TWI770834B

TWI770834B - 一種角度估算方法及其適用之電子偵測裝置

Info

Publication number: TWI770834B
Application number: TW110106361A
Authority: TW
Inventors: 李大嵩; 林雨謙
Original assignee: 國立陽明交通大學
Priority date: 2021-02-23
Filing date: 2021-02-23
Publication date: 2022-07-11
Also published as: TW202234086A

Abstract

本發明提供一種角度估算方法包含：以複數接收天線自一目標接收反射的一反射訊號並產生各自的接收訊號；對該些接收訊號進行一訊號處理；以及，實施一角度估算演算法以計算該目標與接收天線之間的角度。其中該訊號處理包括自該些接收訊號中選擇一高解析子陣列及一低解析子陣列以及產生對應該高解析子陣列的一高解析雜訊子空間與對應該低解析子陣列的一低解析雜訊子空間。其中該角度估算演算法用以使用該低解析雜訊子空間排除該高解析雜訊子空間中至少一個非該目標的角度。

Description

一種角度估算方法及其適用之電子偵測裝置

本發明是關於一種訊角度估算方法及其適用之電子偵測裝置，特別是關於一種低運算複雜度的角度估算方法及其適用之電子偵測裝置。

諸如雷達等偵測技術的應用已經由原本軍事或航天等高階應用領域轉變為例如車用或穿戴等貼近民生的應用領域。然而，雷達在偵測時所需要的運算能力以及硬體效能都大幅地增加了製造及維護等成本，導致在雷達應用的普及上，無法有效且低廉地推廣。因此，如何在不改變雷達效能的情況下，有效地降低例如硬體的成本，將會是本領域發展與推廣中的一大關鍵。

以毫米波雷達為例，相較於目標距離或速度的估測解析能力，雷達的角度估測解析能力一直受限於硬體上的空間限制以及射頻鏈路的高成本。因此，在雷達的角度估測解析能力上，故產學界一直尋找同時可兼顧低複雜度與高角度解析能力的角度估測演算法。以求能更有效地降低偵測裝置的硬體成本。

本發明提供一種電子偵測裝置包含發射模組以及接收模組。發射模組，組態為發射偵測訊號。接收模組組態為接收自目標反射的反射訊號。接收模組包括複數接收天線、訊號處理單元以及角度估計單元。接收天線組態為分別接收反射訊號並產生各自的接收訊號。訊號處理單元具有複數通道分別耦接至該些接收天線，該訊號處理單元對該些接收訊號進行訊號處理。角度估計單元組態為實施一角度估算演算法以計算該目標與該接收模組之間的角度。其中該訊號處理包括自該些接收訊號中選擇一高解析子陣列及一低解析子陣列以及產生對應該高解析子陣列的一高解析雜訊子空間與對應該低解析子陣列的一低解析雜訊子空間。其中該角度估算演算法用以使用該低解析雜訊子空間排除該高解析雜訊子空間中至少一個非該目標的角度。

如上所述，透過高解析子陣列及低解析子陣列選擇技術以及角度估算演算法，可以保留高解析子陣列的角度估測解析能力以及避免因取樣不足導致的假目標或誤判。且因為運算的矩陣大小及數量皆可以降低，所以可以有效地增加電子偵測裝置的角度估測解析能力且減少演算的複雜度，並有效地降低電子偵測裝置的硬體成本。

10:電子偵測裝置

100:發射模組

110-1~110-NT:發射天線

200:接收模組

210-1~210-NR:接收天線

220:訊號處理單元

220-1~220-NR:通道

230:角度估計單元

300:訊號處理

302,304,306,308,310:步驟

T:目標

FT:假目標

R:運算結果

CsE:低解析雜訊子空間

FsE:高解析雜訊子空間

SD:偵測訊號

SR:反射訊號

d1,d2:間距

θ:角度

SRX-1~SRX-NR:接收訊號

圖1為本發明一實施例中，電子偵測裝置的系統方塊示意圖。

圖2為本發明一實施例中，接收模組的示意圖。

圖3為本發明一實施例中，訊號處理的流程圖。

圖4A至圖4C為本發明一實施例中，高解析子陣列的可能選擇方案。

圖5A至圖5C為本發明一實施例中，低解析子陣列的可能選擇方案。

圖6A與圖6B為本發明一實施例中，角度估算演算法運作的示意圖。

以下將以圖式及詳細敘述清楚說明本揭示內容之精神，任何所屬技術領域中具有通常知識者在瞭解本揭示內容之實施例後，當可由本揭示內容所教示之技術，加以改變及修飾，其並不脫離本揭示內容之精神與範圍。

關於本文中所使用之『第一』、『第二』、...等，並非特別指稱次序或順位的意思，亦非用以限定本發明，其僅為了區別以相同技術用語描述的元件或操作。關於本文中所使用之『包含』、『包括』、『具有』、『含有』等等，均為開放性的用語，即意指包含但不限於。

