CN112526504A - 根据变化的雷达脉冲重复时间的对象距离和速度检测 - Google Patents

根据变化的雷达脉冲重复时间的对象距离和速度检测 Download PDF

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Abstract

本公开的技术涉及根据变化的雷达脉冲重复时间的对象距离和速度检测。一种设备包括发射器、接收器和处理器。该发射器被配置为在电磁脉冲之间具有变化的脉冲重复时间的帧内发送电磁脉冲的序列。该电磁脉冲的中心频率通过频率步进而变化。该接收器被配置为接收从对象反射的相对应的反射电磁脉冲的序列。该处理器被配置为基于接收到的相对应的反射电磁脉冲的序列来确定对象的距离和速度信息。通过改变雷达帧中连续脉冲之间的脉冲重复时间，该雷达系统可以提高距离分辨率，特别是在频率调制连续波(FMCW)雷达系统的情况下。

Description

根据变化的雷达脉冲重复时间的对象距离和速度检测
相关申请的交叉引用
本申请要求于2019年9月17日提交的美国临时申请No.62/901,378和于2019年9月18日提交的美国临时申请No.62/902,081的权益，这两个的公开内容通过引用整体并入本文。
背景技术
车辆雷达系统通常使用频率调制连续波(FMCW)传输来检测车辆周围的对象。在相邻目标之间进行区分对于雷达系统可能是个挑战，特别是在速度和/或距离方面。增加雷达的距离分辨率增强了雷达系统，以更好地在两个相邻目标之间进行区分，这可能会导致多普勒覆盖和距离覆盖的性能下降。
发明内容
本文件描述了根据变化的雷达脉冲重复时间的对象距离和速度检测的一个或多个方面。在一个示例中，一种设备包括发射器、接收器和处理器。该发射器被配置为在电磁脉冲之间具有变化的脉冲重复时间的帧内发送电磁脉冲的序列。该电磁脉冲的中心频率随频率步进而变化。该接收器被配置为接收从对象反射的相对应的反射电磁脉冲的序列。该处理器被配置为基于接收到的相对应的反射电磁脉冲的序列来确定该对象的距离和速度信息。
在另一个示例中，一种方法包括利用发射器在帧内发送电磁脉冲的序列，所述电磁脉冲具有在电磁脉冲之间变化的脉冲重复时间。该电磁脉冲的中心频率随频率步进而变化。该方法还包括利用接收器，接收从对象反射的相对应的反射电磁脉冲的序列。该方法还包括利用处理器，基于该接收到的相对应的反射电磁脉冲的序列来确定该对象的距离和速度信息。
本发明内容被提供用于介绍根据变化的雷达脉冲重复时间的对象距离和速度检测的各个方面，所述方面在下面的具体实施方式和附图中将进一步描述。为了便于描述，本公开侧重于基于车辆或基于汽车的系统，诸如集成在行驶于道路上的车辆上的那些系统。然而，本文所述的技术和系统不限于车辆或汽车语境，而且还适用于其中可以使用雷达来在近距离的对象之间进行区分的其他环境。本发明内容并非旨在标识出要求保护的主题的必要特征，亦非旨在用于确定要求保护的主题的范围。
附图说明
参考以下附图，本文件中描述了根据变化的雷达脉冲重复时间的对象距离和速度检测的一个或多个方面的细节。贯穿附图使用相同的数字来引用相似的特征和部件：
图1示出了示例车辆，其中示例雷达系统被配置为从变化的雷达脉冲重复时间来确定对象距离和速度。
图2示出了作为车辆的一部分的示例雷达系统的示例实现方式。
图3示出了示例雷达系统的示例信号。
图4示出了来自示例雷达系统的发送雷达信号的频率扫描。
图5示出了响应于图4的发送雷达信号的反射雷达信号。
图6示出了示例雷达系统的距离迁移的示例。
图7示出了示例雷达系统的减轻的距离迁移的示例。
图8示出了示例雷达系统的啁啾的示例。
图9示出了示例雷达系统的示例步进频率波形。
图10示出了图9的三角波形的示例处理流程。
图11示出了示例FMCW雷达系统的另一个示例步进频率波形。
图12示出了图11的步进频率波形的示例处理流程。
图13示出了操作被配置为从变化的雷达脉冲重复时间来确定对象距离和速度的示例雷达系统的示例方法。
具体实施方式
概览
本公开的技术涉及根据变化的雷达脉冲重复时间的对象距离和速度检测。通过改变雷达帧中连续脉冲之间的脉冲重复时间，雷达系统可以提高距离分辨率，特别是在频率调制连续波(FMCW)雷达系统的情况下。距离分辨率是对雷达系统分离彼此相对接近且具有相同行进方位或行进方向的对象的能力的测量。传统的FMCW啁啾(chirp)模式具有等于啁啾带宽的系统带宽，并且由于系统的带宽确定距离分辨率，因此传统FMCW系统可被限制在其最大距离分辨率内。代替生成传统的FMCW啁啾模式，描述了一种雷达系统，其中，收发器生成多啁啾模式，且多个啁啾的分组在帧内具有变化的脉冲重复时间(PRT)。帧被定义为一段时长，该时长期间FMCW啁啾模式具有多个啁啾的第一周期，该第一周期之后是第二周期的空闲时间。PRT被定义为从一个脉冲的开始到下一个脉冲的开始的历时。改变PRT减轻了距离迁移现象，其中反射信号的峰值功率(即，目标峰)减小，周期因目标的移动而变宽。与粗距离分辨率相比，较精细的距离分辨率往往会使目标峰随时间扩展。目标峰的扩展可降低信噪比并且降低雷达系统在两个目标之间进行区分的能力。
FMCW雷达系统用于确定车辆周围的对象的位置、速度和角度。在FMCW雷达发射器中，信号在被称为啁啾的多个斜坡中进行调制，并经由发射天线发送。接收天线接收到反射信号后，该信号与发送的信号(transmitted signal)混合，被下变频，并且由模数转换器(ADC)进行采样。所得的数字信号由车载处理器处理。经处理的信号峰值在频谱中的位置是目标相对速度和从目标到接收天线的距离的函数。在一些情况下，具有不同速度和距离的目标会表现为具有频谱中不同位置的多个峰值。
