CN115902858A - 使用速度标记的多路复用以生成检测的雷达系统 - Google Patents

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约翰娜·古特莱因-霍尔泽
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Abstract

本文描述了一种快速斜坡调频连续波(FMCW)雷达系统，其中所述快速斜坡FMCW雷达系统被配置来结合生成对场景中的物体的检测而采用速度标记的多路复用(VLM)。所述雷达系统中的发射器分配有对应于由所述发射器发出的信号中的连贯啁啾的不同相位变化率的不同速度标记。本文还描述了用于基于对应于所发出的信号的回波信号来生成检测的途径。

Description

使用速度标记的多路复用以生成检测的雷达系统
相关申请
本申请要求于2021年8月3日提交并且标题为“RADAR SYSTEM THAT USESVELOCITY LABELED MULTIPLEXING FOR GENERATING DETECTIONS”的欧洲专利申请号EP21189485.2的优先权。本申请的全文以引用的方式并入本文。
背景技术
自主车辆是可在没有人类引导的情况下运转的机动车辆。示例性自主车辆包括多个传感器系统，诸如但不限于激光雷达传感器系统、相机传感器系统和雷达传感器系统等。自主车辆基于由传感器系统输出的传感器信号来运转。例如，雷达传感器系统可识别从自主车辆到驾驶环境中的另一车辆的范围，并且自主车辆可基于所识别的到其他车辆的范围来计划并执行操纵以横穿驾驶环境。
多输入多输出(MIMO)雷达传感器系统可在自主车辆中利用以改善空间分辨率，同时维持低硬件成本和复杂性。常规MIMO雷达传感器系统实现各种类型的多路复用方案，其中互相正交的调制信号序列在发射端上发射并且在接收端上解复用。此外，(主要在数字域中的)后续信号处理可被采用来关于虚拟信道的发射器对应关系提取所述虚拟信道。常规利用来提供正交发射信号的多路复用方案的示例包括时分多路复用(TDM)、频分多路复用(FDM)和码分多路复用(CDM)。
在TDM中，通过将发射周期划分成时隙在时域中获得所发射的信号当中的正交性，其中来自MIMO雷达传感器系统的多个发射器的仅单个发射器在每个时隙进行辐射。然而，实现TDM的MIMO雷达传感器系统在连贯作用的发射器之间流逝的时间到期时时可能会暴露虚拟信道中的运动引发的相位误差。相对于其他途径，TDM方案还可导致增加的测量时间和速度模糊，其中两者均基于参与发射器的数量而增加。
在FDM中，通过使独占和非重叠频带专用于MIMO雷达传感器系统的每个发射器而在频域中获得所发射的信号当中的正交性。然而，通常需要更大接收器带宽以相对于其他类型的多路复用方案支持FDM。此外，与其他类型的多路复用相比，针对采用FDM的MIMO雷达传感器系统中的调制、多路复用、解调制、解复用可增加硬件复杂性。
在CDM中，通过以慢时或快时序列调制每个发射器的互相正交的扩频码来获得所发射的信号当中的正交性。为了获得对应于发射器的虚拟信道元素，可通过每信道序列与相应扩频码的互相关进行解复用。CDM可以是计算密集型的，原因是扩频分别在范围(快时扩频码)或速度处理(慢时扩频码)之前发生，从而在后续处理步骤中得到更多信道。此外，所得速度谱可倾向于高旁瓣电平(这可通过分别增加快时或慢时中的序列长度来解决)。
发明内容
下文是对本文更详细描述的主题的简要概述。此概述并不意图限制权利要求的范围。
本文描述了(快速斜坡)调频连续波(FMCW)多输入多输出(MIMO)雷达系统。雷达系统被配置来计算物体相对于雷达系统的范围、速度和到达角方向。雷达系统包括若干发射天线和若干接收天线，其中所述发射天线同时发射雷达信号，并且进一步其中每个所发射的雷达信号包括具有适时地线性增加的频率的一系列连贯频率斜坡(啁啾)。就每个发射天线而言，连贯频率斜坡用递增相位偏移进行调制。因此，每个连贯啁啾的相位以唯一相位变化率增加，也就是说，每个发射天线与相位偏移值具有固定对应关系。实际上则是，每个发射天线用对应于分配给发射天线的相位变化率的速度偏移标记。此途径在本文中称为速度标记的多路复用(VLM)。
雷达系统的接收器信道接收由发射信号从物体反射所致的回波信号，于是处理所述回波信号以提供频谱。关于所接收的回波信号和单个接收器信道，所述回波信号的能量被分布并安排到所述速度谱中的与对应于回波信号的所发射的雷达信号的斜坡的唯一相位偏移调制相对应的可分辨位置(例如，速度箱)中。此外，所述速度谱中的所述能量分布由根据速度偏移检测到的物体的实际速度来确定。这使所述速度谱中的能量峰值的位置相对于所述实际速度移位速度箱的数量。然而，无论无敌的实际速度如何，均维持位置的安排和位置当中的距离。
对于对物体的实际速度有先前了解的情况，可根据位置当中的距离(即，相位偏移)在速度谱中直接推断发射天线与速度位置对应关系。因此，虚拟接收器阵列可通过收集对应于如速度谱中所识别的发射器的接收信道来形成。对此虚拟阵列应用的波束成形向相应速度箱提供束谱。
然而，一般来讲，关于物体的实际速度的先前了解在信号处理系统中不可用。因此，速度谱中的开始收集用于虚拟阵列成形的相应接收信道的位置是未知的。因此，后续处理步骤可如下描述：1)用由于已知速度偏移标记方案而分别属于第一速度箱和连贯速度箱的接收器开始虚拟阵列成形；2)贯穿雷达系统的速度谱以圆形方式针对所有速度箱连贯地继续虚拟阵列成形；3)每个虚拟阵列开始进行波束成形；4)在波束成形之后，速度谱将在物体的实际速度的位置处以主瓣达到峰值，并且在一些其他位置处暴露主瓣；并且5)此信息可被检测并用于测量物体的实际速度。
通过包括以下处理步骤，执行来计算速度的处理的减少是可能的，如本文将更详细地描述：1)在接收信道上执行非相干积分以形成热图；2)考虑到速度标记方案和范围依赖子阵列成形而执行目标检测和目标速度识别；3)用在步骤2)中识别的范围-速度箱处的完整虚拟阵列进行波束成形；4)并且由于波束成形步骤中的所有虚拟信道的相干积分执行对增强的信噪比的检测。同样，此程序减少了所处理的数据量。
