣117。主瓣可以是辐射图案中的具有相对于辐射图中其他波瓣的最大方向性或增益的瓣。主瓣可以指示在主瓣定向的方向上目标的存在。旁瓣可以是不是主瓣的任何瓣。旁瓣可能代表有害或意外辐射的区域。旁瓣可以是混叠旁瓣。混叠旁瓣可以是由于信号采样期间的混叠效应而导致的方向性或增益接近主瓣的方向性或增益的幅度的旁瓣。混叠效应可能是从样本信号重构信号时生成的失真或伪影。混叠可以包括空间混叠和/或时间混叠。空间混叠可以包括由于有限的空间分辨率而导致的图像形状、清晰度和/或细节的劣化。时间混叠可能包括由于有限的时间分辨率而在图像中出现的频闪或闪烁效果。
回到图1B，一个或多个控制器130-1、130-2、130-3可以可操作地耦合到雷达天线阵列110。一个或多个控制器可以被配置为使用雷达天线阵列的空间配置以及地面交通工具的空间信息，同时交通工具在运动中生成增强的主瓣。地面交通工具的空间信息可以包括有关地面交通工具相对于外部目标、周围环境、雷达天线阵列或任何其他静态或移动参考点的位置、速度、加速度和其他运动学特性的信息。如图3B所示，增强的主瓣118可以是相对于一个或多个旁瓣116-1、116-2、116-3、116-4在尺寸上增加的主瓣。增强的主瓣可以指示在增强的主瓣定向的方向上存在目标。可以通过相对于主瓣衰减一个或多个旁瓣，或者通过相对于一个或多个旁瓣增强主瓣来生成增强的主瓣。一个或多个旁瓣的衰减可通过使用SAR成像算法来实现。SAR成像算法可以是图像形成算法。图像形成算法可以是可以使用由雷达天线阵列接收的多个信号来创建一个或多个目标的二维(2D)或三维(3D)图像的算法。多个信号可以包含诸如在雷达天线阵列中的一个或多个发射和/或接收天线处的相位测量的数据。图像形成算法可以是时域算法和/或频域算法。时域算法可以是通过对由雷达天线阵列发送和/或接收的多个信号的时间上的样本进行计算来构造一个或多个目标的图像的一种算法。频域算法可以是通过对由雷达天线阵列发送和/或接收的多个信号的时间上的样本的傅立叶变换执行计算来构造一个或多个目标的图像的一种算法。时域算法可包括全局反投影算法、快速反投影算法、快速分解反投影算法和/或局部反投影算法的一个或多个特征。时域算法可以使用匹配的滤波过程来将由雷达天线阵列和/或发射天线发射的一个或多个雷达脉冲与由雷达天线阵列和/或接收天线接收到的一个或多个信号相关。频域算法可以包括傅立叶域重构算法、线性调频缩放算法、范围迁移算法、极坐标格式算法、Omega-K算法和/或范围多普勒算法的一个或多个特征。一个或多个控制器可以进一步被配置为使用增强的主瓣来确定一个或多个目标的空间布置或特性。
回到图2B，雷达天线阵列110可具有如本文之前其他地方所述的检测场119。检测场可以包括相对于雷达天线阵列的区域，其中雷达天线阵列可以收集数据。检测场可以包括距离、范围和/或方向。例如，检测场可以包括雷达天线阵列可以检测到的最大距离和/或最小距离。最小距离可以为零。最大距离可能会受环境条件(例如，温度、空气中的微粒、降水、气压、噪音等)影响，也可能不受此影响。方向可以包括角度范围。例如，雷达天线阵列可以具有角度范围视场。雷达天线阵列可能无法在检测场之外收集数据。雷达天线阵列检测场之外的区域可能是雷达天线阵列和/或系统的盲区。