本公开介绍了根据变化的雷达脉冲重复时间的对象距离和速度检测。描述的是一种将雷达系统的距离分辨率与ADC的采样率解耦的波形和处理策略，使得即使在使用具有低采样速度的ADC时也可以获得较精细的距离分辨率。另外，公开了使用步进频率FMCW展开混叠多普勒频率的方法。
操作环境
图1示出了车辆100，在该车辆100中，示例FMCW雷达系统102可以检测对象104，例如，人、动物、其他车辆以及诸如树木和障碍物之类的静止对象。尽管示出为汽车，车辆100可以表示其他类型的机动车辆(例如，摩托车、公共汽车、拖拉机、商用车辆或施工设备)、非机动车辆(例如，自行车)、有轨车辆(例如，火车或电车)、水运工具(例如，船只或船舶)、飞行器(例如，飞机或直升机)、或航天器(例如，卫星)。
将FMCW雷达系统102(以下称为“雷达系统102”)安装到车辆100上或集成在车辆100内。本文所描述的技术和系统不限于车辆或汽车语境，还适用于其中对象检测可能有用的其他移动和非移动环境，包括机械、机器人设备、建筑物和其他结构。
在所描绘的实现方式中，雷达系统102位于车辆100的外部的中央。在其它实现方式中，雷达系统102围绕车辆100分布，诸如在前保险杠和/或后保险杠后面，或者在车辆100的内部且具有透过车辆100的窗户的视野。雷达系统102在车辆100的被视场110包围的部分中发送雷达信号(例如，发送的信号106)并且接收雷达反射(例如，反射信号108)。视场110包括围绕车辆100的一个或多个区域。示例视场110包括360度视场、一个或多个180度视场110、一个或多个90度视场110等，其可以重叠(例如，用于创造特定大小的视场)。
图2示意性地示出了安装在车辆100上的雷达系统102的示例。该系统包括发射器200、接收器202和处理器204。在该示例中，处理器204被配置为发射器200的控制器和用于处理由接收器202接收的反射信号108以供对象检测的信号处理器。在由图2所示的示例中，处理器204控制发射器200以使用FMCW传输。
雷达系统102包括通信接口206，以通过车辆100的通信总线将雷达数据发送到基于车辆的系统208或发送到车辆100的另一个部件。在示例中，雷达系统102中所示的各个部件被集成，包括在车辆100内的不同位置或地点。一般来说，由通信接口206提供的雷达数据是呈基于车辆的系统208(诸如主动安全系统和自主驾驶系统)可使用的格式。通信接口206可以向雷达系统102提供信息，诸如车辆100的速度、车辆100的横摆角速度(yaw rate)等。
雷达系统102还包括至少一个天线阵列210以发射和接收雷达信号。天线阵列210包括发射天线元件，例如，每一个发送信道一个发射天线元件。天线阵列210的接收天线元件耦合到每一个接收信道，以来接收响应于发送的信号106的反射信号108。天线阵列210可以包括多个发射天线元件和多个接收天线元件，以将雷达系统102配置为能够在给定时间发送多个不同波形(例如，每个发射天线元件不同波形)的MIMO(多输入多输出)雷达系统。该天线元件可以是圆极化的、水平极化的、垂直极化的或它们的任何组合。
使用天线阵列210，雷达系统102可以形成转向或非转向的波束，并且可以是宽波束或窄波束。可以通过模拟波束成形或数字波束成形来获得转向和成形。一个或多个发射天线元件可以具有非转向的全向辐射模式，或者一个或多个发射天线元件可以产生宽的、可转向的波束以用发送的信号106照亮或覆盖大量空间。为了获得对象的角精度和角分辨率，接收天线元件可以用于利用数字波束成形生成数百个窄的转向波束。以这种方式，雷达系统102可以有效地监视车辆100的外部环境以检测视场110内的一个或多个对象。
接收器202可以包括多个接收器202，接收器202包括用于经由天线阵列210发送雷达信号的电路和逻辑。发射器200包括一个或多个发送信道，并且接收器202包括一个或多个接收信道，接收信道的数量可以与发送信道的数量相似或不同。发射器200和接收器202可以共享本地振荡器(LO)以同步操作。发射器200和接收器202还可以包括未示出的其他部件，诸如放大器、混频器、移相器、开关、ADC、组合器等。
发射器200主要被配置为执行FMCW操作的连续波发射器200，并且它还可以包括以各种方式(包括线性频率调制、三角频率调制、步进频率调制或相位调制)执行同相/正交(I/Q)操作和/或调制或解调的逻辑。另外，发射器200可以被配置为支持脉冲雷达操作。
在示例中，发送的信号106和反射信号108的频谱(即，频率的范围)可以涵盖一千兆赫兹(1GHz)和10GHz之间的频率。带宽可以小于1GHz，诸如在近似300兆赫兹(300MHz)和500MHz之间。发射器200的频率也可以与毫米波长相关联。
雷达系统102还包括至少计算机可读存储介质(CRM)212。该CRM212包括原始数据处理模块214和雷达控制模块216。可以使用硬件、软件、固件或它们的组合来实现原始数据处理模块214和雷达控制模块216。在该示例中，处理器204执行用于实现原始数据处理模块214和雷达控制模块216的指令。原始数据处理模块214和雷达控制模块216一起使得处理器204能够处理来自天线阵列210中的接收天线元件的响应，以检测对象104并为基于车辆的系统208生成雷达数据。
