CN116324496A - 使用表面穿透雷达系统和多普勒频移监测车辆运动 - Google Patents
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Abstract
利用表面穿透雷达信号的多普勒分析来计算或估计与车辆运动相关的参数。多普勒频移可能源于来自行驶中的车辆前方(或后方)的表面下或表面上特征的反射，在这种情况下，车辆速度可以是根据频移计算的；或者可能源自车辆正下方的表面或表面下特征的反射，在这种情况下，频移对应于可用于感测车辆悬架系统的性能或变化的垂直速度。
Description
相关申请的交叉引用
本申请要求2020年7月23日提交的美国序列号63/055,485的优先权和权益。
技术领域
本发明总体上涉及车辆路线规划，尤其涉及使用表面穿透雷达(SPR)系统的车辆路线规划。
背景技术
已经开发了各种导航系统，为车辆驾驶员提供指定的起始位置和目的位置之间的路线规划。通常，从大型道路数据库中选择一条或多条路线。导航系统通常包括一个或多个位置确定设备，例如，全球定位系统(GPS)接收机，以指示车辆相对于数据库中道路的当前位置。传统上，路线规划是基于某些用户指定的标准来执行的，例如，最短距离或最快行驶时间。在越野条件下，车辆在未铺路面的道路或轨道上行驶，这些道路或轨道可能以沙子、砾石、泥浆、雪、岩石和其他自然地形为特征，利用传统技术进行路线规划仍然具有挑战性。例如，根据条件和地形，越野行驶可能需要特别装备的车辆；然而，传统的导航技术没有考虑这些因素。
如美国专利号8,949,024中所述的，可以获得并分析沿车辆路径的表面和表面下特征的SPR图像，以定位车辆。特别地，可以基于与先前获取的SPR图像相关联的位置来建立当前车辆位置。例如，可以使用图像相关或其他合适的技术将新的SPR图像与先前获取的SPR图像进行比较。
尽管该方法可以提供准确的位置信息，但关联图像所涉及的处理量通常排除了使用SPR定位技术来确定车辆速度。相比之下，GPS系统可以使用两个GPS点(位置)和GPS接收机时钟(非常准确，定期与GPS卫星上的原子钟同步)来报告速度。
发明内容
本发明的实施例利用SPR信号的多普勒分析来计算或估计与车辆运动相关的参数。多普勒频移可能源于来自行驶中的车辆前方(或后方)的表面下或表面上特征的反射，在这种情况下，车辆速度可以是根据频移计算的；或者可能源自车辆正下方的表面或表面下特征的反射，在这种情况下，频移对应于可用于感测车辆悬架系统的性能或变化的垂直速度。
因此，在第一方面，本发明涉及一种导航系统，在各种实施例中，该导航系统包括SPR(例如，探地雷达(GPR))系统；图像生成模块，用于将来自SPR系统的信号处理成包括表面下特征的图像；导航系统，用于基于由图像生成模块生成的图像和参考SPR图像库来确定位置；多普勒滤波器，用于从来自SPR系统的信号中提取多普勒频移；以及速度计算模块，用于从提取的多普勒频移中确定垂直或水平速度中的至少一个。
SPR系统可以包括多个成角度的天线元件，以在水平运动期间产生水平多普勒频移分量，并且速度计算模块可以被配置为从水平多普勒频移分量计算水平行驶速度。在一些实施例中，SPR系统包括多个成角度的天线元件，以在垂直运动期间产生垂直多普勒频移分量。速度计算模块可以被配置为从垂直多普勒频移分量计算至少一个运动参数。
在各种实施例中，还包括地形监测模块，用于从图像生成模块生成的图像中确定地形特征，并且速度计算模块还可以被配置为至少部分地基于地形特征和运动参数评估悬架性能。在一些实施例中，速度计算模块还被配置为至少部分地基于运动参数评估悬架性能。可以至少部分地基于多普勒扩展来计算水平速度。
另一方面，本发明涉及一种导航方法。在各种实施例中，该方法包括以下步骤：将从与车辆集成的SPR系统接收的信号在计算上处理成包括表面下特征的图像；基于图像和参考SPR图像库在计算上确定位置；从来自SPR系统的信号中提取多普勒频移；以及从提取的多普勒频移中确定垂直或水平速度中的至少一个。
信号可以由多个成角度的天线元件接收，以在车辆的水平运动期间产生水平多普勒频移分量，并且该方法还可以包括从水平多普勒频移分量计算水平行驶速度。替代地或者附加地，信号可以由多个成角度的天线元件接收，以在垂直运动期间产生垂直多普勒频移分量，在这种情况下，该方法可以包括从垂直多普勒频移分量计算至少一个运动参数的步骤。