上文呈现简要的发明内容，以基本理解本文所述的系统和/或方法的一些方面。此发明内容并非本文所述的系统和/或方法的广泛概述。此发明内容并不意图识别关键/决定性元素或叙述此类系统和/或方法的范围。它的唯一目的是以简化的形式呈现一些概念，以作为下文呈现的更详细描述的序言。
附图说明
图1是调频连续波(FMCW)多输入多输出(MIMO)雷达系统的功能框图。
图2是例示发射基于唯一地分配给发射天线的相位变化率调制的FMCW啁啾的发射天线的示意图。
图3和图4例示示例性多维数据矩阵。
图5是例示用于生成物体的雷达检测的一种方法的流程图。
图6是例示用于生成物体的雷达检测的另一种方法的流程图。
图7至图12是以图表形式描绘基于由雷达系统中的接收器检测到的数据执行的处理的曲线图。
图13是例示自主车辆(AV)的示意图。
图14描绘计算装置。
具体实施方式
现在参考图式描述关于具有使用多个接收器和多个同时操作的发射器进行二维波束成形的汽车雷达传感器系统的各种技术，其中贯穿全文相似的附图标号用于指代相似的元件。在以下描述中，出于解释的目的，阐述了众多具体细节以便提供对一个或多个方面的透彻理解。然而，此类方面显然可在没有这些具体细节的情况下进行实践。在其他情况下，以框图形式示出众所周知的结构和装置，以便于描述一个或多个方面。此外，应理解，被描述为由某些系统部件实行的功能性可由多个部件执行。类似地，例如，部件可被配置来执行被描述为由多个部件实行的功能性。
此外，术语“或”旨在意味着包括性“或”而非排他性“或”。也就是说，除非以其他方式指出或者从上下文所清楚，否则短语“X采用A或B”旨在意味着任何自然的包括性排列。也就是说，短语“X采用A或B”由以下情况中的任一者满足：X采用A；X采用B；或X采用A和B两者。另外，除非以其他方式指出或者从上下文所清楚是针对单数形式，否则冠词“一个”(“a”和“an”)在本申请和所附权利要求中一般应当被理解为意味着“一个或多个”。
如本文所用，术语“部件”、“系统”和“模块”旨在涵盖计算机可读数据存储装置，所述计算机可读数据存储装置配置有计算机可执行指令，所述计算机可执行指令在由处理器执行时使某些功能性得以执行。计算机可执行指令可包括例程、功能等。还应理解，部件或系统可本地化在单个装置上或跨若干装置分布。此外，如本文所用，术语“示例性”旨在意味着“充当某物的例示或示例”。
本发明大体上涉及一种雷达系统及其操作方法，并且更具体地，涉及一种雷达系统，其包括借助于用于生成目标检测的两步式过程对信号处理资源的高效使用(由于数据减少)，使得可计算到目标的范围、目标的相对速度和目标的相对方向。
本文描述了调频连续波(FMCW)雷达系统和方法，其中所述雷达系统包括多个接收器(M)和多个同时操作的发射器(N)，由此提供在水平和竖直方向上具有相对高的角度分辨率的二维虚拟阵列。为了避免大量的循环时间和速度模糊，发射器同时而不是依序操作(例如，发射器同时发射FMCW信号)。发射器以快速啁啾内的频率进行调制以产生高范围-分辨率剖面。多个啁啾被发射来实现相对高的速度分辨率。为了使信号与接收器信道内的单独发射器分离，发射信号中的至少一些的相位随啁啾变化而变化进行调制。每个信号具有单独初始相位和随啁啾变化而变化的相位增量。快速傅里叶变换(FFT)在啁啾(快时)内应用并且随啁啾变化而变化(慢时)以针对每个接收器信道实现范围-速度回波剖面。相位增量可以来自单独发射器的信号根据相位增强以速度偏移分布在速度-维度(多普勒频分多路复用)上的方式进行选择。此发射器相位调制的效果在于单个目标在速度谱中表现出N个谱重复，每个谱重复分配给N个发射器中的一者。因此，目标的真实速度箱是模糊的，除非速度箱对每个发射器的分配是已知的。出于波束成形的目的，提取分配给每个发射器的速度箱，从而得到M×N个虚拟接收信道。接着形成在上面处理波束成形的虚拟阵列。最后，发生检测和滤波。
为了在波束成形之前在信号处理链内实现显著数据减少，并且由此减少执行速度计算所需的处理资源的量，在一个示例中，可开始进行两步式检测程序。初始地，在每个范围-速度箱中，应用跨信道的非相干积分，从而得到数据的热图表示。第一检测器处理此热图以找出范围-速度栅格中的潜在检测。为了解决每个潜在检测的速度模糊，执行例程以提取分配给每个发射器的速度箱。第一检测器输出识别目标的范围-速度箱。在下一步中，在检测到的范围-速度箱中处理波束成形。由于速度箱到发射器的正确分配，有可能使用完整的M×N虚拟阵列以进行波束成形。因此，增加了处理增益。第二检测器对范围-速度-波束数据立方体进行处理并滤波，从而得到最终检测作为信号处理链的输出。本文更详细地描述了这些方面。
现在参考图1，呈现了雷达系统100的功能框图。雷达系统100包括发射电子设备102和接收电子设备104。发射电子设备102包括信号发生器电路106，所述信号发生器电路106被配置来生成并输出FMCW雷达信号，其中所述FMCW雷达信号包括一系列频率斜坡，其中每个斜坡具有含线性增加频率的上啁啾。信号发生器电路106包括用于生成并输出FMCW信号的合适的电路，包括放大器、滤波器等。
发射电子设备102还包括功分器108，所述功分器108接收由信号发生器电路106输出的FMCW雷达信号并且输出FMCW雷达信号的N个副本。发射电子设备102还包括N个发射天线110-112，所述N个发射天线110-112基于由功分器108输出的相应N个FMCW雷达信号来输出FMCW雷达信号。在一个示例中，N个发射天线110-112包括三个与十个之间的发射天线。在另一示例中，N个发射天线包括四个与二十个之间的发射天线。然而，应理解，在发射电子设备102中可存在任何合适数量的发射天线110-112，其中N大于1。在一个示例中，发射天线110-112包括在发射天线的二维阵列中，使得第一发射天线110从发射天线110-112中的第二发射天线竖直偏移，并且从发射天线110-112中的第三发射天线水平偏移。在另一示例中，发射天线110-112包括在发射天线的一维阵列中，使得第一发射天线110从发射天线110-112中的第二发射天线水平偏移，而不从发射天线110-112中的任何其他天线竖直偏移。