原始数据处理模块214将包括由发射器200提供的原始数据(例如，包括基带数据的数字拍频信号)的接收器202信号转换为雷达控制模块216可用的雷达数据(例如，作为距离和/或速度的函数的振幅和/或频率)。雷达控制模块216分析随时间获取的雷达数据以映射(例如，对象104的)一个或多个检测。
雷达控制模块220产生用于基于车辆的系统208的雷达数据。雷达数据的示例类型包括指示对象104是否存在于感兴趣的特定区域内的布尔值、表示对象104的特性(例如，位置、速度或运动方向)的数字、或指示检测到的对象104的类型的值。雷达控制模块216将雷达系统102配置为经由天线阵列210发射雷达信号并检测雷达反射。雷达控制模块220输出与从到达对象(诸如对象104)的雷达信号检测到的雷达反射相关联的信息。
示例架构
图3示出了雷达系统102的示例操作。在车辆100内，对象104位于距离雷达系统102的天线阵列特定距离和角度处。为了检测对象104，雷达系统102发送并接收雷达信号，该雷达信号可以是雷达信号的帧300的示例。该雷达信号作为发送的信号106被发送。对象104反射发送的信号106的至少一部分。该反射部分表示反射信号108。该雷达系统处理反射信号108以提取用于图2中所示的基于车辆的系统208的数据。如图3所示，由于在传播和反射期间发生的损耗，反射信号108的振幅小于发送的信号106的振幅。尽管发送的信号106被示出为具有单个波形，但是发送的信号106可以由具有不同波形的多个发送的信号106组成以支持MIMO操作。
发送的信号106包括一个或多个啁啾302-1到302-N，其中N表示正整数。雷达系统102可以以连续序列发送啁啾302-1、302-2、……、302-N(统称为“啁啾302”)，或者将啁啾作为时间分离的电磁脉冲发送。当随后是空闲时间段时，啁啾302表示帧300。发送的信号106可以包括数量为M个的帧300，其中M表示正整数。
在帧300内，啁啾302的各个频率可以随时间增加或减小，并且啁啾302的各个频率的斜率或变化率也可以随时间增加或减小。一般来说，啁啾302的传输特性(例如，带宽、中心频率、历时和发送功率)可以被定制以实现用于检测对象104的特定检测范围、距离分辨率或多普勒覆盖。
在雷达系统102处，反射信号108表示发送的信号106的延迟版本。延迟量与从雷达系统102的天线阵列210到对象104的距离成比例。特别地，该延迟表示发送的信号106从雷达系统102传播到对象104所需的时间和反射信号108从对象104传播回雷达系统102所需的时间的总和。如果对象104和/或雷达系统102正在移动，则由于多普勒效应，反射信号108相对于发送的信号106在频率上移位。换句话说，反射信号108的特性取决于对象104的运动和/或车辆100的运动。类似于发送的信号106，反射信号108由啁啾302中的一个或多个组成。啁啾302使得雷达系统102能够在帧300中的每一个期间对对象104进行多次观察。
图4示出了在一个帧中具有多个啁啾的FMCW的示例，其中fc是一个帧中所有啁啾的中心频率，B1是啁啾带宽，并且T是脉冲重复时间304(PRT304)。在该示例中，啁啾带宽等于帧带宽，因为在啁啾之间没有频率步进306或频率偏移。当在传感器的视场中检测到目标时，发送的信号由该目标反射并由接收器接收。
图5示出了发送的信号106和接收到的反射信号108之间的时滞，其中虚线表示反射信号108，实线表示发送的信号106，并且td表示发送的信号106和反射信号108之间的时滞。由处理器204将反射信号108与发送的信号106混合，并且该操作混合的输出是拍频fb等于该发送的信号106和该反射信号108之间的频率差的信号。处理器204使用ADC对信号进行采样并形成维数为N×M的二维快速傅里叶变换(2D-FFT)矩阵，其中N是一个帧中的啁啾的数量，而M是每一个啁啾的样本的数量。包含M个样本的域被称为第一域(例如，快时域)，并且包含N个啁啾的域被称为第二域(例如，慢时域)。
通过在接收到的雷达数据的第一域上进行FFT，可以得到目标的距离信息。目标的测距频率(拍频)在等式(1)中进行定义，
Figure BDA0002687609540000081
其中k是啁啾斜率，定义为
Figure BDA0002687609540000082
R是目标距离，v是目标速度，λ是发送的信号106的波长，并且c是光速。由于
Figure BDA0002687609540000083
因此通常会忽略距离频率上的多普勒效应，并且等式(1)可以写作，
Figure BDA0002687609540000084
通过在该雷达数据的第二域上进行FFT，可以确定目标的速度。目标的多普勒频率在等式(3)中进行定义。
Figure BDA0002687609540000085
使用FMCW的距离分辨率是，
Figure BDA0002687609540000086
其中B1是信号带宽，并且明确的多普勒覆盖为，
Figure BDA0002687609540000087
用于实际采样的波形的距离覆盖为
Figure BDA0002687609540000088