在一些实施例中，该方法可还包括从图像中确定地形特征以及至少部分地基于地形特征和运动参数来评估悬架性能的步骤。可以至少部分地基于多普勒扩展来计算水平速度。
如本文所用，术语“基本上”是指±10％，在一些实施例中，是指±5％。在整个说明书中，对“一个示例”、“示例”、“一个实施例”或“实施例”的引用意味着结合示例描述的特定特征、结构或特性包括在本技术的至少一个示例中。因此，短语“在一个示例中”、“在示例中”、“一个实施例”或“实施例”出现在本说明书各处，不一定都指同一示例。此外，特定的特征、结构、例程、步骤或特性可以以任何合适的方式在该技术的一个或多个示例中组合。本文提供的标题仅是为了方便，并不旨在限制或解释所要求保护的技术的范围或含义。
附图说明
结合附图，将更容易理解前述和以下详细说明，其中：
图1A示意性示出了包括根据本发明的实施例的地形监测系统的示例性行驶车辆。
图1B示意性示出了一种替代配置，其中，地形监测系统的天线更靠近或接触路面。
图2示意性描述了根据本发明的实施例的示例性架构系统。
具体实施方式
众所周知，多普勒效应(或多普勒频移)是相对于相对波源移动的观察者而言的波的频率变化。雷达车速探测器将微波辐射导向行驶中的车辆，并且检测因多普勒效应而发生频移的反射波；该频移对应于车辆速度，并且可以计算源和目标之间的相对速度。特别地，从移动目标反射的回波信号的多普勒频移被表示为
其中，fD是以Hz为单位的频移，v是目标的速度，λ是信号的波长，θ是由目标的行进方向和目标的雷达视线所定义的角度。例如，在美国专利号7,136,736中描述了从多普勒频移计算速度。
图1A描绘了在预定路线104上行驶的示例性车辆102；车辆102设置有用于据此进行车辆导航的地形监测系统106。在各种实施例中，地形监测系统106包括SPR系统108，该SPR系统具有固定到车辆102前面(或任何合适的部分)的探地雷达(GPR)天线阵列110。GPR天线阵列110通常平行于地面定向，并垂直于行进方向延伸。在替代配置中，GPR天线阵列110更靠近或接触路面(图1B)。在一个实施例中，GPR天线阵列110包括用于向道路发射GPR信号的空间不变天线元件的线性配置；GPR信号可以通过路面传播到表面下区域并向上反射。反射的GPR信号可以被GPR天线阵列110中的接收天线元件检测到。在各种实施例中，然后，处理和分析检测到的GPR信号，以生成沿着车辆102的轨迹的表面下区域的一个或多个SPR图像(例如，GPR图像)。如果SPR天线阵列110不与表面接触，接收到的最强的回波信号可能是由路面引起的反射。因此，SPR图像可以包括表面数据，即表示表面下区域与空气或局部环境的界面的数据。
为了定位，可将SPR图像与先前为表面下区域获取和存储的SPR参考图像进行比较，这些表面下区域至少部分地与限定路线的表面下区域重叠。图像比较可以是基于例如相关性的配准过程；参见例如上述’024专利和美国专利号8,786,485。然后，可以基于该比较来确定车辆102的位置。
此外，基于获取的SPR图像和SPR参考图像的比较确定的位置数据可用于创建位置图，包括车辆102已行驶的路线。附加地或替代地，车辆104的位置数据可以与由现有地图(例如，由谷歌地图提供)和/或一个或多个其他传感器或导航系统(例如，惯性导航系统(INS)、GPS、声音导航和测距(SONAR)系统、光探测和测距(LIDAR)系统、相机、惯性测量单元(IMU)和辅助雷达系统)提供的数据结合使用，以引导车辆102。例如，控制器112可以将获得的SPR信息定位到由GPS生成的现有地图。例如，在’024专利中描述了利用SPR系统进行车辆导航和定位的方法。
本发明的实施例从回波GPR信号中提取多普勒信号。为此目的，可以采用多普勒滤波器，并且可以通过谐振滤波器被实现为硬件，或者在接收到的信号数字化之后，被实现为软件程序。例如，对于以55mph行驶的车辆，滤波器可以具有足够高的采样率，来区分20Hz和250MHz的中心频率。然后，可以将滤波器添加到通过例如模数转换器的原始数据的处理中。
如果天线阵列110的元件被布置成使得基本上垂直发射GPR信号(即，垂直于车辆行驶的方向)，则多普勒信号指示垂直速度。该速度可用于检测车辆悬架系统中的缺陷或异常，作为随着时间平均化(因为弱悬架将允许平均太多的“弹跳”)的绝对峰值测量，或者相对于地形考虑。例如，如美国专利公开号2021/0018323中所描述的，GPR可用于地形监测系统，该系统能够跟踪车辆行驶的地形的粗糙度。在基于给定地形的预期弹跳水平对车辆悬架系统的性能进行评分时，可以考虑这种监测到的粗糙度。弹跳通常由三个参数指定：弹跳过冲、建立时间和频率，反映阻尼谐波振荡。这有时被称为弹跳瞬态响应。