關於本文中所使用之用詞(terms)，除有特別註明外，通常具有每個用詞使用在此領域中、在此揭露之內容中與特殊內容中的平常意義。某些用以描述本揭露之用詞將於下或在此說明書的別處討論，以提供本領域技術人員在有關本揭露之描述上額外的引導。

在附圖中，為了清楚起見，放大了層、板、區域或空間等的厚度。在整個說明書中，相同的附圖標記表示相同的元件。應當理解，當諸如層、板、區域或空間的元件被稱為在另一元件「上」或「連接到」另一元件時，其可以被解釋為直接在另一元件上或與另一元件連接，或是可解釋為具有或存在中間元件在元件與另一元件之間。如本文所使用的「連接」或「耦接」可以指物理及/或電性連接。再者，為簡化附圖及凸顯附圖所要呈現之內容，附圖中習知的結構或元件將可能以簡單示意的方式繪出或是以省略的方式呈現。

請參照圖1，圖1說明本發明一實施例中，電子偵測裝置的示意圖。電子偵測裝置10包括發射模組100以及接收模組200。發射模組10包含複數個發射天線110-1~110-NT，其中NT可以為任意正整數。接收模組200包括複數個接收天線210-1~210-NR，其中NR可以為任意正整數。發射模組100發射偵測訊號SD至周遭環境中(例如電子偵測裝置10的前方)，當周遭環境具有目標物T時，偵測訊號SD將自目標物T反射而成為反射訊號SR。接收模組200接收反射訊號SR。具體來說，接收天線210-1~210-NR分別接收反射訊號SR以產生各自的接收訊號SRX-1~SRX-NR。發射天線110-1~110-NT與接收天線210-1~210-NR的配置可以為任意形式之陣列，且較佳為線性陣列。舉例來說，發射天線110-1~110-NT與接收天線210-1~210-NR可以為均勻線性陣列(Uniform Linear Array,ULA)。於此實施例中，相鄰的接收天線210-1~210-NR之間的間距d2較佳為半波長(λ/2)且相鄰的發射天線110-1~110-NT之間的間距d1為接收天線210-1~210-NR之間的間距d2的N倍(Nλ/2)，其中λ表示為發射天線110-1~110-NT所輸出的偵測訊號SD之波長。須說明的是，本發明的發射天線110-1~110-NT與接收天線210-1~210-NR的配置或間距不應受限於上述舉例。

請參照圖2，接收模組200還包括訊號處理單元220以及角度估計單元230。訊號處理單元可以具有多個通道220-1~220-NR分別耦接至對應的接收天線210-1~210-NR。訊號處理單元220對耦接的接收天線210-1~210-NR所接收到的接收訊號SRX-1~SRX-NR進行訊號處理。具體來說，訊號處理單元220可以自接收訊號SRX-1~SRX-NR中選取至少一個高解析子陣列(fine-resolution subarray,FsA)以及至少一個低解析子陣列(coarse-resolution subarray,CsA)。接著，訊號處理單元220對高解析子陣列FsA以及低解析子陣列CsA進行訊號處理而獲得對應的高解析雜訊子空間FsE以及低解析雜訊子空間CsE。接著，角度估計單元230根據角度估算演算法使用低解析雜訊子空間CsE來排除高解析雜訊子空間FsE中至少一個非目標T的角度(假目標)。具體來說，將高解析雜訊子空間FsE以及低解析雜訊子空間CsE進行最大值截取運算或稱為峰值交集，來獲得目標T與接收模組200之間角度θ的估算值。

請參照圖3，圖3為本發明一實施例中，訊號處理單元220所進行的訊號處理300的流程圖。在步驟302中，進行高解析子陣列FsA以及低解析子陣列CsA的選擇。具體來說，高解析子陣列FsA的選擇目的是為了得到較高的角度解析能力，而低解析子陣列CsA的選擇目的是為了要避免空間混疊(spatial aliasing,SA)，空間混疊為當在空間上面的取樣數不足時，例如因為電磁波相位差易而造成目標T與接收模組200之間角度θ判斷上的錯誤，空間混疊可能會造成在非目標角度上出現假目標。換句話說，通常高解析子陣列FsA雖然因為其具有大的陣列孔徑所以有較佳的角度估計精度及解析度，卻容易受限於在空間上取樣不夠，會在非真實目標角度處出現假目標(在非目標角度的頻譜上出現峰值)。而低解析子陣列CsA雖然因為具有小的陣列孔徑，導致角度估計精度和解析度低於解析子陣列FsA。但解析子陣列CsA在空間上取樣足夠，所以並不會在頻譜上出現假目標。當選擇高解析子陣列FsA時，將會從較外部的接收天線的開始選擇，且較佳為最外部接收天線或(於圖2中的接收天線210-1及/或210-NR)的開始選擇，因此的高解析子陣列FsA具有最大的克拉馬-羅限(Cramer-Rao Bound)，代表著該子陣列具有最高的角度估計準確度(具有最大的陣列孔徑)。當選擇低解析子陣列CsA時，則會選擇平均天線間距最小的接收天線或是彼此相鄰的接收天線。於一實施例中，較佳為選擇距離為半波長的接收天線，以維持在最大的可視範圍。須說明的是，本發明中所指的高解析子陣列FsA可以係相對於低解析子陣列CsA具有較大的克拉馬-羅限的子陣列，因此，本發明的高解析子陣列FsA與低解析子陣列CsA並非受限於接收天線選擇的位置與數量，而是可以依照其物理意義(例如克拉馬-羅限或其他可能的物理參數)來做區分。