其中fs是ADC采样率。期望具有更精细的距离分辨率，因为更精细的距离分辨率使雷达系统102能够提高区分两个相邻目标的能力。然而，利用已知技术，增加系统的距离分辨率使多普勒覆盖和距离覆盖的性能退化。例如，如果系统需要具有更精细的距离分辨率并保持相同的多普勒和距离覆盖，则必须增加B1、k和fs。但是对于给定的硬件，系统的最大fs是固定的。即使可以通过使用更高的fs来提高距离分辨率，由第一域中的目标移动而引起的距离迁移问题也会降低信噪比(SNR)并增加频谱扩展。
本公开中的示例包括用于在不牺牲多普勒覆盖或距离覆盖的情况下增加距离分辨率的技术。来自第一域的距离信息用于展开第二域中的混叠距离信息，即使当使用更高的频率步进306时，该第二域也保持相同的明确距离范围。在下面更详细地描述的示例中，PRT 304以允许从每一个啁啾获取目标距离信息并同时获取目标距离和速度信息的方式变化。这种方法提高了效率(例如，减少计算资源)。在另一个示例中，PRT 304是交错的并且与双斜率FMCW波形组合以增加多普勒覆盖。
图6示出了第二域中的距离分散效应。术语P在本公开中被称为分散因子，是在一个帧上相对目标运动的量与第二FFT的分辨率的比率。P由等式
Figure BDA0002687609540000091
表示，其中Δr2是第二域的FFT中距离分辨率。如图6所示，当目标的速度增加时，波束宽度将变宽并且目标响应将被衰减(例如，P随着速度的增加而增加)。例如，0-20m/s的速度时的峰比30m/s或40m/s的速度时的峰更窄，并且具有更高的振幅。为了抑制这种变宽和分散，可以改变PRT 304，如下面更详细地描述的。
图7示出了通过改变PRT 304使距离分散P最小化的示例结果。在所示的示例中，在0m/s至40m/s的目标速度范围内，峰基本上相同。在该示例中，通过以下等式确定第二域中的目标频率，
Figure BDA0002687609540000092
其中fr2是第二域中的测距系数，fv是多普勒系数，h是目标元指数(bin index)，并且f元2是第二频谱中的元频率。在示例中，分数元估计可以用于使h更准确，即，使h更紧密地匹配实际位置。
可以使用以下等式，使用各个啁啾的带宽来确定第一域中的距离分辨率
Figure BDA0002687609540000093
并且可以使用以下等式，使用帧的带宽来确定第二域中的距离分辨率
Figure BDA0002687609540000094
当两个目标仅以小于Δr1但大于Δr2的距离值分离时，这些目标将在第二域中分离，但在第一域中不分离。所以，通过使用步进频率波形，其中使用各个啁啾的带宽B1和帧的带宽B2，可以增加距离分辨率。在示例中，改善(例如，降低)雷达系统102的距离分辨率包括在不改变第一域中的B1的情况下增加第二域中的B2，以及设置Δr1＞Δr2。
通过以下等式确定第一域的明确检测距离
Figure BDA0002687609540000101
并且通过以下等式确定第二域的明确检测距离
Figure BDA0002687609540000102
其中PRF＝1/T0。当B2增加时，Run2减小。为了增加距离分辨率，设置Δr1＞Δr2会导致Run2＜Run1。当目标距离R在Run2＜R＜Run1范围内时，在第二域中的距离频率将会混叠。为了在第二域中获得正确的目标频率，需要对等式(7)的折叠频率进行补偿，如下，
Figure BDA0002687609540000103
其中b是距离频率已在第二域中被折叠的次数。可以从以下等式(13)来计算b的值
Figure BDA0002687609540000104
其中R1是第一域中的距离估计。所以，系统的最大检测距离通过等式(10)来确定。
返回参考等式12，距离和多普勒是耦合的。由于距离频率远高于多普勒频率，所以第一频谱中的峰值的位置主要取决于目标位置。当Δf＝0时(例如，没有频率步进306，如图4所示)，步进频率波形变为常规的FMCW波形，其中第二频谱仅包含多普勒频率，因此零多普勒频率位于频谱的中心。当Δf≠0时(例如，包括频率步进306，如图9和图11所示)，多普勒频率和距离频率在第二频谱中相当，因此目标元指数将取决于该目标的距离和多普勒频率，这意味着零多普勒指数将随目标位置一起移动。示例实施例包括通过查找零多普勒指数w由于距离频率而已引起移位的元的数量来查找多普勒频率。零多普勒指数w可以计算如下，
Figure BDA0002687609540000105
其中r元2是第二频谱中的距离元分辨率，定义为如下，
Figure BDA0002687609540000111
正多普勒速度和负多普勒速度可以具有不同的覆盖，并且当这两个覆盖不同时，可以将属于较大覆盖的元用作较小覆盖中的元。在示例中，目标的速度在
Figure BDA0002687609540000112
范围内是非混叠的。在该示例中，可以通过补偿如下等式中的指数h来获得经校正的频率值，
Figure BDA0002687609540000113
其中x是补偿指数，其可以按如下所示进行计算。
如果(h＜w)且(w＞0)
x＝x+Nfft
否则，如果(h＞Nfft+w)且(w＜0)
x＝x-Nfft
否则
x＝x；
在对接收的信号v(n，m)进行2D-FFT之后，将2D频谱中具有指数(h，g)的峰值与目标相关联，可以基于如下等式计算目标距离R＝(F1-F2)/(fr1-fr2)。 (17)
在获取了目标的距离之后，可以通过如下等式确定该目标的速度
v＝(F2-Rfr1)/fr2。 (18)