尽管以各种形状示出了各种检测场，但是可以理解，检测场可以具有任何形状。例如，检测场可以具有基本上圆形的形状。交通工具可以位于圆的中心或圆的另一部分。检测场可以具有大致椭圆形或椭圆形的形状。检测场可以具有基本上扇形或楔形的形状。检测场可以具有大致三角形、四边形(例如，矩形、正方形、菱形、梯形)、五边形、六边形、八边形或任何其他形状。本文所述的任何形状都可以代表检测场的横截面。在一些实施方式中，这些形状可以是横向横截面形状或垂直横截面形状。检测场可以形成球形、半球形、圆锥形、圆柱形、棱柱形、环形或任何其他类型的形状。在一些实施方式中，检测场可以包括所描述的任何形状的组合或多个任何形状，以共同形成新的形状。检测场可以由单个连续形状或多个不连续形状形成。
检测场可共同达到交通工具周围至少约360度。在一些情况下，检测场可以是交通工具周围至少约15度，30度，45度，60度，75度，90度，120度，150度，180度，210度，240度，270度，300度，或330度。检测场可具有小于本文所述的任何值的角度值，或落入本文所述的任何两个值之间的范围内的角度值。可以相对于交通工具周围的横向方向或交通工具周围的垂直方向提供角度范围。在一些实施方式中，检测场可以在交通工具周围均匀地分布。在一些情况下，检测场可能对应于与雷达天线阵列相关的有效灵敏度图案。
在一些实施方式中，雷达天线阵列的空间配置可以至少部分地基于雷达天线阵列的检测场内的成像区域和角分辨率。成像区域可以是雷达天线阵列的检测场所包围的区域的子集。成像区域可以包括雷达天线阵列的检测场内的区域，该区域由方位角范围和/或仰角范围限定。成像区域可以是预定义的设计参数。成像区域可能会以交通工具的运动方向为中心。在一些情况下，可以针对方位角范围和仰角范围分别定义成像区域。成像区域可以与地面交通工具的运动的向前或向后方向覆盖小于±10度。成像区域可以与地面交通工具的向前或向后运动方向覆盖至少±10度。在其他情况下，成像区域可以与地面交通工具运动的向前或向后方向覆盖不得超过±60度。替代地，成像区域可以与地面交通工具的运动的向前或向后方向覆盖超过±60度。成像区域可以覆盖检测场。
在一些实施方式中，雷达天线阵列可以包括在运动中的交通工具上使用的雷达系统。雷达系统可以是SAR系统、基于SAR的系统、基于MIMO的系统、基于MIMO的系统或本文其他各处所述的任何其他雷达系统。行驶中的交通工具可以在预定时间段T内移动预定距离L。
雷达天线阵列可以具有工作波长λ。工作波长可以等于与由雷达天线阵列和/或包括雷达天线阵列的一个或多个发射天线发射的连续雷达脉冲的中心频率f0相关的波长。
雷达天线阵列可以具有角分辨率。角分辨率可以是方位角分辨率或仰角分辨率，或其任意组合。方位角分辨率可能是雷达系统区分相似范围但方位不同的两个或更多个目标的能力。仰角分辨率可能是雷达系统区分相似范围但仰角不同的两个或更多个目标的能力。方位角和仰角分辨率可能是雷达天线阵列几何形状的函数。雷达天线阵列的角分辨率可由下式给出：
Figure BDA0002909446750000241
其中，θ是雷达天线阵列的角分辨率，λ是雷达天线阵列的工作波长，L是对应于交通工具行驶距离的预定距离参数。L可以是交通工具在一段时间T上行驶的距离。T可以是预定时间段。L和T可以是基于雷达天线阵列的精度和/或交通工具位置传感器的精度选择的设计参数。在一些情况下，系统的一个或多个控制器可以进一步被配置为至少部分地使用雷达天线阵列的角分辨率和雷达天线阵列的工作波长来定义地面交通工具行进的距离。
雷达系统可以被配置为在时间段T上组合由雷达天线阵列接收的多个信号，以提供雷达天线阵列的有效孔径。有效孔径可能与
Figure BDA0002909446750000242
