JP2021505892A - Ｆｍｃｗレーダーシステムのためのレーダー処理チェーン - Google Patents

Abstract

周波数変調連続波レーダーシステムのためのレーダー処理チェーンのためのシステム及び方法において、電磁放射信号を各々が含む複数のチャープを、対象領域においてトランスミッタ（１０２）が送信する。レシーバフロントエンド（１０４）が、各チャープについての反射された電磁放射を受け取り、複数のアンテナの各アンテナにおいて各チャープについての時系列のビート信号サンプルを生成する。信号プロセッサ（１０６）は、レシーバからのそれぞれの距離を表すレンジビンのセットに対するサンプル値として、各時系列のビート信号サンプルの周波数ドメイン表現を提供し、各レンジビンに対するクラッタ補正サンプルのセットを提供するためにレンジビンのセットの各々に対する角度スペクトルを補正し、クラッタ補正サンプルからのレンジビンのセットのサブセットの各々に対する角度スペクトルを判定することによって、対象領域内のオブジェクトを検出する。

Description

本願は、概して電気システムに関し、より詳細には、周波数変調連続波（ＦＭＣＷ）レーダーシステムのためのレーダー処理チェーンに関する。

距離測定レーダーの１つの形態は周波数変調に基づいており、この手法では、戻ってきた信号の周波数が、送信された信号の周波数と比較される。この手法は連続波レーダーにおいて用いることができ、例えば、アダプティブクルーズコントロール（ＡＣＣ）、非常ブレーキ、歩行者検出、及び３６０度感知などの車両応用例、並びに、ビルディングオートメーション、人数計測、及び監視などの産業応用例において用いられる。これらのシステムでは、キャリア信号が所定の方式で周波数変調されて、チャープを提供し、対象領域に送信される。対象領域からの受信反射は、チャープの送信と反射の受信との間の時間遅延を表す周波数トーンを生成するビート周波数変調器を用いて、送信されたチャープと連続的に比較され得る。これは、チャープの既知の周波数変調から判定され得る。信号がレーダーシステムから反射したオブジェクトの距離の２倍である、反射信号が進む距離は、この時間遅延から求めることができる。

本開示の一態様に従って、周波数変調連続波レーダーシステムのためのレーダー処理チェーンが提供される。トランスミッタが、各々が電磁放射信号を含む複数のチャープを対象領域において送信し、複数のアンテナの各アンテナにおいて各チャープに対して時系列のビート信号サンプルを生成する。レシーバフロントエンドが、各チャープについて反射電磁放射を受けとる。信号プロセッサが、レシーバからのそれぞれの距離を表すレンジビンのセットに対するサンプル値として、ビート信号サンプルの各時系列の周波数ドメイン表現を提供すること、各レンジビンに対するクラッタ補正サンプルのセットを提供するためにレンジビンのセットの各々に対するサンプル値を補正すること、及び、クラッタ補正サンプルからのレンジビンのセットのサブセットの各々に対する角度スペクトルを判定することによって、対象領域内の任意のオブジェクトを検出する。

本開示の別の態様に従って或る方法が提供される。各々が周波数変調連続波電磁放射信号を含む複数のチャープが、対象領域において送信される。各チャープ後に対象領域から反射された電磁放射が、レシーバフロントエンドで受信される。各チャープに対する受信された電磁放射は、ビート信号を提供するために送信チャープと混合される。ビート信号は、サンプリングされて、複数のアンテナの各アンテナにおける複数のチャープの各チャープに対する時系列のビート信号サンプルを提供する。各アンテナにおける各チャープに対して、各々がレシーバフロントエンドからの関連距離を表す、レンジビンのセットの各々についてサンプル値を提供するために、ビート信号サンプルの各時系列の周波数ドメイン表現が生成される。レンジビンのセットの周波数ドメイン表現を補正して、各アンテナでの各レンジビンと各チャープに対するサンプルを含む、クラッタ補正サンプルのセットを提供する。クラッタ補正サンプルからのレンジビンのセットのサブセットに対して角度スペクトルが判定される。対象領域内の任意のオブジェクトが、レンジビンのセットにわたる判定された角度スペクトルから検出される。

本開示の更に別の態様に従って、対象領域内のオブジェクトを検出するためにレーダーリターンを処理するための方法が提供される。複数のアンテナの各アンテナにおける複数のチャープの各チャープに対して、時系列のビート信号サンプルが生成される。各アンテナにおける各チャープに対して、各々がレーダーセンサからの関連距離を表す、レンジビンのセットの各々についてサンプル値を提供するために、ビート信号サンプルの各時系列の周波数ドメイン表現が生成される。レンジビンのセットの周波数ドメイン表現を補正して、各アンテナでの各レンジビンと各チャープに対するサンプルを含む、クラッタ補正サンプルのセットを提供する。レンジビンのセットのサブセットの角度スペクトルが、クラッタ補正サンプルから判定される。対象領域内の少なくとも１つのオブジェクトの位置が、レンジビンのセットにわたる判定された角度スペクトルから判定される。所与のレンジビン及びチャープに対して、レンジビンのためのビームフォーミングされたベクトルを提供するために、複数のアンテナにわたってレンジビンのセットの所与のレンジビンと複数のチャープの所与のチャープとに対して全てのクラッタ補正サンプルを含む次元空間信号ブロックに空間ビームフォーミングが適用される。所与のレンジビンは、少なくとも１つのオブジェクトに関連する少なくとも１つのレンジビンのセットから選択される。ドップラースペクトルベクトルを提供するために、レンジビンのためのビームフォーミング信号ブロックに高速フーリエ変換（ＦＦＴ）が適用される。ドップラースペクトルベクトルから、ドップラー情報が抽出されるか、又は所与のレンジビンに関連する少なくとも１つのオブジェクトのオブジェクトが抽出される。

周波数変調連続波（ＦＭＣＷ）レーダーシステムを図示する。

周波数変調連続波（ＦＭＣＷ）レーダー信号を処理するための信号処理構成要素の一例を図示する。

対象領域を監視するための方法の一例を図示する。

対象領域からの受信レーダー信号を処理するための方法の一例を図示する。

図２に図示されたデジタルシグナルプロセッサなど、図１〜図４に開示されたシステム及び方法の例を実装することができるハードウェア構成要素の例示的なシステムを図示する概略ブロック図である。