图8示出了在啁啾的不同方向上的多普勒效应，其中实线是发送的信号106，而虚线是反射信号108。符号f上1和f上2表示当目标在上啁啾中静止或移动时的拍频。符号fd表示多普勒频移，以及符号f下1和f下2表示当目标在下啁啾中静止或移动时的拍频。
f上1＝f上2+fd (19)
f下1＝f下2-fd (20)
等式(19)和等式(20)给出了当目标在上啁啾和下啁啾移动时的拍频。由于对于上升和下降频率斜率而言，多普勒频率附加到拍频上的方式不同，因此FMCW波形的下啁啾段的目标频率F1由以下等式确定
Figure BDA0002687609540000128
因此，在下啁啾步进频率FMCW波形中可以基于等式(22)和等式(23)来计算目标距离和速度，如下所示。
R＝(F1+F2)/(fr1+fr2) (22)
v＝(F2+Rfr1)/fr2 (23)
图9示出了使用三角快速啁啾波形展开多普勒混叠的步进频率FMCW波形示例的示例。在该三角波形中，在一个频率步进306中使用两个方向的斜率，并且该两个斜率具有相同的中心频率。雷达数据的第一啁啾序列S1包含一个帧中的所有上啁啾；雷达数据的第二啁啾序列S2包含一个帧中的所有下啁啾。S1和S2的PRT 304为
Figure BDA0002687609540000121
其中基于以下等式确定
Figure BDA0002687609540000122
Figure BDA0002687609540000123
其中n是S1中的啁啾指数，f0是S1中第一啁啾的中心频率，并且
Figure BDA0002687609540000124
以及Δtn是该啁啾的结束时间与下一个啁啾的开始时间之间的时间延迟308。在示例中，Δt1是预先确定的值。然而，当n＞1时，Δtn的值基于等式(24)中的
Figure BDA0002687609540000125
的值而改变。即，时间延迟308随每一个频率步进部分而变化。结果，基于重复次数的计数、初始中心频率、初始PRT 304和频率步进306，针对每一个频率步进306来改变PRT 304。图10示出了用于图9的三角波形的处理流程，其中分离了在S1和S2上的信号处理。R1和R2是通过使用等式(17)和等式(22)从S1和S2进行的距离测量。ΔR＝|R1-R2|是该两个序列之间的距离测量差。Δ误差被定义为不发生多普勒混叠时的距离测量误差。当目标的速度在
Figure BDA0002687609540000126
范围内时，ΔR会很小，因为ΔR≈Δ误差。然而，当目标速度大于
Figure BDA0002687609540000127
时，在等式(17)和等式(22)中会使用混叠速度，这使得R1和R2偏离它们的真实值。利用混叠，可以通过以下等式导出两个测量之间的距离误差的量
Figure BDA0002687609540000131
其中p是目标速度已经被折叠的次数。因此，当ΔR＝Rthres＞＞Δr时，指示多普勒混叠。随着ΔR的值增加，多普勒频率折叠的次数也会增加。当检测到多普勒混叠时，示例实施例包括校正多普勒指数，并且等式(16)可以表达为等式(26)，如下所示。在获取经校正的多普勒指数之后，可以基于等式(22)和等式(23)重新计算新的目标距离和速度。然后，新的一组目标距离Ru和速度Vu将替换旧的R1、R2、V1和V2。
F2≈(h+x)f元2+(b+p)PRF。 (26)
图11示出了使用交错的PRT 304展开多普勒混叠的步进频率FMCW波形的另一个示例。在该示例中，啁啾序列S1包含所有奇数啁啾，并且S2包含所有偶数啁啾。Δf1是S1和S2之间的频率步进306。Δf2是S1内每一个啁啾之间的频率步进306。在该示例中，啁啾长度T在S1和S2中是相同的。选择Δf1的值可以与Δf2的值无关，这意味着Δf1可以是适合用户需要的任何值，包括零。在示例中，当Δf1等于零时，在每一个频率步骤306中存在具有相同中心频率的两个相同的啁啾。在另一个示例中，当Δf1不等于零时，奇数啁啾和偶数啁啾不具有相同的中心频率。时间延迟308由Δt1指示，导致在S1和S2之间的传输时间为T+Δt1。用于S1和S2二者的PRT 304为
Figure BDA0002687609540000132
其中可以基于以下等式计算
Figure BDA0002687609540000133
Figure BDA0002687609540000134
其中n是S1中的啁啾指数，f0是S1中第一啁啾的中心频率，并且
Figure BDA0002687609540000135
Δt2，1是预先确定的值；然而当n＞1时，Δt2，n的值将会基于来自等式(27)的
Figure BDA0002687609540000136
的值而改变。即，时间延迟308随每一个频率步进部分而变化。结果，基于重复次数的计数、初始中心频率、初始PRT 304和频率步进306，针对每一个频率步进306来改变PRT 304。
图12示出了图11的交错的PRT 304步进频率波形的处理流程。相较于图10的处理流程，通过使用来自S1和S2的2D-FFT结果来执行非相干积分(NCI)，并且NCI导致SNR增加多达3分贝(3dB)。NCI之后的该2D矩阵在图12中表示为C，可以在其上执行2D峰值搜索算法。然后，可以根据峰值搜索算法确定目标速度Vint和目标距离Rint。由于S1和S2的PRT 304为
Figure BDA0002687609540000141
因此Vint的多普勒覆盖范围为