根据天线阵列110的元件的方向，雷达信号可以包括如图1A中的120所示的水平分量。该水平分量可以撞击地形下特征或表面特征(例如，消防栓125)并反射，以产生指示车辆行驶速度的多普勒信号。多普勒信号将包含对应于车辆弹跳和行驶速度的垂直和水平分量。在典型的行驶速度下，这两个分量的多普勒频移会有很大的不同，这两个分量可以分别提取。
特别地，行驶速度可表现为多普勒扩展(向前和向后)。也可以提取垂直速度，但在低频下测量可能会有挑战性。基于多普勒扩展快速傅立叶变换的偏置偏移或者基于所得回波的时间，水平和垂直分量可以是可区分的。通过过滤回波以补偿角地面反射时间，来自表面的较长回波时间可以指示较宽的角度和多普勒扩展。较短的回波时间表示更近的表面，并且表示垂直多普勒回波。
多普勒扩展取决于天线模式的波束宽度和形状，通常包括正部分和负部分(在汽车前方，多普勒频移为正，而在汽车后方，多普勒频移为负)。可以经由直接计算或者通过将该扩展与来自先前获取的数据的速度相关联，来从该扩展中确定速度。可以使用任何数量的常规频率估计方法，包括但不限于傅立叶变换、Pisarenko方法、MUSIC或特征向量方法。
除了多普勒效应的瞬时回波之外，还可以通过观察随时间的回波来测量速度，即测量在GPR图像(以x轴为时间)中形成的双曲线的角度，并将其与在已知速度下在地图中形成的双曲线的角度进行比较，以供参考。更陡的双曲线表示速度更快。此外，已知的表面标志(例如，已知直径的人孔盖)可以以类似的方式使用，测量物体经过时的速度。简单地具有被观察物体的比例信息和离传感器的距离就足以计算速度。
也可获得基于GPR的位置变化的测量值，并与基于多普勒的速度测量值进行平均。特别地，可以从GPR数据和通过除以时间间隔计算的速度中计算位置的变化，并且这可以在导航滤波器中进行平均或者以其他方式与速度的多普勒测量值(和/或其他可用测量值)相结合。
图2描绘了在车辆102中实施的示例性地形监测系统(例如，SPR系统108)，用于据此提供最佳路线。为了便于导航，SPR系统108可以包括用户界面202，用户可以通过用户界面输入数据来定义路线，或者选择预定义的路线。根据路线从SPR参考图像源204检索SPR图像。SPR系统108还包括具有SPR天线阵列110的移动SPR系统(“移动系统”)206。移动SPR系统206的发射操作由控制器(例如，处理器)208控制，该控制器也接收由SPR天线阵列110检测的回波SPR信号。控制器208包括图像生成模块210或与其通信，图像生成模块根据例如上述’024和’485专利生成路面下方的表面下区域的和/或SPR天线阵列110下面的路面的SPR图像。SPR图像包括代表表面下区域内和/或路面上的结构和物体的特征(例如，岩石、树根、巨砾、管道、空隙和土壤分层)以及指示表面下/表面区域中的土壤或材料属性的变化的其他特征。控制器208还包括传统的多普勒滤波器212或与其通信。
在各种实施例中，配准模块215将模块210提供的SPR图像与从SPR参考图像源204检索的SPR图像进行比较，以确定车辆102的位置(例如，车辆相对于路线上最近点的偏移)。在配准过程中确定的位置信息(例如，偏移数据或位置误差数据)可以被提供给转换模块218，该转换模块创建用于导航车辆102的位置地图。例如，转换模块218可以生成针对车辆位置偏离路线而校正的GPS数据。替代地，转换模块218可以从地图源220(例如，其他导航系统，例如，GPS或地图服务)检索现有地图，然后将所获得的位置信息定位到现有地图。在一个实施例中，预定义路线的位置地图存储在系统存储器和/或控制器208可访问的存储设备中的数据库222中。
多普勒滤波器212从回波GPR信号中提取水平和/或垂直多普勒频移。速度计算模块225基于水平分量和等式1计算车辆的行驶速度；在一些实施例中，将该值提供给用户界面202，以显示给用户。此外，计算模块225可以从垂直多普勒频移中计算车辆的弹跳。
地形监测模块230根据上述’8323申请分析模块210生成的图像，以表征车辆当前行驶的地形。速度计算模块225可以基于计算出的垂直速度和观察到的地形对车辆悬架系统的性能进行评分，并且如果分数超出规定的限制，则经由用户界面202向驾驶员发出警报。替代地或附加地，为了诊断目的，可以定期存储计算出的分数。
