CN113777564A - 用于通过校正相位失真来处理雷达信号的方法和设备 - Google Patents

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Abstract

公开了用于通过校正相位失真来处理雷达信号的方法和设备。所述方法包括：基于雷达发射信号和雷达接收信号生成雷达数据，雷达发射信号基于频率调制模型通过雷达传感器的阵列天线被发射，雷达接收信号在雷达发射信号被目标反射时通过阵列天线被接收；使用校正向量来校正雷达数据，校正向量用于校正由于阵列天线的通道之间的馈线延迟差异而发生的馈线误差；和根据频率调制模型的频率调制特性，使用反映校正的雷达数据的相移的方向矩阵来估计与校正的雷达数据对应的波达方向。

Description

用于通过校正相位失真来处理雷达信号的方法和设备
本申请要求于2020年6月9日在韩国知识产权局提交的第10-2020-0069571号韩国专利申请和于2020年8月11日在韩国知识产权局提交的第10-2020-0100625号韩国专利申请的权益，所述韩国专利申请的全部公开出于所有目的通过引用包含于此。
技术领域
下面的描述涉及用于通过校正相位失真来处理雷达信号的方法和设备。
背景技术
高级驾驶员辅助系统(ADAS)是通过使用安装在车辆内部或外部的传感器来支持驾驶以提高驾驶员的安全性和便利性并避免危险情况的系统。
ADAS中使用的传感器可包括相机、红外传感器、超声波传感器、LiDAR以及雷达。在这些传感器之中，与基于光学的传感器相比，雷达能够稳定地测量车辆附近的对象，而不受周围环境(诸如，天气)的影响。
发明内容
提供本发明内容来以简化的形式介绍在以下具体实施方式中进一步描述的构思的选择。本发明内容不意在确认要求权利的主题的关键特征或必要特征，也不意在用于帮助确定要求权利的主题的范围。
在一个总体方面，提供了一种处理雷达信号的方法，所述方法包括：基于雷达发射信号和雷达接收信号生成雷达数据，雷达发射信号基于频率调制模型通过雷达传感器的阵列天线被发射，雷达接收信号在雷达发射信号被目标反射时通过阵列天线被接收；使用校正向量来校正雷达数据，校正向量用于校正由于阵列天线的通道之间的馈线延迟差异而发生的馈线误差；和根据频率调制模型的频率调制特性，使用反映校正的雷达数据的相移的方向矩阵来估计与校正的雷达数据对应的波达方向。
校正向量可被配置为：响应于雷达接收信号从位于雷达传感器前方的目标被接收，校正雷达数据，使得雷达数据的通道的相位分量具有相同的值。
方向矩阵可包括分别与不同的采样索引对应的多个子方向矩阵。
估计波达方向的步骤可包括：从所述多个子方向矩阵之中获得与第一采样索引对应的第一子方向矩阵；和使用第一子方向矩阵，从校正的雷达数据估计与第一采样索引对应的第一子雷达数据的第一波达方向。
生成雷达数据的步骤可包括：通过对基于雷达发射信号和雷达接收信号生成的中频(IF)信号进行采样来生成雷达数据。
估计波达方向的步骤可包括：校正由于阵列天线中的天线元件的波束图对阵列天线的波束图的影响而发生的单元波束图(EBP)误差。
估计波达方向的步骤可包括：通过使用方向矩阵来估计与校正的雷达数据对应的初始波达方向；和通过去除初始波达方向中的EBP误差来估计与校正的雷达数据对应的最终波达方向，初始波达方向中的EBP误差由于阵列天线的天线元件的波束图对阵列天线的波束图的影响而发生。
估计最终波达方向的步骤可包括：基于被配置为表示每个角度的EBP误差值的EBP误差模型，确定与校正的雷达数据对应的初始波达方向的EBP误差值；和通过用确定的EBP误差值校正初始波达方向来估计与校正的雷达数据对应的最终波达方向。
可通过基于经由测试而测量的基础角度的EBP误差值估计其它角度的EBP误差值来生成EBP误差模型。
雷达发射信号可包括具有基于频率调制模型调制的载波频率的线性调频信号。
雷达接收信号可通过阵列天线中的接收天线元件被接收，并且通道基于接收天线元件被形成。
所述方法可包括：基于雷达数据估计目标的距离和速度中的至少一者，其中，基于波达方向、距离和速度中的任何一者或任何组合来控制配备有用于处理雷达信号的设备的车辆。
在另一总体方面，提供了一种用于处理雷达信号的设备，所述设备包括：雷达传感器，被配置为：基于频率调制模型通过阵列天线发射雷达发射信号，并且在雷达发射信号被目标反射时通过阵列天线接收雷达接收信号；和处理器，被配置为：基于雷达发射信号和雷达接收信号生成雷达数据；使用校正向量来校正雷达数据，校正向量用于校正由于阵列天线的通道之间的馈线延迟差异而发生的馈线误差；并且根据频率调制模型的频率调制特性，使用反映校正的雷达数据的相移的方向矩阵来估计与校正的雷达数据对应的波达方向。
校正向量可被配置为：响应于雷达接收信号从位于雷达传感器前方的目标被接收，校正雷达数据，使得雷达数据的通道的相位分量具有相同的值。
方向矩阵可包括分别与不同的采样索引对应的多个子方向矩阵；并且处理器可被配置为：从所述多个子方向矩阵之中获得与第一采样索引对应的第一子方向矩阵，并且使用第一子方向矩阵从校正的雷达数据估计与第一采样索引对应的第一子雷达数据的第一波达方向。
处理器可被配置为：校正由于阵列天线中的天线元件的波束图对阵列天线的波束图的影响而发生的单元波束图误差(EBP)。
在另一总体方面，提供了一种车辆，所述车辆包括：雷达传感器，被配置为：基于频率调制模型通过阵列天线发射雷达发射信号，并且在雷达发射信号被目标反射时通过阵列天线接收雷达接收信号；处理器，被配置为：基于雷达发射信号和雷达接收信号生成雷达数据，使用校正向量来校正雷达数据，校正向量用于校正由于阵列天线的通道之间的馈线延迟差异而发生的馈线误差，并且根据频率调制模型的频率调制特性，使用反映校正的雷达数据的相移的方向矩阵来估计与校正的雷达数据对应的波达方向；和控制器，被配置为基于波达方向来控制所述车辆。
方向矩阵可包括分别与不同的采样索引对应的多个子方向矩阵；并且处理器可被配置为：从所述多个子方向矩阵之中获得与第一采样索引对应的第一子方向矩阵，并且使用第一子方向矩阵从校正的雷达数据估计与第一采样索引对应的第一子雷达数据的第一波达方向。
处理器可被配置为：校正由于阵列天线中的天线元件的波束图对阵列天线的波束图的影响而发生的单元波束图误差(EBP)。
在另一总体方面，提供了一种处理雷达信号的方法，所述方法包括：基于雷达发射信号和雷达接收信号生成雷达数据，雷达发射信号基于频率调制模型通过雷达传感器的阵列天线被发射，雷达接收信号在雷达发射信号被目标反射时通过阵列天线被接收；使用校正向量来校正雷达数据，校正向量用于校正由于阵列天线的通道之间的馈线延迟差异而发生的馈线误差；使用方向矩阵估计与校正的雷达数据对应的初始波达方向；和基于被配置为表示每个角度的单元波束图(EBP)误差值的EBP误差模型，通过去除初始波达方向中的EBP误差，确定与校正的雷达数据对应的最终波达方向，其中，EBP误差包括阵列天线的天线元件的波束图对阵列天线的波束图的影响。
方向矩阵可包括分别与不同的采样索引对应的多个子方向矩阵；并且估计初始波达方向的步骤包括：从所述多个子方向矩阵之中获得与第一采样索引对应的第一子方向矩阵；和使用第一子方向矩阵，从校正的雷达数据估计与第一采样索引对应的第一子雷达数据的第一波达方向。
从下面的具体实施方式、附图以及权利要求，其它特征和方面将是清楚的。
附图说明
图1示出通过雷达信号处理方法来识别周围环境的示例。
图2示出雷达信号处理设备的配置的示例。
图3示出雷达传感器的配置的示例。
图4示出通过相位失真校正来处理雷达信号的示例。
图5示出阵列天线中的馈线延迟的示例。
图6示出使用校正向量来校正馈线误差的示例。
图7示出阵列天线的接收天线元件的示例。
图8示出在雷达信号处理方法中根据每个采样点的载波频率改变的相移的示例。
图9示出对中频(IF)信号进行采样的示例。
图10示出通过相位归一化来校正频率调制(FM)寄生误差的示例。
图11和图12示出校正单元波束图(element beam pattern，EBP)误差的示例。
图13示出雷达信号处理方法的示例。
图14示出电子装置的示例。
贯穿附图和具体实施方式，除非另外描述或提供，否则相同的附图参考标号将被理解为表示相同的元件、特征和结构。附图可不按比例，并且为了清楚、说明和方便，附图中的元件的相对尺寸、比例和描绘可被夸大。
具体实施方式