此外，发射天线110-112可相对于彼此均匀地间隔，使得发射天线110-112中的水平或竖直方向上的任何两个相邻天线之间的距离是相等的。在另一示例中，发射天线相对于彼此非均匀地间隔，使得彼此相邻的第一对发射天线之间的第一距离不同于彼此相邻的第二对发射天线之间的第二距离。
发射电子设备102还包括分别耦接到N个发射天线110-112的N个调制器114-116，但第一调制器114如本文将描述是任选的。调制器114-116在逐个啁啾的基础上对从功分器108接收的FMCW雷达信号执行相位调制，使得每个啁啾处的相位偏移根据均匀地分配给发射天线110-112中的适当发射天线的相位变化率而递增。
雷达系统100被配置来计算在速度范围内目标相对于雷达系统100的速度；例如，-200km/小时与200km/小时之间以及因此400km/小时的范围。每个相位变化率对应于速度范围内的速度偏移。因此，对于零相位变化率(例如，由功分器108输出的FMCW信号不经受相位调制)，速度偏移为零。相比之下，对于非零相位变化率，速度偏移为非零。相位变化率可被选定，使得速度偏移跨速度范围均匀地分布(例如，彼此相邻的速度偏移之间的差都相同)。在另一示例中，相位变化率可被选定，使得速度偏移跨速度范围非均匀地分布；跨速度范围非均匀地分布速度偏移具有以下更详细描述的优点。概括地说则是，发射天线110-112中的每个发射天线具有分配给其的相应唯一相位变化率，使得由发射天线110-112发出的信号相对于彼此正交。
参考图2，描绘了描绘由具有分配给其的不同相位变化率的不同七个发射天线发出的FMCW雷达信号的示意图200。FMCW信号202由信号发生器电路106输出，其中FMCW信号202包括具有线性斜率的一系列频率斜坡。在图2所描绘的示例中，发射天线110-112包括七个发射天线。第一发射天线110发出FMCW信号202；换句话讲，第一发射天线110具有分配给其的0相位变化率，使得由第一发射天线110发出的每个斜坡相对于FMCW信号202没有相位偏移。第二发射天线具有分配给其的每啁啾90°相位变化率，使得由第二发射天线发出的信号中的每个啁啾相对于此类信号中的每个相邻啁啾具有90°相位偏移。第三发射天线具有分配给其的每啁啾45°相位变化率，使得由第三发射天线发出的信号中的每个啁啾相对于此类信号中的每个相邻啁啾具有45°相位偏移。继续图2所例示的示例，第四发射天线具有分配给其的每啁啾180°相位变化率，第五发射天线具有分配给其的每啁啾22.5°相位变化率，第六发射天线具有分配给其的每啁啾67.5°相位变化率，并且第七发射天线具有分配给其的每啁啾135°相位变化率。可确定分配给发射天线110-112的相位变化率相对于彼此非均匀地分布，并且因此对应于发射天线110-112的速度偏移相对于彼此非均匀地分布。
返回图1，更详细地描述了上述发射多路复用方案(称为速度标记的多路复用(VLM)方案)。如上所指示，雷达系统100的发射电子设备102包括N个发射天线(n＝0、……、N-1)，其中每个发射天线同时发出具有限定脉冲重复时间(TPRI)的L个啁啾(l＝0、……、l-1)和随啁啾数l而递增的发射器特定的相位偏移调制。对于发射天线110-112中的每一者，这得到随啁啾变化而变化的线性相位增量，其中具有对发射天线110-112中的每个发射天线唯一的斜率。相位增量(相位变化率)被选定，使得来自单独发射天线的信号作为峰值在具有速度偏移的速度维度(多普勒频分多路复用)上离散地分布，其中所述速度偏移对应于相位增量。实际上则是，发射天线110-112中的每一者分配有具体速度标记。术语“种子速度门”被采用来标记由单个目标所致的速度谱中的N个峰值中的每一者，因此，种子速度门中的每一者是相对于目标的实际速度门并且经受分配给发射器的速度标记。
更具体而言，通过使由信号发生电子设备106生成的FMCE波形与以下项相乘，发射器n用速度标记进行调制：
Figure BDA0003294071590000081
其中velolabel是每发射天线包括一个速度标记条目的N元素向量，并且速度标记是在0、……、L-1范围内的整数。因子
Figure BDA0003294071590000082
是相位变化率(随啁啾变化而变化的相位增量的斜率)。如果发射器被标记为零(例如，诸如图2所例示的第一发射器110)，则发射器被分配零相位变化率并且因此在速度谱中发射器将在实际目标速度门处引起峰值。
上述调制方案的效果在于单个目标在速度谱中表现出速度峰值的N个谱重复，其中每个谱重复分配给N个发射天线110-112中的一者。因此，目标的真实速度箱是模糊的，除非速度峰值对发射器的分配是已知的(这在下文论述)。
如上所指出，相位变化率可被分配给发射天线110-112，使得速度偏移跨速度谱均匀地分布，并且因此单个目标的任何两个相邻速度峰值之间的差是相等的。在这种情景中，真实速度的识别可通过波束成形来完成，并且虚拟阵列可被设计来实现高旁瓣电平。当速度偏移跨速度谱均匀地五分部时，发射天线110-112可相对于彼此非均匀地定位以实现期望旁瓣行为。相反，相位变化率可被分配给发射天线110-112，使得对应于发射天线110-112的速度偏移跨速度谱非均匀地分布。在这种途径中，单个目标的任何两个相邻速度峰值之间的差是不同的。此途径是有利的，原因在于旁瓣行为得以改善，没并且发射天线110-112可包括在稀疏阵列中或均匀地间隔。
