CN117716403A - 用于车辆交通信令的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

提供了一种包括电子或机动雷达交通标志的雷达交通标志装置。电子标志具有至少一个超表面以形成复杂的构造，诸如平面和/或角反射器。每个超表面具有用于可控元件的PCB板的顶层、接地层以及包括二极管或开关的偏置部件。标志的状态能够通过附接到顶层的元件来改变。在偏置部件处施加的偏置电压使得至少一个元件的状态改变以及超表面的操作模式切换。机动标志可以包括多个平面以形成具有适当RCS的特定角反射器。机动标志的方向或开口能够被控制。雷达交通标志具有反射雷达信号的ON模式和不反射雷达信号的OFF模式。

Description

用于车辆交通信令的系统和方法
交叉引用
本申请涉及标题为“System And Method For Vehicle Traffic Signaling”的于2021年7月30日提交的美国申请No.63/227,715并要求其优先权。
技术领域
本公开一般而言涉及车辆，并且具体地涉及用于交通信令的系统和方法。
背景技术
道路交叉口(例如，道路十字路口)可以是车辆、行人和自行车的危险区域。它们可以是任何东西，从复杂的高速公路立交桥到基本的农村直角十字路口。十字路口碰撞是普遍的，因为交通常常在多个方向行进，并且发生碰撞的可能性很大。分心的驾驶员、不负责任的驾驶、高速和视力不佳都会导致灾难性的交叉口碰撞。无论什么情况，交叉口事故可能是灾难性的，导致致命的身体伤害和代价高昂的汽车损坏。
最基本的防撞系统是十字路口交通信号，诸如红绿灯、左转和右转信号灯等。这些交通信号在指挥交通和预防大多数十字路口事故方面非常成功。在十字路口处实现传感器和其它类型的检测设备并预测各种行人和车辆的位置和方向也是预防十字路口事故的解决方案。在几项发明中，特别是自主应用中，一些电信或无线电链路(诸如车辆对车辆(V2V)、车辆对基础设施(V2I)和车辆对万物(V2X)平台)被用于将车辆连接到控制中心和其它车辆或甚至行人以预测任何碰撞和危险情况。
发明内容
根据一方面，提供了一种电子雷达交通标志，其包括多个超表面以形成平面反射器或角反射器或任何类型的反射器。每个超表面包括用于顶部元件的印刷电路板(PCB)板的顶层、PCB的接地层、位于顶层中或接地层下方的附加层中的包括至少一个二极管或开关的偏置部件，以及附接到PCB板的顶层的至少一个元件，其中该至少一个元件中的每个元件具有至少两种状态并且由对应的偏置部件控制。在至少一个偏置部件处施加的偏置电压使得元件的状态改变以及超表面的操作模式切换。
根据另一方面，提供了一种机动雷达交通标志，其包括多个平面以形成角反射器。每个平面包括高电导体、或具有镀有良好电导体的内壁的非高电导体中的至少一种。
根据另一方面，提供了一种电子雷达交通标志装置。该装置至少包括超表面平面。每个超表面平面包括印刷电路板(PCB)的接地层、介电基板、PCB板的顶层以及连接到PCB板的顶层的至少一个元件。顶层或接地层下方的附加层包括至少一个偏置部件。至少一个元件中的每个元件具有至少两种状态并且由对应的偏置部件控制。在至少一个偏置部件处施加的偏置电压使得元件的状态改变以及超表面的操作模式切换。
在各个进一步的方面中，本公开提供了对应的系统和设备，以及用于实现此类系统、设备和方法的逻辑结构，诸如机器可执行的编码的指令集。
为此，在详细解释至少一个实施例之前，应该理解的是，实施例在应用中不限于以下描述中阐述的或附图中示出的构造细节和组件的布置。而且，应该理解的是，本文采用的措辞和术语是为了描述的目的并且不应当被视为限制。
在阅读本公开之后，本领域技术人员将清楚涉及本文描述的实施例的许多进一步的特征及其组合。
附图说明
将参考附图仅通过示例的方式描述实施例，其中在附图中：
图1图示了根据一些实施例的智能超表面反射器系统的示例；
图2图示了根据一些实施例的超表面(MS)的示例；
图3A和图3B图示了根据一些实施例的MS操作模式的示例；
图4A至图4D图示了根据一些实施例的角反射器的示例；
图5以框图图示了根据一些实施例的FMCW雷达传感器的示例；
图6以曲线图图示了根据一些实施例的FMCW雷达中的四个传输和接收的啁啾的帧的示例；
图7A图示了根据一些实施例的电子方形三面角反射器的模拟示例；
图7B图示了根据一些实施例的超表面平面的侧视图和四贴片元件的顶视图；
图8A图示了根据一些实施例的图7A中超表面角反射器对于两种偏置模式和频率范围70GHz至80GHz的RCS模拟的示例；
图8B和图8C图示了根据一些实施例的图7A中超表面角反射器对于两种偏置模式、频率76GHz、且-90°≤θ<90°的RCS振幅的E平面的示例；
图9A和图9B图示了根据一些实施例的针对FMCW 24GHz雷达和机械方形三面角反射器的两个实际测试的示例；
图9C图示了根据一些实施例的在雷达传感器中从图9A和图9B中的角反射器并且在距离近似185m处接收到的IF信号的两个样本；
图10图示了根据一些实施例的雷达交通标志应用的示例；
图11图示了根据一些实施例的由雷达交通标志道路十字路口应用处置的阻塞十字路口场景；
图12图示了根据一些实施例的雷达交通标志道路/铁路应用的示例；