成正比。孔径尺寸可以是1mm，2mm，3mm，4mm，5mm，6mm，7mm，8mm，9mm，10mm，10cm，100cm，1m，或1mm至1m之间的任何值。
雷达天线阵列可以具有孔径尺寸。在一些实施方式中，孔径尺寸可以至少部分地基于雷达天线阵列的角分辨率和雷达天线阵列的工作波长。孔径尺寸、角分辨率和工作波长之间的关系可以由下式给出：
Figure BDA0002909446750000243
其中，θ是雷达天线阵列的角分辨率，c是比例常数，λ是雷达天线阵列的工作波长，A是雷达天线阵列的孔径。
如图4所示，在一些实施方式中，一个或多个旁瓣116可以位于与主瓣117的角距离α处。该角距离的范围可以从0度到360度。在其他实施方式中，雷达天线阵列的空间配置可以进一步包括雷达天线阵列的相邻发射和/或接收天线之间的间隔。间隔可以是相对固定的距离，如本文其他地方所述。在一些情况下，雷达天线阵列的空间配置和/或相邻发射和/或接收天线之间的间隔可以允许一个或多个旁瓣116和主瓣117之间的角距离α大于限定成像区域150的方位角和/或仰角的范围。在一些情况下，相邻发射天线和/或接收天线之间的间隔可以允许一个或多个旁瓣位于限定成像区域的方位角和/或仰角范围之外。在本文描述的任何一个或多个实施方式中，相邻的发射和/或接收天线之间的间隔可以比雷达天线阵列的工作波长的一半大至少10％。在本文描述的任何实施方式中，相邻的发射和/或接收天线之间的间隔可以大于大约2mm。
回到图1B，一个或多个控制器130-1、130-2、130-3可以可操作地耦合到雷达天线阵列110。一个或多个控制器可以被配置为使用地面交通工具的空间信息和雷达天线阵列的空间配置以提供增强的主瓣。一个或多个控制器可以通过相对于主瓣衰减一个或多个旁瓣，或者通过相对于一个或多个旁瓣增强主瓣来提供增强的主瓣。地面交通工具的空间信息可以包括地面交通工具行进的距离。雷达天线阵列的空间配置可包括如本文其他地方所述的相邻发射和/或接收天线之间的间隔。在一些实施方式中，雷达天线阵列的空间配置可以包括雷达天线阵列中的相邻发射和/或接收天线之间的间隔。在一些情况下，间隔可以大于雷达天线阵列的工作波长的一半。
回到图2A，雷达天线阵列可以被配置为以脉冲重复频率发射连续的雷达脉冲105，如本文其他地方所述。在一些实施方式中，当交通工具运动时，地面交通工具在两个连续的雷达脉冲之间行进的距离可以是雷达天线阵列的工作波长的一小部分。工作波长的一小部分可以小于或等于工作波长的约1、0.75、0.67、0.5、0.33、0.25、0.2或0.1。在一些情况下，本文描述的工作波长的一小部分可以大于1。例如，工作波长的一小部分可以至少约为工作波长的1.25、1.5、1.75、2、3、4、5、6、7、8、9倍或10倍。在一些情况下，地面交通工具在两个连续的雷达脉冲之间行进的距离可能小于雷达天线阵列工作波长的大约一半。
图5示出了可操作地耦合到雷达天线阵列110和交通工具位置传感器120的控制器130。在一些实施方式中，一个或多个控制器可以被配置为使用交通工具位置传感器来获得地面交通工具的位置信息。交通工具位置传感器可以包括可以获得地面交通工具的空间布置的任何传感器。在一些实施方式中，交通工具位置传感器可以包括全球定位系统(GPS)传感器121、惯性测量单元(IMU)122、相机123、激光雷达124、雷达125、车轮编码器126或可以用来监视移动物体的位置的任何其他传感器。