Figure BDA0002687609540000142
这通常不能满足汽车应用的要求。在来自S1和S2二者的2D-FFT相位信息的帮助下，可以扩大多普勒覆盖。S1和S2的两个峰值之间的相位差是目标的距离和多普勒频率的组合，如下所示
Δφ＝Δφd+Δφr (28)
其中Δφd和Δφr分别是目标的多普勒和距离相位差。Δφd可以从以下等式中导出
Figure BDA0002687609540000143
其中M是目标多普勒频率已经被折叠的次数的计数，并且
Figure BDA0002687609540000144
等式(28)中的Δφr可以表达为
Figure BDA0002687609540000145
等式(28)中的Δφ可以表达为
Δφ＝arg(Phs1×Phs2′) (31)
其中Phs1和Phs2是包含来自2D-FFT的峰值复值的行向量。运算符()′和×表示矩阵共轭转置和矩阵乘法，并且运算符arg()表示复值的幅角。
在图12中所示的多普勒展开块中，可以通过求出M可能成为的每一个电势的εm的最小量，由等式(24)确定M的值。rem[]给出了除法之后的余数，
εm＝|rem[(Δφ-Δφd-Δφr)/2π]| (32)
当M的值已被求出时，新的目标速度可以计算为，
Figure BDA0002687609540000146
因为Rint是基于混叠多普勒频率计算的，所以Rint会有偏差。所以，正确的目标距离可以计算为，
Figure BDA0002687609540000147
示例方法
图13示出了由雷达系统102执行的示例方法。例如，处理器204通过执行与雷达控制模块220相关联的指令，将雷达系统102配置为执行操作1010到1030。执行操作(或步骤)1010到1030，但不一定限于本文中所示的操作的顺序或组合。此外，一个或多个操作中的任何一个可以被重复、组合或重组以提供其他操作。
步骤1010包括发送信号。这可以包括使用雷达系统102发送帧300，该帧300包括在电磁脉冲之间具有变化的PRT 304的电磁脉冲或啁啾序列(例如，发送的信号106)，以及随频率步进306变化的中心频率。该雷达系统可以基于重复次数、初始中心频率、初始PRT 304和频率步进306来改变PRT 304。该雷达系统102通过发射步进频率频率调制连续波(FMCW)雷达信号来发送帧300。
在示例中，雷达系统102通过在频率步进306部分中发射第一频率斜率和第二频率斜率来发送帧300。在该示例中，该雷达系统102发射具有与如上所述相同的中心频率和相同的带宽中的至少一者的第一频率斜率和第二频率斜率。
在示例中，雷达系统102发射具有有着正斜率的上啁啾部分的第一频率斜率和第二频率斜率。在该示例中，该雷达系统102通过时间延迟308分离第一频率斜率的结束时间和第二频率斜率的开始时间。在示例中，雷达系统102利用每一个频率步进306部分来改变该时间延迟308。
在另一个示例中，雷达系统102发射具有有着正斜率的上啁啾部分的第一频率斜率，并且发射具有有着负斜率的下啁啾部分的第二频率斜率。在该示例中，该雷达系统102发射具有三角波形的第一频率斜率和第二频率斜率。
步骤1020包括接收信号。例如，步骤1020可以包括响应于如上所述的帧300，利用雷达系统102接收从对象104反射的相对应的反射脉冲的序列(例如，反射信号108)。如上所述，经由天线阵列201接收该反射信号108并且由处理器204处理该反射信号108。
步骤1030包括确定距离和速度。作为一个示例，这可以包括由雷达系统102基于如上所述的相对应的反射脉冲的序列来确定对象104的距离和速度信息。如上所述，信号处理包括第一域和第二域中的2D-FFT。在示例中，雷达系统102可以从该相对应的反射脉冲的序列中的单个反射脉冲中确定距离和速度信息。该雷达系统102还可以基于帧300内的电磁脉冲的序列内的电磁脉冲的单个带宽，来确定对象104的第一距离分辨率。该雷达系统102还可以基于帧300内的电磁脉冲的序列内的电磁脉冲的组合带宽，来确定对象104的第二距离分辨率。在示例中，该第二距离分辨率小于该第一距离分辨率。
示例
在接下来的部分中提供示例。
示例1.一种设备，包括：发射器，所述发射器被配置为发送包括电磁脉冲的序列的帧，所述电磁脉冲具有在电磁脉冲之间的变化的脉冲重复时间并且具有随频率步进而变化的中心频率；接收器，所述接收器被配置为响应于所述帧，接收从对象反射的反射脉冲的相对应的序列；以及处理器，所述处理器被配置为基于所述反射脉冲的相对应的序列来确定所述对象的距离和速度信息。
示例2.如前述示例的设备，其特征在于，所述处理器进一步被配置为从所述反射脉冲的相对应的序列中的单个反射脉冲中确定距离和速度信息。
示例3.如前述示例中任一项的设备，其特征在于，所述处理器进一步被配置为基于所述帧内电磁脉冲的所述序列内的所述电磁脉冲的单个带宽，来确定所述对象的第一距离分辨率。
示例4.如前述示例中任一项的设备，其特征在于，所述处理器进一步被配置为基于所述帧内电磁脉冲的所述序列内的所述电磁脉冲的组合带宽，来确定所述对象的第二距离分辨率。
示例5.如前述示例中任一项的设备，其特征在于，所述第二距离分辨率小于所述第一距离分辨率。
示例6.如前述示例中任一项的设备，其特征在于，所述发射器进一步被配置为基于重复次数的计数、初始中心频率、初始脉冲重复时间和所述频率步进，来改变所述脉冲重复时间。