レーダー処理チェーンは、対象領域における人間の数及び位置を判定するなど、クラッタの多い環境において厳しい制約を有する。本明細書に記載されるシステム及び方法は、クラッタ除去アルゴリズムを含み、周波数変調連続波レーダーシステムのための高解像度到来方向（ＤｏＡ）推定及び低複雑度ドップラー推定を可能にするレーダー信号処理チェーンを提供する。

図１は、周波数変調連続波（ＦＭＣＷ）レーダーシステム１００を図示する。システム１００は、対象領域においてＦＭＣＷ電磁放射（ＥＭ）信号を送信するトランスミッタ１０２を含む。トランスミッタは、１つ又は複数のアンテナを含み得ることが理解されよう。一実装において、周波数変調連続波ＥＭ信号は、時間と共に線形に増加する周波数を有する「チャープ」信号であるが、システム１００は、周波数が時間と共に既知の様式で変化する、任意の適切な信号を利用し得ることが理解されるであろう。トランスミッタ１０２は、フレームと呼ばれる、セットのチャープ信号を提供し得る。一例において、各フレームは６４個のチャープを含み、トランスミッタ１０２は毎秒２０フレームを送信する。１つ又は複数のレシーバフロントエンド１０４は、複数のアンテナの各々において各チャープについて対象領域から反射された電磁放射を受信し、受信した電磁放射を送信された電磁信号と混合し、結果として得られるビート信号をサンプリングして、複数のアンテナの各々について時系列のビート信号サンプルを提供し、時系列のビート信号サンプルを信号プロセッサ１０６に提供する。１つの実装において、複数のアンテナは仮想アンテナであり、物理的な送信及び受信アンテナのアレイの出力からデジタル信号処理を介して抽出された出力を有する。このようなケースでは、仮想アンテナの各々に対して時系列のビート信号サンプルが生成される。仮想アンテナアレイの時分割多重化多入力多出力（ＴＤＭ−ＭＩＭＯ）実装を用いるレーダーシステムの例は、ＴＩアプリケーションレポートＳＷＲＡ５５４Ａ（http://www.ti.com/lit/an/swra554a/swra554a.pdf参照）に記載されており、これは、参照により本明細書に組み込まれる。

１つ又は複数のレシーバフロントエンドは、複数のアンテナの各々について時系列のビート信号サンプルを提供する。具体的には、送信されたＦＭＣＷ信号は、戻り信号と比較されて、送信された信号と返された信号との間の周波数の差が判定される。例えば、信号をヘテロダインミキシングにかけて、これら２つの信号からビート周波数を生成し得る。周波数変調パターンは既知であるので、所与の時間における信号間の周波数の変化は、その信号のための飛行時間（ｔｉｍｅ ｏｆ ｆｌｉｇｈｔ）を、及びそのため、返された信号が反射された範囲情報を提供し得る。

信号プロセッサ１０６は、時系列のビート信号サンプルを評価して、対象領域内のオブジェクトを検出する。信号プロセッサは、例えば、専用マイクロプロセッサとして実装され得ることを理解されたい。信号プロセッサ１０６は、範囲にわたる戻り強度の離散化表現として、レーダーセンサモジュールからの距離を表すレンジビンのセットに対する値として、各時系列のビート信号サンプルの周波数ドメイン表現を提供する。従って、各チャープ信号について、高速フーリエ変換（ＦＦＴ）を介して複数のアンテナの各々についてレンジビン値のセットが判定され得る。一実装において、レンジビン値のセットは、チャープのビート信号からの信号サンプルのセットを平均してＤＣ成分を提供し、各サンプルからＤＣ成分を減算してＤＣ補償サンプルのセットを提供することによって判定される。ＤＣ補償されたサンプルはその後、レンジビン値のセットを提供するために高速フーリエ変換にかけられる。幾つかの応用例において、所与のチャープ後に受け取った全てのサンプルを使う代わりに、ウィンドゥオペレーションがＤＣ補償に先行してもよい。

次いで、信号プロセッサ１０６は、レンジビン値のセットの周波数ドメイン表現を補正して、クラッタ補正された信号を提供する。クラッタ補正は、例えば、所与のレンジビン及びアンテナについてフレームにおけるチャープにわたる平均（例えば、中間（mean））レンジビン値として直流（ＤＣ）成分を判定し、所与のレンジビンに関連し、所与のアンテナで受信される、各レンジビン値からの判定されたＤＣ成分を減算することによって適用され得る。従って、チャープのフレームが評価された後、得られたデータは３次元データ構造として概念化され得、そこでは、クラッタ補正された信号における各サンプル値が、所与のチャープ、レンジビン、及び仮想アンテナを表す。

また、信号プロセッサ１０６は、クラッタ補正された信号におけるサンプル値を用いて、各レンジビンについて角度スペクトルを判定する。実際には、角度スペクトルは、最小分散無歪応答（ＭＶＤＲ）アルゴリズム、多重信号分類（ＭＵＳＩＣ）アルゴリズム、又はＥＳＰＲＩＴ（Estimation of Signal Parameters by Rotational Invariance Techniques）アルゴリズムなど、共分散に基づく到来方向判定アルゴリズムの応用例を介して判定され得る。次いで、信号プロセッサ１０６は、生成された角度スペクトルをレンジビンのセットにわたって検討して、オブジェクトが存在するかどうかを判定し得る。一実装において、判定された角度スペクトルは、レーダーセンサモジュールに対する「レンジ方位角プロファイル」と呼ばれる、レンジ及び方位角の二次元マッピングとして、返された信号の強度を表すレンジ方位角スペクトルマトリックスとして表される。このマトリックスは、例えば、一定誤警報率（ＣＦＡＲ）アルゴリズムを介して、ピーク値について検索され得る。次いで、任意の検出されたオブジェクトの位置は、後の使用のため、例えば、周波数変調連続波レーダーシステム１００に関連する自動化されたシステムによって、非一時的なメモリ１０８にストアされ得る。