换句话说，速度标记可跨速度谱均匀地分布，并且发射天线110-112相对于彼此均匀地定位。在这种情形中，在波束成形之后，(来自所有到达角的)检测在速度域中具有模糊。在另一示例中，速度标记可跨速度谱均匀地分布，并且发射天线110-112可相对于彼此非均匀地分布。在此情形中，在波束成形之后，来自瞄准线目标的检测在速度域中具有模糊；对于其他检测，真实速度箱中的增益由因子M(接收信道的数量)限定。在又一示例中，速度标记可跨速度谱非均匀地分布，并且发射天线110-112可相对于彼此均匀地或非均匀地定位。在这种情景中，在波束成形之后，(来自所有到达角的)检测与由因子M×N(接收器的数量乘以发射器的数量)限定的真实速度箱中的增益是非模糊的。这得到高信号-旁瓣电平(以及因此优化的可检测性)。
现在参考接收器电子设备104。接收器电子设备包括M个接收天线118-120，所述M个接收天线118-120被配置来检测回波信号(由发射天线110-112发出的信号从场景中的物体的反射)并且输出表示检测到的回波信号的电信号。接收器电子设备104还包括M个放大器122-124，所述M个放大器122-124分别耦接到接收天线118-120，其中放大器122-124放大由接收天线118-120输出的电信号。
接收器电子设备104还包括混频器126-128，所述混频器126-128分别被配置来将由放大器122-124输出的放大的电信号与本机振荡器(LO)降混，由此形成降混的信号。在一个示例中，功分器108被配置来将由信号发生器电路106输出的FMCW信号的副本引导到混频器126-128，使得FMCW信号是LO。
接收器电子设备104还包括低通滤波器130-132，所述低通滤波器130-132分别电耦接到混频器128-130并且被配置来从由混频器128-130输出的降混信号中过滤更高频率并输出所滤波信号，其中所滤波信号包括雷达系统100的基带谱中的频率。虽然未示出，但是接收器电子设备104任选地包括第二放大器，所述第二放大器分别耦接到低通滤波器130-132，其中此类放大器被配置来放大所滤波信号。
接收器电子设备104还包括模数转换器(ADC)134-136，所述模数转换器(ADC)134-136将由低通滤波器130-132输出的所滤波信号从模拟信号转换成数字信号，由此输出M个数字信号。接收器电子设备104附加地包括处理电路138，所述处理电路138处理由ADC 134-136输出的数字信号。在一个示例中，处理电路138是或包括数字信号处理器(DSP)，但也涵盖其他类型的处理电路。处理电路138包括范围模块140、多普勒模块142、波束成形器模块144和检测器模块146。另外，处理电路任选地包括预检波器模块148。下文详细地描述了模块140-148的关于由ADC 134-136输出的数字信号的操作。
存在涵盖用于处理基于由发射天线110-112发出的调制信号的回波信号的两种不同途径。第一途径包括用于估计物体相对于雷达系统100的范围、速度和角度的一系列动作。第二途径包括被配置来通过开发VLM途径的属性来减少由处理电路138处理的数据量的一系列动作。
本文阐述了第一途径。范围模块140关于单独啁啾(快时)从由ADC 134-136输出的数字信号中采样，并且执行(来自每个接收信道的)此类样本的快速傅里叶变换(FFT)以获得范围谱(例如，从0到K-1的范围门)。
多普勒模块142对每接收信道的慢时样本(一系列连贯啁啾)执行第二FFT，由此获得速度谱中的与分配给发射天线110-112的相位变化率相对应的相对于彼此偏移的特性峰值。多普勒模块142可将一个相干加工区间的数据集布置在表示如下的三维复值矩阵(数据立方体)中：
matCPI(Rxm,RGk,VGl)     (2)
其中具有如由图3所描绘的数据立方体300例示的维度范围门(RG)、速度门(VG)和接收信道(Rx)。
多普勒模块142可附加地执行发射器解复用(流，对应于单独发射天线的虚拟接收器的提取)。更具体地，在此类阶段处(当产生数据立方体时)，发射器解复用尚待执行。发射器解复用可在第二FFT被执行之前执行；然而，这将导致数据负载增加因子N。因此，为了使数据集尽可能长地保持尽可能小(并且由此减少处理数据所需的计算资源的量)，多普勒模块142可在第二FFT被执行(速度FFT)之后执行发射器解复用。
为了进行发射器解复用，多普勒模块142可从此数据集中提取每个范围-速度门中的单独发射天线的虚拟阵列，其中多普勒模块142将分配给特定发射天线的速度标记vlTxn考虑在内。速度标记被存储在向量velolabel(n)＝(vlTx0,vlTx1,...,vlTxN-1)T中，从n＝0到N-1进行排序，其中n被分配给发射天线110-112中的单独发射天线。可由多普勒模块142针对对应于第l个速度门中的第n个发射器的第m个虚拟接收器
Figure BDA0003294071590000101
的单个范围门样本采用的提取方法是基于速度维度中的取模运算：
Figure BDA0003294071590000102
贯穿数据立方体的Rx、RG和VF维度应用此提取途径得到具有发射器解复用的扩展的数据立方体，如由图4所示的扩展的数据立方体400例示。
波束成形器模块146对扩展的数据立方体中的数据执行波束成形，其中波束成形在每个范围-速度门中的总共M×N个虚拟接收器上应用。由于上述VLM调制，一个范围门中的单个目标能量在速度维度上分布到N个离散速度箱(如由速度标记限定并且相对于目标的实际径向速度)中。效果在于在波束成形之后，速度谱表现出离散旁瓣连同位于目标的真实速度门处的旁瓣。旁瓣电平总体上由发射天线110-112的阵列的设计和速度标记的设计确定。最小信号-旁瓣比(SSLR)是发射器的总数N的函数：
SSLR(N)＝20·(N)。    (4)
由于解复用程序中的预限定速度-门迭代(通过速度标记)和取模运算，速度旁瓣以确定性数量并且在确定性位置处发生。因此，对于单个目标，速度旁瓣的数量是N(N-1)。总体上，通过发射天线110-112的阵列的设计和分配给发射天线110-112的相位变化率可减少最小旁瓣电平和速度旁瓣的数量。