提供下面的具体实施方式以帮助读者获得对在此描述的方法、设备和/或系统的全面理解。然而，在理解本申请的公开之后，在此描述的方法、设备和/或系统的各种改变、修改和等同物将是清楚的。例如，在此描述的操作的顺序仅是示例，并且不限于在此阐述的那些顺序，而是除了必须以特定的顺序发生的操作之外，可如在理解本申请的公开之后将是清楚的那样被改变。此外，为了更加清楚和简明，可省略已知的特征的描述。
在此描述的特征可以以不同的形式来实现，而不应被解释为限于在此描述的示例。相反，在此描述的示例已被提供，以仅示出在理解本申请的公开之后将是清楚的实现在此描述的方法、设备和/或系统的许多可行方式中的一些可行方式。
在此使用的术语仅用于描述特定示例的目的，而不用于限制公开。如在此使用的，除非上下文另外清楚地指示，否则单数形式也意在包括复数形式。如在此使用的，术语“和/或”包括相关联的所列项中的任何一个和任何两个或更多个的任何组合。如在此使用的，术语“包括”、“包含”和“具有”说明存在叙述的特征、数量、操作、元件、组件和/或它们的组合，但不排除存在或添加一个或多个其它特征、数量、操作、元件、组件和/或它们的组合。
另外，诸如第一、第二、A、B、(a)、(b)等的术语在此可用于描述组件。这些术语中的每个不用于限定对应的组件的本质、顺序或序列，而仅用于将对应的组件与一个或多个其它组件区分开。
贯穿说明书，当诸如层、区域或基底的元件被描述为“在”另一元件“上”、“连接到”或“结合到”另一元件时，所述元件可直接“在”所述另一元件“上”、“连接到”或“结合到”所述另一元件，或者可存在介于它们之间的一个或多个其它元件。相反，当元件被描述为“直接在”另一元件“上”、“直接连接到”或“直接结合到”另一元件时，可不存在介于它们之间的其它元件。同样地，例如“在……之间”和“紧接在……之间”以及“与……邻近”和“与……紧邻”的表述也可如前面的描述的那样来解释。
当参照附图描述示例时，相同的参考标号表示相同的构成元件，并且与相同的构成元件相关的重复描述将被省略。在示例的描述中，当认为公知的相关结构或功能的详细描述将导致本公开的模糊解释时，将省略这样的详细描述。
可使用相同的名称来描述包括在以上描述的示例中的元件和具有共同功能的元件。除非另有说明，否则对示例的描述可适用于下面的示例，因此，为了简明起见，重复的描述将被省略。
图1示出通过雷达信号处理方法来识别周围环境的示例。参照图1，雷达信号处理设备110可通过分析从雷达传感器111接收的雷达信号来检测关于前方的目标180的信息(例如，距离(range)、速度、方向等)。雷达传感器111可位于雷达信号处理设备110的内部或外部，并且雷达信号处理设备110可基于从雷达传感器111接收的雷达信号以及由另外的传感器(例如，图像传感器等)收集的数据来检测关于前方的目标180的信息。雷达数据处理中的分辨能力(resolving power)可被分为硬件方面的分辨能力性能以及软件方面的分辨能力性能。在下文中，将主要描述软件方面的分辨能力性能的提高。
在一个示例中，分辨能力表示装置辨别非常小的变化的能力(例如，最小单位辨别能力)，并且分辨能力可被表示为“分辨能力＝(可辨别的最小规模单位)/(总操作范围)”。装置的分辨能力值越小，装置可输出的结果越准确。分辨能力值也可被称为分辨能力单位。例如，如果装置具有小的分辨能力值，则装置可辨别相对小的单元，因此装置可输出具有增大的分辨率和提高的准确度的结果。如果装置具有大的分辨能力值，则装置可能无法辨别小的单元，因此输出具有减小的分辨率和降低的准确度的结果。
如图1中所示，雷达信号处理设备110可安装在车辆上。车辆可基于通过雷达信号处理设备110检测的到目标180的距离来执行自适应巡航控制(ACC)、自动紧急制动(AEB)、盲点检测(BSD)、变道辅助(LCA)以及其它类似操作。
此外，雷达信号处理设备110除了检测距离之外，还可生成周边地图130。周边地图130是表示雷达信号处理设备110周围存在的各种目标(诸如，目标180)的位置的地图。目标可包括移动的对象(诸如，车辆和人)以及静态的对象(诸如，背景中存在的护栏和交通灯)。
可使用单扫描成像来生成周边地图130。单扫描成像表示雷达信号处理设备110从传感器获取单扫描图像120并从获取的单扫描图像120生成周边地图130的技术。单扫描图像120是从由单个雷达传感器111感测的雷达信号生成的图像，并且可以以相对高的分辨能力表示由以预定仰角接收的雷达信号指示的距离。例如，在图1中示出的单扫描图像120中，水平轴可表示雷达传感器111的转向角(steering angle)，垂直轴可表示从雷达传感器111到目标180的距离。然而，单扫描图像的形式不限于图1中示出的形式。单扫描图像可根据设计以不同的格式表示。
转向角可以是与从雷达信号处理设备110朝向目标180的目标方向对应的角度。例如，转向角可以是目标方向与雷达信号处理设备110(或包括雷达信号处理设备110的车辆)的行进方向之间的角度。在一个示例中，主要基于水平角来描述转向角，但不限于此。例如，转向角也可被应用于仰角。
雷达信号处理设备110可通过多雷达地图获得关于目标180的形状的信息。可从多个雷达扫描图像的组合生成多雷达地图。例如，雷达信号处理设备110可通过时空地组合随着雷达传感器111移动而获取的雷达扫描图像来生成周边地图130。周边地图130可以是一种雷达图像地图，并且可用于驾驶员泊车。
雷达信号处理设备110可使用波达方向(direction of arrival，DOA)信息来生成周边地图130。DOA信息表示指示接收从目标反射的雷达信号的方向的信息。雷达信号处理设备110可使用以上描述的DOA信息来确定目标相对于雷达传感器111存在的方向。因此，这样的DOA信息可用于生成雷达扫描数据和周边地图。
通过雷达信号处理设备110生成的关于目标180的雷达信息(诸如，距离、速度、DOA和地图信息)可用于控制配备有雷达信号处理设备110的车辆。例如，控制车辆可包括控制车辆的速度和转向(诸如，ACC、AEB、BSD和LCA)。车辆的控制系统可基于雷达信息直接或间接地控制车辆。
图2示出雷达信号处理设备的配置的示例。参照图2，雷达信号处理设备200可包括雷达传感器210和处理器220。雷达传感器210可将雷达信号发射到雷达传感器210的外部，并且在发射的雷达信号被目标反射时接收信号。这里，发射的雷达信号将被称为雷达发射信号，接收的信号可被称为雷达接收信号。雷达发射信号可包括具有基于频率调制模型调制的载波频率的线性调频信号(chirp signal，又称为啁啾信号)。雷达发射信号的频率可在预定频带内改变。例如，雷达发射信号的频率可在预定频带内线性改变。
雷达传感器210可包括阵列天线，并且可被配置为通过阵列天线发射雷达发射信号和接收雷达接收信号。阵列天线可包括多个天线元件。可通过多个天线元件实现多输入多输出(MIMO)。在这种情况下，可通过多个天线元件形成多个MIMO通道。例如，可通过A个发射天线元件和B个接收天线元件形成与A×B条虚拟天线对应的多个通道。这里，通过通道接收的雷达接收信号可根据接收方向具有不同的相位。
可基于雷达发射信号和雷达接收信号生成雷达数据。例如，雷达传感器210可基于频率调制模型通过阵列天线发射雷达发射信号，在雷达发射信号被目标反射时通过阵列天线接收雷达接收信号，并且基于雷达发射信号和雷达接收信号生成中频(IF)信号。IF信号可具有与雷达发射信号的频率和雷达接收信号的频率之间的差对应的频率。处理器220可通过对IF信号进行采样操作来生成雷达数据。雷达数据可对应于IF的原始数据。
处理器220可基于雷达数据生成并使用关于目标的信息。例如，处理器220可基于雷达数据执行距离快速傅里叶变换(FFT)、多普勒FFT、恒虚警率(CFAR)检测、DOA估计等，并且获得关于目标的信息(诸如，距离、速度和方向)。可为各种应用(诸如，AAC、AEB、BSD和LCA)提供关于目标的这样的信息。
图3示出雷达传感器的配置的示例。参照图3，雷达传感器310可包括线性调频发送器(chirp transmitter)311、双工器312、天线313、混频器314、放大器(Amp)315以及频谱分析器316。雷达传感器310可通过天线313发射信号，并且可通过天线313接收信号。尽管图3示出单条天线313，但是天线313可包括至少一个发射天线元件和至少一个接收天线元件。例如，天线313可对应于阵列天线。例如，天线313可包括三个或更多个接收天线元件。在这种情况下，接收天线元件可以以相等的间隔被隔开。