位置传感器可以包括位置传感器(例如，全球定位系统(GPS)传感器、启用位置三角测量的移动设备发射器)、视觉传感器(例如，能够检测可见光、红外或紫外光的成像设备，例如，相机)、接近度或范围传感器(例如，超声波传感器、激光雷达、飞行时间或深度相机)、惯性传感器(例如，加速度计、陀螺仪、惯性测量单位(IMU))、高度传感器、姿态传感器(例如，罗盘)、压力传感器(例如，气压计)、音频传感器(例如，麦克风)或现场传感器(例如，磁力计、电磁传感器)。在一些实施方式中，交通工具位置传感器可以位于地面交通工具上并且与雷达天线阵列分开放置。在一些情况下，交通工具位置传感器可以被配置为安装到地面交通工具的前侧、后侧或侧面。交通工具位置传感器可以安装到交通工具的任何一侧，或者安装到交通工具的一侧或多侧，例如，安装在交通工具的前侧、后侧、侧面、顶侧和/或底侧。在一些情况下，交通工具位置传感器可以安装在交通工具的两个或更多个相邻侧面之间。
在本文描述的任何实施方式中，控制器可以被配置为确定一个或多个目标的空间布置或特性。控制器可通过提供一个或多个增强的主瓣来确定一个或多个目标的空间布置或特性。控制器可被配置为通过衰减一个或多个旁瓣和/或增强一个或多个主瓣来提供一个或多个增强的主瓣。如图6所示，有效灵敏度图案115中的一个或多个增强主瓣118-1、118-2、118-3可以与一个或多个目标102-1、102-2、102-3相关联。在本文描述的任何一个或多个实施方式中，控制器可以进一步被配置为在衰减一个或多个旁瓣和/或增强一个或多个主瓣之后，在一个或多个目标的空间布置和/或特征之间进行区分。区分一个或多个目标的空间布置或特性可以涉及将一个或多个空间布置或特性与一个或多个不同的目标相关和/或相关联。
本文描述了用于识别目标的位置的各种方法。可以使用本文其他地方描述的任何一个或多个系统来实现该方法。在一些实施方式中，系统可以被配置为执行用于识别目标的位置的方法。该方法可以包括使用雷达天线阵列从地面交通工具外部的环境收集雷达数据以及收集地面交通工具的位置信息。雷达数据可以包括主瓣和/或一个或多个旁瓣。可以使用交通工具位置传感器来收集地面交通工具的位置信息。一个或多个旁瓣可以是混叠旁瓣。该方法可以进一步包括至少使用位置信息来生成增强的主瓣。可以通过使一个或多个旁瓣衰减或通过相对于一个或多个旁瓣增强主瓣来生成增强的主瓣。该方法可以进一步包括使用增强的主瓣以至少90％的精度来识别一个或多个目标在外部环境中的位置。在一些情况下，目标的横截面尺寸至少为0.2米。在一些情况下，目标可以被定位成与地面交通工具的任一侧或多侧至少1米的距离。在一些实施方式中，雷达天线阵列可以沿地面交通工具的向前方向设置在地面交通工具的前侧。在其他实施方式中，雷达天线阵列可以沿地面交通工具的向后方向设置在地面交通工具的后侧。
在一些实施方式中，系统可以被配置为执行用于确定目标的空间布置或特性的方法。该方法可以包括在地面交通工具上提供雷达天线阵列。雷达天线阵列可以被配置为安装到地面交通工具的前侧、后侧或侧面。雷达天线阵列可以被安装到交通工具的任何一侧，或者被安装到交通工具的一侧或多侧，例如安装在交通工具的前侧、后侧、侧面、顶侧和/或底侧。在一些情况下，雷达天线阵列可以安装在交通工具的两个或更多相邻侧面之间。该方法可以进一步包括借助于雷达天线阵列，发射连续的雷达脉冲并接收与至少连续的雷达脉冲的子集相对应的多个信号。多个信号可以在与目标相互作用的连续雷达脉冲的至少子集中生成。可以从多个信号中获得与雷达天线阵列相关的有效灵敏度图案。有效灵敏度图案可以包括主瓣和一个或多个旁瓣。一个或多个旁瓣可以包括混叠旁瓣。