专利名称：对象检测系统和方法
技术领域：
本发明涉及一种通过发送调频连续波(FMCW)发射信号和接收来自目标对象的发射信号的发射信号反射作为接收信号(特别是对于较高频率的信号)来确定目标对象的距离和速度的对象检测系统和方法。本发明还涉及用于实现该方法的计算机程序和计算机可读非瞬时介质。
背景技术：
用于确定目标对象的距离和速度的对象检测系统也已知为雷达系统(无线电检测和测距)。调频连续波(FMCW)对象检测或雷达系统使用具有线性递增频率的发射信号。FMCW系统允许同时获得目标对象的距离和速度。可通过检测发射信号和接收信号之间的频移来获得距离。可通过检测多普勒频移获得速度。当使用较高频率的信号时，多普勒频移増加，但是最大的明确可检测速度(速率)也減少了。 US 6606052B1公开了通过提供距离和相対速度信息的自动FMCW雷达进行多对象检测的方法和装置。利用了具有较小的斜率差异的两个啁啾(chirp)频率扫描，并且因为差异较小，可通过自动消除多普勒频移来获得距离信息。US 2010/0289692A1公开了使用具有包括若干连续斜面的周期的电磁波。周期中的第一斜面经由频带的第一部分被发送，并且周期中的第二斜面经由不同于第一部分的频带的第二部分被发送。第二斜面相对于第一斜面的偏移量为频移。
发明内容
本发明的ー个目的是提供最大可检测的明确速度(速率)増加而不会降低检测更新率(刷新率)的对象检测系统和方法。本发明的另ー个目的是提供用于实现该方法的计算机程序和计算机可读非瞬时介质。根据本发明的ー个方面，提供了一种通过发送调频连续波(FMCW)发射信号和接收来自目标对象的发射信号的发射信号反射作为接收信号来确定目标对象的距离和速度的对象检测系统。系统包括用于生成FMCW发射信号的信号生成器。发射信号具有多个连续调制块。每ー个调制块包括若干个第一类型啁啾和若干个第二类型啁啾，每个第一类型啁啾具有第一斜率，每个第二类型啁啾具有不同于第一斜率的第二斜率。相同类型的两个连续的啁啾具有频率偏移。系统还包括信号处理单元，该信号处理单元基于发射信号和接收信号并且使用第一类型啁啾和第二类型啁啾来处理混合信号，以便确定目标对象的距离和速度。根据本发明的另ー个方面，提供了一种通过发送调频连续波(FMCW)发射信号和接收来自目标对象的发射信号的发射信号反射作为接收信号来确定目标对象的距离和速度的对象检测方法。方法包括生成FMCW发射信号的步骤。发射信号具有多个连续相同的调制块。每ー个调制块包括若干个第一类型啁啾和若干个第二类型啁啾，每个第一类型啁啾具有第一斜率，每个第二类型啁啾具有不同于第一斜率的第二斜率。相同类型的两个连续的啁啾具有频率偏移。方法还包括步骤基于发射信号和接收信号并且使用第一类型啁啾和第二类型啁啾来处理混合信号，以便确定目标对象的距离和速度。根据另一个方面，提供了一种计算机程序，计算机程序包括用于使得计算机执行根据本发明所述的方法步骤的程序装置(当所述计算机程序在计算机上被执行时)，以及上面存储有指令的计算机可读非瞬时介质，所述指令当在计算机上被执行时，使得计算机执行根据本发明所述的方法步骤。在从属权利要求中定义了本发明的优选实施例。将会理解，所要求的方法、所要求的计算机程序和所要求的计算机可读介质具有与所要求的系统类似和/或相同的并且如在从属权利要求中所定义的优选实施例。一方面，本发明基于组合啁啾斜率差异的思想，这意味着使用具有不同斜率的不同类型的啁啾，并且另一方面，本发明基于组合部分频移的思想，这意味着存在相同类型的 啁啾之间的频率偏移。两种类型的啁啾被用于信号处理。因此，一方面，实现了增加最大的明确可检测速度(速率)。这尤其允许更好地明确区分相同距离上的两个对象，特别是当使用较高频率的信号时，例如在短或中距离雷达系统中。另一方面，减少了测量时间，特别是，减少了一个调制块所需的时间。因此，增加了检测更新率。