接著，在步驟304中，將選擇的高解析子陣列FsA及低解析子陣列CsA由射頻降至基頻。接著，在步驟306中，根據不同的偵測訊號SD的波形(例如頻率調變連續波(Frequency Modulation Continuous Wave,FMCW)或者正交頻分調變(Orthogonal Frequency Division Modulation,OFDM)波形)做對應的解析，從而得到在時頻上之通道係數矩陣。

接著，在步驟308中，根據多天線得到之通道係數矩陣所得到之目標訊號做適當之去同調技術(例如：正反向平均(Forward-backward averaging, FBA)或者空間平滑(Spatial Smoothing,SS)技術)以消除雷達回波間之同調性，並產生複數個快照(snapshots)。接著，在步驟310中，針對已選擇之高解析子陣列FsA及低解析子陣列CsA計算其對應的空間自變異矩陣(spatial covariance matrix)，並根據對於目標的數目實施特徵(值)分解(eigenvalue decomposition)以得到對應的高解析雜訊子空間FsE以及低解析雜訊子空間CsE。接續地，將高解析雜訊子空間FsE以及低解析雜訊子空間CsE輸出至角度估計單元230，角度估計單元230根據角度估算演算法，來獲得目標T與接收模組200之間角度θ的估算值。此外，於估計目標T與接收模組200之間角度θ的計算完成後，可以回到步驟304以進行下一次的角度估算。

須說明的是，本發明的訊號處理並不限於圖3所示之流程。更具體地，任何本領域習知的訊號處理方式，皆可以基於本發明的實施例進而增加或減少步驟以達到相似的目的。舉例來說，自接收模組200接收反射訊號SR後，產生時頻通道係數矩陣，再將這些矩陣利用例如2D快速傅立葉等轉換方式轉換為距離-速度熱圖(Range-Doppler map,RD map)等常規處理方式皆可應用於本發明之訊號處理中。

於一實施例中，可在對應接收天線210-1~210-NR的接收訊號SRX-1~SRX-NR中選擇Q個子陣列，換句話說，高解析子陣列FsA以及低解析子陣列CsA的總數為Q個。於一實施例中，高解析子陣列FsA以及低解析子陣列CsA的總數Q可以包含複數個高解析子陣列FsA以及至少一個低解析子陣列CsA。舉例來說，當Q等於3時，則可以包含兩個高解析子陣列FsA以及一個低解析子陣列CsA。當Q等於4時，則可以包含三個高解析子陣列FsA以及一個低解析子陣列CsA或是兩個高解析子陣列FsA以及兩個低解析子陣列CsA。

在本發明的一實施例中，提供高解析子陣列FsA的可能選擇方案。如圖4A至圖4C所示，假設共有12支接收天線210-1~210-12，應理解上述接收天線的數量僅是用於簡化說明，不應用於限制本發明。高解析子陣列FsA的選擇至少包含最外側的兩支接收天線210-1與210-12。然而，高解析子陣列FsA並不限於僅有選擇兩支接收天線，高解析子陣列FsA可以任意選擇X數量的接收天線，X為小於接收天線總數且大於等於2的任意正整數。須說明的是，X的數值可以但不限於例如根據硬體的運算能力或是對於角度精確度需求來決定。於一較佳實施例中，X較佳為小於4之正整數，因為對應的空間自變異矩陣的維度小於4可以使用較快的方式(例如特徵值分解之封閉解)計算特徵值，以得到對應的高解析雜訊子空間FsE，來獲得更快的運算效率。舉例來說，當高解析子陣列FsA的選擇數量為4的時候，高解析子陣列FsA除了選擇最外側的接收天線210-1與210-12，亦選擇接收天線210-2~210-11中的兩支天線，且較佳為對稱位置的天線。詳細來說，高解析子陣列FsA可以為如圖4A所示的第一群組(接收天線210-1、210-2、210-11與210-12)、如圖4B所示的第二群組(接收天線210-1、210-6、210-7與210-12)及/或如圖4C所示的第三群組(接收天線210-2、210-3、210-10與210-11)。須說明的是，上述群組僅是簡單示例並非為了限制本發明高解析子陣列FsA的選擇方式與數量，任何本領域通常知識者知悉本發明後所做出的調整或相似概念皆應屬於本發明之範疇。