该方法可以进一步包括在交通工具运动时使用地面交通工具的位置信息和雷达天线阵列的空间配置以提供增强的主瓣。可以通过相对于主瓣衰减旁瓣和/或相对于旁瓣增强主瓣来提供增强的主瓣。一个或多个旁瓣的衰减可通过使用SAR成像算法来实现。SAR成像算法可以是如本文其他地方所述的图像形成算法。该方法可以进一步包括使用增强的主瓣来确定一个或多个目标的空间布置或特性。在一些实施方式中，可以在地面交通工具相对于目标运动时基本实时地确定目标的空间布置或特性。在一些实施方式中，雷达天线阵列可以在相对于地面交通工具的运动方向的向前方向或向后方向上安装在地面交通工具上。在一些情况下，雷达天线阵列的空间配置可包括雷达天线阵列的相邻发射和/或接收天线之间的间隔，如本文其他地方所述。该间隔可以大于雷达天线阵列的工作波长的一半。在一些实施方式中，该方法可以进一步包括确定多个目标的空间布置或特性。可以通过衰减有效灵敏度图案中的一个或多个旁瓣或通过增强有效灵敏度图案中的一个或多个主瓣以提供多个增强的主瓣来确定多个目标的空间布置或特性。多个目标可以包括该目标。在一些实施方式中，该方法可以进一步包括在多个旁瓣已经被衰减或者多个主瓣已经被增强之后，区分多个目标的空间布置或特性。区分多个目标的空间布置或特性可以涉及将一个或多个空间布置或特性与一个或多个不同的目标相关和/或相关联。
本文提供了可用于实现本公开的方法或系统的计算机控制系统。图。图7示出了计算机系统701，该计算机系统701被编程或以其他方式配置成实现用于确定交通工具外部的一个或多个目标的空间布置或特性的方法。计算机系统701可以被配置为在交通工具运动时使用地面交通工具的空间信息和雷达天线阵列的空间配置以生成增强的主瓣。计算机系统701可通过在与雷达天线阵列相关的有效灵敏度图案中增强主瓣或在与雷达天线阵列相关的有效灵敏度图案中衰减一个或多个旁瓣来生成增强的主瓣。计算机系统701可以使用增强的主瓣来确定交通工具外部的一个或多个目标的空间布置或特性。计算机系统701可以是用户的电子设备或相对于电子设备位于远程的计算机系统。该电子设备可以是移动电子设备。
计算机系统701包括中央处理单元(CPU，在本文中也称为“处理器”和“计算机处理器”)705，其可以是单核或多核处理器，或用于并行处理的多个处理器。计算机系统701还包括存储器或存储器位置710(例如，随机存取存储器、只读存储器、闪存)、电子存储单元715(例如，硬盘)、用于与一个或多个其他系统的通信接口720(例如，网络适配器)以及外围设备725(诸如高速缓存)、其他存储器、数据存储和/或电子显示适配器。存储器710、存储单元715、接口720和外围设备725通过通信总线(实线)(例如，主板)与CPU705通信。存储单元715可以是用于存储数据的数据存储单元(或数据存储库)。可以借助于通信接口720将计算机系统701可操作地耦合到计算机网络(“网络”)730。网络730可以是因特网、互联网和/或外联网，或与因特网通信的内联网和/或外联网。在一些情况下，网络730是电信和/或数据网络。网络730可以包括一个或多个计算机服务器，其可以启用分布式计算，例如云计算。在一些情况下，网络730可以借助于计算机系统701实现对等网络，该对等网络可以使耦合到计算机系统701的设备能够充当客户端或服务器。
CPU 705可以执行一系列机器可读指令，其可以体现在程序或软件中。指令可以存储在诸如存储器710的存储器位置中。指令可以被定向到CPU 705，CPU 705可以随后对CPU705进行编程或以其他方式配置CPU 705以实现本公开的方法。由CPU 705执行的操作的示例可以包括获取、解码、执行和写回。