雷达传感器310可以是例如毫米波(mmWave)雷达，并且可被配置为通过分析飞行时间(ToF)和雷达信号的波形的改变来测量到目标的距离，其中，ToF是发射的电磁波在被目标反射之后返回所花费的时间。作为参照，与包括相机的光学传感器相比，毫米波雷达可检测对象，而不管外部环境改变(诸如，雾、雨等)。另外，与LiDAR相比，毫米波雷达具有极好的成本性能，因此是可补偿以上描述的相机的缺点的传感器之一。例如，雷达传感器310可被实现为调频连续波(FMCW)雷达。FMCW雷达可对外部噪声具有鲁棒性。
线性调频发送器311可生成具有随时间改变的频率的频率调制信号(FM信号)302。例如，线性调频发送器311可通过根据频率调制模型301的频率调制特性执行频率调制来生成FM信号302。FM信号302还可被称为线性调频信号。在此，频率调制模型301可以是被配置为表示在提供的传输时间期间雷达发射信号的载波频率的改变的模型。频率调制模型301的垂直轴可表示载波频率(Freq)，频率调制模型301的水平轴可表示时间(t)。例如，频率调制模型301可具有线性改变(例如，线性增大或线性减小)载波频率的频率调制特性。作为另一示例，频率调制模型301可具有非线性改变载波频率的频率调制特性。
图3示出具有随时间线性增大频率的频率调制特性的频率调制模型301。线性调频发送器311可根据频率调制模型301生成具有载波频率的FM信号302。例如，如图3中所示，FM信号302可呈现载波频率在一些区间中逐渐增大的波形，并且呈现载波频率在剩余区间中逐渐减小的波形。线性调频发送器311可将FM信号302发送到双工器312。
双工器312可确定通过天线313的信号的发射路径和接收路径。例如，当雷达传感器310发射FM信号302时，双工器312可形成从线性调频发送器311到天线313的信号路径，通过形成的信号路径将FM信号302发送到天线313，然后将FM信号302发射到外部。当雷达传感器310接收从目标反射的信号时，双工器312可形成从天线313到频谱分析器316的信号路径。天线313可接收在发射信号到达障碍物并被障碍物反射时返回的接收信号。雷达传感器310可通过从天线313到频谱分析器316的信号路径将接收信号发送到频谱分析器316。通过天线313发射的信号可被称为雷达发射信号，通过天线313接收的信号可被称为雷达接收信号。
混频器314可从接收的信号解调出频率调制之前的线性信号(例如，原始线性调频信号)进行解调。放大器315可放大解调的线性信号的幅度。
频谱分析器316可将从目标反射并被接收的雷达接收(Rx)信号的频率308与雷达发射(Tx)信号的频率307进行比较。作为参照，雷达发射信号的频率307可随着由频率调制模型301指示的载波频率改变而改变。频谱分析器316可检测雷达接收信号的频率308与雷达发射信号的频率307之间的频率差。在图3中示出的曲线图309中，雷达发射信号与雷达接收信号之间的频率差在频率调制模型301中的载波频率沿着时间轴线性增大的区间期间恒定，并且与雷达传感器310和目标之间的距离成比例。因此，雷达传感器310与目标之间的距离可从雷达发射信号与雷达接收信号之间的频率差得出。频谱分析器316可将分析的信息发送到雷达信号处理设备的处理器。
例如，频谱分析器316可使用等式1来计算雷达传感器310与目标之间的距离。
[等式1]
Figure BDA0002926884680000101
在等式1中，R表示雷达传感器310与目标之间的距离。c表示光速。Tchirp表示频率调制模型301中的载波频率的上升区间的时间长度。fIF表示在上升区间中的点处的雷达发射信号与雷达接收信号之间的频率差，并且可被称为IF或拍频(beat frequency)。B表示调制带宽。在一个示例中，可通过等式2得出fIF。
[等式2]
Figure BDA0002926884680000102
在等式2中，fIF表示IF，td表示发射雷达发射信号的时间与接收雷达接收信号的时间之间的时间差(例如，延迟时间)，即，目标的往返延迟时间。
多个雷达传感器可安装在车辆的各个部分中，并且雷达信号处理设备可基于由多个雷达传感器感测的信息来计算到目标的距离、方向以及车辆的所有方向上的相对速度。雷达信号处理设备可安装在车辆上，并且可通过使用计算的信息来提供对驾驶有用的各种功能(例如，ACC、AEB、BSD、LCA等)。
多个雷达传感器中的每个可向外部发射包括具有基于频率调制模型调制的频率的线性调频信号的雷达发射信号，并且接收从目标反射的信号。雷达信号处理设备的处理器可从发射的雷达发射信号与接收的雷达接收信号之间的频率差来确定从多个雷达传感器中的每个到目标的距离。另外，当雷达传感器310具有多个通道时，雷达信号处理设备的处理器可基于雷达数据中的相位信息得出从目标反射的雷达接收信号的DOA。
雷达传感器310可使用宽带宽并采用MIMO，以满足针对各种应用的宽视场(FoV)和高分辨率(HR)的需求。距离分辨率可通过宽带宽增大，角度分辨率可通过MIMO增大。距离分辨率可表示用于辨别关于目标的距离信息的最小单位，角度分辨率可表示用于辨别关于目标的DOA信息的最小单位。例如，雷达传感器210可使用宽频带(诸如，4GHz、5GHz或7GHz)，而不是窄频带(诸如，200MHz、500MHz或1GHz)。当采用MIMO时，通道之间的相位失真的可能性可能增大。因此，需要针对宽FoV校正阵列天线的相位失真。
雷达信号处理设备的处理器可在处理雷达数据以生成关于目标的信息的处理中校正阵列天线的这样的相位失真。阵列天线的波束图(beam pattern)可被建模为包括：由通道之间的馈线延迟差异导致的馈线误差、根据频率调制模型的频率调制特性的雷达数据的相移误差、以及由天线元件的波束图对阵列天线的波束图的影响导致的单元波束图(element beam pattern，EBP)误差。处理器可通过校正每个误差来消除阵列天线的波束图中存在的相位失真。之后将详细描述校正每个误差的处理。
图4示出通过相位失真校正来处理雷达信号的示例。可以以示出的顺序和方式来执行图4中的操作，尽管在不脱离描述的示例性示例的精神和范围的情况下可改变一些操作的顺序或省略一些操作。图4中示出的操作中的许多操作可并行或同时执行。图4的一个或多个块以及块的组合可通过执行指定功能的基于专用硬件的计算机(诸如，处理器)或专用硬件和计算机指令的组合来实现。除了以下图4的描述之外，图1至图3的描述也适用于图4，并且通过引用包含于此。因此，这里可不重复以上描述。
参照图4，在操作410中，雷达信号处理设备获得雷达数据。雷达信号处理设备可基于雷达发射信号和雷达接收信号生成雷达数据，雷达发射信号基于频率调制模型通过雷达传感器的阵列天线被发射，雷达接收信号在雷达发射信号被目标反射时通过阵列天线被接收。例如，雷达信号处理设备可基于雷达发射信号和雷达接收信号生成IF信号，并且通过对IF信号进行采样操作来生成雷达数据。
雷达信号处理设备可基于雷达数据生成关于目标的信息。例如，雷达信号处理设备可在操作430中执行距离FFT，在操作440中执行多普勒FFT，在操作450中执行CFAR，并且在操作460中估计DOA。由此，雷达信号处理设备可获得关于目标的信息(诸如，距离、速度、方向等)。
更具体地，雷达数据是三维数据，雷达数据的轴分别对应于从雷达传感器发射电磁波到雷达传感器接收电磁波所花费的时间、一次扫描中发射的线性调频信号之间的改变、以及在虚拟天线处接收的线性调频信号的改变。可通过预处理将雷达数据的轴转换为距离轴、径向速度轴和角度轴。径向速度可以是当雷达传感器面向目标时目标的相对速度。
例如，雷达信号处理设备可以以距离FFT、多普勒FFT和DOA估计的顺序处理雷达数据。然而，由于雷达数据的轴对应于可分离的信息，因此即使当以不同的顺序应用FFT和数字波束形成(digital beam forming，DBF)操作时，也可获得相同的结果。作为参照，角度轴可以是与水平角度(例如，方位角)相关的轴。尽管在此主要描述水平角度，但是示例不限于此。角度轴可以是与水平角和仰角两者相关的轴。
在一个示例中，在距离FFT运算中，雷达信号处理设备可通过将FFT运算应用于雷达数据中发射和接收电磁波所花费的时间来获得距离值。雷达信号处理设备可通过DOA估计来估计与从目标反射的雷达信号的DOA对应的角度。例如，雷达信号处理设备可使用MUSIC算法、Bartlett算法、MVDR算法、DBF以及经由旋转不变性技术的信号参数估计(Estimation of Signal Parameter via Rotational invariance Techniques，ESPIRT)来估计DOA。雷达信号处理设备可通过多普勒FFT从沿着多普勒轴的线性调频信号之间的信号改变来估计径向速度(例如，多普勒速度)。在多普勒FFT运算中，雷达信号处理设备可通过将FFT运算应用于预定距离和预定角度处的线性调频信号之间的信号改变，获得所述距离和所述角度处的径向速度。