示例7.如前述示例中任一项的设备，其特征在于，所述发射器被配置为通过发射步进频率频率调制连续波(FMCW)雷达信号，来发送所述帧。
示例8.如前述示例中任一项的设备，其特征在于，所述发射器被配置为通过在频率步进部分中发射第一频率斜率和第二频率斜率，来发送所述帧。
示例9.如前述示例中任一项的设备，其特征在于，所述发射器被配置为发射具有相同带宽的所述第一频率斜率和所述第二频率斜率。
示例10.如前述示例中任一项的设备，其特征在于，所述发射器被配置为发射具有有着正斜率的上啁啾部分的所述第一频率斜率和所述第二频率斜率。
示例11.如前述示例中任一项的设备，其特征在于，所述发射器被配置为发射具有相同中心频率的所述第一频率斜率和所述第二频率斜率。
示例12.如前述示例中任一项的设备，其特征在于，所述发射器被配置为通过时间延迟，来分离所述第一频率斜率的结束时间和所述第二频率斜率的开始时间。
示例13.如前述示例中任一项的设备，其特征在于，所述发射器被配置为利用每一个频率步进部分，来改变所述时间延迟。
示例14.如前述示例中任一项的设备，其特征在于，所述发射器被配置为发射具有有着正斜率的上啁啾部分的所述第一频率斜率和具有有着负斜率的下啁啾部分的所述第二频率斜率。
示例15.如前述示例中任一项的设备，其特征在于，所述发射器被配置为发射具有相同中心频率的所述第一频率斜率和所述第二频率斜率。
示例16.如前述示例中任一项的设备，其特征在于，所述发射器被配置为发射具有三角波形的所述第一频率斜率和所述第二频率斜率，其中通过时间延迟分离所述各个三角波形。
示例17.一种方法，包括：利用雷达系统，发送包括电磁脉冲的序列的帧，所述电磁脉冲具有在电磁脉冲之间的变化的脉冲重复时间并且具有随频率步进而变化的中心频率；利用所述雷达系统，响应于所述帧，接收从对象反射的反射脉冲的相对应的序列；以及通过所述雷达系统，基于所述反射脉冲的相对应的序列，确定所述对象的距离和速度信息。
示例18.如前述示例的方法，进一步包括利用所述雷达系统，从所述反射脉冲的相对应的序列中的单个反射脉冲中确定距离和速度信息。
示例19.如前述示例中任一项的方法，进一步包括利用所述雷达系统，基于所述帧内电磁脉冲的所述序列内的所述电磁脉冲的单个带宽，来确定所述对象的第一距离分辨率。
示例20.如前述示例中任一项的方法，进一步包括利用所述雷达系统，基于所述帧内电磁脉冲的所述序列内的所述电磁脉冲的组合带宽，来确定所述对象的第二距离分辨率。
示例21.如前述示例中任一项的方法，其特征在于，所述第二距离分辨率小于所述第一距离分辨率。
示例22.如前述示例中任一项的方法，进一步包括：利用所述发射器，基于重复次数的计数、初始中心频率、初始脉冲重复时间和所述频率步进，来改变所述脉冲重复时间。
示例23.如前述示例中任一项的方法，其特征在于，所述雷达系统被配置为通过发射步进频率频率调制连续波(FMCW)雷达信号，来发送所述帧。
示例24.如前述示例中任一项的方法，其特征在于，所述雷达系统被配置为通过在频率步进部分中发射第一频率斜率和第二频率斜率，来发送所述帧。
示例25.如前述示例中任一项的方法，其特征在于，所述雷达系统被配置为发射具有相同带宽的所述第一频率斜率和所述第二频率斜率。
示例26.如前述示例中任一项的方法，其特征在于，所述雷达系统被配置为发射具有有着正斜率的上啁啾部分的所述第一频率斜率和所述第二频率斜率。
示例27.如前述示例中任一项的方法，其特征在于，所述雷达系统被配置为发射具有相同中心频率的所述第一频率斜率和所述第二频率斜率。
示例28.如前述示例中任一项的方法，其特征在于，所述雷达系统被配置为通过时间延迟，来分离所述第一频率斜率的结束时间和所述第二频率斜率的开始时间。
示例29.如前述示例中任一项的方法，其特征在于，所述雷达系统被配置为利用每一个频率步进部分，来改变所述时间延迟。
示例30.如前述示例中任一项的方法，其特征在于，所述雷达系统被配置为发射具有有着正斜率的上啁啾部分的所述第一频率斜率和具有有着负斜率的下啁啾部分的所述第二频率斜率。
示例31.如前述示例中任一项的方法，其特征在于，所述雷达系统被配置为发射具有相同中心频率的所述第一频率斜率和所述第二频率斜率。
示例32.如前述示例中任一项的方法，其特征在于，所述雷达系统被配置为发射具有三角波形的所述第一频率斜率和所述第二频率斜率，其中通过时间延迟分离所述各个三角波形。
示例33.一种系统，包括：用于发送包括电磁脉冲的序列的雷达帧的装置，所述电磁脉冲具有在所述序列中的两个电磁脉冲之间的变化的脉冲重复时间并且具有随频率步进而变化的中心频率；用于响应于所述雷达帧接收从对象反射的反射脉冲的相对应的序列的装置；以及用于基于所述反射脉冲的相对应的序列来确定所述对象的距离和速度信息的装置。
结论
虽然本公开的各种实施例在前述描述中进行了描述并且在附图中示出，但是应当理解，本公开不限于此，而是可以在接下来的权利要求的范围内以各种方式实施为实践。从前述描述中，将显而易见的是，可以在不偏离由接下来的权利要求所限定的本公开的精神和范围的情况下做出各种更改。
除非上下文另有明确规定，否则“或”和语法相关术语的使用表示无限制的非排他性替代物。如本文中所使用的，引述一列项目“中的至少一者”的短语是指这些项目的任何组合，包括单个成员。作为示例，“a、b或c中的至少一个”旨在涵盖：a、b、c、a-b、a-c、b-c、和a-b-c，以及具有多个相同元素的任何组合(例如，a-a、a-a-a、a-a-b、a-a-c、a-b-b、a-c-c、b-b、b-b-b、b-b-c、c-c、和c-c-c，或者a、b和c的任何其他排序)。