図２は、周波数変調レーダー信号を処理するための信号処理構成要素２００の一例を図示する。例えば、信号処理構成要素２００は、図１の信号プロセッサ１０６の機能を提供するために用いられ得る。図示される例において、信号処理構成要素２００は、物理的なアンテナ又は仮想的なアンテナの一方を表すサンプルを、１つ又は複数のレシーバフロントエンドから受信する。図示の例２００では、仮想アンテナのアレイが、物理的な送信及び受信アンテナのセットから導出されると仮定されるが、複数のアンテナは全て、送信されたチャープと、ミキサで生成され、チャーピング時間中にアナログデジタルコンバータ（ＡＤＣ）でサンプリングされる各チャープからの受信信号との間のビート信号を表す物理的な受信アンテナであり得ることが理解されよう。各レシーバフロントエンドからのサンプルは、それぞれのレンジ処理ブロック２０６で処理される。

各レンジ処理ブロック２０６は、関連するアンテナに対して、アンテナからの複数の個別のレンジの各々からの反射信号の強度を表す値のセットを提供するために、高速フーリエ変換（ＦＦＴ）を行う。一実装において、ＦＦＴを生成する前に、ＦＦＴの入力サンプルに窓関数が適用され得る。入力信号サンプルにおける直流（ＤＣ）成分が、各チャープにおけるサンプルを平均することによって推定され得、チャープにおける各サンプルから減算され得る。窓関数が用いられる場合、ＤＣのための任意の推定及び補償が、ウィンドゥオペレーションの後に適用される。図示の実装では、各アンテナに対する各チャープのＦＦＴが、レンジビン値のセットとしてバッファにストアされる。各フレームにおいて複数のＮ_ｃチャープ、仮想アンテナの数Ｎａ、及び定義された数のレンジビンＮ_ｒがあるとすると、これは、Ｎ_ｒ×Ｎ_ｃ×Ｎ_ａエントリを有する三次元データ構造を提供する。

クラッタの多い環境、とりわけ室内環境では、人間や他の生命体などの小さなレーダー断面（ＲＣＳ）を持つオブジェクトを検出することは困難である場合がある。多くの場合、ビル構造体や家具などの大きなＲＣＳを持つクラッタ源が受信信号を支配する可能性がある。その結果、小さなＲＣＳを持つオブジェクトは、これらのクラッタ源からの強い干渉に埋もれ、検出が困難になる可能性がある。レーダーセンサが静止しているとき、クラッタ源及び全ての静止オブジェクトはドップラー成分を示さず、これは、残りのレーダー信号処理チェーンのための信号条件を改善するために、クラッタ除去構成要素２０８によって活用され得る。

一実装において、各クラッタ除去構成要素２０８が、フレーム内のチャープにわたる各レンジビンのＤＣ成分を推定し得る。ＤＣ成分推定は、下記のように、チャープにわたってレンジＦＦＴ出力サンプルを平均化することによって得られる。
ここで、レンジＦＦＴ出力サンプルは、｛ｘ_{ｎ，ｋ，ｐ}｝と示され、ここで、ｘ_{ｎ，ｋ，ｐ}は、ｐ番目のアンテナにおけるｋ番目のチャープにおけるｎ番目のレンジビンに対する信号を表し、ｎは、１とレンジビンの数であるＮ_ｒとの間の整数であり、ｋは、１とフレームにおけるチャープの数であるＮ_ｃとの間の整数であり、ｐは、１とシステムのアンテナの数であるＮ_ａとの整数である。

各レンジＦＦＴ出力サンプルｘ_ｎ,ｋ,ｐから、推定されたＤＣ成分
を減じると、
となる。これをレンジビン毎、及びアンテナ毎に繰り返す。レンジ処理とクラッタ除去オペレーションは、各アンテナに適用され、得られたサンプルは、クラッタ補正サンプルのセットとしてストアされる。クラッタ補正されたサンプルは、レンジインデックスｎ、チャープインデックスｋ、アンテナインデックスｐを用いてインデックス化された（サイズＮ_ｒ×Ｎ_ｃ×Ｎ_ａの）３次元データ構造として概念化され得る。

各アンテナからのクラッタ補正されたサンプルは、到来方向（ＤｏＡ）構成要素２１０に提供され、クラッタ補正されたサンプルを用いて各レンジビンのＤｏＡ角度スペクトルを判定する。集合的に、角度スペクトルはレンジ方位角スペクトルを形成する。具体的には、ＤｏＡ構成要素２１０は、レーダーフレーム内で推定された空間共分散に基づいて、高解像度の到来方向スペクトル推定を行う。図示した例では、最小分散無歪応答（ＭＶＤＲ）ベースの到来方向（ＤｏＡ）推定アプローチについて述べた。しかしながら、同じレーダー処理信号チェーンを用いることと同様に他の共分散ベースの高解像度ＤｏＡ方法（例えば、ＭＵＳＩＣ又はＥＳＰＲＩＴ）が用いられ得ることが理解されるであろう。

ＤｏＡ構成要素２１０はまず、下記のように、各レンジビン
に対して空間共分散を推定する。
ここで、ｘ_ｎ，ｋは、ｎ番目のレンジビン及びｋ番目のチャープに対するＮ_ａ次元空間ベクトルであり、これは、仮想アンテナにわたってサンプルをスタックすることにより形成されて、ｘ_ｎ、ｋ=［ｘ_{ｎ，ｋ１，}ｘ_{ｎ，ｋ２，．．．，}ｘ_{ｎ，ｋ，Ｎａ}］Ｔとなる。ｘ^Ｈは、ベクトルｘのエルミート転置を表す。演算の量を減らすため、空間共分散を推定する際に、フレームにおける利用可能なチャープの数Ｎ_ｃに等しいかそれより少ないチャープの数Ｋが用いられる。

図示の実装のカポンのビームフォーミングとしても知られているＭＶＤＲのアプローチでは、方位角θに対してステアリングベクトルａ（θ）が、下記のように線形１次元仮想レシーバアンテナアレイに対して判定される。
ここで、ｄは波長で正規化されたアンテナ間の間隔である。