CFAR是基于预定点(例如，测试单元(cell under test，CUT))的邻近单元确定该点为目标的概率的技术，以及用于基于使用邻近单元的信号强度(例如，噪声基底)确定的阈值和基于由雷达传感器针对该点感测的信号强度进行阈值化的技术。例如，如果从该点感测的信号强度大于基于从邻近单元感测的信号强度确定的阈值，则雷达信号处理设备可将该点确定为目标。在另一示例中，如果从该点感测的信号强度小于或等于阈值，则雷达信号处理设备可将该点确定为非目标。
雷达传感器的阵列天线的波束图可如等式3中所定义。
[等式3]
Figure BDA0002926884680000121
在等式3中，n表示用于标识天线元件的索引。n可以是1与N之间的整数值。N是天线元件的总数量。EPn(θ)表示关于DOAθ的第n天线元件的EBP。kt表示时间t的波数(wavenumber)。d表示两个相邻天线元件之间的距离。
Figure BDA0002926884680000133
表示第n天线单元中的馈线延迟。
参照等式3，波束图可包括根据
Figure BDA0002926884680000131
的馈线误差、根据kt的FM寄生误差以及根据EPn(θ)的EBP误差。这些误差可能导致相位失真。详细地，
Figure BDA0002926884680000132
指示在通道之间可能发生馈线延迟差异，并且该差可能导致馈线误差。另外，kt指示波数、波长和频率可随时间改变。
如果雷达信号处理设备采用FMCW，则频率可随时间改变，使得雷达数据可包括由于频率改变导致的相移误差。由于频率调制导致相移误差，因此相移误差也可被称为FM寄生误差。另外，EPn(θ)可能影响阵列天线的阵列因子(AF)并使AF变形。因此，EPn(θ)可能导致EBP误差。
在处理雷达信号的处理中，可校正这样的误差。例如，误差校正可包括校正馈线误差的操作420、校正FM寄生误差的操作461以及校正EBP误差的操作462。在下文中，将详细描述校正每个误差的处理。
在操作420中，雷达信号处理设备校正雷达数据中的馈线误差。雷达信号处理设备可使用校正向量来校正雷达数据。校正向量可被设计为校正由于阵列天线的通道中的馈线延迟而发生的馈线误差。
例如，如果雷达发射信号由位于雷达传感器前方的目标反射，并且雷达接收信号在测试环境(例如，消声室)中通过雷达传感器的多个通道被接收，则与雷达接收信号的参考数据(在测试环境中的目标的角度已知的情况下获得的雷达数据)中的通道相关的相位分量应具有相同的值。例如，由于目标位于雷达传感器的前方，因此参考数据的DOA对应于0度。在这种情况下，通道的相位分量应全部具有与0度对应的相同的值。
如果相位分量不具有相同的值，则可确定用于校正相位分量以具有相同值的向量。可通过该处理确定校正向量。因此，如果通过该处理校正向量被预定并且雷达接收信号从位于雷达传感器前方的目标被接收，则校正向量可校正雷达数据，使得与雷达数据的通道相关的相位分量具有相同的值。
在操作460中，雷达信号处理设备估计DOA。在这种情况下，可关于DOA估计来执行校正FM寄生误差的操作461以及校正EBP误差的操作462。
首先，可通过补偿频率随时间的改变的各种方法来校正FM寄生误差。可设计方向矩阵以反映频率的改变。方向矩阵可包括分别与预定角度对应的多个方向向量，并且每个方向向量可具有每个通道的相位值。可数学地确定每个相位值。例如，假设雷达接收信号以已知的第一角度从目标被接收，则与雷达接收信号对应的相位值可被计算，并且相位值可被分配给第一角度的第一方向向量。通过该处理，可计算每个方向向量的相位值。
如果雷达接收信号在方向矩阵被完成之后在雷达的实际使用期间被接收，则与雷达数据对应的方向向量可基于根据雷达接收信号的雷达数据和方向矩阵的每个方向向量的操作而被选择。雷达接收信号的DOA可被估计为选择的方向向量的角度。例如，如果在方向矩阵中第一方向向量被选择，则雷达接收信号的DOA可被估计为第一角度。在一个示例中，实际使用处理(在线)可被解释为与设计和得出处理(离线)不同。
在得出以上描述的方向矩阵的处理中，可考虑频率随时间的改变。例如，可根据采样索引来设计单独的子方向矩阵。在一个示例中，在方向矩阵被得出之后的雷达的实际使用中，可根据雷达数据的采样索引而选择对应的方向矩阵。例如，方向矩阵的第一子方向矩阵可被设计用于第一采样索引，方向矩阵的第二子方向矩阵可被设计用于第二采样索引。
在一个示例中，为了在实际使用处理期间估计DOA，第一子方向矩阵可用于与第一采样索引对应的雷达数据的第一子雷达数据，第二子方向矩阵可用于与第二采样索引对应的雷达数据的第二子雷达数据。例如，雷达信号处理设备可从多个子方向矩阵之中获得与第一采样索引对应的第一子方向矩阵，并且可使用第一子方向矩阵，从校正的雷达数据估计与第一采样索引对应的第一子雷达数据的第一波达方向。这样，可通过考虑频率中的改变而设计的方向矩阵来校正FM寄生误差。稍后将更详细地描述得出方向矩阵的处理。
可通过EBP误差模型来校正EBP误差。EBP误差模型可表示每个角度的EBP误差值。例如，雷达信号处理设备可通过使用方向矩阵来估计与校正的雷达数据对应的初始波达方向，并且可通过去除包括在初始波达方向中的EBP误差来估计与校正的雷达数据对应的最终波达方向，EBP误差由于阵列天线的天线元件的波束图对阵列天线的波束图的影响而发生。例如，雷达信号处理设备可基于EBP误差模型确定与雷达数据对应的初始DOA的EBP误差值，并且通过用确定的EBP误差值校正初始DOA来估计最终DOA。可通过基于经由测试而测量的基础角度的EBP误差值估计其它角度的EBP误差值来生成EBP误差模型。例如，可通过多项式回归(PR)或各种插值或拟合技术来估计其它EBP误差值。
可顺序地校正馈线误差、FM寄生误差和EBP误差。例如，当获得用于校正馈线误差的校正向量时，可使用从中去除馈线误差的AF得出校正的方向矩阵。然后，可通过将校正向量应用于针对基础角度获得的参考数据获得校正的参考数据，并且可基于校正的参考数据和校正的方向矩阵获得针对基础角度的EBP误差值。此后，可通过对基础角度的EBP误差值执行PR、插值或拟合来获得EBP误差模型。通过以上描述的顺序校正操作可相对容易地消除可能复杂地作用于彼此的误差。
图5示出阵列天线中的馈线延迟的示例。参照图5，雷达传感器500可包括阵列天线和功率分配器510，阵列天线包括第一天线元件至第N天线元件。相邻的天线元件(例如，第一天线元件和第二天线元件)被定义为隔开距离d。第一天线元件至第N天线元件可单独地形成单元波束图(EBP)，并且EBP可形成阵列天线的整体波束图。
功率分配器510可将发射信号划分到第一天线元件至第N天线元件。在该示例中，由于功率分配器510与第一天线元件至第N天线元件之间的物理因素(例如，发射线的长度、阻抗等)，发射信号可在不同的时间到达第一天线元件至第N天线元件中的每个。例如，发射信号到达第一天线元件的时间可与发射信号到达第二天线元件的时间不同。发射信号到达第一天线元件至第N天线元件的时间可分别被称为馈线延迟
Figure BDA0002926884680000153
至
Figure BDA0002926884680000154
并且由馈线延迟
Figure BDA0002926884680000155
至
Figure BDA0002926884680000156
的差导致的误差可被称为馈线误差。
在假设通道具有相同相位的情况下，可将雷达发射信号发射到阵列天线的每个通道。因此，这样的馈线误差可能导致雷达信号中的相位失真。因此，需要通过校正来消除这样的相位失真。在上面的等式3中，馈线误差被反映为分量
Figure BDA0002926884680000151
并且分量
Figure BDA0002926884680000152
可通过校正而被去除。
图6示出使用校正向量来校正馈线误差的示例。图6的曲线图611和曲线图613对应于在测试环境中关于目标以45度角测量的参考数据。曲线图611表示校正馈线误差之前的参考数据，曲线图613表示校正馈线误差之后的参考数据。曲线图611示出与目标的角度(45度)不同的结果，曲线图613示出与目标的角度(45度)匹配的结果。曲线图612表示用于校正馈线误差的校正向量的每通道校正值。