Claims (25)

1.一种设备，包括：
发射器，所述发射器被配置为发送包括电磁脉冲的序列的雷达帧，所述电磁脉冲具有在所述序列中的两个电磁脉冲之间的变化的脉冲重复时间并且具有随频率步进而变化的中心频率；
接收器，所述接收器被配置为响应于所述雷达帧接收从对象反射的反射脉冲的相对应的序列；以及
处理器，所述处理器被配置为基于所述反射脉冲的相对应的序列来确定所述对象的距离和速度信息。
2.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述处理器进一步被配置为从所述反射脉冲的相对应的序列中的单个反射脉冲中确定距离和速度信息。
3.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述处理器进一步被配置为基于所述帧内所述电磁脉冲的序列内的所述电磁脉冲的单个带宽，来确定所述对象的第一距离分辨率。
4.根据权利要求3所述的设备，其特征在于，所述处理器进一步被配置为基于所述帧内所述电磁脉冲的序列内的所述电磁脉冲的组合带宽，来确定所述对象的第二距离分辨率。
5.根据权利要求4所述的设备，其特征在于，所述第二距离分辨率小于所述第一距离分辨率。
6.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述发射器进一步被配置为基于重复次数的计数、初始中心频率、初始脉冲重复时间和所述频率步进，来改变所述脉冲重复时间。
7.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述发射器被配置为通过发射步进频率频率调制连续波(FMCW)雷达信号，来发送所述帧。
8.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述发射器被配置为通过在频率步进部分中发射第一频率斜率和第二频率斜率，来发送所述帧。
9.根据权利要求8所述的设备，其特征在于，所述发射器被配置为发射具有相同带宽的所述第一频率斜率和所述第二频率斜率。
10.根据权利要求9所述的设备，其特征在于，所述发射器被配置为发射具有有着正斜率的上啁啾部分的所述第一频率斜率和所述第二频率斜率。
11.根据权利要求10所述的设备，其特征在于，所述发射器被配置为发射具有相同中心频率的所述第一频率斜率和所述第二频率斜率。
12.根据权利要求10所述的设备，其特征在于，所述发射器被配置为通过时间延迟，来分离所述第一频率斜率的结束时间和所述第二频率斜率的开始时间。
13.根据权利要求12所述的设备，其特征在于，所述发射器被配置为利用每一个频率步进部分，来改变所述时间延迟。
14.根据权利要求9所述的设备，其特征在于，所述发射器被配置为发射具有有着正斜率的上啁啾部分的所述第一频率斜率和具有有着负斜率的下啁啾部分的所述第二频率斜率。
15.根据权利要求14所述的设备，其特征在于，所述发射器被配置为发射具有相同中心频率的所述第一频率斜率和所述第二频率斜率。
16.根据权利要求15所述的设备，其特征在于，所述发射器被配置为发射形成三角波形的所述第一频率斜率和所述第二频率斜率，其中所述三角波形进一步包括时间延迟。
17.一种方法，包括：
利用雷达系统，发送包括电磁脉冲的序列的帧，所述电磁脉冲具有在所述序列中的两个电磁脉冲之间的变化的脉冲重复时间并且具有随频率步进而变化的中心频率；
利用所述雷达系统，响应于所述帧，接收从对象反射的反射脉冲的相对应的序列；以及
通过所述雷达系统，基于所述反射脉冲的相对应的序列，确定所述对象的距离和速度信息。
18.根据权利要求17所述的方法，其特征在于，所述方法包括利用所述雷达系统，从所述反射脉冲的相对应的序列中的单个反射脉冲中确定距离和速度信息。
19.根据权利要求17所述的方法，其特征在于，所述方法包括利用所述雷达系统，基于所述帧内所述电磁脉冲的序列内的所述电磁脉冲的单个带宽，来确定所述对象的第一距离分辨率。
20.根据权利要求19所述的方法，其特征在于，所述方法包括利用所述雷达系统，基于所述帧内所述电磁脉冲的序列内的所述电磁脉冲的组合带宽，来确定所述对象的第二距离分辨率。
21.根据权利要求20所述的方法，其特征在于，所述第二距离分辨率小于所述第一距离分辨率。
22.根据权利要求17所述的方法，其特征在于，所述方法包括利用所述雷达系统，基于重复次数的计数、初始中心频率、初始脉冲重复时间和所述频率步进，来改变所述脉冲重复时间。
23.根据权利要求17所述的方法，其特征在于，所述雷达系统被配置为通过发射步进频率频率调制连续波(FMCW)雷达信号，来发送所述帧。
24.根据权利要求17所述的方法，其特征在于，所述雷达系统被配置为通过在频率步进部分中发射第一频率斜率和第二频率斜率，来发送所述帧。
25.一种系统，包括：
用于发送包括电磁脉冲的序列的雷达帧的装置，所述电磁脉冲具有在所述序列中的两个电磁脉冲之间的变化的脉冲重复时间并且具有随频率步进而变化的中心频率；
用于响应于所述雷达帧接收从对象反射的反射脉冲的相对应的序列的装置；以及
用于基于所述反射脉冲的相对应的序列来确定所述对象的距离和速度信息的装置。
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