图13图示了根据一些实施例的由雷达交通标志道路十字路口应用处置的阻塞道路/铁路人行横道场景；
图14和图15图示了根据一些实施例的雷达交通警告信令的示例；
图16A图示了根据一些实施例的车辆中的长距离雷达和雷达停止标志的构造的示例；
图16B图示了根据一些实施例的车辆中的长距离雷达和雷达停止标志的构造的另一个示例；
图17A图示了根据一些实施例的每列火车中的长距离雷达与雷达停止标志的构造的示例；
图17B图示了根据一些实施例的每列火车中的长距离雷达与雷达停止标志的构造的另一个示例；
图18以调用流程图图示了根据一些实施例的用于控制车辆的驾驶状态的协议的示例；以及
图19是诸如服务器或设备中的其它计算机之类的计算设备的示意图。
应该理解的是，在整个描述和附图中，相似的特征由相似的附图标记识别。
具体实施方式
通过参考附图描述方法、系统和装置的实施例。申请人注意到，所描述的实施例和示例是说明性而非限制性的。特征的实际实施方式可以结合一些或所有方面的组合，并且本文描述的特征不应当被视为未来或现有产品计划的指示。
在一些实施例中，提供了先进的驾驶员辅助和自主车辆雷达交通标志。由超表面反射器制成的可控雷达交通标志可以在例如从近似76吉赫兹(GHz)至近似81GHz或近似24GHz至近似24.25GHz的自动车辆频率范围的频率范围内操作。应当理解的是，可以使用其它频率范围。可控雷达交通标志还可以至少具有反射和非反射状态。这个标志可以具有不同的构造和形状以及尺寸以增加其雷达横截面(RCS)并创建用于不同雷达交通标志的不同编码的明显特征，所述构造和形状包括但不限于单平面反射器、三角形三面角反射器、圆形三面角反射器、方形三面角反射器或它们的组合。雷达交通标志可以用在用于车辆、火车和无人机的不同应用中，包括但不限于停止标志和事故预警标志。
在一些实施例中，机动雷达交通标志可以包括由电导体材料制成的内壁。这个雷达交通标志可以被机械控制，并且至少具有“ON(开启)”和“OFF(关闭)”状态。雷达交通标志可以旋转或改变其角度，并且其ON和OFF状态可以以特定速率改变。在ON状态下，它可以反射在适当RCS下的入射波，而在OFF状态下，反射信号可以非常低。这个标志可以具有不同的构造和形状，包括但不限于三角形三面角反射器、圆形三面角反射器、方形三面角反射器或它们的组合。可以调整雷达交通标志的尺寸以增加其RCS并为不同的雷达交通标志创建不同编码的明显特征。机动雷达交通标志还可以用在用于车辆、火车和无人机的不同应用中，包括但不限于类似于超表面雷达交通标志的停止标志和事故预警标志。
可以用包括但不限于短距离雷达和相机的多个传感器来监视道路十字路口的情况。可以通过点对多点或车辆对基础设施(V2I)通信无线电链路在其它车辆或火车中实时监视事故预警信号和十字路口情况。
本文的描述描述了针对道路马达车辆、火车和无人机的实施例。但是，本文的教导可以被配置为应用于任何车辆或移动物体。
道路十字路口
雷达传感器在现代车辆安全性系统中与相机、超声波、光探测和测距(LIDAR)以及其它传感器结合使用，以获得关于车辆环境的信息。雷达传感器用在自主和非自主系统两者中，并且驾驶员和行人以多种方式从这些传感器受益。此类雷达系统可以用于自适应巡航控制、碰撞警告、自动距离控制、停车辅助、碰撞警告和盲点检测。与其它传感器相比，雷达的优势之一是它能够透过和穿透物体和材料，特别是在恶劣的天气条件下，诸如大雨、能见度低的雾天或积雪的道路。虽然此类雷达系统已被证明在使用中具有稳健性，但它们在车辆和其它位置上的性能通常受到要求相对大的结构以产生足够的雷达横截面(RCS)供雷达系统检测那些结构的限制。
雷达传感器目前提供物体位置、速度和角度，但它们不具有高图像分辨率。对于一些情况，诸如道路人行横道，要求具有广泛信号处理的高分辨率雷达来检测现有的小物体，特别是具有低RCS的那些。这些传感器价格昂贵，并且比其它传感器需要更多的功率。越来越需要改进传感器系统和方法，这些系统和方法增强在某些环境条件下的车辆操作和驾驶员能见度。
铁路十字路口
根据当前技术状况，诸如跨越道路整个宽度的路障之类的安全系统无法检测障碍物的存在。例如，车辆在驶过人行横道时会被卡住，并在降低的路障之间停下来。这种情况引起与驶近的火车发生事故的风险。除了路障之外，还可以使用其它警告系统，诸如可听警报或闪烁的红灯。只有在发出这些警告信号之后，车辆和行人才会被禁止进入铁路人行横道。
此外，控制中心通常负责总体铁路信号系统并监视铁路上的火车。火车必须从控制中心接收驾驶或停止的命令。由于火车的高速度和/或动量，其停车距离长。通常，停车距离从数百米到几公里不等，并且需要花费数十秒来停止。如果出现可能导致事故的情况，那么驾驶员必须在铁路人行横道之前远离十字路口的地方认识到控制火车速度并停止。大多数铁路十字路口没有警告系统，并且提高安全性水平需要可以准确预测和分析复杂场景的报警平台以便应对多种潜在危险和事故。这个平台应当可靠、实时且具有成本效益，特别是在偏远地区。
超表面
超表面(MS)是光学上薄的致密的结构元件的二维阵列，拥有由具有通常共振行为的构成元件赋予的不寻常且有用的性质。超表面(MS)可以被设计为操纵入射波，即，反射、透射或吸收入射波。所需的MS与电磁波的交互可以通过适当设计其组成元件的特性来实现；包括几何形状、材料以及它们相对于彼此的布置。控制MS的性质的常见方法是采用集总网络元件，诸如电容器、电感器或电阻器。