可以以各种方式获得校正向量的校正值。可通过位于雷达传感器前方的目标(因此，目标处于0度的角度)的参考数据得出校正值。更具体地，可在测试环境下通过向位于雷达传感器前方的目标发射雷达信号并通过多个通道接收由目标反射的信号来获得参考数据。由于参考数据是在目标处于0度的角度的情况下获得的，因此参考数据的通道的相位分量应具有相同的值(例如，e0＝1)。
当通道的相位分量不具有相同的值时，用于将相位分量校正为具有相同值的校正值被计算，并且具有校正值的校正向量被得出。校正向量和校正值可被表示为等式4。
[等式4]
Figure BDA0002926884680000161
在等式4中，C表示校正向量，n表示通道。n可具有1与N之间的值。Cn(θ0)表示当目标处于θ0的角度时第n通道的校正值。θ0可以是0度。G表示参考数据。Gn(θ0)表示与处于角度θ0的目标对应的参考数据，并且|Gn(θ0)|表示Gn(θ0)的绝对值。通过将Gn(θ0)除以|Gn(θ0)|，幅度分量从Gn(θ0)去除，并且仅相位分量剩余。
当目标定位在0度时，参考数据的通道的相位分量应具有相同的值(例如，e0＝1)。如果存在馈线误差，则相位分量的值可不等于1。在该示例中，可存在不满足Gn(θ0)/|Gn(θ0)|＝1的通道，并且该通道的相位分量可除以Gn(θ0)/|Gn(θ0)|以成为1。因此，校正向量可如等式4所示被定义，并且校正向量的校正值可通过测量参考数据的通道的相位分量而被确定。
当校正向量被得出并且校正向量的所有校正值被确定时，可通过将通道的相位分量除以实际使用处理中的校正值来从雷达数据去除馈线误差。例如，可通过将雷达数据的第一通道的相位分量除以校正值C1(θ0)并且通过将雷达数据的第n通道的相位分量除以校正值Cn(θ0)来从参考数据去除馈线误差。图6的波束图602示出通过校正向量从波束图601去除馈线误差分量的结果。
图7示出阵列天线的接收天线元件的示例。参照图7，阵列天线710可包括多个接收天线元件711至714。可通过多个接收天线元件711至714形成多个通道。尽管图7中未示出，但是阵列天线710还可包括至少一个发射天线元件和至少一个接收天线元件中的至少一者。
当雷达传感器实现多个通道时，雷达数据中的相位信息可指示通过每个通道接收的信号的相位与参考相位之间的相位差。参考相位可以是预定相位，或者可被设置为多个通道中的一个通道的相位。例如，雷达信号处理设备可针对一个接收天线元件将与该接收天线元件相邻的接收天线元件的相位设置为参考相位。
另外，处理器可从雷达数据生成与雷达传感器的通道数量对应的维度的雷达向量。例如，如果雷达传感器包括7个通道，则处理器可生成包括与通道对应的相位值的7D雷达向量。与通道对应的相位值可以是表示以上描述的相位差的数值。
例如，可假设雷达传感器包括一个发射通道和四个接收通道。在这种情况下，通过发射通道发射的雷达信号可被目标反射，然后通过四个接收通道被接收。如图7中所示，如果阵列天线710包括多个接收天线元件711至714，则在接收天线元件711处接收的信号的相位可被设置为参考相位。当从同一目标反射的雷达接收信号708在阵列天线710处被接收时，从目标到接收天线元件711的距离与从目标到接收天线元件712的距离之间的附加距离Δ可被表示为等式5。
[等式5]
Δ＝d·sin(θ)
在等式5中，θ表示从目标接收雷达接收信号708的DOA。d表示接收天线元件之间的距离。c表示空气中光速被视为常数。由于c＝fλ，因此由于附加距离Δ在接收天线元件712处的相移W可被得出为等式6。
[等式6]
Figure BDA0002926884680000171
相移W可对应于在接收天线元件712处接收的信号的波形与在接收天线元件711处接收的信号的波形之间的相位差。在等式6中，f表示雷达接收信号708的频率，λ表示雷达接收信号708的波长。λ与频率f成反比。如果由频率调制模型改变的载波频率小，则等式6中的频率f可被认为是频率调制模型中的单个初始频率(例如，f0)。因此，如果相移W仅基于接收信号被确定，则雷达信号处理设备可确定DOA θ。
然而，如果频率调制模型的载波频率在宽频带(例如，大于或等于2GHz(具体地，2GHz、5GHz或7GHz)的带宽)中改变，则载波频率改变可能不可忽略。因此，在估计目标信息(诸如，DOA)的处理期间可能发生误差。
图8示出在雷达信号处理方法中根据每个采样点的载波频率改变的相移的示例。为了便于描述，以下将描述频率调制模型801示出载波频率在给定传输时间期间线性增大的模式的示例。例如，频率调制模型801中的采样区间可以是载波频率线性增大到从初始频率f0增大带宽BW的最后频率f0+BW的区间。带宽BW是与采样区间对应的采样带宽，并且可小于等式1中描述的调制带宽B。在雷达传感器处接收的雷达反射信号802可表示与以上描述的载波频率对应的频率。雷达反射信号802可由多个接收天线元件单独感测。
由于与一个线性调频(chirp)对应的雷达反射信号802从同一目标点被反射，因此往返延迟时间可相同。由于往返延迟时间相同，因此雷达信号处理设备需要在雷达反射信号802的初始时间点处、中间时间点处和结束时间点处计算相同的DOA。然而，因为由于频率的改变即使在一个线性调频内相移W也随时间变化，所以在用于DOA估计的相位分量中可能发生误差(以上描述的FM寄生误差)。
例如，雷达信号处理设备可基于雷达发射信号和分别通过第一接收天线元件、第二接收天线元件和第三接收天线元件接收的雷达接收信号来生成第一IF信号811、第二IF信号812和第三IF信号813。在该示例中，在预定的线性调频内可能发生初始时间点处的相移881、中间时间点处的相移882、以及结束时间点处的相移883。
雷达信号处理设备可通过载波频率的相位归一化850来生成相位归一化雷达数据。在图8中，y(t)表示IF信号，
Figure BDA0002926884680000181
表示相位归一化雷达数据。如图8中所示，相位归一化雷达数据中的第一IF信号821、第二IF信号822和第三IF信号823可在雷达反射信号802的线性调频区间(chirp interval)期间表现出相同的相移891、892和893。因此，雷达信号处理设备可通过相位归一化来消除FM寄生误差。
图9示出对中频(IF)信号进行采样的示例。雷达信号处理设备可基于雷达发射信号970和雷达接收信号980来获得IF信号，雷达发射信号970基于频率调制模型被生成，雷达接收信号980在雷达发射信号970被目标反射时被接收。例如，雷达信号处理设备可计算与雷达发射信号970的频率907与雷达接收信号980的频率908之间的频率改变对应的IF信号。
雷达信号处理设备可不直接测量IF fIF。雷达信号处理设备可测量雷达接收信号980的信号波形981，并且基于预先提供的雷达发射信号970的信号波形971以及测量的雷达接收信号980的信号波形981来生成IF信号。雷达信号处理设备可从雷达发射信号970和雷达接收信号980的混频950(例如，乘法)计算以上描述的IF信号。
图9中的ym(t)表示针对雷达发射信号970和通过M个接收天线元件之中的第m接收天线元件接收的雷达接收信号980计算的IF信号。M可以是大于或等于2的整数，并且m可以是1与M之间的整数，包括1和M。作为参照，图9示出雷达发射信号970、雷达接收信号980和具有低于实际频率的频率的IF信号以便更好地理解，而信号的频率不限于图9中示出的频率。
雷达信号处理设备可通过在多个采样点处对IF信号进行采样来获得采样数据。采样数据可包括在预定采样点处获得的采样值。例如，参照图9，sm(i)表示通过在第i采样点处对由M个接收天线元件之中的第m接收天线元件接收的信号的强度进行采样而获得的值。i表示采样索引，I表示IF信号的采样数量，其中，I可以是大于或等于1的整数，i可以是1与I之间的整数，包括1和I。tI(例如，t1、t2、t3等)表示采样时间，fI(例如，f1、f2、f3等)表示与不同采样时间对应的频率。雷达数据可基于采样数据被确定。例如，采样数据可被确定为雷达数据，或者对采样数据执行一些处理的结果可被确定为雷达数据。
