TW202409605A

TW202409605A - 用於交通工具的雷達系統及偵測方法

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Publication number: TW202409605A
Application number: TW111131274A
Authority: TW
Inventors: 柯子仲; 饒硯喬
Original assignee: 明泰科技股份有限公司
Filing date: 2022-08-19
Publication date: 2024-03-01

Abstract

一種由雷達系統實施的目標物偵測方法，包括：雷達系統的射頻模組的發射段形成一關於一發射訊號T _x的傳送波並透過發射天線進行發射；射頻模組的接收段從多個接收天線分別接收由目標物反射該傳送波而產生的一帶有接收訊號R _x的反射波，並將各該接收訊號R _x與該發射訊號T _x分別組成一差頻訊號；以及訊號處理器針對該等差頻訊號進行二維快速傅立葉(2D-FFT)處理，取得有關該目標物的一包括一距離值的概略位置資訊，判斷該距離值是否大於一預設的距離閥值，及若是，則依據該概略位置資訊作為演算範圍進行二維多訊號分類 (2D-MUSIC) 演算，求出該目標物的一精確距離值及一精確角度值。

Description

用於交通工具的雷達系統及偵測方法

本發明是有關於一種用於交通工具的雷達系統及偵測方法，特別是指一種針對遠物件與近物件分別進行不同解析之用於交通工具的雷達系統及偵測方法。

雷達系統在交通工具的應用領域已發展多年。例如，安裝於車輛的雷達系統(下稱車用雷達)可用來偵測該車輛周遭的物件，是自動駕駛技術不可或缺的感應套件。

一般來說，車用雷達包括天線、射頻(RF)模組以及數位訊號處理器。該射頻模組透過該天線向外發射毫米波(millimetric wave)並接收周遭物件的反射訊號，經該數位訊號處理器計算後獲取其自身與周遭物件的相對距離、角度等，再交回車輛的中央處理單元進行判斷處理和決策。

前述數位訊號處理器依據收發訊號，一般採用FFT演算法計算距離、角度等數值。該數位訊號處理器的計算必須快速準確，以便讓車輛的中央處理單元即時做出決策反應。目前市面上車用雷達的天線主要採用2T4R型，也就是二根用於發射、四根用於接收，可虛擬出1T8R的天線陣列(以下稱八組虛擬天線)。以安裝於車輛前方的車用雷達配備2T4R型天線來說，其可解析的角度為14.32°。假設車道2.8公尺寬，則該雷達可辨識距離僅約10公尺(參閱圖1)，對於車輛前方超出10公尺的物體，該雷達辨識度不佳。

由於車用雷達所採用FFT演算法計算的角度解析度(angular resolution) 與虛擬天線數相關，當虛擬天線數量越多則可解析的角度越精密。因此為了達到更準確的目的，可直接改採用更高規格的硬體，例如將前述的2T4R型天線升級到4T8R(四根用於發射、八根用於接收，虛擬出1T32R的天線陣列)甚至更高規格的天線。以4T8R型天線來說，可解析的角度可低於4°，可解析的距離也就大幅提升。然而，使用更高規格的天線，產品成本也就提高。

因此，本發明的其中一目的，即在於提供一種無須提升天線硬體規格即可針對遠距物件計算得到高解析度角度值的用於交通工具的雷達系統。

本發明用於交通工具的雷達系統，適用於偵測一目標物。該系統包括一包括至少一發射天線以及多數個接收天線的天線模組，一包括一與該發射天線連接的發射段以及一與該等接收天線連接的接收段的射頻模組，以及一與該射頻模組連接的訊號處理器。

該射頻模組包括一與該發射天線連接的發射段，以及一與該等接收天線連接的接收段，該發射段用於形成一關於一發射訊號T _x的傳送波並透過該發射天線進行發射，該接收段從該等接收天線接收由該目標物反射該傳送波而產生的一反射波，該反射波帶有接收訊號R _x，該接收段並將各該接收訊號R _x與該發射訊號T _x分別組成一差頻訊號。

該訊號處理器針對該等差頻訊號進行二維快速傅立葉(2D-FFT)處理，取得有關該目標物的一包括一距離值的概略位置資訊，判斷該距離值是否大於一預設的距離閥值，若是，則依據該概略位置資訊作為演算範圍進行二維多訊號分類(2D-MUSIC) 演算，求出該目標物的一精確距離值及一精確角度值。