在一个示例中，波束成形器模块144可附加地执行干扰检测和滤波。如果在解复用之前在速度维度中存在对应于两个或更多个目标的至少一个重叠峰值，则可能发生两个或更多个目标的干扰。因此，两个目标o1和o2(它们的真实速度解析成两个速度门vo1和vo2)在以下条件时干扰
Figure BDA0003294071590000111
对于任何n1∈n、n2∈n和n＝0、……，满足N-1。如果波束成形器模块144对经受此类干扰的范围-速度门执行波束成形，则波束成形器模块144可产生劣化束谱。因此，波束成形器模块144可过滤掉此类范围-速度门。
取决于信号处理链，波束成形器模块144可在执行波束成形之前或之后对干扰进行滤波。此外，在存在干扰的情况下，波束成形器模块144可被设计来过滤掉所有干扰目标O。在另一示例中，波束成形器模块144可被配置来当执行滤波时使用附加的标准，诸如单独目标的信号强度。
检测器模块146可基于以下所处理的CPI数据立方体来识别检测：
matCPI(BGb,RGk,VGl)，   (6)
其具有b＝0、……、B-1的维度波束门(BG)、范围门(RG)和速度门(VG)。可确定此类记号不会区分水平和竖直波束门；然而，矩阵可被布置成明确地包括两个波束门维度。
现在阐述优化处理途径，其中采用预检波器模块148。优化处理途径被设计来关于利用率以及定时有效地采用雷达系统100的硬件资源。本文所述的优化处理途径的使用得到在波束成形之前减少的数据负载，原因是预检波器模块148(如下文将描述)检测目标并且识别它们的范围和速度信息；此后，检测到的范围-速度门被提供给波束成形器模块144以计算目标的角度信息。因此，执行用于速度计算的第二FFT之前的步骤在对于以上关于第一途径所描述的那些优化的处理途径中是相同的。
在第二处理途径中，多普勒模块142通过以非相干方式对M个接收器进行积分使用速度处理数据来生成二维热图，所述非相干方式例如：
Figure BDA0003294071590000121
应注意，还设想了其他非相干积分，诸如log(.)、abs(.)2等的和。预检波器模块148接收热图数据，所述热图数据检测潜在目标的范围-速度门并且执行VLM解复用。
预检波器模块148针对每一范围门并且针对速度谱的由两个后续速度标记之间的最大距离给出的第一分数执行以下动作：
Ivelo fraction＝maxn＝0,…N-1{mod(velolabel(mod(n+1,N))-velolabel(n),L)}，(8)
其中Ivelo fraction是速度分数的在速度门0、……、Ivelo fraction-1的范围内的大小。
预检波器模块148将速度分数中的每个速度门视为种子速度门；对于每个种子速度，可(基于分配给发射天线110-112的相位变化率)假设N个可能的真实速度。这在表1的第一列中例示，下文阐述。对于N个可能的真实速度，可计算与相同目标相关联的其他速度峰值的相对位置，如表1中行式例示。
表1
Figure BDA0003294071590000122
Figure BDA0003294071590000131
预检波器模块148可使用单个或另一固定数量的发射器以进行真实速度门识别(例如，用于VLM解复用所需的信息)和检测。初始地，描述了使用单个发射器的途径，之后是使用任意数量的发射器的途径。
最大化针对范围门k的方程(7)的量级的真实速度可能性ltrue velo∈{vgSeed-vlTx0,...,vgSeed-vlTxN-1识别真实速度门。这应用到表I的任何列。可对heatmap(k,ltrue velo)的量级应用预置检测器以检测相应范围-速度门中的潜在目标。此途径的缺点在于第一检测器对热图数据应用(方程(7))，所述热图数据尚仅经历了M个接收器的非相干积分增益而非全M×N虚拟接收器阵列的非相干积分增益。这降低了预检波器模块148对更弱目标的灵敏度。
为了改进预检波器模块148中的非相干积分增益，热图数据可被进一步处理以采集全虚拟接收器阵列(或另选地可由N个发射器和M个接收器形成的任何子阵列)。为此，真实速度可能性ltru velo可列式概括，其中考虑在内的列数对应于在子阵列的成形中涉及的发射器的数量(例如，对于全虚拟接收器阵列为高达N个列)。实际上则是，
Figure BDA0003294071590000132
可产生子阵列以用于针对具有nuse所涉及发射器的任意子阵列的真实速度门识别和检测。为了实现高非相干积分增益合乎期望的是在此步骤中使用N个发射器；然而，这减少了预检波器模块148的动态范围，因为积分过程中涉及的发射器的数量越高，得到速度谱的速度旁瓣的数量就越高，例如，nuse(nuse-1)。
在另一途径中，预检波器模块148可使用范围依赖数量的发射器以进行真实速度门识别和检测。具体地，非相干积分过程中涉及的发射器的数量随潜在目标的范围而增加。这是由于以下事实：在更远距离处的目标需要检测到检测器的更高灵敏度。因此，潜在目标与范围门相距越远，使用更多发射器以用于非相干积分过程。
此途径是合乎期望的，因为其平衡了在非相干积分过程中使用仅一个发射器对比使用所有N个发射器的优点和缺点。
波束成形器模块144可对由预检波器模块148识别的潜在目标的范围-速度门应用波束成形。检测器模块146接着在波束维度中进行检测。有可能后续应用如先前所描述的(第一)过程中所描述的干扰滤波器。另选地，干扰滤波器可在预检波器模块148的输出端处应用，这导致更少的范围-多普勒检测被传递到波束成形器模块144(由此节省了处理资源)。
图5和图6例示了用于处理雷达数据以计算关于场景中的物体的信息的方法。虽然所述方法被示出并描述为按序列执行的一系列动作，但是应理解并了解，所述方法不受序列的次序限制。例如，一些动作可以与本文所述的次序不同的次序发生。另外，动作可与另一动作同时发生。此外，在一些情况下，并非需要所有动作以实现本文所述的方法。
此外，本文所述的动作可以是可由一个或多个处理器实现和/或存储在一个或多个计算机可读介质上的计算机可执行指令。计算机可执行指令可包括例程、子例程、程序、执行线程等。再进一步，方法的动作的结果可存储在计算机可读介质中，在显示装置上显示等。