如图9中所示，由于雷达发射信号970与雷达接收信号980之间的这样的载波频率改变，相移可在每个采样点处变化。如图9中所示，由于以上描述的每个采样点的频率改变，IF信号的频率和相位可改变而非固定。为了便于描述，图9示出在雷达发射信号970与雷达接收信号980之间清楚地出现的时间延迟。然而，由于雷达信号以光速传播，因此这样的时间延迟非常小，并且对应的频率差也非常小。因此，雷达发射信号970的载波频率和雷达接收信号980的载波频率可被认为在提供的采样点处基本相同。
尽管在此主要描述处理雷达信号的方法，但是示例不限于此。以上描述的相位归一化通常可应用于这样的反射信号：载波频率根据频率调制模型改变的发射信号被用于执行信号处理方法的信号处理设备发射并从目标点反射时接收的反射信号。例如，发射信号和反射信号是根据载波频率以波传播的信号，并且可以是雷达信号、超声信号、电磁波信号或光信号。
图10示出通过相位归一化来校正频率调制(FM)寄生误差的示例。根据以上描述的FMCW，载波频率可随时间改变。阵列天线的AF可通过反映载波频率中的这样的改变而被定义，如等式7所示。
[等式7]
Figure BDA0002926884680000201
在等式7中，n表示用于标识天线元件的索引。n可以是1与N之间的整数值。N是天线元件的总数量。kt表示在时间t的波数。d表示两个相邻天线元件之间的距离。
Figure BDA0002926884680000206
表示第n天线元件中的馈线延迟。等式7表示其中馈线误差被去除的AF，示出根据馈线误差的分量
Figure BDA0002926884680000202
被去除。等式7中的kt可被表示为等式8。
[等式8]
Figure BDA0002926884680000203
在等式8中，fc表示载波频率，B表示调制带宽，Tchirp表示频率调制模型中载波频率的上升区间的时间长度，c表示光速，λ表示波长，k表示波数，t表示时间。根据等式7和等式8，λ和k取决于时间t。这由FMCW的频率调制模型导致，因此FM寄生误差可能发生。当相位归一化被应用于等式7和等式8时，等式9和10可被得出。在等式9和等式10中，k对应于常数，使得FM寄生误差不发生。
[等式9]
Figure BDA0002926884680000204
[等式10]
Figure BDA0002926884680000205
等式6中的相移W可如等式11中用ω(τ)被重新定义。
[等式11]
Figure BDA0002926884680000211
在等式11中，ω(τ)是根据τ的相移。τ表示采样索引(时间索引)。由于当载波频率改变而DOA固定时发生FM寄生误差，因此ω(τ)可被定义为λ改变而θ被固定。θGT表示固定的DOA。如果θ被定义为改变，则λ可被固定为λ0。因此，可定义等式12。另外，等式13可根据等式12被定义。
[等式12]
Figure BDA0002926884680000212
[等式13]
Figure BDA0002926884680000213
可基于等式8表示f(τ)＝fc+(B/Tchirp)τ并且代入等式13，以根据τ计算DOA的改变。例如，可根据计算的结果得出图10的线1010。线1010和线1020表示根据采样索引的DOA。倾斜的线1010指示DOA随时间改变并且存在FM寄生误差。可通过用于通过补偿DOA的改变将线1010改变为线1020的各种方法来执行相位归一化。
可通过参照雷达设计参数(例如，f(τ))来补偿FM寄生误差。例如，可根据采样索引(例如，τ＝0,1,2,...,511)来设计单独的子方向矩阵。因此，方向矩阵可包括分别与不同的采样索引对应的多个子方向矩阵。在一个示例中，可得出与采样索引的数量(例如，512)对应的多个子方向矩阵。在该示例中，等式11可用于确定每个子方向矩阵的方向向量的通道的相位值。
在一个示例中，方向矩阵的第一子方向矩阵被设计用于第一采样索引，方向矩阵的第二子方向矩阵被设计用于第二采样索引。在一个示例中，在实际使用处理期间，第一子方向矩阵可用于与第一采样索引对应的雷达数据的第一子雷达数据，第二子方向矩阵可用于与第二采样索引对应的雷达数据的第二子雷达数据。在下文中，将进一步描述子雷达数据和子方向矩阵。
例如，采样数据Y可被表示为等式14。采样数据Y可对应于雷达数据。
[等式14]
Y＝[Y(1)，Y(2)，...，Y(i)，...，Y(I-1)，Y(I)]
在等式14中，i表示采样索引，I表示采样数据的采样次数，其中，I可以是大于或等于1的整数，i可以是1与I之间的整数，包括1和I。如果雷达传感器的天线阵列形成M个通道，则与采样索引i对应的第i采样点处的采样数据Y(i)可被表示为等式15。采样数据Y(i)可对应于子雷达数据。
[等式15]
Y(i)＝[s1(i)，s2(i)，...sm(i)，...，sM-1(i)，sM(i)]T
在等式15中，sm(i)表示通过在第i采样点处对由M个子接收天线之中的第m子接收天线接收的信号的强度进行采样而获得的值。M可以是大于或等于2的整数，并且m可以是1与M之间的整数，包括1和M。此外，方向矩阵可如等式16中所示，方向矩阵的方向向量可如等式17中所示。
[等式16]
Figure BDA0002926884680000221
[等式17]
Figure BDA0002926884680000222
在等式16中，方向矩阵Afi可被表示为一组方向向量αfi(θk)。这里，K可以是大于或等于1的整数，并且k可以是1与K之间的整数，包括1和K。例如，如果雷达的FoV是180度并且K是512，则角度分辨能力可以是0.35度。然而，示例不限于此。如果K是180，则角度分辨能力可以是1度，并且如果K是360，则角度分辨能力可以是0.5度。可根据期望的角度分辨能力(例如，小于或等于1度)来确定K。这里，根据采样索引i的改变的每个Afi(例如，Af1,Af2,...,AfN)可对应于子方向矩阵。
在等式17中，d表示雷达天线元件之间的距离。
Figure BDA0002926884680000223
表示与第i采样索引处的载波频率对应的波长，θk表示Afi中的第k方向角度。
Figure BDA0002926884680000224
表示与在对应于频率调制模型的第i采样索引的载波频率处的方向角度θk对应的方向向量。
在一个示例中，Afi可以是包括K行和M列的K×M矩阵。可将根据等式16的方向矩阵Afi与根据等式15的Y(i)之间的矩阵乘法的结果AfiY(i)计算为(K×1)维向量。在矩阵乘法结果AfiY(i)中，第k行中的元素可以是与Y(i)的DOA是第k转向角θk的概率对应的值，并且可指示DOA信息。例如，第i采样数据Y(i)(与子雷达数据对应)和第i方向矩阵Afi(与子方向矩阵对应)之间的运算结果可对应于与第i采样数据Y(i)(与子雷达数据对应)相关的DOA信息。
图11和图12示出校正单元波束图(EBP)误差的示例。阵列天线的波束图可被定义为等式18。
[等式18]
Figure BDA0002926884680000231
参照等式18，在馈线误差被去除并且FM寄生误差被去除之后，阵列天线的波束图可被分类为阵列因子(AF)分量和单元方向图(element pattern，EP)分量。例如，如上所述，馈线误差可通过校正向量而被去除，并且FM寄生误差可通过方向矩阵的专门设计而被去除。
当天线元件具有相同的EP(即，假设EP＝EP1＝...＝EPN，其中，N是天线元件的数量)时，如图11中所示的与天线方向图(antenna pattern)相关的曲线图可被获得。在图11中，曲线图1110对应于EP，曲线图1120对应于AF，曲线图1130对应于波束图(BP)。参照图11，波束图不是完全根据AF形成，而是受到EP的影响，并且在该处理中，由EP导致的误差可被包括在雷达数据中。这样的误差可被称为EBP误差。
可使用EBP误差模型来校正EBP误差。EBP误差模型可表示每个角度的EBP误差值。可通过基于经由测试而测量的基础角度的EBP误差值估计其它角度的EBP误差值来生成EBP误差模型。例如，可通过多项式回归(PR)或者各种插值或拟合技术来估计其它EBP误差值。
可通过测量多个基础角度(例如，-40度、0度和40度)的参考数据来确定基础EBP误差。参考数据中的馈线误差可通过校正向量而被校正，并且EBP误差可通过校正的参考数据与每个采样索引的子方向矩阵之间的比较而被确定。例如，如果-58度的DOA被估计为与子方向矩阵的比较的结果，尽管校正的参考数据通过-60度处的目标被获得，则-58度的DOA的EBP误差可被确定为2度。