ステアリングベクトルは、各仮説ＤｏＡ角に対する仮想アンテナアレイにわたる期待位相値を含み、事象レーダー無線周波数（ＲＦ）信号が方位角θから来るとき、仮想受信アンテナの各々に対する位相差を表す。ｎ番目のレンジビンの角度スペクトルは、次の式で与えられる。

対応するビームフォーミングベクトルは、次のように与えられる。

各レンジビンに対するＤｏＡスペクトルは、マトリックス形態でスタックされ、ｎ番目のローにはｎ番目のレンジビンＰ_ｎ（θ）のＤｏＡスペクトルが入れられる。このマトリックスは、ここではレンジ方位角スペクトルマトリックスと呼ばれ、レーダーセンサに対する距離と角度のセットで対象領域から反射される電磁放射の強度を表す。

幾つかの状況において、所与のレンジビンの空間共分散推定が特異であるか、又はほぼ特異であり、これは、ＤｏＡスペクトル推定の一部としてマトリックスオペレーション（例えば、マトリックス反転）を行う際に数値安定性の問題を引き起こし得る。数値安定性の問題を回避する１つの方法は、下記のように、共分散推定マトリックスの対角線に沿って、対角負荷因子α_ｎと呼ばれる小さな値を付加することである。

対角負荷因子α_ｎは、ノイズ分散推定、
、及び
として定数βを用いて判定され得、対角負荷因子及び単位行列の積は、本明細書では対角負荷マトリックスと呼ばれる。具体的には、あるレーダーフレームにおけるチャーピングの時間スケールに比べて時間にわたる変動が遅い環境では、二つの隣り合うチャープ間で、クラッタ補正された出力の信号成分があまり変更しないが、ノイズ成分は独立に変更すると仮定できる。これを利用して、所与のレンジビン_ｎ及び仮想受信アンテナｐに対して、レーダー信号に埋め込まれているノイズ電力又は分散を次のように見積もることができる。
ここで、ｘ_{ｎ，ｋ，ｐ}は、ＤｏＡ構成要素２１０に供給されるクラッタ補正されたサンプルである。

レンジビンｎのノイズ分散推定は、下記のように、仮想アンテナにわたって平均ノイズ分散を計算することによって判定され得る。

ＤｏＡスペクトル推定に対する演算コストは、１つ又はそれ以上のオブジェクトを有する可能性の高いレンジビン上でのみＤｏＡ推定を行うことにより低減され得る。ＤｏＡスペクトル推定のための良好な候補を決定するために、一次元一定誤警報率（ＣＲＡＲ）アルゴリズムを用いることができる。一実装において、レンジプロファイルベクトルｓ=［ｓ_１、ｓ_２、．．．、ｓ_Ｎｒ］のｎ番目の要素ｓｎが下記のように決定されるように、フレーム内の全てのチャープと全ての仮想受信アンテナとにわたってクラッタ補正サンプル値を平均することによって、ＣＦＡＲアルゴリズムが準備される。

レンジプロファイルベクトルが決定されると、１次元ＣＦＡＲアルゴリズムをレンジプロファイルベクトルｓ上で実行して、本明細書で「検出レンジビン」と呼ぶ、オブジェクトを含む可能性があるレンジビンが判定され得る。ＣＦＡＲのアルゴリズムにおいて、ピークである、すなわち、アレイ（例えば、ベクトル又はマトリックス）及び背景レベルにおいて周囲の要素をより上に上がるレンジプロファイルベクトルにおける値が、検出されたレンジビンとして選択され得る。前述のＤｏＡスペクトル推定は、検出されたレンジビンに対してのみ行うことができる。

ＤｏＡ構成要素２１０で決定されたレンジ方位角スペクトルマトリックスは、対象領域内の任意のオブジェクトの位置を特定するオブジェクト検出構成要素２１２に提供される。一実装において、オブジェクト検出構成要素２１２は、２次元ＣＦＡＲアルゴリズムをレンジ方位角スペクトルマトリックスに適用する。検出されたオブジェクトに関連する情報は、例えば、マトリックス内のレンジインデックスｎ_ｉ、マトリックス内の角度インデックスｍ_ｉ、電力レベル、及び、ノイズ電力レベル推定としてストアされ、ここで、ｉは、ｉ番目の検出されたオブジェクトを表すインデックスである。

オブジェクトのセットが位置特定されると、レンジ方位角スペクトルマトリックス内のそれらの位置がドップラー処理要素２１４に提供される。ドップラー処理要素２１４は、仮想アンテナからのデータの多重ストリームに空間ビームフォーミングを適用し、得られたビームフォーミングされたデータストリームに対してドップラーＦＦＴを行う。一実施形態において、ｉ番目の検出されたオブジェクトに対して、レンジビンｎ_ｉに対する各チャープにおける各空間ベクトルｘｎ_ｉ，ｋに空間ビームフォーミングが適用されて、下記の式１０のように、ビームフォーミングされた信号ブロックの単一ストリームｙ_ｉ＝［ｙ_ｉ，ｋ：ｋ＝１，．．．，Ｎ_ｃ］が提供される。
ここで、
であり、上付きのＨは、ベクトルのエルミート転置を示す。

式５から、ビームフォーミング重みベクトルｗ_ｎｉ（θ_ｍｉ）は、特定のレンジビンに対する空間共分散推定に依存することが理解されるであろう。一例において、結果の信号ブロックｙｔにウィンドゥオペレーションが適用され得る。結果のビームフォーミングされた信号ブロックｙ_ｉにＦＦＴオペレーションが適用されて、ドップラースペクトルベクトルＹ_ｉを提供する。ドップラースペクトルベクトルＹ_ｉから、ｉ番目の検出されたオブジェクトのドップラー情報が抽出され得る。その後、レンジ情報、ドップラー情報、ＤｏＡ角度情報、並びに電力レベル及びノイズレベルを含み得る、検出されたオブジェクトの全ての情報が、収集され、「ポイントクラウドレーダーデータ」の形態としてバッファ２１６に保存される。