在一些实施例中，一旦设计了此类MS，它们就不能改变它们的功能性和电磁性质，并且它们具有固定的反射和透射特性。当元件可控时，结果所得的超表面将是可调整的。这种智能超表面可以通过改变外部条件而具有两种或更多种不同的操作模式。适当的外部控制机构的选择主要由操作频率范围确定。
存在用于超表面的三种常见控制方法，包括物理改变、材料状态改变和可控电路元件的使用。前两种方法几乎覆盖了从微波到光学器件的所有频谱，而第三种方法仅适用于微波。组成元件的结构的物理改变可以通过机械操纵或者利用微流体或微机电系统(MEMS)来实现。在第二种方法中，通常采用具有可变性质的材料板(诸如铁氧体、半导体或相变材料)作为用于产生可调谐MS的金属夹杂物的基板。在微波频率中常见的第三种方法中，采用固态二极管或开关来实现可控超表面。
雷达传感器和检测
许多车辆(尤其是自主汽车)配备有脉冲或频率调制的连续波(FMCW)雷达。这些雷达可以是短距离雷达(SRR)、中距离雷达(MRR)和长距离雷达(LRR)，最大测量范围分别至多可达近似30米(m)、150m和250m。雷达系统可操作以生成频率范围为近似10GHz至近似200GHz的电磁雷达辐射。可选地，雷达系统可以是FMCW雷达，以生成频率范围为近似76GHz至近似81GHz的电磁波。可替代地，雷达系统可以是FMCW雷达，以生成频率范围为近似24GHz至近似24.25GHz的电磁雷达辐射。这些雷达传感器可以用于车辆或火车中的不同应用。
简单雷达传感器周围的许多物体具有低RCS和低反射。它们不能用于防撞场景，尤其是对于不具有高范围和角度分辨率的简单雷达传感器。在一些设计中，提出并应用雷达反射器来有效地反射传入的雷达电磁信号。它们可以在安全背心、路边反光器和自行车中找到。这种反射器的示例是角反射器。这些反射器用于从物体生成强烈的雷达回波。传入的电磁信号通过其来源方向上的多次反射而被反向散射。因此，具有小RCS的小物体具有明显的强回波，并且可以用于一些事故的预警。
图1图示了根据一些实施例的智能超表面反射器系统100的示例。智能超表面反射器110可以具有不同的形状，包括但不限于不同的角反射器及其组合。用于不同边缘的超表面可以具有多种状态并且可以被控制。几何形状和状态可以用作不同的雷达交通标志。这些雷达交通标志可以与雷达传感器120协同工作以用于不同的应用，包括在道路十字路口、铁路人行横道、车辆和无人机处发信号通知交通。
如本文所述，在一些实施例中，智能超表面反射器可以用具有由电导体材料或镀有电导体材料的非导体材料制成的内壁的机动角反射器代替。
超表面和毫米波雷达
图2图示了根据一些实施例的超表面(MS)200的示例。MS 200可以包括至少两层印刷电路板(PCB)板202、204。第二层204接地，并且元件206是顶(或第一)层202的一部分。在一些实施例中，介电基板208(例如，FR4)可以存在于元件206与接地204之间。元件206的规格优选地在可调整的超表面中被控制。这可以通过使用连接或断开超表面的元件206的不同部分的偏置部件(例如，二极管或开关)来完成。一个或多个偏置部件可以位于第一(或顶)层上或第二(或接地)层下方的附加层上。开关的偏置电路在第一(或顶)层中或第二(或接地)层下方的(一个或多个)附加层中。偏置电路和二极管或开关可以通过至少两个金属引脚或通孔连接到顶(或第一)层。通过控制偏置电压，改变元件206的状态并切换超表面的操作模式。超表面偏置电路可以由现场可编程门阵列(FPGA)、数字信号处理(DSP)、复杂可编程逻辑器件(CPLD)或微控制器控制。
智能超表面为用户提供不同模式下的不同功能性。在一个实施例中，智能反射超表面在不同模式下可以具有不同的RCS，使得雷达传感器可以通过检测不同的RCS来区分模式。例如，超表面可以以两种操作模式工作：反射或吸收。图3A和图3B图示了根据一些实施例的MS操作模式300、350的示例。在反射模式300下(示为“模式a”并且可以可选地命名或标记为“ON”状态)，超表面充当全反射器，如完美的电导体平面那样。另一方面，在吸收模式350下(示为“模式b”并且可以可选地命名或标记为“OFF”状态)，MS吸收入射波，并且没有波被反射。因此，在这个示例中，两种模式(“模式a”/“ON”和“模式b”/“OFF”)下有两个不同的RCS，它们可以被雷达传感器识别为标志。
在另一个实施例中，超表面的ON和OFF状态可以基于图案而改变，包括但不限于随时间周期性地改变。因此，雷达传感器将检测具有周期性RCS函数的目标作为雷达标志。在另一个实施例中，三个智能超表面可以组合成一个角反射器，并因此包括智能超角反射器设计。图4A至图4D图示了根据一些实施例的具有高RCS的角反射器的示例。图4A图示了三角形三面角反射器410的示例，图4B图示了圆形三面角反射器420的示例，图4C图示了二面角反射器430的示例，并且图4D图示了方形三面角反射器440的示例。可以设计角反射器的其它构造和形状。可以优化不同角反射器的构造和形状，以在不同角度和形状下具有适当的RCS。