当如上所述地确定多个基础角度的基础EBP误差时，可通过基于基础EBP误差执行多项式回归或拟合获得EBP误差模型。可通过EBP误差模型获得与所需的分辨能力对应的误差值。图12的曲线图1210至曲线图1230示出基于参考数据迭代地执行两次多项式回归、三次多项式回归和四次多项式回归的结果，并且曲线图1210至曲线图1230的每条线可对应于EBP误差模型。
EBP误差模型可基于多个基础EBP误差被估计，因为在此之前馈线误差和FM寄生误差已经被去除。如果在存在馈线误差和FM寄生误差的同时基于多个基础EBP误差估计EBP误差模型，则可能无法成功地估计EBP误差模型。在这种情况下，需要根据所需的分辨能力确保每个参考数据的处理，由于该处理必须非常准确，因此需要大量的努力。因此，EBP误差模型可减轻这样的努力。
可以以各种方式使用EBP误差模型。在实际使用处理中，如果初始DOA基于每个采样索引的子方向矩阵和使用校正向量校正的雷达数据而被得出，则最终DOA可通过经由EBP误差模型中定义的DOA与EBP误差之间的匹配关系校正初始DOA而被估计。更详细地，雷达信号处理设备可基于EBP误差模型确定与初始DOA匹配的EBP误差值，并且通过用确定的EBP误差值校正初始DOA来估计最终DOA。可与估计EBP误差的处理相反地执行初始DOA的校正。例如，如果基于校正的雷达数据和子方向矩阵得出-58度的初始DOA，并且-58度的DOA的EBP误差是2度，则最终DOA可被估计为-60度。
图13示出雷达信号处理方法的示例。可以以示出的顺序和方式来执行图13中的操作，尽管在不脱离描述的示例性示例的精神和范围的情况下可以改变一些操作的顺序或省略一些操作。图13中示出的操作中的许多操作可被并行或同时执行。图13的一个或多个块以及块的组合可通过执行指定功能的基于专用硬件计算机(诸如，处理器)或专用硬件和计算机指令的组合来实现。除了以下图13的描述之外，图1至图12的描述也适用于图13，并且通过引用包含于此。因此，这里可不重复以上描述。
参照图13，在操作1310中，雷达信号处理设备基于雷达发射信号和雷达接收信号生成雷达数据，雷达发射信号基于频率调制模型通过雷达传感器的阵列天线被发射，雷达接收信号在雷达发射信号被目标反射时通过阵列天线被接收。在操作1320中，雷达信号处理设备使用校正向量来校正雷达数据，校正向量用于校正由于阵列天线的通道之间的馈线延迟差异而发生的馈线误差。在操作1330中，雷达信号处理设备根据频率调制模型的频率调制特性，使用反映校正的雷达数据的相移的方向矩阵来估计与校正的雷达数据对应的DOA。如上所述，可不使用校正向量来校正相移(FM寄生误差)。例如，可使用每个采样索引的子方向矩阵来校正相移。反映校正的雷达数据的相移的方向矩阵可对应于这些子方向矩阵。
图14示出电子装置的示例。参照图14，电子装置1400可执行以上描述的雷达信号处理方法。例如，电子装置1400可在功能上和/或结构上包括图2的雷达信号处理设备200。电子装置1400可以是例如图像处理装置、智能电话、可穿戴装置、平板计算机、上网本、膝上型计算机、台式计算机、个人数字助理(PDA)、头戴式显示器(HMD)、机器人、步行辅助装置、车辆(例如，自主车辆)以及将被安装在车辆上的驾驶员辅助装置。
参照图14，电子装置1400可包括处理器1410、存储装置1420、相机1430、输入装置1440、输出装置1450以及网络接口1460。处理器1410、存储装置1420、相机1430、输入装置1440、输出装置1450以及网络接口1460可通过通信总线1470彼此通信。
处理器1410可执行将在电子装置1400中执行的指令或功能。例如，处理器1410可处理存储在存储装置1420中的指令。处理器1410可执行通过图1至图13描述的一个或多个操作。以下提供关于处理器1410的更多细节。
存储装置1420存储处理器1410的执行所需的信息或数据。例如，预计算的相位归一化矩阵可被存储在存储装置1420中。存储装置1420可包括计算机可读存储介质或计算机可读存储装置。存储装置1420可存储将由处理器1410执行的指令，并且可在软件和/或应用由电子装置1400执行时存储相关信息。以下提供关于存储装置1420的更多细节。
相机1430可拍摄包括多个图像帧的图像。例如，相机1430可生成帧图像。
输入装置1440可通过触觉、视频、音频或触摸输入从用户接收输入。输入装置1440可包括键盘、鼠标、触摸屏、麦克风或检测来自用户的输入并发送检测的输入的任何其它装置。
输出装置1450可通过视觉、听觉或触觉通道向用户提供电子装置1400的输出。输出装置1450可包括例如显示器、触摸屏、扬声器、振动发生器或向用户提供输出的任何其它装置。网络接口1460可通过有线网络或无线网络与外部装置通信。输出装置1450可使用视觉信息、听觉信息和触觉信息中的至少一个向用户提供处理雷达数据的结果。
例如，当电子装置1400安装在车辆上时，电子装置1400可通过显示器将雷达图像地图可视化。作为另一示例，电子装置1400可基于DOA信息、距离信息和/或雷达图像地图来改变配备有电子装置1400的车辆的速度、加速度和转向中的任何一个或任何组合。然而，示例不限于此，并且电子装置1400可执行诸如ACC、AEB、BSD、LCA和自我定位的功能。电子装置1400可在结构上和/或功能上包括用于对车辆的这样的控制的控制系统。
在此描述的雷达信号处理设备、线性调频发送器311、双工器312、混频器314、放大器315、频谱分析器316以及其它设备、装置、单元、模块和组件由硬件组件实现。可用于执行在本申请中描述的操作的硬件组件的示例在适当的情况下包括：控制器、传感器、生成器、驱动器、存储器、比较器、算术逻辑单元、加法器、减法器、乘法器、除法器、积分器和被配置为执行在本申请中描述的操作的任何其它电子组件。在其它示例中，执行在本申请中描述的操作的硬件组件中的一个或多个通过计算硬件(例如，通过一个或多个处理器或计算机)来实现。处理器或计算机可通过一个或多个处理元件(诸如，逻辑门阵列、控制器和算术逻辑单元、数字信号处理器、微型计算机、可编程逻辑控制器、现场可编程门阵列、可编程逻辑阵列、微处理器或被配置为以限定的方式响应并执行指令以实现期望的结果的任何其它装置或装置的组合)来实现。在一个示例中，处理器或计算机包括或连接到存储由处理器或计算机执行的指令或软件的一个或多个存储器。由处理器或计算机实现的硬件组件可执行用于执行在本申请中描述的操作的指令或软件(诸如，操作系统(OS)和在OS上运行的一个或多个软件应用)。硬件组件也可响应于指令或软件的执行来访问、操控、处理、创建和存储数据。为了简单起见，单数术语“处理器”或“计算机”可用在本申请中描述的示例的描述中，但是在其它示例中，多个处理器或计算机可被使用，或者处理器或计算机可包括多个处理元件或多种类型的处理元件或二者。例如，单个硬件组件或者两个或更多个硬件组件可通过单个处理器、或者两个或更多个处理器、或者处理器和控制器来实现。一个或多个硬件组件可通过一个或多个处理器、或者处理器和控制器来实现，并且一个或多个其它硬件组件可通过一个或多个其它处理器、或者另外的处理器和另外的控制器来实现。一个或多个处理器、或者处理器和控制器可实现单个硬件组件或者两个或更多个硬件组件。硬件组件可具有不同的处理配置中的任何一个或多个，不同的处理配置的示例包括：单个处理器、独立处理器、并行处理器、单指令单数据(SISD)多处理、单指令多数据(SIMD)多处理、多指令单数据(MISD)多处理、多指令多数据(MIMD)多处理、控制器和算术逻辑单元(ALU)、DSP、微型计算机、FPGA、可编程逻辑单元(PLU)、中央处理器(CPU)、图形处理器(GPU)、神经处理器(NPU)或能够以限定的方式响应并执行指令的任何其它装置。
执行在本申请中描述的操作的方法通过计算硬件(例如，通过一个或多个处理器或计算机)来执行，计算硬件被实现为如上所述地执行指令或软件，以执行在本申请中描述的由所述方法执行的操作。例如，单个操作或者两个或更多个操作可通过单个处理器、或者两个或更多个处理器、或者处理器和控制器来执行。一个或多个操作可通过一个或多个处理器、或者处理器和控制器来执行，并且一个或多个其它操作可通过一个或多个其它处理器、或者另外的处理器和另外的控制器来执行。一个或多个处理器、或者处理器和控制器可执行单个操作或者两个或更多个操作。