现在参考图5，例示了可由雷达系统100的处理电路138执行的方法500。在502处，关于从ADC 134-136接收的数据样本(快时)执行范围FFT以确定场景中的目标的范围箱。在504处，关于从ADC 134-136接收的数据样本(慢时)执行速度FFT以确定场景中的目标的(模糊)速度箱。在506处，执行VLM解复用以构造多维数据矩阵，诸如图4所描绘。在508处，通过从多维矩阵中提取对应于每个发射器的阵列来执行虚拟阵列成形。在510处，对在508处形成的每个虚拟阵列执行波束成形，并且在512处，检测器检测目标并且对干扰目标进行滤波。
参考图6，呈现了可由雷达系统100的处理电路138执行的另选方法600。在602处，关于从ADC 134-136接收的数据样本(快时)执行范围FFT以确定场景中的目标的范围箱。在604处，关于从ADC 134-136接收的数据样本(慢时)执行速度FFT以确定场景中的目标的(模糊)速度箱。在606处，跨雷达系统100中的接收器执行非相干积分，并且在608处，执行第一检测，并且执行解复用以便计算目标的速度。在610处，使用检测到的速度以及对应于在604处的速度FFT期间采集的检测到的速度的数据来应用波束成形。在612处，执行第二检测以将角度信息分配给目标(并且任选地开始进行滤波以对干扰目标进行滤波)。
图7至图12描绘了由处理电路138在处理从ADC 134-136接收的数据时生成的信号并且出于例示目的阐述。
图13是自主车辆(AV)1300的示意图。如插图1302所例示，AV 1300包括雷达系统100。另外，AV 1300包括与雷达系统1304通信的计算系统1304，其中计算系统1304与AV1300的系统通信，所述系统诸如推进系统(例如，电动马达、燃烧器等)、制动系统、转向系统等。AV 1300还任选地包括与计算系统1304通信的相机1306。虽然未例示，但是AV 1300还可任选地包括其他传感器系统，诸如激光雷达传感器系统、位置传感器系统(诸如GPS传感器系统)、加速度计等。计算系统1300接收由雷达系统100输出的检测(以及任选地由相机1306和/或其他传感器系统输出的图像)并且使AV 1300基于所述检测计划和/或执行驾驶操纵。例如，计算系统1300可基于所述检测来控制推进系统以使AV 1300加速、维持恒定速度、减速等。在另一示例中，计算系统1304可基于所述检测来控制制动系统以发起制动、从制动释放等。在又一示例中，计算系统1304可基于所述检测来控制转向系统转弯、维持进程等。AV1300可以使完全自主车辆。在其他示例中，雷达系统100可在部分自主车辆中采用，其中检测可通过驾驶员辅助技术采用。
现在参考图14，例示了可根据本文所公开的系统和方法使用的示例性计算装置1400的高级例示。例如，计算装置1400可以是或包括在雷达系统100和/或AV 1300内。计算装置1400包括执行存储在存储器1404中的指令的至少一个处理器1402。直立可以是例如用于实现被描述为由以上所论述的一个或多个系统实行的功能性的指令或用于实现上述一种或多种放大的指令。处理器1402可以是一个GPU、多个GPU、一个CPU、多个CPU、多核处理器等。处理器1402可借助于系统总线1406访问存储器1404。除了存储可执行指令之外，存储器1404还可存储范围数据、速度数据、速度标记等。
计算装置1400附加地包括数据存储区1408，所述数据存储区1408可由处理器1402借助于系统总线1406访问。数据存储区1408可包括可执行指令、范围数据、速度数据、速度标记等。计算装置1400还包括输入接口1410，所述输入接口1410允许外部装置与计算装置1400通信。例如，输入接口1410可用于从外部计算机装置等接收指令。计算装置1400还包括输出接口1412，所述输出接口1412使计算装置1400与一个或多个外部装置接口连接。例如，计算装置1400可借助于输出接口1412将控制信号发射到发动机106、制动系统108和/或转向系统110。
附加地，虽然例示为单个系统，但应理解，计算装置1400可以是分布式系统。因此例如，若干装置可借助于网络连接进行通信并且可共同执行被描述为由计算装置1400执行的任务。
本文所述的各种功能可在硬件、软件或其任何组合中实现。如果在软件中实现，则功能可作为一个或多个指令或代码存储在计算机可读介质上或通过所述计算机可读介质发射。计算机可读介质包括计算机可读存储介质。计算机可读存储介质可以是可由计算机访问的任何可用存储介质。例如但不限于，此类计算机可读存储介质可包括RAM、ROM、EEPROM、CD-ROM或其他光碟存储装置、磁碟存储装置或其他磁性存储装置或可用于存储呈指令或数据结构形式的所需程序代码并且可由计算机访问的任何其他介质。如本文所用的磁盘和光盘包括紧凑盘(CD)、激光盘、光盘、数字通用盘(DVD)、软盘和蓝光盘(BD)，其中磁盘通常磁性地再现数据，并且光盘通常用激光器光学地再现数据。此外，传播信号不包括在计算机可读存储介质的范围内。计算机可读介质还包括通信介质，所述通信介质包括有助于将计算机程序从一个地方传送到另一个地方的任何介质。连接例如可以是通信介质。例如，如果使用同轴电缆、光纤电缆、双绞线、数字用户线(DSL)或无线技术诸如红外线、无线电和微波从网站、服务器或其他远程源发射软件，则同轴电缆、光纤电缆、双绞线、DSL或无线技术诸如红外线、无线电和微波包括在通信介质的定义中。以上的组合也应当包括在计算机可读介质的范围内。
另选性地或除此之外，本文所述的功能性可至少部分地由一个或多个硬件逻辑部件执行。可使用的例示性类型的硬件逻辑组件包括例如但不限于：现场可编程门阵列(FPGA)、专用集成电路(ASIC)、专用标准产品(ASSP)、片上系统(SOC)、复杂可编程逻辑装置(CPLD)等。
本文所述的特征涉及根据至少下文提供的示例的(快速斜坡)FMCW MIMO雷达系统。