本發明的另一目的，在於提供一種目標物偵測方法，由該雷達系統實施。該方法包括該射頻模組的發射段形成一關於一發射訊號T _x的傳送波並透過該發射天線進行發射；該射頻模組的接收段從該等接收天線接收由該目標物反射該傳送波而產生的一反射波，該反射波帶有接收訊號R _x，並將各該接收訊號R _x與該發射訊號T _x分別組成一差頻訊號；以及該訊號處理器針對該等差頻訊號進行二維快速傅立葉(2D-FFT)處理，取得有關該目標物的一包括一距離值的概略位置資訊。該訊號處理器還判斷該距離值是否大於一預設的距離閥值，及若是，則依據該概略位置資訊作為演算範圍進行二維多訊號分類 (2D-MUSIC) 演算，求出該目標物的一精確距離值及一精確角度值。

本發明之功效在於：利用2D-FFT初估目標物的距離及角度，再針對鎖定的範圍進行2D-MUSIC分析求得目標物的精確距離值及精確角度值，藉此無須提升天線硬體規格、也不用大幅增加運算量即可獲得高解析的位置資訊。

在本發明被詳細描述之前，應當注意在以下的說明內容中，類似的元件是以相同的編號來表示。

本發明用於交通工具的雷達系統100的一實施例如圖2所示，安裝於交通工具(圖未示)前端且用來偵測目標物9。該雷達系統100包括一天線模組1、一射頻模組2以及一數位訊號處理器3。

在本實施例，天線模組1是一2T4R型天線，其中包括二根用於發射訊號的發射天線11，以及四根等距相間隔之用於接收訊號的接收天線12。本發明之天線模組1不以特定規格為限，其中發射天線11與接收天線12的數量不限，但接收天線12的數量必須為複數個。當發射天線11數量為多數時，該等發射天線的波束場型(beam pattern)可以各自不同。

射頻模組2包括發射段與接收段，該發射段用於形成一關於一發射訊號T _x的傳送波並透過其中一發射天線11進行發射，該接收段從該等接收天線12接收由該目標物9反射該傳送波而產生的一反射波，該反射波帶有接收訊號R _x。詳言之，本實施例中，該發射段包括一與該數位訊號處理器3連接且受控輸出控制訊號的發射控制單元21、一接收該控制訊號C _t而產生一調變訊號S _mod的訊號產生器22、一接收該調變訊號S _mod並控制其振盪頻率而進行頻率調變以形成該發射訊號T _x的振盪器23，及一與發射控制單元21連接且受控以一預定周期切換該振盪器23與該等發射天線11其中之一者之間的連接的切換單元24。藉此，該發射訊號T _x由該振盪器23傳送至其中一發射天線11並透過該發射天線11對外發射。

在本實施例，該數位訊號處理器3控制該射頻模組2的發射控制單元21、訊號產生器22與振盪器23，使該發射天線11發射出如圖3所示在周期內頻率變化且頻寬為的連續變頻訊號(chirps，又稱啁啾訊號)。此外，本實施例利用切換單元24切換波束場型以提高適應性，但在其他實施例，該射頻模組2也可不具有切換單元24，亦即該發射天線11僅發射單一種波束場型的發射訊號T _x。

該等接收天線12分別接收來自該目標物9因反射該發射訊號T _x而產生的反射波並分別產生接收訊號R _x。本實施例中，該射頻模組2的接收段包括數量與該等接收天線12相同且分別與該等接收天線12連接的數個通道。每一通道包括相互串接的一混和器25、一低通濾波器26，以及一類比數位轉換器(以下稱ADC)27。每一混和器25接收來自所連接的接收天線12的接收訊號R _x，以及接收該振盪器23形成的發射訊號T _x，並將該接收訊號R _x與該發射訊號T _x組成為一差頻訊號(beat signal) S _beat。每一低通濾波器26從所連接的混和器25接收差頻訊號S _beat進行高頻濾波。每一ADC 27從所連接的低通濾波器26接收經濾波的差頻訊號，對其進行數位取樣得到一筆數位資料並輸出至該數位訊號處理器3。

同時參閱圖3及圖4，由於該等發射天線11是發射連續的(sequential)數個發射訊號(T _x)(也就是chirps)，因此該等接收天線12是接收連續的數個接收訊號R _x，該數位訊號處理器3所接收的數位資料因此也是連續多筆。該數位訊號處理器3對於來自每一通道的多筆數位資料執行第一道FFT處理(又稱Range FFT)可得到有關距離的位置資訊。其中每一組發射訊號T _x與其對應的該等接收訊號R _x經該Range FFT處理後得到的頻譜圖如圖4所示。其中拍頻 (beat frequency，或稱差頻)公式(1) 如下。 …………………………(1) 其中，代表距離，代表光速，代表頻寬，代表chirps周期。