这些角反射器的每个内部平面可以由提出的超平面200制成并且可以以不同模式工作，尤其是作为完美反射器300或作为吸收器350。可以设计这些智能超角反射器，称为电子雷达交通标志(RTS)，并且用适当的RCS进行优化，RCS应当足够大以便被不同的雷达并且在任何十字路口中不同场景下检测。这些雷达交通标志可以用不同的控制状态、构造和几何形状设计和开发，并用作雷达停止标志、雷达左转或右转标志、事故预警标志或其它交通信令标志。
在另一个实施例中，角反射器的内壁可以由良好的电导体而不是超表面制成，诸如金属合金、铝或铜，并且可以包括金、银或其它类型的良好电导体镀层/精加工。角反射器可以由塑料、3D打印机材料或其它材料(包括非3D打印机材料)制成，并且其内壁可以是金、银或其它类型的良好电导体镀层/精加工。这个角反射器可以是机动的。它可以以不同的每分钟转数(RPM)旋转，或者可以通过任何类型的马达(诸如步进马达)以特定模式控制其方向。角反射器的前侧可以由机动机构覆盖以阻挡入射波进入角反射器。这种智能机动角反射器可以代替智能超角反射器用作雷达交通标志。当入射波被阻挡时，角反射器状态为OFF，并且没有相当大的电磁波反射到雷达。相反，当角反射器与雷达对准时，其状态为ON并且车辆上的雷达可以清楚地检测到它。像智能超表面角反射器那样，这个智能机动角反射器的ON和OFF状态可以被控制，并且雷达可以从反射的接收到的信号中检测停止状态或事故预警信号。这种机械雷达交通标志可以在所有频率范围内工作，并且被机械控制。另一方面，雷达交通标志可以用电子控制的智能超角反射器构建，并且可以针对特定或多个频带进行设计。
电子雷达交通标志可以在不同的频率范围中设计，包括工业、科学和医疗(ISM)频带，诸如近似24GHz至近似24.25GHZ，以及毫米波(mmWave)频带，诸如近似75GHz至近似85GHz。汽车商用雷达可用的三个特殊频带是24GHZ至24.25GHz、用于长距离雷达的76GHz至77GHz以及用于短距离雷达的77GHz至81GHz。如欧洲法规所要求的，毫米波频带76GHz至81GHz具有高达55分贝每毫瓦(dBm)的高允许等效各向同性辐射功率(EIRP)的优势，并启用长距离雷达应用。电子雷达交通标志包括可控超表面反射器。反射器的内部至少由可控超表面组成。射频(RF)波被传输到雷达交通标志并反射到雷达传感器。在一些实施例中，当前设计用于频率范围为近似24GHz至近似24.25GHz、或近似76GHz至近似81GHz的FMCW雷达。但是，FMCW雷达可以被扩展到其它频率和雷达传感器。FMCW雷达在特定时间内传输连续频率信号(称为啁啾)，并持续地重复这个信令。多个啁啾创建一个帧。啁啾之间的定时是准确的，并由硬件控制；但是，帧之间的定时是通过软件控制的，并且可以不准确。接收到的信号与所传输的信号混合并创建中频(IF)信号，可以用模数转换器(ADC)对该中频信号进行采样。雷达信号可以具有至少一个发送器和一个接收器。
图5以框图图示了根据一些实施例的具有N个发送器506和M个接收器508(其中N和M是正整数)的FMCW雷达传感器500的示例。啁啾信号发生器502生成可以在特定时间窗口中扫掠频带的信号，例如从低频到高频(称为上啁啾信号)、从高频到低频(称为下啁啾信号)或者从低频到高频并返回到低频(称为上下啁啾信号)。所传输的信号照射在一些物体上并反射到雷达。接收到的信号与其发送器信号的副本混合并且IF信号在ADC块504中被采样。
图6以绘图图示了根据一些实施例的FMCW雷达600中的四个传输和接收的啁啾的帧的示例。图6示出了所传输的帧及其对应的接收到的频率-时间帧。帧中有四个上啁啾信号。所传输和接收的信号被混合和过滤。这些混合的信号相当于一些IF低带宽信号。这些IF信号由ADC块采样并用于信号处理和检测。
在一些实施例中，IF信号应当在高通和低通滤波器响应以及ADC频率采样的范围内，以检测某个距离内的物体。而且，雷达传感器应当具有足够的传输功率和增益，其接收器和处理部分可以以低的假误报检测传感器前方的物体。本文描述了两个具体的示例性应用以测试雷达交通标志的性能：道路十字路口和道路/铁路人行横道。但是，应当注意的是，当前设计不限于这些示例性实施方式。
图7A图示了根据一些实施例的电子方形三面角反射器700的模拟示例。电子方形三面角反射器700具有三个方形超表面正交平面702。在一些实施例中，每个超表面平面702可以由彼此并排布置的30×30四贴片元件750构建，如图7A中所示。图7B图示了根据一些实施例的元件750的示例的顶视图780。在一些实施例中，元件750具有两个羊角面包贴片754和两个圆形贴片756。引脚二极管752(例如，MA4AGBLP912引脚二极管)可以通过这些贴片中的两个来附接，并且其状态在正向偏置(ON模式)和反向偏置(OFF模式)中改变。在模拟中，实现了用于引脚二极管的每种模式的RF模型。每个超表面平面具有介电基板758(例如，FR4)以及位于基板758和顶层760下方的接地层762(或底层)。在一些实施例中，每个四贴片元件的维度可以是0.76毫米(mm)×0.76mm，使得每个超表面平面的维度可以是22.8mm×22.8mm。