上述の構造的及び機能的特徴に鑑みて、例示の方法は、図３及び図４を参照するとより良く理解されるであろう。説明を簡潔にするため、図３及び図４の例示の方法は順次実行されるものとして示され、説明されるが、幾つかの動作は、他の例において、本明細書で示され説明されるものとは異なった順で、複数の時間に、及び／又は同時に起こり得るので、本例は示される順によって限定されないことが理解され認識されるべきである。更に、或る方法を実装するために、説明された全てのアクションが行われることは必須ではない。

図３は、対象領域を監視するための方法３００の一例を図示する。３０２において、各々が周波数変調連続波（ＦＭＣＷ）電磁放射信号を含む複数のチャープが、対象領域において送信される。３０４において、各チャープ後、対象領域から反射される電磁放射が、レシーバフロントエンドで受信される。３０２で送信されたチャープは１つ又は複数のアンテナから送信され得、反射された電磁放射は複数の物理アンテナで受信され得ることが理解されよう。３０６において、各チャープに対する受信電磁放射は、送信されたチャープと混合されてビート信号を提供し、３０８において、ビート信号がサンプリングされて、複数のアンテナの各アンテナにおいて、複数のチャープの各チャープに対して時系列のビート信号サンプルを提供する。一実装において、各アンテナにおける各チャープに対する時系列のビート信号サンプルからの値を平均化することにより、それらの値の推定ＤＣ成分を提供し、所与のアンテナにおける所与のチャープに対する時系列の値の各々から、そのチャープ及びアンテナ対に対する推定ＤＣを引くことによって、或るＤＣに対して各時系列のビート信号サンプルが補正され得る。

３１０において、ビート信号サンプルの各時系列の周波数ドメイン表現が生成されて、各アンテナにおける各チャープに対するレンジビンのセットの各々に対するサンプル値が提供される。各レンジビンは、レシーバからの関連する距離を表す。一例において、周波数ドメイン表現は、時系列の値の各々に高速フーリエ変換（ＦＦＴ）を介して生成される。３１２において、レンジビンのセットの周波数ドメイン表現が補正されて、クラッタ補正されたサンプルのセットが提供され、これには、各アンテナにおける各レンジビン及び各チャープに対するサンプルが含まれる。一実装において、クラッタ補正サンプルのセットは、各アンテナにおける複数のチャープのサブセットにわたってサンプルを平均化することによって生成され得、各アンテナにおける各レンジビンに対して、アンテナ及びレンジビンのあり得る対毎にＤＣ成分が生成されるように、値の推定直流（ＤＣ）成分が提供され得る。次いで、各レンジビン及びアンテナ対に対する推定されたＤＣ成分は、所定のアンテナについて所定のレンジビンにおける値の各々から減算される。

３１４において、レンジビンのセットのサブセットに対する角度スペクトルが、クラッタ補正されたサンプルから決定される。例えば、各レンジビンに対する角度スペクトルは、クラッタ補正サンプルに最小分散無歪応答（ＭＶＤＲ）アルゴリズムを適用することにより決定され得る。一実装において、レンジビンのセットのサブセットは、サブセットがレンジビンのセットと同一の広がりを有するように、レンジビンの全てを含む。別の実装において、レンジビンのサブセットは、複数のチャープ及び複数のアンテナにわたるレンジビンのセットの各々についての総信号強度を表すレンジプロファイルベクトルを生成すること、及び、レンジビンのセットのサブセットとしてオブジェクトを含む可能性のあるレンジビンのセットをレンジプロファイルベクトルから決定することによって選択される。例えば、レンジプロファイルベクトルに一次元一定誤警報率アルゴリズムが適用され得る。

３１６において、対象領域内の任意のオブジェクトの位置が、レンジビンのセットにわたって決定された角度スペクトルから決定される。一実装において、レンジビンのセットのサブセットに対する角度スペクトルは、レーダーセンサモジュールに対する距離及び角度のセットで対象領域から反射される電磁放射の強度を表すレンジ方位角スペクトルマトリックスとして表すことができる。対象領域内の任意のオブジェクトの位置が、レンジ方位角スペクトルマトリックスに二次元一定誤警報率アルゴリズムを適用することによって決定され得る。検出されたオブジェクトに関する位置及び他の利用可能な情報がある場合、それらは、１つ又はそれ以上の他のシステムによって用いられるために、３１８でバッファにストアされ得る。

図４は、対象領域内の受信レーダー信号を処理するための方法４００の一例を図示する。４０２において、複数のアンテナの各アンテナにおける複数のチャープの各チャープに対して、時系列のビート信号サンプルが生成される。一実装において、時系列のビート信号サンプルは、各々が周波数変調電磁放射信号を含む複数のチャープを対象領域において送信し、各チャープ後に対象領域から反射された電磁放射をレシーバフロントエンドで受信することによって生成される。各チャープからの受信電磁放射は。送信されたチャープと混合されてビート信号を提供し、ビート信号は、サンプリングされて、複数のアンテナの各アンテナでの複数のチャープの各チャープに対して時系列のビート信号サンプルを提供する。

４０４において、各時系列のビート信号サンプルの周波数ドメイン表現が生成されて、各アンテナにおける各チャープに対するレンジビンのセットの各々に対するサンプル値を提供する。各レンジビンは、レシーバからの関連する距離を表す。一例において、周波数ドメイン表現は、時系列の値の各々に対する高速フーリエ変換（ＦＦＴ）を介して生成される。４０６において、レンジビンのセットの周波数ドメイン表現が補正されて、クラッタ補正サンプルのセットが提供され、これには、各アンテナにおける各レンジビンと各チャープとに対するサンプルが含まれる。一実装において、クラッタ補正サンプルのセットは、レンジビン及びチャープのあり得る対毎にＤＣ成分が生成されるように、各アンテナにおける各レンジビンに対して、各アンテナにおける複数のチャープのサブセットにわたってレンジビンのセットについてのサンプルを平均化することによって、それらの値の推定直流（ＤＣ）構成要素を提供することによって、生成され得る。各レンジビン及びアンテナ対についての推定されたＤＣ成分は、所与のアンテナについて所与のレンジビンにおける値の各々から減算される。