(A1)在一个方面，一些实施例包括一种由快速斜坡FMCW雷达系统执行的方法。所述方法包括：通过所述FMCW雷达系统的信号发生器生成信号。所述方法还包括：基于所述信号通过所述FMCW雷达系统的多个发射天线发射包括相应啁啾序列的发射信号，其中所述发射信号分配有分别对应于所述快速斜坡FMCW雷达系统的接收器的速度谱中的速度偏移的不同相位变化率，其中所述速度偏移跨所述快速斜坡FMCW雷达系统的所述接收器的所述速度谱非均匀地分布。
(A2)在如(A1)所述的方法的一些实施例中，发射所述发射信号包括：通过所述多个发射天线中的第一发射天线发射包括第一啁啾序列的第一发射信号，其中所述第一啁啾序列包括具有第一相位的第一啁啾，紧接之后是具有第二相位的第二啁啾，并且进一步其中所述第一相位与所述第二相位之间的差是基于分配给所述第一发射天线的第一相位变化率。所述方法还包括：通过所述多个发射天线中的第二发射天线发射包括第二啁啾序列的第二发射信号，其中所述第二啁啾序列包括具有第三相位的第三啁啾，紧接之后是具有第四相位的第四啁啾，并且进一步其中所述第三相位与所述第四相位之间的差是基于分配给所述第二发射天线的第二相位变化率，所述第一相位变化率不同于所述第二相位变化率。
(A3)在如(A2)所述的方法的一些实施例中，所述第一发射天线从所述第二发射天线水平地移位。
(A4)在如(A2)至(A3)中任一项所述的方法的一些实施例中，所述第一发射天线从所述第二发射天线竖直地移位。
(A5)在如(A1)至(A4)中任一项所述的方法的一些实施例中，所述多个发射天线包括在发射天线的二维阵列中。
(A6)在如(A1)至(A5)中任一项所述的方法的一些实施例中，所述多个发射天线包括相对于彼此均匀地间隔的两个与五十个之间的天线。
(A7)在如(A1)至(A5)中任一项所述的方法的一些实施例中，所述多个发射天线包括相对于非彼此均匀地间隔的两个与五十个之间的天线。
(A8)在如(A1)至(A7)中任一项所述的方法的一些实施例中，所述方法还包括：通过接收天线检测回波信号，所述回波信号基于由至少一个发射天线发出的至少一个发射信号；和基于所述回波信号计算物体相对于所述FMCW雷达系统的速度。
(A9)在如(A1)至(A8)中任一项所述的方法的一些实施例中，所述方法还包括基于所述物体相对于所述FMCW雷达系统的所计算的速度来控制自主车辆(AV)的推进系统、制动系统或转向系统中的至少一者。
(B1)在另一方面，一些实施例包括一种方法，包括通过AV的快速斜坡FMCW雷达系统的信号发生器来生成信号。所述方法还包括：基于所述信号通过所述快速斜坡FMCW雷达系统的多个发射天线发射包括相应啁啾序列的发射信号，其中所述发射信号分配有分别对应于所述快速斜坡FMCW雷达系统的接收器的速度谱中的速度偏移的不同相位变化率，其中所述速度偏移跨所述快速斜坡FMCW雷达系统的所述接收器的所述速度谱非均匀地分布。
(B2)在如(B1)所述的方法的一些实施例中，计算系统与所述快速斜坡FMCW雷达系统进行通信，其中所述快速斜坡FMCW雷达系统被配置来基于所述发射信号中的至少一个发射信号计算物体相对于所述快速斜坡FMCW雷达系统的速度，并且进一步其中所述计算系统被配置来基于所述物体相对于所述快速斜坡FMCW雷达系统的所计算的速度来控制所述AV的推进系统、制动系统或转向系统中的至少一者。
(B3)在如(B1)至(B2)中任一项所述的方法的一些实施例中，在所述多个发射天线中存在两个与五十个之间的发射天线。
(C1)在又一方面，一些实施例包括一种FMCW雷达系统，所述FMCW雷达系统被配置来执行本文所述的方法中的任一种(例如，(A1至A9)中的任一种和/或(B1)至(B3)中的任一种)。
(D1)在又一方面，一些实施例包括一种AV，包括FMCW雷达系统，其中所述FMCW雷达系统被配置来执行本文所述的方法中的任一种(例如，(A1至A9)中的任一种和/或(B1)至(B3)中的任一种)。
(E1)在另一方面，一些实施例包括一种快速斜坡FMCW雷达系统，其中所述雷达系统包括生成信号的信号发生器。所述雷达系统还包括发射天线阵列，所述发射天线阵列基于由所述信号发生器生成的所述信号同时发出相应啁啾序列，其中所述发射天线阵列中的每个发射天线在所述FMCW雷达系统的速度谱内生成唯一速度偏移，并且进一步其中分别由所述阵列中的所述发射天线生成的所述速度偏移在所述FMCW雷达系统的FMCW雷达接收器的所述速度谱上非均匀地分布。
(E2)在如(E1)所述的FMCW雷达系统的一些实施例中，所述发射天线阵列包括两个与五十个之间的天线。
(E3)在如(E1)至(E2)中任一项所述的FMCW雷达系统的一些实施例中，所述发射天线阵列中的所述发射天线相对于彼此均匀地间隔。
(E4)在如(E1)至(E2)中任一项所述的FMCW雷达系统的一些实施例中，所述发射天线阵列中的所述发射天线相对于彼此非均匀地间隔。
(E5)在如(E1)至(E4)中任一项所述的FMCW雷达系统的一些实施例中，所述发射天线阵列是具有相对于彼此水平和竖直偏移布置的天线的二维阵列。
(E6)在如(E1)至(E5)中任一项所述的FMCW雷达系统的一些实施例中，所述FMCW雷达系统包括：接收天线，所述接收天线被配置来接收对应于由所述发射天线阵列中的天线发出的一系列啁啾的回波信号；和处理电路，所述处理电路耦接到所述接收天线，其中所述处理电路基于所述回波信号生成检测，并且进一步其中所述检测包括所述FMCW雷达系统与物体之间的所述物体的范围、所述物体相对于所述FMCW雷达系统的速度、以及所述物体相对于所述FMCW雷达系统的角度。
(E7)在如(E1)-(E6)中任一项所述的FMCW雷达系统的一些实施例中，所述快速斜坡FMCW雷达系统包括在AV中，其中所述AV基于所述检测执行驾驶操纵。
(E8)在如(E1)-(E7)中任一项所述的FMCW雷达系统的一些实施例中，所述雷达系统还包括检测回波信号的接收天线阵列，所述回波信号是基于由所述发射天线阵列发出的所述啁啾序列。所述雷达系统还包括处理电路，所述处理电路与所述接收天线进行通信，其中所述处理电路基于所述回波信号计算物体相对于所述FMCW雷达系统的速度。