在车辆中实现的控制器208、图像生成模块210和多普勒滤波器212可以包括在硬件、软件或二者组合中实施的一个或多个模块。对于功能被提供为一个或多个软件程序的实施例，程序可以用多种高级语言中的任何一种来编写，例如，PYTHON、FORTRAN、PASCAL、JAVA、C、C++、C#、BASIC、各种脚本语言和/或HTML。此外，软件可以用针对驻留在目标计算机上的微处理器的汇编语言来实现；例如，如果软件被配置为在IBM PC或PC克隆上运行，则该软件可以用Intel 80x86汇编语言来实现。软件可以包含在制造品上，包括但不限于软盘、跳跃驱动器、硬盘、光盘、磁带、PROM、EPROM、EEPROM、现场可编程门阵列或CD-ROM。使用硬件电路的实施例可以使用例如一个或多个FPGA、CPLD或ASIC处理器来实现。
本文使用的术语和表达用作描述性的术语和表达，而不是限制性的，并且在使用这些术语和表达时，没有排除所示出和描述的特征或其部分的任何等同物的意图。此外，已经描述了本发明的某些实施例，对于本领域普通技术人员来说显而易见的是，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以使用包含本文公开的概念的其他实施例。因此，所描述的实施例在所有方面都应被认为仅仅是说明性的而非限制性的。
Claims (17)
1.一种导航系统，包括：
表面穿透雷达(SPR)系统：
图像生成模块，用于将来自SPR系统的信号处理成包括表面下特征的图像；
导航系统，用于基于由所述图像生成模块生成的图像和参考SPR图像库来确定位置；
多普勒滤波器，用于从来自所述SPR系统的信号中提取多普勒频移；以及
速度计算模块，用于从提取的多普勒频移中确定垂直或水平速度中的至少一个。
2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述SPR系统包括多个成角度的天线元件，以在水平运动期间产生水平多普勒频移分量。
3.根据权利要求2所述的系统，其中，所述速度计算模块被配置为从所述水平多普勒频移分量计算水平行驶速度。
4.根据权利要求1所述的系统，其中，所述SPR系统包括多个成角度的天线元件，以在垂直运动期间产生垂直多普勒频移分量。
5.根据权利要求4所述的系统，其中，所述速度计算模块被配置为从所述垂直多普勒频移分量计算至少一个运动参数。
6.根据权利要求5所述的系统，还包括地形监测模块，用于从所述图像生成模块生成的图像中确定地形特征，所述速度计算模块还被配置为至少部分地基于所述地形特征和所述至少一个运动参数来评估悬架性能。
7.根据权利要求5所述的系统，其中，所述速度计算模块还被配置为至少部分地基于运动参数来评估悬架性能。
8.根据权利要求1所述的系统，其中，所述SPR系统包括探地雷达(GPR)系统。
9.根据权利要求1所述的系统，其中，至少部分地基于多普勒扩展来计算所述水平速度。
10.一种导航方法，包括以下步骤：
将从与车辆集成的SPR系统接收的信号在计算上处理成包括表面下特征的图像；
基于所述图像和参考SPR图像库在计算上确定位置；
从来自所述SPR系统的信号中提取多普勒频移；以及
从提取的多普勒频移中确定垂直或水平速度中的至少一个。
11.根据权利要求10所述的方法，其中，所述信号由多个成角度的天线元件接收，以在所述车辆的水平运动期间产生水平多普勒频移分量。
12.根据权利要求11所述的方法，还包括从所述水平多普勒频移分量计算水平行驶速度的步骤。
13.根据权利要求10所述的方法，其中，所述信号由多个成角度的天线元件接收，以在垂直运动期间产生垂直多普勒频移分量。
14.根据权利要求13所述的方法，还包括从所述垂直多普勒频移分量计算至少一个运动参数的步骤。
15.根据权利要求14所述的方法，还包括以下步骤：
从所述图像中确定地形特征；以及
至少部分地基于所述地形特征和所述至少一个运动参数来评估悬架性能。
16.根据权利要求10所述的方法，其中，所述SPR系统包括探地雷达(GPR)系统。
17.根据权利要求10所述的方法，其中，至少部分地基于多普勒扩展来计算所述水平速度。
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