用于控制处理器或计算机以实现硬件组件并执行如上所述的方法的指令或软件被编写为计算机程序、代码段、指令或它们的任何组合，以单独地或共同地指示或配置处理器或计算机如机器或专用计算机那样进行操作，以执行由如上所述的硬件组件和方法执行的操作。在一个示例中，指令或软件包括由处理器或计算机直接执行的机器代码(诸如，由编译器产生的机器代码)。在一个示例中，指令或软件包括存储处理雷达信号的方法的小程序、动态链接库(DLL)、中间件、固件、装置驱动程序、应用程序中的至少一个。在另一示例中，指令或软件包括由处理器或计算机使用解释器执行的高级代码。本领域普通技术的程序员可容易地基于附图中示出的框图和流程图以及说明书中的对应描述编写指令或软件，附图中示出的框图和流程图以及说明书中的对应描述公开了用于执行由如上所述的硬件组件和方法执行的操作的算法。
用于控制处理器或计算机以实现硬件组件并执行如上所述的方法的指令或软件以及任何相关联的数据、数据文件和数据结构被记录、存储或固定在一个或多个非暂时性计算机可读存储介质中或一个或多个非暂时性计算机可读存储介质上。非暂时性计算机可读存储介质的示例包括：只读存储器(ROM)、随机存取可编程只读存储器(PROM)、电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)、随机存取存储器(RAM)、动态随机存取存储器(DRAM)、静态随机存取存储器(SRAM)、闪存、非易失性存储器、CD-ROM、CD-R、CD+R、CD-RW、CD+RW、DVD-ROM、DVD-R、DVD+R、DVD-RW、DVD+RW、DVD-RAM、BD-ROM、BD-R、BD-R LTH、BD-RE、蓝光或光盘存储器、硬盘驱动器(HDD)、固态驱动器(SSD)、闪存、卡式存储器(诸如，多媒体卡或者微型卡(例如，安全数字(SD)或者极速数字(XD)))、磁带、软盘、磁光数据存储装置、光学数据存储装置、硬盘、固态盘、以及任何其它装置，任何其它装置被配置为以非暂时性方式存储指令或软件以及任何相关联的数据、数据文件和数据结构并将指令或软件以及任何相关联的数据、数据文件和数据结构提供给处理器或计算机，使得处理器和计算机可执行指令。
虽然本公开包括特定的示例，但是在理解本申请的公开之后将清楚，在不脱离权利要求及它们的等同物的精神和范围的情况下，可在这些示例中进行形式和细节上的各种改变。在此描述的示例将被认为仅是描述性的，而不是出于限制的目的。每个示例中的特征或方面的描述应被认为可适用于其它示例中的类似特征或方面。如果描述的技术以不同的顺序被执行，和/或如果描述的系统、架构、装置或电路中的组件以不同的方式被组合，和/或由其它组件或它们的等同物替换或补充，则可实现合适的结果。因此，公开的范围不是由具体实施方式限定，而是由权利要求及它们的等同物限定，并且在权利要求及它们的等同物的范围内的所有变化应被解释为包括在公开中。

Claims (20)

1.一种处理雷达信号的方法，所述方法包括：
基于雷达发射信号和雷达接收信号生成雷达数据，雷达发射信号基于频率调制模型通过雷达传感器的阵列天线被发射，雷达接收信号在雷达发射信号被目标反射时通过阵列天线被接收；
使用校正向量来校正雷达数据，校正向量用于校正由于阵列天线的通道之间的馈线延迟差异而发生的馈线误差；和
根据频率调制模型的频率调制特性，使用反映校正的雷达数据的相移的方向矩阵来估计与校正的雷达数据对应的波达方向。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，校正向量被配置为：响应于雷达接收信号从位于雷达传感器前方的目标被接收，校正雷达数据，使得雷达数据的通道的相位分量具有相同的值。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，方向矩阵包括分别与不同的采样索引对应的多个子方向矩阵。
4.根据权利要求3所述的方法，其中，估计波达方向的步骤包括：
从所述多个子方向矩阵之中获得与第一采样索引对应的第一子方向矩阵；和
使用第一子方向矩阵，从校正的雷达数据估计与第一采样索引对应的第一子雷达数据的第一波达方向。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，生成雷达数据的步骤包括：
通过对基于雷达发射信号和雷达接收信号生成的中频信号进行采样来生成雷达数据。
6.根据权利要求1所述的方法，估计波达方向的步骤包括：校正由于阵列天线中的天线元件的波束图对阵列天线的波束图的影响而发生的单元波束图EBP误差。
7.根据权利要求1所述的方法，其中，估计波达方向的步骤包括：
通过使用方向矩阵来估计与校正的雷达数据对应的初始波达方向；和
通过去除初始波达方向中的EBP误差来估计与校正的雷达数据对应的最终波达方向，初始波达方向中的EBP误差由于阵列天线的天线元件的波束图对阵列天线的波束图的影响而发生。
8.根据权利要求7所述的方法，其中，估计最终波达方向的步骤包括：
基于被配置为表示每个角度的EBP误差值的EBP误差模型，确定与校正的雷达数据对应的初始波达方向的EBP误差值；和
通过用确定的EBP误差值校正初始波达方向来估计与校正的雷达数据对应的最终波达方向。
9.根据权利要求8所述的方法，其中，通过基于经由测试而测量的基础角度的EBP误差值估计其它角度的EBP误差值来生成EBP误差模型。
10.根据权利要求1至权利要求9中的任意一项所述的方法，其中，雷达发射信号包括具有基于频率调制模型调制的载波频率的线性调频信号。
11.根据权利要求10所述的方法，其中，雷达接收信号通过阵列天线中的接收天线元件被接收，并且通道基于接收天线元件被形成。
12.根据权利要求1至权利要求9中的任意一项所述的方法，还包括：
基于雷达数据估计目标的距离和速度中的至少一者，
其中，基于波达方向、距离和速度中的任何一者或任何组合来控制配备有用于处理雷达信号的设备的车辆。
13.一种存储指令的非暂时性计算机可读存储介质，所述指令在被处理器执行时，使得处理器执行根据权利要求1至权利要求12中的任意一项所述的方法。
14.一种用于处理雷达信号的设备，所述设备包括：
雷达传感器，被配置为：基于频率调制模型通过阵列天线发射雷达发射信号，并且在雷达发射信号被目标反射时通过阵列天线接收雷达接收信号；和
处理器，被配置为：基于雷达发射信号和雷达接收信号生成雷达数据；使用校正向量来校正雷达数据，校正向量用于校正由于阵列天线的通道之间的馈线延迟差异而发生的馈线误差；并且根据频率调制模型的频率调制特性，使用反映校正的雷达数据的相移的方向矩阵来估计与校正的雷达数据对应的波达方向。
15.根据权利要求14所述的设备，其中，校正向量被配置为：响应于雷达接收信号从位于雷达传感器前方的目标被接收，校正雷达数据，使得雷达数据的通道的相位分量具有相同的值。
16.根据权利要求14所述的设备，其中，方向矩阵包括分别与不同的采样索引对应的多个子方向矩阵；并且
处理器还被配置为：从所述多个子方向矩阵之中获得与第一采样索引对应的第一子方向矩阵，并且使用第一子方向矩阵从校正的雷达数据估计与第一采样索引对应的第一子雷达数据的第一波达方向。
17.根据权利要求14至权利要求16中的任意一项所述的设备，其中，处理器还被配置为：校正由于阵列天线中的天线元件的波束图对阵列天线的波束图的影响而发生的单元波束图误差EBP。
18.一种车辆，包括：
雷达传感器，被配置为：基于频率调制模型通过阵列天线发射雷达发射信号，并且在雷达发射信号被目标反射时通过阵列天线接收雷达接收信号；
处理器，被配置为：基于雷达发射信号和雷达接收信号生成雷达数据，使用校正向量来校正雷达数据，校正向量用于校正由于阵列天线的通道之间的馈线延迟差异而发生的馈线误差，并且根据频率调制模型的频率调制特性，使用反映校正的雷达数据的相移的方向矩阵来估计与校正的雷达数据对应的波达方向；和
控制器，被配置为基于波达方向来控制所述车辆。
19.根据权利要求18所述的车辆，其中，方向矩阵包括分别与不同的采样索引对应的多个子方向矩阵；并且
处理器还被配置为：从所述多个子方向矩阵之中获得与第一采样索引对应的第一子方向矩阵，并且使用第一子方向矩阵从校正的雷达数据估计与第一采样索引对应的第一子雷达数据的第一波达方向。
20.根据权利要求18所述的车辆，其中，处理器还被配置为：校正由于阵列天线中的天线元件的波束图对阵列天线的波束图的影响而发生的单元波束图误差EBP。
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