CPU 705可以是电路的一部分，例如集成电路。电路中可以包括系统701的一个或多个其他组件。在一些情况下，该电路是专用集成电路(ASIC)。
存储单元715可以存储文件，例如驱动程序、库和保存的程序。存储单元715可以存储用户数据，例如，用户偏好和用户程序。在一些情况下，计算机系统701可以包括位于计算机系统701外部的一个或多个其他数据存储单元，例如位于通过内联网或因特网与计算机系统701通信的远程服务器上。
计算机系统701可以通过网络730与一个或多个远程计算机系统进行通信。例如，计算机系统701可以与用户(例如，最终用户、交通工具驾驶员、交通工具乘客、交通工具制造商等)的远程计算机系统通信。远程计算机系统的示例包括个人计算机(例如，便携式PC)、平板或平板计算机(例如，
Figure BDA0002909446750000301
Tab)、电话、智能电话(例如，
Figure BDA0002909446750000302
支持Android的设备、
Figure BDA0002909446750000303
)或个人数字助理。用户可以通过网络730访问计算机系统701。
如本文所述的方法可以通过存储在计算机系统701的电子存储位置上(例如，存储在存储器710或电子存储单元715上)的机器(例如计算机处理器)可执行代码的方式来实现。机器可执行或机器可读代码可以以软件的形式提供。在使用期间，代码可以由处理器705执行。在一些情况下，可以从存储单元715中检索代码并将其存储在存储器710中，以供处理器705随时访问。在一些情况下，电子存储单元715可以排除执行，并且将机器可执行指令存储在存储器710中。
代码可以被预编译并配置为与具有适合于执行代码的处理器的机器一起使用，或者可以在运行时被编译。可以以可以选择的编程语言提供代码，以使代码能够以预编译或编译时的方式执行。
本文提供的系统和方法(例如，计算机系统701)的各个方面可以体现在编程中。该技术的各个方面通常可以被视为机器(或处理器)可执行代码和/或以某种类型的机器可读介质执行或体现的关联数据形式的“产品”或“制造品”。机器可执行代码可以存储在电子存储单元上，例如存储器(例如，只读存储器、随机存取存储器、闪存)或硬盘。“存储”类型的介质可以包括计算机、处理器等的任何或所有有形存储器，或其相关模块，例如可以提供随时进行软件编程的非暂时性存储的各种半导体存储器、磁带驱动器、磁盘驱动器等。软件的全部或部分有时可以通过因特网或其他各种电信网络进行通信。这样的通信例如可以使得能够将软件从一个计算机或处理器加载到另一计算机或处理器，例如从管理服务器或主机计算机加载到应用服务器的计算机平台。因此，可以承载软件元素的另一种类型的介质包括光波、电波和电磁波，例如通过有线和光学座机网络并通过各种空中链路在本地设备之间的物理接口上使用的光波、电波和电磁波。诸如有线或无线链路、光学链路等的携带这种波的物理元件也可以被视为承载软件的介质。如本文所使用，除非限于非暂时性有形“存储”介质，否则诸如计算机或机器“可读介质”的术语是指参与向处理器提供指令以供执行的任何介质。