該數位訊號處理器3對於連續的產生多個頻譜圖再做第二道FFT處理(又稱Doppler FFT)，則可得知速度資訊，也就是可產生一個如圖5(a)所示縱軸為距離橫軸為速度的2D-FFT矩陣圖。該數位訊號處理器3對於多個通道的多筆數位資料，可進一步計算目標物9的方向，也就是產生角度資訊。因此，該數位訊號處理器3對於源自於所有的接收天線12的數位資料，可建立如圖5(b)的雷達資料立方體(Radar Data Cube)。圖5(b)的該雷達資料立方體包括距離、速度及角度資訊，其中右側面即一角度-距離矩陣圖。在本實施例，該數位訊號處理器3使用MATLAB、Simulink及Phased Array System Toolbox其中至少一工具進行演算來建立該雷達資料立方體，但不以此為限。藉由該雷達資料立方體，數位訊號處理器3再透過峰值偵測的方法從中讀出該目標物位於該距離-角度矩陣圖中的一目標網格內，以該目標網格的座標作為該概略位置資訊，包括一距離值及一角度值。也就是說，該數位訊號處理器3可以獲得該目標物9的概略位置資訊，包括距離值及角度值。在本實施例，該數位訊號處理器3控制該射頻模組2的該發射段調整發射訊號T _x，使其依據該目標物9的該概略位置資訊中的該角度值增強增益、提高該目標物9的反射強度。

由於一般2T4R型天線角度解析度約為14度，因此圖5(c)及圖5(d)之角度-距離矩陣圖的橫座標刻度是以14度表示。下文中，以該交通工具的雷達系統100偵測到前方有兩個遠近不同的目標物A、B例示說明。圖5(c)之角度-距離矩陣圖例示說明該目標物A、B實際上的距離及角度分別為距離25公尺、角度為15度，以及距離55公尺、角度為27度。但是由於該目標物A與目標物B在該角度-距離矩陣圖中都是落在角度14~28度的欄中，因此受限於這樣的角度解析度，從圖5(d)僅能獲得目標物A距離25公尺、角度21度，目標物B距離55公尺、角度21度的結果。

配合參閱圖6，本發明用於交通工具的雷達系統100之數位訊號處理器3針對如圖5(d)所示的角度-距離矩陣圖進行進一步解析。

在步驟S1，該數位訊號處理器3從該角度-距離矩陣圖讀取目標物的概略位置資訊。以圖5(d)來說，目標物A所在的網格(grid) (以下稱目標網格A)資料讀為距離25公尺、角度21度，此即為目標物A的概略位置資訊。目標物B所在的網格 (以下稱目標網格B) 資料讀為距離55公尺、角度21度，此即為目標物B的概略位置資訊。

在步驟S2，該數位訊號處理器3分析該等概略位置資訊當中的距離值是否超出一預設的距離閥值？在本實施例，由於2D-FFT對於10公尺內的角度解析度是足夠的，因此預設距離閥值10公尺，但本發明不以此為限，實際產品內部設定閥值可視需求或應用環境而異。若本步驟判斷為是，則接續進行步驟S3，若否，則不需進一步處理，也就是該概略位置資訊已經足夠，因此透過該數位訊號處理器3回傳給該交通工具的控制裝置(圖未示)，以進行例如輔助駕駛等後續分析處理。

在步驟S3，該數位訊號處理器3針對該數位資料進行二維多訊號分類演算(Two-Dimension Multiple Signal Classification，簡稱2D-MUSIC) ，求出目標物的精確距離值及精確角度值。以圖5(d)的目標網格A、B來說，由於距離都大於10公尺，因此兩個網格資料都進行2D-MUSIC處理。

以本實施例來說，該數位訊號處理器3使用Matlab的phased.MUSICEstimator2D工具來實作2D-MUSIC演算，針對所接收的數位資料估算方向（DoA, Direction of arrival）。其過程涉及建立該數位資料的一相關矩陣(convariance matrix)、計算該相關矩陣的特徵向量(eigen vector)的自相關矩陣(auto convariance matrix)等等，最終求得目標物座落在該目標網格A、B內多個細緻網格中的發生機率，取具有最高發生機率的細緻網格並輸出為該目標物的該精確距離值及該精確角度值。由於phased.MUSICEstimator2D工具為現有技術且非本發明主要技術特徵所在，故演算細節在此不加贅述。