以上描述的是包括一个或多个实施例的示例。当然不可能出于描述以上提及的方法的目的而描述以上装置或方法的每一可想到的修改和更改，但本领域的普通技术人员之一可认识到，各种方面的许多另外的修改和排列是可能的。因此，所描述的方面意图涵盖落在所附权利要求的范围内的所有此类更改、修改和变型。此外，就本细节说明书或权利要求中所用的术语“包括(include)”来说，此类术语意图以与术语“包括(comprising)”在其在权利要求中用作过渡词时被解释时类似的方式具有包括性。

Claims (20)

1.一种快速斜坡调频连续波(FMCW)雷达系统，包括：
信号发生器，所述信号发生器生成信号；和
发射天线阵列，所述发射天线阵列基于由所述信号发生器生成的所述信号同时发出相应啁啾序列，其中所述发射天线阵列中的每个发射天线在所述FMCW雷达系统的速度谱内生成唯一速度偏移，并且进一步其中分别由所述阵列中的所述发射天线生成的所述速度偏移在所述快速斜坡FMCW雷达系统的FMCW雷达接收器的所述速度谱上非均匀地分布。
2.如权利要求1所述的快速斜坡FMCW雷达系统，其中所述发射天线阵列包括两个与五十个之间的天线。
3.如权利要求1所述的快速斜坡FMCW雷达系统，其中所述发射天线阵列中的所述发射天线相对于彼此均匀地间隔。
4.如权利要求1所述的快速斜坡FMCW雷达系统，其中所述发射天线阵列中的所述发射天线相对于彼此非均匀地间隔。
5.如权利要求1所述的快速斜坡FMCW雷达系统，其中所述发射天线阵列是具有相对于彼此水平和竖直偏移布置的天线的二维阵列。
6.如权利要求1所述的快速斜坡FMCW雷达系统，进一步包括：
接收天线，所述接收天线被配置来接收对应于由所述发射天线阵列中的天线发出的一系列啁啾的回波信号；和
处理电路，所述处理电路耦接到所述接收天线，其中所述处理电路基于所述回波信号生成检测，并且进一步其中所述检测包括所述FMCW雷达系统与物体之间的所述物体的范围、所述物体相对于所述FMCW雷达系统的速度、以及所述物体相对于所述FMCW雷达系统的角度。
7.如权利要求6所述的包括在自主车辆(AV)中的快速斜坡FMCW雷达系统，其中所述AV基于所述检测执行驾驶操纵。
8.如权利要求1所述的快速斜坡FMCW雷达系统，进一步包括：
接收天线阵列，所述接收天线阵列检测回波信号，所述回波信号是基于由所述发射天线阵列发出的所述啁啾序列；和
处理电路，所述处理电路与所述接收天线进行通信，其中所述处理电路基于所述回波信号计算物体相对于所述FMCW雷达系统的速度。
9.一种方法，包括：
通过快速斜坡调频连续波(FMCW)雷达系统的信号发生器来生成信号；
基于所述信号通过所述FMCW雷达系统的多个发射天线发射包括相应啁啾序列的发射信号，其中所述发射信号分配有分别对应于所述快速斜坡FMCW雷达系统的接收器的速度谱中的速度偏移的不同相位变化率，其中所述速度偏移跨所述快速斜坡FMCW雷达系统的所述接收器的所述速度谱非均匀地分布。
10.如权利要求9所述的方法，其中发射所述发射信号包括：
通过所述多个发射天线中的第一发射天线发射包括第一啁啾序列的第一发射信号，其中所述第一啁啾序列包括具有第一相位的第一啁啾，紧接之后是具有第二相位的第二啁啾，并且进一步其中所述第一相位与所述第二相位之间的差是基于分配给所述第一发射天线的第一相位变化率；和
通过所述多个发射天线中的第二发射天线发射包括第二啁啾序列的第二发射信号，其中所述第二啁啾序列包括具有第三相位的第三啁啾，紧接之后是具有第四相位的第四啁啾，并且进一步其中所述第三相位与所述第四相位之间的差是基于分配给所述第二发射天线的第二相位变化率，所述第一相位变化率不同于所述第二相位变化率。
11.如权利要求10所述的方法，其中所述第一发射天线从所述第二发射天线水平地移位。
12.如权利要求10所述的方法，其中所述第一发射天线从所述第二发射天线竖直地移位。
13.如权利要求9所述的方法，其中所述多个发射天线包括在发射天线的二维阵列中。
14.如权利要求9所述的方法，其中所述多个发射天线包括相对于彼此均匀地间隔的两个与五十个之间的天线。
15.如权利要求9所述的方法，其中所述多个发射天线包括相对于非彼此均匀地间隔的两个与五十个之间的天线。
16.如权利要求9所述的方法，进一步包括：
通过接收天线检测回波信号，所述回波信号基于由至少一个发射天线发出的至少一个发射信号；和
基于所述回波信号计算物体相对于所述FMCW雷达系统的速度。
17.如权利要求16所述的方法，进一步包括：
基于所述物体相对于所述FMCW雷达系统的所计算的速度来控制自主车辆(AV)的推进系统、制动系统或转向系统中的至少一者。
18.一种自主车辆(AV)，包括：
快速斜坡调频连续波(FMCW)雷达系统，所述FMCW雷达系统被配置来执行动作，所述动作包括：
通过所述快速斜坡FMCW雷达系统的信号发生器来生成信号；和
基于所述信号通过所述快速斜坡FMCW雷达系统的多个发射天线发射包括相应啁啾序列的发射信号，其中所述发射信号分配有分别对应于所述快速斜坡FMCW雷达系统的接收器的速度谱中的速度偏移的不同相位变化率，其中所述速度偏移跨所述快速斜坡FMCW雷达系统的所述接收器的所述速度谱非均匀地分布。
19.如权利要求18所述的AV，进一步包括计算系统，所述计算系统与所述快速斜坡FMCW雷达系统进行通信，其中所述快速斜坡FMCW雷达系统被配置来基于所述发射信号中的至少一个发射信号计算物体相对于所述快速斜坡FMCW雷达系统的速度，并且进一步其中所述计算系统被配置来基于所述物体相对于所述快速斜坡FMCW雷达系统的所计算的速度来控制所述AV的推进系统、制动系统或转向系统中的至少一者。
20.如权利要求18所述的AV，其中在所述多个发射天线中存在两个与五十个之间的发射天线。
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