４０８において、レンジビンのセットのサブセットに対する角度スペクトルが、クラッタ補正サンプルから決定される。例えば、各レンジビンに対する角度スペクトルは、クラッタ補正サンプルに共分散ベースの到着方向判定アルゴリズムを適用することによって判定され得る。一実装において、レンジビンのセットのサブセットは、サブセットがレンジビンのセットと同一の広がりを有するように、レンジビンの全てを含む。別の実装において、レンジビンのサブセットは、複数のチャープ及び複数のアンテナにわたるレンジビンのセットの各々についての総信号強度を表すレンジプロファイルベクトルを生成し、レンジビンのセットのサブセットとしてオブジェクトを含む可能性のあるレンジビンのセットをレンジプロファイルベクトルから判定することによって選択される。例えば、レンジプロファイルベクトルに一次元一定誤警報率アルゴリズムが適用され得る。

４１０において、レンジビンのセットにわたる決定された角度スペクトルからの対象領域内の任意のオブジェクトの位置特定。４１２において、複数のアンテナにわたるレンジビンのセットの所与のレンジビン及び複数のチャープの所与のチャープに関する全てのクラッタ補正されたサンプルを含むＮ_ａ長さの空間ベクトルに空間ビームフォーミングが適用されて、所与のレンジビン及びチャープに関して、レンジビンに対するビームフォーミングされた信号ブロックが提供される。レンジビンは、任意の検出されたオブジェクトに関連付けられたレンジビンのセットから選択され得ることが理解されるであろう。４１４において、ドップラースペクトルベクトルを提供するために、レンジビンに対し、ビームフォーミング信号ブロックにＦＦＴが適用される。４１６において、レンジビンに関連するオブジェクトに対するドップラー情報が、ドップラースペクトルベクトルから抽出される。任意の検出されたオブジェクトの位置、抽出されたドップラー情報、及び、検出されたオブジェクトに関するその他の利用可能な情報は、１つ又は複数のその他のシステムによる使用のため、４１８においてバッファにストアされ得る。

図５は、図２に図示されたデジタルシグナルプロセッサ２００などの、図１〜４に開示されたシステム及び方法の例を実装し得るハードウェア構成要素の例示のシステム５００を図示する概略ブロック図である。システム５００は、様々なシステム及びサブシステムを含み得る。システム５００は、パーソナルコンピュータ、ラップトップコンピュータ、ワークステーション、コンピュータシステム、装置、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）、サーバー、サーバーブレードセンター、サーバーファームなどとされ得る。一実装において、システム５００はマイクロプロセッサであり、この実装では構成要素５０２、５０４、５０６、５０８、５１０、５１２、５１４、５１６、及び５１８の幾つかは不要であり得ることが理解されよう。一例において、デジタルシグナルプロセッサ２００は集積回路として実装され得る。この目的のために適合され得る集積回路ハードウェアの例は、http://www.ti.com/general/docs/datasheetdiagram.tsp?genericPartNumber=AWRl642&diagramId=SWRS203Aで利用可能なＴＩデータシートＳＷＲＳ２０３Ａ、及び、http://www.ti.com/general/docs/datasheetdiagram.tsp?genericPartNumber=AWRl443&diagramId=SWRS202Aにおいて利用可能な及びＴＩデータシートＳＷＲＳ２０２Ａに記載されており、これらは参考として本願に組み込まれている。

システム５００は、システムバス５０２、処理ユニット５０４、システムメモリ５０６、メモリデバイス５０８及び５１０、通信インタフェース５１２（例えば、ネットワークインタフェース）、通信リンク５１４、ディスプレイ５１６（例えば、ビデオスクリーン）、及び入力デバイス５１８（例えば、キーボード及び／又はマウス）を含み得る。システムバス５０２は、処理ユニット５０４及びシステムメモリ５０６と通信し得る。ハードディスクドライブ、サーバー、スタンドアロンデータベース、又はその他の不揮発性メモリなどの付加的なメモリデバイス５０８及び５１０も、システムバス５０２と通信し得る。システムバス５０２は、処理ユニット５０４、メモリデバイス５０６〜５１０、通信インタフェース５１２、ディスプレイ５１６、及び入力デバイス５１８を相互接続する。幾つかの例において、システムバス５０２は、ＵＳＢ（ユニバーサルシリアルバス）ポートなどの付加的なポート（図示せず）も相互接続する。

処理ユニット５０４は、コンピュータデバイスとされ得、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）を含み得る。処理ユニット５０４は、本明細書で開示される例のオペレーションを実装するために一連の命令を実行する。処理ユニットは処理コアを含み得る。

付加的なメモリデバイス５０６、５０８及び５１０は、データ、プログラム、命令、テキスト又はコンパイル形式のデータベース問い合わせ、及び、コンピュータを動作させるために必要とされるその他の任意の情報をストアし得る。メモリ５０６、５０８、及び５１０は、例えば、メモリカード、ディスクドライブ、コンパクトディスク、又はネットワークを介してアクセス可能なサーバーなどの、コンピュータ可読媒体（統合され得又は取り外し可能）として実装され得る。幾つかの例において、メモリ５０６、５０８、及び５１０は、テキスト、画像、ビデオ、及び／又はオーディオを含み得、それらの一部は人間が理解できる形式で利用可能であり得る。加えて又は代替として、システム５００は、システムバス５０２及び通信リンク５１４と通信可能な通信インタフェース５１２を介して、外部データソース又は問い合わせソースにアクセスし得る。

オペレーションにおいて、システム５００は、本開示に従った診断及び判定支援システムの１つ又は複数の部品を実装するために用いられ得る。特定の実施例に従って、システムメモリ５０６、及びメモリデバイス５０８、５１０のうちの１つ又はそれ以上に複合応用例試験システムを実装するためのコンピュータ実行可能論理が存在する。処理ユニット５０４は、システムメモリ５０６及びメモリデバイス５０８及び５１０から発せられる１つ又はそれ以上のコンピュータ実行可能命令を実行する。本明細書において用いられるように「コンピュータ可読媒体」という用語は、実行のために処理ユニット５０４に命令を提供することに関与する任意の媒体を指し、コンピュータ可読媒体は、処理ユニットに各々動作可能に接続される複数のコンピュータ可読媒体を含み得ることが理解されよう。