因此，诸如计算机可执行代码的机器可读介质可以采用多种形式，包括但不限于有形存储介质、载波介质或物理传输介质。非易失性存储介质包括例如光盘或磁盘，诸如任何计算机中的任何存储设备等，诸如可用于实现附图中所示的数据库等。易失性存储介质包括动态存储器，例如这种计算机平台的主存储器。有形的传输介质包括同轴电缆、铜线和光纤，包括构成计算机系统内总线的电线。载波传输介质可以采用电信号或电磁信号的形式，也可以采用声波或光波的形式，例如在射频(RF)和红外(IR)数据通信期间生成的那些。因此，计算机可读介质的常见形式包括：软盘、柔性盘、硬盘、磁带、任何其他磁介质、CD-ROM、DVD或DVD-ROM、任何其他光学介质、打孔卡纸磁带、带孔图案的任何其他物理存储介质、RAM、ROM、PROM和EPROM、FLASH-EPROM、任何其他存储芯片或盒带、用于传输数据或指令的载波、用于传输此类载波的电缆或链接、或计算机可以从中读取编程代码和/或数据的任何其他介质。这些形式的计算机可读介质中的许多可能涉及将一个或多个指令的一个或多个序列传送给处理器以供执行。
计算机系统701可以包括电子显示器735或与电子显示器735通信，该电子显示器包括用户界面(UI)740，该用户界面740用于提供例如用于监视由系统检测到的一个或多个目标的门户。用户可以使用门户网站查看与系统检测到的一个或多个目标的空间布置或特性有关的信息。可以通过应用编程接口(API)提供门户。用户或实体也可以通过UI与门户中的各种元素进行交互。UI的示例包括但不限于图形用户界面(GUI)和基于网络的用户界面。
可以通过一种或多种算法来实现本公开的方法和系统。可以由中央处理单元705在执行时通过软件来实现算法。该算法可以被配置为获取地面交通工具的空间信息。该算法可以进一步被配置为使用地面交通工具的空间信息和雷达天线阵列的空间配置来生成增强的主瓣。可以通过相对于在与雷达天线阵列相关的有效灵敏度图案中的主瓣衰减在与雷达天线阵列相关的有效灵敏度图案中的一个或多个旁瓣，或者通过相对于一个或多个旁瓣增强主瓣来生成增强的主瓣。该算法可以进一步被配置为使用增强的主瓣来确定交通工具外部的一个或多个目标的空间布置或特性。
尽管在此已经示出和描述了本发明的优选实施方式，但是对于本领域技术人员容易理解的是，这些实施方式仅以示例的方式提供。在不脱离本发明的情况下，本领域技术人员现在将想到许多变化、改变和替换。应当理解，本文所述的本发明的实施方式的各种替代方案可用于实施本发明。意图是所附权利要求限定本发明的范围，并且由此涵盖这些权利要求范围内的方法和结构及其等同物。

Claims (21)

1.一种用于确定目标的空间布置或特性的系统，所述系统包括：
雷达天线阵列和可操作地耦合到所述雷达天线阵列的一个或多个收发器，其中所述雷达天线阵列和所述一个或多个收发器被配置为安装在地面交通工具上，其中所述雷达天线阵列和所述一个或多个收发器被配置为(i)发射连续雷达脉冲，并且(ii)接收与所述连续雷达脉冲的至少一个子集相对应的多个信号，所述多个信号是在所述连续雷达脉冲的至少所述子集与所述目标交互时生成的，其中与所述雷达天线阵列相关并从所述多个信号获得的有效灵敏度图案包括主瓣和旁瓣，其中所述旁瓣包括混叠旁瓣；和
可操作地耦合到所述雷达天线阵列的至少一个控制器，其中所述至少一个控制器被配置为(i)使用(a)在所述地面交通工具运动时使用交通工具位置传感器获得的所述地面交通工具的空间信息和(b)当所述雷达天线阵列安装到所述地面交通工具时所述雷达天线阵列的空间配置，以相对于所述主瓣衰减所述旁瓣或者相对于所述旁瓣增强所述主瓣，从而提供增强的主瓣，以及(ii)使用所述增强的主瓣来确定所述目标的所述空间布置或所述特性。
2.根据权利要求1所述的系统，其中所述雷达天线阵列包括：(i)发射天线和(ii)接收天线。