图8A图示了根据一些实施例的与作为参考820的由铜制成的方形三面角反射器的RCS相比针对两种偏置模式的超表面角反射器700的RCS模拟的示例。当传感器和角反射器位于彼此前面、并且角反射器的下超表面平面与地面具有近似35.26°的角度时，可以测量RCS值。超表面角反射器在两种模式下的RCS振幅值可以具有超过近似10dB的差异，以在实际中用作雷达标志。RCS模拟示出，在角度和θ＝0下，对于74至77GHz的频率范围，其振幅近似有15dB差异。图8B和8C图示了根据一些实施例的对于E平面、/> 且-90°≤θ<90°在频率76GHz下超表面角反射器700的RCS振幅840、860的示例。正向模式下的RCS具有近似7°的3dB半功率带宽。用于两种模式的RCS模式在不同角度下至少有10dB的差异。
图9A和9B图示了根据一些实施例的FMCW 24GHz雷达在ON 900和OFF 950状态下的两个实际测试的示例。雷达传感器具有啁啾带宽75MHz，每帧一个啁啾，并且每秒100帧。存在用作雷达标志的机械方形三面角反射器。角反射器的每个铜平面具有近似20cm×20cm的维度。角反射器安装在旋转步进马达上并以近似1Hz的频率旋转。图9C图示了根据一些实施例的在ON 905和OFF 955状态下雷达传感器中从距离近似185m的以上角反射器接收的IF信号的两个样本。当雷达传感器面对具有高反射信号功率的角反射器时(ON模式)，雷达传感器将其作为标志检测。角反射器的下平面与地具有近似35°的角度。但是，当角反射器面向与雷达方向近似超过40度的任何方向时(OFF模式)，反射信号功率下降，并且雷达传感器无法检测角反射器。
雷达交通标志应用
对于雷达交通标志应用可以有不同的场景。图10图示了根据一些实施例的雷达交通标志道路十字路口应用1000的示例。许多未来的自主车辆至少具有扫描其前侧的雷达传感器。当雷达交通标志状态为ON时，它可以以高RCS反射接收到的信号。雷达传感器可以识别具有其特定振幅的标志(例如，车辆可以将其解释为雷达交通红色标志或停止标志)。此外，当雷达交通标志的ON和OFF状态以特定速率(例如，近似1Hz)改变时，雷达可以从接收到的信号识别这个频率速率，并且可以将其解释为闪烁的雷达交通停止标志。具有每秒高帧率或脉冲率(例如，超过10Hz)的雷达可以检测到闪烁的标志。这些特征用于简单的雷达传感器。更复杂的标志和特征可以通过更复杂的雷达交通标志和雷达传感器来实现。在可以处理高图像分辨率的先进雷达中，这些智能角反射器(电子和/或机械)可以例如以不同的几何形状和形状组合以形成不同的雷达交通标志，诸如右转、左转、掉头或其它交通标志。
在一些实施例中，雷达交通停止标志尤其适用于驾驶员和自主车辆具有非常低的光学可见度的恶劣天气，诸如大雪和大雨、雾和阳光眩光。例如，雷达交通停止标志可以向驾驶员告知十字路口的情况以停车，或者可以安全地穿过十字路口。
在一些实施例中，雷达交通标志可以作为道路十字路口事故的预警系统起作用。来自十字路口的大多数穿越物体没有足够的雷达传感器可以对其进行检测的RCS，尤其是从远距离。在这种情况下，道路十字路口可以配备持续监视道路十字路口的情况的监视平台，包括但不限于相机、激光雷达(LIDAR)和短距离雷达传感器。图11图示了根据一些实施例的由雷达交通标志道路十字路口应用1000处置的堵塞的十字路口场景1100。如图11中所示，当十字路口的监视传感器预测到危险情况时，雷达交通标志可以被激活并作为停止标志或闪烁的停止标志起作用。任何具有雷达传感器并且雷达交通标志在其视野内的远程车辆可以在安全距离内检测到雷达交通标志，并且车辆有足够的时间停止并防止任何潜在事故。这种情况在驾驶员能见度低的恶劣天气下是重要的，并且他或她有足够的时间控制车辆并将其停下来。
在一些道路十字路口，雷达交通标志不在车辆雷达的视野内。可以在任何接近的车辆和十字路口之间安装实时点对多点无线电链路作为车辆到基础设施(V2I)连接，并从至少近似200m的距离实时监视十字路口的情况和任何警告信号。车辆监视道路十字路口的实况情况。如果存在任何事故或危险情况，那么车辆通过其无线电链路检测到它，并且有足够的时间在任何事故之前停下来。
在一些实施例中，雷达交通标志还可以用于铁路十字路口。图12图示了根据一些实施例的雷达交通标志道路/铁路应用1200的示例。应用1200可以被用作停止标志并警告车辆在铁路十字路口之前停止。在一些实施例中，可以应用用于火车侧的事故预警平台。例如，可以在铁路十字路口安装监视平台，包括但不限于相机、激光雷达或短距离雷达传感器，并且火车具有可以从远处(例如，至少近似1000m或火车停下来所需的其它合适距离)检测雷达交通标志的高增益雷达。如果铁路十字路口的监视系统预测到任何危险情况，诸如轨道上的事故，那么雷达交通标志可以被激活，并作为雷达交通停止标志或闪烁的停止标志操作。图13图示了根据一些实施例的由雷达交通标志道路十字路口应用1200处置的阻塞的道路/铁路人行横道场景1300。在一些实施例中，即使在恶劣天气下，火车雷达也可以从安全距离识别这个雷达交通标志。
在一些铁路十字路口，雷达交通标志不在火车雷达的视野内。可以在任何接近的火车与十字路口之间安装实时点对多点无线电链路作为V2I连接，并从远处(例如，至少近似1000m，或为火车提供足够时间以能够停下来的任何合适距离)实时监视任何警告信号。火车监视铁路十字路口的实况情况。如果存在任何事故或危险情况，那么火车可以通过其无线电链路检测到它，并且有足够的时间在任何事故之前停下来。