本発明の特許請求の範囲内で、説明した例示の実施例に改変が成され得、他の実施例が可能である。

Claims (20)

1. システムであって、
   周波数変調された連続波電磁放射信号を各々が含む複数のチャープを対象領域において送信するトランスミッタ、
   複数のアンテナの各々で各チャープに対して前記対象領域から反射された電磁放射を受け取り、前記複数のアンテナの各アンテナで各チャープに対して時系列のビート信号サンプルを生成するレシーバフロントエンド、及び
   前記システムからのそれぞれの距離を表すレンジビンのセットに対するサンプル値として各時系列のビート信号サンプルの周波数ドメイン表現を提供すること、各レンジビンに対するクラッタ補正サンプルのセットを提供するために前記レンジビンのセットの各々に対して前記サンプル値を補正すること、及び、前記クラッタ補正サンプルからの前記レンジビンのセットのサブセットの各々に対する角度スペクトルを判定することによって、前記対象領域内のオブジェクトを検出する信号プロセッサ、
   を含む、システム。
2. 請求項１に記載のシステムであって、前記複数のアンテナが、物理的な送信及び受信アンテナの対応するアレイから導出される仮想アンテナアレイの時分割多重化された多重入力及び多重出力（ＴＤＭ−ＭＩＭＯ）実装である、システム。
3. 請求項１に記載のシステムであって、前記複数のアンテナの各アンテナに対する各レンジビンに対して、前記信号プロセッサが、レーダーリターンのフレームにおけるチャープにわたる前記レンジビンについての前記サンプル値の算術平均を計算して平均値を提供し、前記レンジビンについての各サンプル値から前記平均値を差し引いて、各レンジビンについてクラッタ補正サンプルのセットを提供する、システム。
4. 請求項１に記載のシステムであって、前記信号プロセッサが前記複数の仮想アンテナにわたる各レンジビンについて前記クラッタ補正サンプルの空間共分散を共分散推定マトリックスとして推定し、対角負荷マトリックスを前記共分散推定マトリックスに付加することであって、前記対角負荷前記システムの対角に沿った各要素が、前記レンジビンのノイズ分散推定と選択された定数との積として判定され、前記共分散推定マトリックスと前記対角負荷マトリックスとの和を用いて、共分散ベースの到着方向判定アルゴリズムに従って前記角度スペクトルを計算する、システム。
5. 請求項１に記載のシステムであって、前記共分散ベースの到着方向アルゴリズムが、最小分散無歪応答（ＭＶＤＲ）アルゴリズム、ＭＵＳＩＣ（multiple signal classification）システム、又はＥＳＰＲＩＴ（Estimation of Signal Parameters by Rotational Invariance Techniques）アルゴリズムのうちの少なくとも１つである、アルゴリズム、システム。
6. 請求項１に記載のシステムであって、前記信号プロセッサにおいてオブジェクトが検出されると、前記信号プロセッサが更に、前記レンジビンのセットにわたる前記判定された角度スペクトルから、前記対象領域内の少なくとも１つのオブジェクトの位置を判定する、システム。
7. 請求項６に記載のシステムであって、前記シグナルプロセッサが、前記レンジビンのセットの所与のレンジビンについての全てのクラッタ補正サンプルと、前記複数のアンテナにわたる前記複数のチャープの所与のチャープとを含むＮ_ａ次元空間ベクトルに空間ビームフォーミングを適用して、前記所与のレンジビン及びチャープに対して、前記レンジビンのためのビームフォーミングされたシグナルブロックを提供し、前記所与のレンジビンが、前記少なくとも１つのオブジェクトに関連する少なくとも１つのレンジビンのセットから選択され、前記レンジビンのための前記ビームフォーミングされたシグナルブロックに高速フーリエ変換（ＦＦＴ）を適用してドップラースペクトルベクトルを提供し、前記ドップラースペクトルベクトルから前記所与のレンジビンに関連する前記少なくとも１つのオブジェクトのドップラー情報を抽出する、システム。
8. 請求項５に記載のシステムであって、前記信号プロセッサが、前記複数のチャープ及び前記複数のアンテナにわたる前記レンジビンのセットの各々についての総信号強度を表すレンジプロファイルベクトルを生成し、前記レンジプロファイルベクトルから、オブジェクトを含む可能性のあるレンジビンのセットを前記レンジビンのセットの前記サブセットとして判定する、システム。
9. 対象領域内のオブジェクトを検出するための方法であって、
   周波数変調された連続波電磁放射信号を各々が含む複数のチャープをレーダーセンサモジュールからの対象領域において送信すること、 少なくとも１つのレシーバフロントエンドに関連する複数の受信アンテナにおいて各チャープ後に、前記対象領域から反射された電磁放射を受け取ること、 ビート信号を提供するため、各チャープについて前記受けとった電磁放射を前記送信されたチャープを混合すること、 複数のアンテナの各アンテナにおける前記複数のチャープの各チャープのための時系列のビート信号サンプルを提供するため前記ビート信号をサンプルすること、 各アンテナでの各チャープについて、前記レーダーセンサモジュールからの関連距離を各々が表すレンジビンのセットの各々についてのサンプル値を提供するため、各時系列のビート信号サンプルの周波数ドメイン表現を提供すること、 各アンテナでの各レンジビンと各チャープとに対するサンプルを含む、クラッタ補正サンプルのセットを提供するため、前記レンジビンのセットの周波数ドメイン表現を補正すること、 前記クラッタ補正サンプルから前記レンジビンセットのサブセットについての角度スペクトルを判定すること、及び 前記レンジビンのセットにわたる前記判定された角度スペクトルから前記対象領域内に存在するオブジェクトを検出すること、
   を含む、方法。
10. 請求項９に記載の方法であって、前記クラッタ補正サンプルのセットを提供するために前記レンジビンのセットの前記周波数ドメイン表現を補正することが、
    アンテナ及びレンジビンの可能な対の全てに対してＤＣ成分が生成されるように、各アンテナにおける各レンジビンについて、前記値の推定直流（ＤＣ）構成要素を提供するために、各アンテナにおける前記複数のチャープのサブセットにわたってサンプルを平均化すること、及び
    所与のアンテナの所与のレンジビンにおける値の各々から、そのレンジビン及びアンテナ対についての前記推定ＤＣ成分を減じること、