3.根据权利要求1所述的系统，其中所述雷达天线阵列包括虚拟天线。
4.根据权利要求1所述的系统，其中所述雷达天线阵列被配置为相对于所述地面交通工具的运动方向沿向前的方向或向后的方向安装在所述地面交通工具上。
5.根据权利要求1所述的系统，其中所述雷达天线阵列的所述空间配置至少部分地基于所述雷达天线阵列的检测场内的成像区域和角分辨率，其中针对方位角和仰角单独地定义所述成像区域。
6.根据权利要求5所述的系统，其中所述雷达天线阵列的孔径尺寸至少部分地基于(1)所述角分辨率和(2)所述雷达天线阵列的工作波长，并且其中所述至少一个控制器被配置为使用所述角分辨率和所述工作波长至少部分地定义所述地面交通工具行进的距离。
7.根据权利要求5所述的系统，其中所述旁瓣位于与所述主瓣成角度的距离处，并且其中所述空间配置包括所述雷达天线阵列的相邻天线之间的间隔，使得所述成角度的距离大于所述成像区域。
8.根据权利要求5所述的系统，其中所述雷达天线阵列的相邻天线以一定间隔分布，使得所述旁瓣位于所述成像区域之外。
9.根据权利要求5所述的系统，其中所述成像区域在所述地面交通工具的运动的向前或向后方向覆盖至少±10度。
10.根据权利要求5所述的系统，其中所述成像区域在所述地面交通工具的运动的向前或向后方向覆盖不超过±60度。
11.根据权利要求1所述的系统，其中所述空间信息包括所述地面交通工具行进的距离，其中所述雷达天线阵列的所述空间配置包括所述阵列的相邻天线之间的间隔，并且其中所述控制器被配置为至少基于(1)所述地面交通工具行进的距离和(2)所述阵列的所述相邻天线之间的所述间隔，相对于所述主瓣衰减所述旁瓣或者相对于所述旁瓣增强所述主瓣，从而提供所述增强的主瓣。
12.根据权利要求1所述的系统，其中所述雷达天线阵列的所述空间配置包括所述雷达天线阵列的相邻天线之间的间隔，其中所述间隔大于所述雷达天线阵列的工作波长的一半。
13.根据权利要求12所述的系统，其中所述间隔比所述雷达天线阵列的所述工作波长的所述一半大至少10％。
14.根据权利要求12所述的系统，其中所述间隔大于2毫米。
15.根据权利要求1所述的系统，其中所述雷达天线阵列被配置为以脉冲重复频率发射连续雷达脉冲，使得当所述地面交通工具运动时，所述地面交通工具在两个连续雷达脉冲之间的位置变化为从所述雷达天线阵列的工作波长的四分之一到六倍。
16.根据权利要求15所述的系统，其中所述地面交通工具在两个连续雷达脉冲之间的位置变化小于所述雷达天线阵列的所述工作波长的一半。
17.根据权利要求1所述的系统，其中所述交通工具位置传感器包括选自惯性测量单元、全球定位系统传感器、相机、光检测和测距单元、车轮编码器和雷达的至少一个部件。
18.根据权利要求17所述的系统，其中所述交通工具位置传感器与所述雷达天线阵列分开，并且其中所述交通工具位置传感器被配置为安装至所述地面交通工具。
19.根据权利要求1所述的系统，其中所述至少一个控制器被配置为通过衰减与多个目标相关的多个旁瓣或增强与所述多个目标相关的多个主瓣来确定多个目标的空间布置或特性，以提供多个增强的主瓣，所述多个目标包括所述目标。
20.根据权利要求19所述的系统，其中所述至少一个控制器被配置为在所述多个旁瓣已经被衰减或者所述多个主瓣已经被增强之后，在所述多个目标的所述空间布置或者所述特性之间进行区分。
21.根据权利要求17所述的系统，其中所述光检测和测距单元包括激光雷达。
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