在一些实施例中，雷达交通标志可以用在汽车和无人机中，尤其是用于自主应用。许多小型车辆或无人机具有低RCS，并且雷达交通标志可以被用作雷达交通警告标志。图14和图15图示了根据一些实施例的雷达交通警告信令1400、1500的示例。图14适用于自主车辆；图15适用于无人驾驶的空中无人机。当车辆或无人机要停止或降低其速度时，它可以开启其雷达交通标志作为警告标志，并将其情况告知其他对象。这个雷达标志可以安装在具有不同构造和状态的车辆或无人机的不同位置，以提高安全性。
在道路十字路口处雷达交通停止标志的实施方式
在一些实施例中，车辆中的具有至少一根发送器天线和一根接收器天线的FMCW长距离雷达可以从至少近似200m的距离检测雷达交通停止标志。雷达交通停止标志可以具有两种ON和OFF状态，并且这些状态可以以特定速率改变。车辆中的雷达传感器可以被配置为从接收到的信号的所有明显特征(包括振幅和/或ON和OFF频率速率)检测雷达停止标志。
图16A图示了根据一些实施例的车辆1600中的长距离雷达和雷达停止标志的构造的示例。从用于开发空间过滤和更多处理的全球定位系统(GPS)接收雷达传感器的位置。雷达停止标志可以由十字路口处的交通灯控制单元或单独的控制单元控制。
图16B图示了根据一些实施例的车辆1650中的长距离雷达和雷达停止标志的构造的另一个示例。使用图16B的示例，可以通过包括但不限于短距离雷达和相机的多个传感器来监视十字路口处的情况。在一些实施例中，关于十字路口处的情况的通知或警告消息(例如，停止状态或任何事故警告信号)可以通过点对多点无线电链路发送到十字路口周围或附近的所有车辆。
铁路十字路口处雷达交通停止标志的实施方式
在一些实施例中，火车中具有至少一根发送器天线和一根接收器天线的FMCW长距离雷达可以从一定距离(例如，至少1000m或允许火车停止的适当距离)检测雷达交通停止标志。发送器和接收器天线可以是任何类型的天线，包括但不限于贴片天线、透镜天线或其它天线类型。发送器和/或接收器天线可以用在相控阵列配置中以实现更高的增益。雷达交通停止标志可以有两种ON和OFF状态，并且这些状态可以以特定速率改变。火车中的雷达传感器可以被配置为从接收到的信号的所有明显特征(包括振幅以及ON和OFF频率速率)检测雷达停止标志。
图17A图示了根据一些实施例的每个火车1700中的长距离雷达和雷达停止标志的构造的示例。从用于开发空间过滤和更多处理的GPS接收雷达传感器的位置。雷达停止标志可以由十字路口处的交通灯控制单元或单独的控制单元控制。
图17B图示了根据一些实施例的每个火车1750中的长距离雷达和雷达停止标志的构造的另一个示例。使用图17B的示例，可以通过包括但不限于短距离雷达和相机的多个传感器来监视十字路口处的情况。在一些实施例中，关于十字路口处的情况的通知或警告消息(例如，停止状态或任何事故警告信号)可以通过点对多点无线电链路发送到十字路口周围的所有火车。
雷达交通标志
在一些实施例中，提供了由智能机械角反射器制成的雷达交通标志或由智能超角反射器制成的电子雷达交通标志，其在近似24GHz至近似24.25GHz的ISM频率范围或近似76GHz至近似81GHz的毫米波频率范围内操作。可控雷达交通标志具有至少两种状态：反射(ON状态)和不反射(OFF状态)。在ON状态下，雷达交通标志作为具有高RCS的反射器起作用。在OFF状态下，它作为吸收器起作用或不反射入射波，并且具有非常低的RCS。这个标志可以具有不同的构造和形状以及尺寸以增加其RCS并针对不同的交通标志(包括雷达交通停止标志)创建不同编码的明显特征，所述构造和形状包括但不限于单平面反射器、三角形三面角反射器、圆形三面角反射器、方形三面角反射器或它们的组合。雷达交通停止标志可以具有至少两种状态ON和OFF，其具有固定的ON和OFF频率速率。
道路十字路口应用
在一些实施例中，雷达交通标志可以用于道路十字路口中的不同应用，包括但不限于停止标志或事故预警标志。车辆中的长距离雷达可以基于接收到的信号的振幅、ON和OFF频率速率或其它明显特征从一定距离(例如，至少近似200m或足以使车辆停下来的任何合适距离)检测雷达交通停止标志。
铁路十字路口应用
在一些实施例中，雷达交通标志可以用于铁路十字路口中的不同应用，包括但不限于停止标志或事故预警标志。火车中的高增益长距离雷达可以基于接收到的信号的振幅、ON和OFF频率速率或其它明显特征从一定距离(例如，至少近似1000m或足以使火车停下来的任何合适距离)检测雷达交通停止标志。
车辆和无人机应用
在一些实施例中，雷达交通标志可以用作用于具有低RCS的小型车辆和无人机的停止标志或事故预警标志。车辆或无人机中的长距离雷达可以基于接收到的信号的振幅、ON和OFF频率速率或其它明显特征从一定距离(例如，至少近似200m或足以使车辆或无人机停下来的任何合适距离)检测雷达交通停止标志。雷达交通标志可以安装在车辆或无人机的不同位置，具有不同的构造和状态以提高安全性。
用于道路十字路口的实时监视及事故预警系统
在一些实施例中，可以用包括但不限于短距离雷达和相机的多个传感器监视道路十字路口处的当前情况。可以通过点对多点无线电链路从至少近似200m的距离或足以使车辆停下来的任何合适距离在其它车辆中监视事故预警信号和十字路口情况。从点对多点无线电广播的十字路口情况和预警信号可以在车辆前方的显示器上监视，或者作为警告音频信号播放，所以车内人员可以了解十字路口情况。