    を含む、方法。
11. 請求項９に記載の方法であって、
    前記レンジビンのセットの所与のレンジビンについての全てのクラッタ補正サンプルと、前記複数のアンテナにわたる前記複数のチャープの所与のチャープとを含む次元空間信号ブロックに空間ビームフォーミングを適用して、前記所与のレンジビン及びチャープについて、前記レンジビンのためのビームフォーミングされた信号ベクトルを提供することを含み、
    前記所与のレンジビンが、前記少なくとも１つのオブジェクトに関連する少なくとも１つのレンジビンのセットから選択される、
    方法。
12. 請求項１１に記載の方法であって、
    ドップラースペクトルベクトルを提供するために、前記ビームフォーミングされた信号ブロックに高速フーリエ変換（ＦＦＴ）を適用すること、及び
    前記ドップラースペクトルベクトルから前記所与のレンジビンに関連する検出されたオブジェクトについてのドップラー情報を抽出すること、
    を更に含む、方法。
13. 請求項９に記載の方法であって、
    前記クラッタ補正サンプルから前記レンジビンのセットの前記サブセットに対する前記角度スペクトルを判定することが、前記レーダーセンサモジュールに対する距離及び角度のセットで前記対象領域から反射された電磁放射の強度を表すレンジ方位角スペクトルマトリックスを提供し、
    前記レンジビンのセットにわたる前記判定された角度スペクトルから前記対象領域内に存在する任意のオブジェクトを検出することが、２次元一定誤警報率アルゴリズムを前記レンジ方位角スペクトルマトリックスに適用することを含む、
    方法。
14. 請求項８に記載の方法であって、
    前記複数のチャープ及び前記複数のアンテナにわたる前記レンジビンのセットの各々についての総信号強度を表すレンジプロファイルベクトルを生成すること、及び
    前記レンジプロファイルベクトルから、オブジェクトを含む可能性が高いレンジビンのセットを前記レンジビンのセットの前記サブセットとして判定すること、
    を更に含む、方法。
15. 請求項８に記載の方法であって、
    各アンテナにおける各チャープに対する時系列のビート信号サンプルからの値を平均化して、前記値の推定直流（ＤＣ）成分を提供すること、
    所与のアンテナにおける所与のチャープに対する前記時系列の値の各々から、そのチャープ及びアンテナ対の推定ＤＣ成分を減じること、
    を更に含む、方法。
16. 対象領域内のオブジェクトを検出するためにレーダーリターンを処理するための方法であって、
    複数のアンテナの各アンテナにおける複数のチャープの各チャープについての時系列のビート信号サンプルを生成すること、
    各アンテナにおける各チャープについて、レーダーセンサモジュールからの関連距離を各々表すレンジビンのセットの各々についてのサンプル値を提供するため、各時系列のビート信号サンプルの周波数ドメイン表現を提供すること、
    各アンテナでの各レンジビンと各チャープとに対するサンプルを含む、クラッタ補正サンプルのセットを提供するため、前記レンジビンのセットの前記周波数ドメイン表現を補正すること、
    前記クラッタ補正サンプルから前記レンジビンセットのサブセットについての角度スペクトルを判定すること、
    前記対象領域内の少なくとも１つのオブジェクトの位置を、前記レンジビンのセットにわたる前記判定された角度スペクトルから判定すること、
    前記レンジビンのセットの所与のレンジビンと、前記複数のアンテナにわたる前記複数のチャープの所与のチャープとについての全てのクラッタ補正サンプルを含む次元空間ベクトルに空間ビームフォーミングを適用して、前記所与のレンジビン及びチャープについて、前記レンジビンのためのビームフォーミングされた信号ブロックを提供し、前記所与のレンジビンが、前記少なくとも１つのオブジェクトに関連する少なくとも１つのレンジビンのセットから選択されること、
    ドップラースペクトルベクトルを提供するため、ビームフォーミングされた信号ブロックに高速フーリエ変換（ＦＦＴ）を適用すること、
    前記ドップラースペクトルベクトルから、前記所与のレンジビンに関連する前記少なくとも１つのオブジェクトのオブジェクトについてのドップラー情報を抽出すること、
    を含む、方法。
17. 請求項１６に記載の方法であって、
    前記複数のチャープ及び前記複数のアンテナにわたる前記レンジビンのセットの各々についての総信号強度を表すレンジプロファイルベクトルを生成すること、及び
    オブジェクトを含む可能性が高いレンジビンのセットを前記レンジビンのセットの前記サブセットとして判定するため、前記レンジプロファイルベクトルに１次元一定誤警報率アルゴリズムを適用すること、
    を更に含む、方法。
18. 請求項１６に記載の方法であって、前記クラッタ補正サンプルのセットを提供するために前記レンジビンのセットの前記周波数ドメイン表現を補正することが、
    各アンテナにおける前記複数のチャープのサブセットにわたる前記レンジビンのセットのためのサンプルを平均化して、各アンテナにおける各レンジビンに対して、前記値の推定直流（ＤＣ）成分を提供し、そのため、あり得るアンテナ及びレンジビンの全ての対についてＤＣ成分が生成されること、
    所与のアンテナに対する所与のレンジビンにおける値の各々について、そのレンジビン及びアンテナ対について前記推定されたＤＣ成分を減じること、
    を含む、方法。
19. 請求項１６に記載の方法であって、
    周波数変調連続波電磁放射信号を各々が含む前記複数のチャープを、対象領域において送信し、
    前記レーダーセンサモジュールにおける各チャープ後に前記対象領域から反射される電磁放射を受信し、
    各チャープからの前記受信した電磁放射を前記送信されたチャープと混合してビート信号を提供し、
    前記複数のアンテナの各アンテナにおける前記複数のチャープの各チャープに対して前記時系列のビート信号サンプルを提供するため、前記ビート信号をサンプリングする、
    方法。
20. 請求項１６に記載の方法であって、各レンジビンに対する前記角度スペクトルを判定することが、共分散ベースの到着方向判定アルゴリズムを前記クラッタ補正サンプルに適用することを含む、方法。