由於MUSIC演算法的精度與該射頻模組2的ADC 27的數位取樣數目有關、與虛擬天線數目無關，而且該ADC 27的數位取樣量足以求出精確的角度值，因此本發明採用2D-MUSIC演算法針對目標網格進行角度及距離的精確估算，可以彌補2D-FFT在角度方面低解析度之不足。值得說明的是，由於2D-MUSIC演算法本身的運算量較龐大，但上述2D-MUSIC演算所針對的範圍係限於目標網格A、B的角度範圍及距離範圍找出目標物的精確角度、精確距離最高發生機率，相較於所有網格全部採用2D-MUSIC演算法大幅降低了運算量。

特別說明的是，本實施例採用2D-MUSIC演算法可同時得到精確距離值及精確角度值，但是其實只需要用到精確角度值來彌補2D-FFT之不足。然而，同時求得距離值及角度值的好處是可以直接與2D-FFT演算結果對照及補充。以前述目標物A、B的舉例來說，如果利用1D-MUSIC演算法可以求得精確角度值15度、27度，與2D-FFT演算結果整合時，並無法確定是「25公尺、角度為15度」或是「55公尺、角度為15度」，以及是「25公尺、角度為27度」或是「55公尺、角度為27度」。必須進一步利用例如干涉儀(interferometry)的多基線量測法(multi-baselines)來找出與距離的對應關係。當採用2D-MUSIC演算法則可以直接求出精確距離值與精確角度值，與概略位置資訊直接配對而得知目標物A為距離25公尺、角度15度，且目標物B為距離55公尺、角度為27度。

在步驟S4，該數位訊號處理器3將該目標物A、B的精確距離值及精確角度值輸出給交通工具的控制裝置進行例如輔助駕駛等後續分析。在其他實施例，當解析出該精確角度值，該數位訊號處理器3可控制該射頻模組2調整發射訊號T _x，使其原本依據該概略位置資訊中的該角度值增強增益改成依據該精確角度值來增強增益。

此外，在本實施例，該雷達系統100還藉由調整發射天線11發出該等發射訊號T _x的相位差而形成波束成型(beamforming)的效應，亦即採用波束成型(beamforming)技術。該數位訊號處理器3可在獲得有關該目標物的概略位置資訊的角度值，或者在獲得精確角度值之後，控制該射頻模組2的發射段調整發射訊號T _x，依據該角度值增強例如2~3dB的增益，以提高目標物的反射強度。藉此，該發射天線11所發出的發射訊號T _x在水平方向的角度範圍會減小、能量更集中，也可減少非車道內物體反射的雜訊。

綜上所述，本發明用於交通工具的雷達系統100首先利用2D-FFT初估目標物9的距離及角度，再針對距離超過預設閥值的目標物9所在角度-距離矩陣圖中網格進行2D-MUSIC分析，藉此無須提升天線硬體規格、也不用大幅增加運算量，即能針對遠距物件求得高解析度角度值。

惟以上所述者，僅為本發明之實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍，凡是依本發明申請專利範圍及專利說明書內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。

100:雷達系統 1:天線模組 11:發射天線 12:接收天線 2:射頻模組 21:發射控制單元 22:訊號產生器 23:振盪器 24:切換單元 25:混和器 26:低通濾波器 27:類比數位轉換器 3:數位訊號處理器 9:目標物 S1~S4:步驟

本發明之其他的特徵及功效，將於參照圖式的實施方式中清楚地呈現，其中：圖1是一示意圖，說明雷達的角度解析度與距離的關係；圖2是一方塊圖，說明本發明用於交通工具的雷達系統的一實施例的架構；圖3是一波型圖，示意說明雷達系統所發射之發射訊號(T _x)以及所接收的接收訊號(R _x)；圖4是一頻譜圖，示意說明數位訊號經FFT處理後的拍頻分布狀況；圖5(a)~(d)是用於示意說明的2D-FFT矩陣圖；及圖6是一流程圖，說明本發明用於交通工具的雷達系統之數位訊號處理器3所執行之步驟。