用于铁路十字路口的实时监视及预警系统
在一些实施例中，可以用包括但不限于短距离雷达和相机的多个传感器监视铁路十字路口处的当前情况。可以通过点对多点无线电链路从至少近似1000m的距离或足以使火车停下来的任何合适距离在其它火车中监视事故预警信号和十字路口情况。从点对多点无线电广播的十字路口情况和预警信号可以在火车前方的显示器上监视，或者作为警告音频信号播放，所以火车驾驶员可以了解十字路口情况。
道路、街道和高速公路建设
在一些实施例中，具有适当RCS的雷达交通标志可以被用于对于任何道路、街道或高速公路建设向接近的车辆提供预警信号。车辆基于接收到的信号的振幅、ON和OFF频率速率或其它明显特征从一定距离(例如，至少近似200m或足以使车辆停下来的任何合适距离)检测雷达交通停止标志。雷达交通标志可以安装在道路、街道或高速公路的不同位置，具有不同的构造和状态以提高安全性。
雷达交通标志的调用流程图
车辆对预警情况的响应可以按几个序列实现。一个示例在车辆从其雷达传感器接收到雷达交通停止标志检测时发生。如果广播链路也确认警告信号，那么车辆可以立即过渡到停止状态。如果无线电链路未确认警告情况，那么车辆可以降低其速度，并在特定时间量之后再次检查信号。如果警告信号仍然可用，那么车辆接着可以完全停止。当危险情况被去除之后，车辆可以基于相反的序列开始驾驶。
图18以调用流程图图示了根据一些实施例的用于控制车辆1800的驾驶状态的协议的示例。在接收到来自雷达或无线电链路的警告信号之后，车辆开始降低其速度。如果雷达和无线电链路两者确认警告情况，那么车辆应立即停止。如果只有其中一个确认警告情况，那么车辆在特定的安全时间段(例如，10秒)之后停止，并且等待直到警告信号从雷达和无线电链路两者去除。此时，车辆可以开始以缓慢且安全的速度驾驶。如果情况安全并且没有任何警告信号，那么车辆接着可以在特定时间段(例如，10秒)之后继续正常驾驶操作。
图19是诸如服务器或用于在设备中进行处理、控制、接口或监视的其它计算机的计算设备1900的示意图。如图所描绘的，计算设备包括至少一个处理器1902、存储器1904、至少一个I/O接口1906和至少一个网络接口1908。
处理器1902可以是Intel或AMD x86或x64、PowerPC、ARM处理器、GPU、DSP、FPGA、CPLD等。存储器1904可以包括位于内部或外部的计算机存储器(诸如例如随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、光盘只读存储器(CDROM))的适当组合。
每个I/O接口1906使得计算设备1900能够与一个或多个输入设备(诸如键盘、鼠标、相机、触摸屏和麦克风)互连，或者与一个或多个输出设备(诸如显示屏和扬声器)互连。
每个网络接口1908使得计算设备1900能够与其它组件通信、与其它组件交换数据、访问和连接到网络资源、为应用提供服务，以及通过连接到能够携带数据的网络(或多个网络)而执行其它计算应用，所述网络包括互联网、以太网、普通老式电话服务(POTS)线路、公共交换电话网(PSTN)、综合业务数字网(ISDN)、数字订户线路(DSL)、同轴电缆、光纤、卫星、移动、无线(例如，Wi-Fi、WiMAX、5G)、SS7信令网络、固定线路、局域网、广域网等。
前述讨论提供了发明性主题的示例实施例。虽然每个实施例表示发明性要素的单个组合，但是发明性主题被认为包括所公开的要素的所有可能的组合。因此，如果一个实施例包括要素A、B和C，并且第二实施例包括要素B和D，那么即使没有明确地公开，发明性主题也被认为包括A、B、C或D的其它剩余组合。
本文描述的设备、系统和方法的实施例可以以硬件和软件两者的组合来实现。这些实施例可以在可编程计算机上实现，每个计算机包括至少一个处理器、数据存储系统(包括易失性存储器或非易失性存储器或其它数据存储元件或其组合)以及至少一个通信接口。
程序代码被应用于输入数据以执行本文描述的功能并生成输出信息。输出信息被应用于一个或多个输出设备。在一些实施例中，通信接口可以是网络通信接口。在可以组合要素的实施例中，通信接口可以是软件通信接口，诸如用于进程间通信的软件通信接口。在其它实施例中，可以存在被实现为硬件、软件及其组合的通信接口的组合。
贯穿前面的讨论，将进行大量关于服务器、服务、接口、门户、平台或由计算设备形成的其它系统的参考。应当认识到的是，此类术语的使用被认为表示具有至少一个处理器的一个或多个计算设备，该至少一个处理器被配置为执行存储在计算机可读有形、非暂态介质上的软件指令。例如，服务器可以包括以履行所描述的角色、职责或功能的方式作为web服务器、数据库服务器或其它类型的计算机服务器操作的一个或多个计算机。
实施例的技术方案可以采用软件产品的形式。软件产品可以存储在非易失性或非暂态存储介质中，该存储介质可以是光盘只读存储器(CD-ROM)、USB闪存盘或者可移动硬盘。软件产品包括使得计算机设备(个人计算机、服务器或网络设备)能够执行由实施例提供的方法的多条指令。
本文描述的实施例由物理计算机硬件实现，所述硬件包括计算设备、服务器、接收器、发送器、处理器、存储器、显示器和网络。本文描述的实施例提供有用的物理机器和特别配置的计算机硬件布置。