在本發明的一實施例中，提供低解析子陣列CsA的可能選擇方案，如圖5A至圖5C所示之實施例，共有12支接收天線210-1~210-12，低解析子陣列CsA選擇12支接收天線210-1~210-12中彼此相鄰的Y支天線，其中Y為大於1且小於接收天線數量的任意正整數。須說明的是，低解析子陣列CsA中接收天線的選擇數量Y可以與高解析子陣列FsA的選擇數量X相同或不同，取決於實際運用需求或是硬體設計。於一較佳實施例中，Y較佳為小於4之正整數，因為對應的空間自變異矩陣的維度小於4可以使用較快的方式(例如特徵值分解之封閉解)計算特徵值，以得到對應的低解析雜訊子空間CsE，來獲得更快的運算效率。舉例來說，當Y等於4時，低解析子陣列CsA可以為圖5A所示之第四群組(接收天線210-1、210-2、210-3與210-4)、圖5B所示之第五群組(接收天線210-3、210-4、210-5與210-6)及/或圖5C所示之第六群組(接收天線210-7、210-8、210-9與210-10)。須說明的是，上述群組僅是簡單示例並非為了限制本發明低解析子陣列CsA的選擇方式與數量，任何本領域通常知識者知悉本發明後所做出的調整或相似概念皆應屬於本發明之範疇。

於一實施例中，每個子陣列(高解析子陣列FsA及/或低解析子陣列CsA)所對應的天線數量相同，也就是每個子陣列天線的大小都一樣。於此實施例中，由於這些高解析子陣列FsA以及低解析子陣列CsA的維度大小都相同，則其對應的特徵分解的複雜度也會相同。如此一來，總數為Q個的高解析子陣列FsA及低解析子陣列CsA的特徵分解可以進一步簡化硬體架構而得到更有效率的計算。

於一實施例中，本發明的角度估算演算法可以由以下空間頻譜函數f _max(θ)來表示：

其中a_q(θ)=T_qa(θ)，f₁(θ),f₂(θ),...,f_Q(θ)分別被定義為Q個子陣列的原始空間頻譜，其對應著Q個被選擇的子陣列，位於分子位置的M_q的功能為正規化各個原始空間頻譜的能量。須說明的是，角度估算演算法並不受限於上述空間頻譜函數f _max(θ)。具體來說，上述空間頻譜函數fmax(θ)的式(1.1)中的功能可以類似於布林邏輯閘的AND閘。需要全部的輸入皆同時為「真」(二位元的1)，才會輸出「真」，否則將會輸出「假」(二位元的0)。換句話說，必須要所有的原始空間頻譜都出現峰值時，於空間頻譜函數fmax(θ)中才會出現峰值。因此，任何相似或等效的運算方法，皆應屬於本發明之範疇。在這樣的設計下，高解析子陣列FsA中的假目標會被低解析子陣列CsA所壓抑，並在真實目標T的角度θ部分之頻譜。因為高解析子陣列FsA與低解析子陣列CsA的頻譜皆會在目標T的角度θ上出現峰值，故真實目標T的角度θ所對應之峰值會被保留且具有高解析子陣列FsA的高角度解析能力。綜上所述，本發明提出之空間頻譜函數f _max(θ)可同時去除高解析子陣列FsA的空間頻譜上的假目標並可以維持其高角度估計準確度及解析度。

在本發明的一實施例中，如圖6A及圖6B所示，在空間頻譜-角度的示意圖中，對應高解析子陣列FsA的高解析雜訊子空間FsE有較高的高角度解析能力，但相對的因採樣不足容易產生假目標FT。透過與對應低解析子陣列CsA的低解析雜訊子空間CsE進行角度估算演算法後的運算結果R，進行最大值截取運算排除高解析雜訊子空間FsE中的假目標FT，並保留目標T的角度頻譜。須說明的是，圖6A及圖6B的x軸與y軸所使用之數值與單位並非用於限制本發明。

透過本發明所揭露的高解析子陣列FsA及低解析子陣列CsA選擇技術以及角度估算演算法可以有效地增加電子偵測裝置的角度估測解析能力且減少演算的複雜度，以有效地降低電子偵測裝置的硬體成本。

本發明已由上述相關實施例加以描述，然而上述實施例僅為實施本發明之範例。必需指出的是，已揭露之實施例並未限制本發明之範圍。相反地，包含於申請專利範圍之精神及範圍之修改及均等設置均包含於本發明之範圍內。