S1~S4:步驟

Claims

一種用於交通工具的雷達系統，適用於偵測一目標物，該系統包含：一天線模組，包括至少一發射天線以及多數個接收天線；一射頻模組，包括一與該發射天線連接的發射段，以及一與該等接收天線連接的接收段，該發射段用於形成一關於一發射訊號T _x的傳送波並透過該發射天線進行發射，該接收段從該等接收天線接收由該目標物反射該傳送波而產生的一反射波，該反射波帶有接收訊號R _x，該接收段並將各該接收訊號R _x與該發射訊號T _x分別組成一差頻訊號；以及一訊號處理器，與該射頻模組連接，針對該等差頻訊號進行二維快速傅立葉(2D-FFT)處理，取得有關該目標物的一包括一距離值的概略位置資訊，判斷該距離值是否大於一預設的距離閥值，若是，則依據該概略位置資訊作為演算範圍進行二維多訊號分類 (2D-MUSIC) 演算，求出該目標物的一精確距離值及一精確角度值。
如請求項1所述的雷達系統，其中，該射頻模組的該接收段包括數量與該等接收天線相同且分別與該等接收天線連接的數個通道，各該通道分別接收來自所連接的接收天線的該等接收訊號R _x、處理得到該等差頻訊號及數位取樣產生多筆數位資料；該訊號處理器對於來自該等通道的多個數位資料執行二道FFT處理，並建立一包括距離、速度與角度資訊的雷達資料立方體。
如請求項2所述的雷達系統，其中，該訊號處理器透過峰值偵測而從該雷達資料立方體中讀出該目標物的該概略位置資訊，包括一距離值及一角度值。
如請求項3所述的雷達系統，其中，該訊號處理器讀出該目標物位於該雷達資料立方體的距離-角度矩陣圖中的一目標網格內，以該目標網格的座標作為該概略位置資訊；該訊號處理器進行2D-MUSIC演算係針對該目標網格範圍內求出一距離相關矩陣以及一角度相關矩陣，並據此計算出該目標物位在該目標網格內多個細緻網格中的發生機率，取具有最高發生機率的細緻網格並讀為該目標物的該精確距離值及該精確角度值。
如請求項3所述的雷達系統，其中，該訊號處理器控制該射頻模組的該發射段調整發射訊號T _x，使其依據該目標物的該概略位置資訊中的該角度值、及該精確角度值其中之一者增強增益，以提高該目標物的反射強度。
一種目標物偵測方法，由一雷達系統實施，該雷達系統包括一具有至少一發射天線以及多數個接收天線的天線模組、一具有一與該發射天線連接的發射段以及一與該等接收天線連接的接收段的射頻模組，及一與該射頻模組連接的訊號處理器；該方法包含：該射頻模組的發射段形成一關於一發射訊號T _x的傳送波並透過該發射天線進行發射；該射頻模組的接收段從該等接收天線接收由該目標物反射該傳送波而產生的一反射波，該反射波帶有接收訊號R _x，並將各該接收訊號R _x與該發射訊號T _x分別組成一差頻訊號；以及該訊號處理器針對該等差頻訊號進行二維快速傅立葉(2D-FFT)處理，取得有關該目標物的一包括一距離值的概略位置資訊，判斷該距離值是否大於一預設的距離閥值，及若是，則依據該概略位置資訊作為演算範圍進行二維多訊號分類 (2D-MUSIC) 演算，求出該目標物的一精確距離值及一精確角度值。
如請求項6所述的目標物偵測方法，該射頻模組的該接收段包括數量與該等接收天線相同且分別與該等接收天線連接的數個通道，其中，該射頻模組的接收段所進行的步驟包括：各該通道分別接收來自所連接的接收天線的該等接收訊號R _x，處理得到該等差頻訊號，及數位取樣產生多筆數位資料；及該訊號處理器取得有關該目標物的概略位置資訊的步驟包括：對於來自該等通道的多個數位資料執行二道FFT處理；建立一包括距離、速度與角度資訊的雷達資料立方體；透過峰值偵測而從該雷達資料立方體中讀出該目標物位於該雷達資料立方體的距離-角度矩陣圖中的一目標網格內，以該目標網格的座標作為該概略位置資訊，包括一距離值及一角度值。
如請求項7所述的目標物偵測方法，其中，該訊號處理器依據該概略位置資訊作為演算範圍進行2D-MUSIC演算的步驟，是使用Matlab的phased.MUSICEstimator2D工具來實作，計算出該目標物位在該目標網格內多個細緻網格中的發生機率，取具有最高發生機率的細緻網格並輸出為該目標物的該精確距離值及該精確角度值。
如請求項7所述的目標物偵測方法，還包含：該訊號處理器控制該射頻模組的該發射段調整發射訊號T _x，使其依據該目標物的該概略位置資訊中的該角度值、及該精確角度值其中之一者增強增益，以提高該目標物的反射強度。