虽然已经详细描述了实施例，但是应当理解的是，可以在本文中进行各种改变、替换和更改。
而且，本申请的范围不旨在限于说明书中描述的过程、机器、制造、物质的组成、部件、方法和步骤的特定实施例。
如可以理解的，上面描述和说明的示例仅旨在是示例性的。

Claims (27)

1.一种电子雷达交通标志，包括多个超表面以形成反射器，每个超表面包括：
用于可控元件的PCB板的顶层；
印刷电路板(PCB)的接地层；
顶层中或接地层下方的附加层中的偏置部件包括二极管或开关中的至少一个；以及
附接到PCB板的顶层的至少一个元件，其中所述至少一个元件中的每个元件具有至少两种状态并且由对应的偏置部件控制；
其中在至少一个偏置部件处施加的偏置电压使得元件的状态改变以及超表面的操作模式切换。
2.如权利要求1所述的电子雷达交通标志，其中所述反射器包括平面反射器或角反射器之一。
3.如权利要求2所述的电子雷达交通标志，其中所述角反射器包括以下中的至少一个：
三角形三面角反射器；
圆形三面角反射器；或者
方形三面角反射器。
4.如权利要求1所述的电子雷达交通标志，其中所述偏置部件：
由以下中的至少一个控制：
现场可编程门阵列(FPGA)；
数字信号处理(DSP)；
复杂可编程逻辑器件(CPLD)；或者
用于控制偏置电压的微控制器；以及
通过至少一个偏置电路连接到超表面。
5.如权利要求1所述的电子雷达交通标志，其中所述雷达交通标志在以下中的至少一个的频率范围内操作：
近似24GHz至近似24.25GHz；
近似76GHz至近似77GHz；或者
近似77GHz至近似81GHz。
6.如权利要求1所述的电子雷达交通标志，包括：
第一模式，其中所述标志反射入射波；以及
第二模式，其中所述标志吸收入射波。
7.如权利要求1所述的电子雷达交通标志，其中所述标志被用作道路十字路口处的让行或停止标志。
8.如权利要求1所述的电子雷达交通标志，其中所述标志被用作车辆或无人机中的让行或停止标志。
9.如权利要求1所述的电子雷达交通标志，其中所述标志被用作道路、街道或高速公路建设中的危险标志。
10.如权利要求1所述的电子雷达交通标志，其中所述标志与点对多点无线电链路耦合，以用于监视情况并用于向其它车辆广播预警信号。
11.一种机动雷达交通标志，包括多个平面以形成角反射器，每个平面包括以下中的至少一个：
高电导体；或者
具有镀有良好电导体的内壁的非高电导体。
12.如权利要求11所述的机动雷达交通标志，其中所述角反射器包括以下中的至少一个：
三角形三面角反射器；
圆形三面角反射器；或者
方形三面角反射器。
13.如权利要求11所述的机动雷达交通标志，其中所述高电导体包括以下中的至少一个：
金属合金；
铝；
铜；
金；或者
银。
14.如权利要求11所述的机动雷达交通标志，其中所述非高电导体包括以下中的至少一个：
三维打印机材料；或者
非三维打印机材料。
15.如权利要求11所述的机动雷达交通标志，其中所述雷达交通标志在以下中的至少一个的频率范围内操作：
近似24GHz至近似24.25GHz；
近似76GHz至近似77GHz；或者
近似77GHz至近似81GHz。
16.如权利要求11所述的机动雷达交通标志，包括：
第一模式，其中所述标志定位成面朝雷达以反射来自雷达的入射波；以及
第二模式，其中所述标志定位成避开面朝雷达。
17.如权利要求11所述的机动雷达交通标志，其中所述标志被用作道路十字路口处的让行或停止标志。
18.如权利要求11所述的机动雷达交通标志，其中所述标志被用作车辆或无人机中的让行或停止标志。
19.如权利要求11所述的机动雷达交通标志，其中所述标志被用作道路、街道或高速公路建设中的危险标志。
20.如权利要求11所述的机动雷达交通标志，其中所述标志与点对多点无线电链路耦合，以用于监视情况并用于向其它车辆广播预警信号。
21.一种电子雷达交通标志，包括：
超表面，包括：
印刷电路板(PCB)的接地层；
PCB板的顶层；其中PCB板的顶层包括至少一个偏置部件；以及
连接到PCB板的顶层的至少一个元件，其中所述至少一个元件中的每个元件具有至少两种状态并且由对应的偏置部件控制；其中在所述至少一个偏置部件处施加的偏置电压使得元件的状态改变以及超表面的操作模式切换。
22.如权利要求21所述的雷达交通标志，其中所述偏置部件包括二极管或开关中的至少一个。
23.如权利要求21所述的雷达交通标志，其中偏置电压能够由以下中的至少一个控制：
现场可编程门阵列(FPGA)；
数字信号处理(DSP)；
复杂可编程逻辑器件(CPLD)；或者
微控制器。
24.如权利要求21所述的雷达交通标志，其中所述雷达交通标志在以下中的至少一个的毫米波频率范围内操作：
近似24GHz至近似24.25GHz；
近似76GHz至近似77GHz；或者
近似77GHz至近似81GHz。
25.如权利要求21所述的雷达交通标志，其中所述雷达交通标志至少具有反射状态和吸收状态。
26.如权利要求21所述的雷达交通标志，其中多个超表面能够被配置为包括平面反射器或角反射器之一。
27.如权利要求26所述的雷达交通标志，其中所述角反射器包括以下中的至少一个：
三角形三面角反射器；
圆形三面角反射器；或者
方形三面角反射器。
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