根据以下所述实施例，本发明的这些和其它方面将是明显的，并且下面参考以下所述实施例对其进行更详细的说明。在附图中图I根据实施例示出了对象检测系统的示意图；图2根据第一实施例不出了 FMCW发射信号的图形；图3示出了示出使用图2的FMCW发射信号检测具有增加速度的目标对象的图形；图4示出了示出使用图2的FMCW发射信号多次检测具有随机速度的目标对象的图形；图5根据第二实施例示出了 FMCW发射信号的图形；图5a根据图5中所示的第二实施例的变体示出了 FMCW发射信号的图形；图6示出了示出使用图5或图5a的FMCW发射信号检测具有增加速度的目标对象的图形；图7示出了示出使用图5或图5a的FMCW发射信号多次检测具有随机速度的目标对象的图形；图8示出了用于优化发射信号的算法的流程图。
具体实施例方式图I根据实施例示出了对象检测系统10的示意图。对象检测系统10通过发送调频连续波(以下为FMCW)发射信号Tx和接收来自目标对象I的发射信号Tx的发射信号反射作为接收信号Rx来确定目标对象I的距离R和速度V。特别是,系统可使用较高频率的信号，例如在短或中距离的FMCW对象检测或雷达系统中。例如,发射信号Tx的中间频率f。可以是至少2GHz，例如至少40GHz。特别是，中间频率f。可以是至少100GHz，例如至少ITHz。因此，可使用太赫频率或晕米/亚晕米波长。
在图I的实施例中，对象检测系统包括用于发送FMCW发射信号Tx的发射器天线15和用于接收接收信号Rx的接收器天线16。发射器天线15和/或接收器天线16可以任何适当的天线或多个天线或天线阵列的方式来实现。例如，在图I的实施例中，发射器天线15和接收器天线16用单个发射器和接收器天线来实现。对象检测系统10包括信号生成器11用于生成FMCW发射信号Tx。对象检测系统10还包括混合器13用于基于发射信号Tx和接收信号Rx来生成混合信号。在图I的实施例中，对象检测系统10还包括循环器14用于在发射器和接收器天线15、16，信号生成器11以及混合器13之间传递发射信号Tx和接收信号Rx，因为在图I的实施例中使用了单个发射器和接收器天线。如图I中可见，发射信号Tx由信号生成器11提供到混合器13，并且接收信号Rx由循环器14提供到混合器13。因此，接收信号与被立即发送的信号混合。混合器之后的合成信号具有双倍于发射信号Tx的中间频率f。的一个分量和较低频域的另一个 分量。在该分量内，可提取目标对象I的距离R和速度V的信息，因为这些被编码为频移。使用发射信号Tx和接收信号Rx之间的频移获得距离R，并且使用多普勒频移获得速度V。通常，对象检测系统10的发射器可包括信号生成器11和发射器天线15。对象检测系统10的接收器可包括接收器天线16和混合器13。发射器和/或接收器可选地还可包括(一个或多个)模拟滤波器和/或放大器。相同的外壳可被用于发射器和接收器，因此形成收发器。对象检测系统还包括采样单元17，用于采用从混合器13接收的混合信号。然后，用于处理混合和采样的信号的信号处理单元12确定目标对象I的距离R和速度V的信息。第一类型的啁啾和第二类型的啁啾至少部分地用于混合和采样的信号以用于信号处理。图2根据第一实施例示出了 FMCW发射信号或波形的图形并且图5根据第二实施例示出了 FMCW发射信号或波形的图形。如从图2和图5可见，发射信号Tx具有多个连续的调制块M。调制块是相同的并且具有块周期Tm。发射信号Tx在每一个块周期Tm上利用全频率带宽Bwm。为了简单，图2和图5中仅完整示出了第一调制块M。每一个调制块M包括Na个第一类型啁啾和Nb个第二类型啁啾，每个第一类型的啁啾具有第一斜率，每个第二类型的啁啾具有不同于第一斜率的第二斜率。相同类型的两个连续的啁啾具有频率偏移Af、Afa, Afb。啁啾是线性增加的频率的一部分。每一个第一类型的啁啾具有第一频率带宽Bwa和第一持续时间Ta，第一频率带宽Bwa和第一持续时间Ta的比例定义了第一斜率。每一个第二类型的啁啾具有第二频率带宽Bwb和第一持续时间Tb，第二频率带宽Bwb和第二持续时间Tb的比例定义了第二斜率。啁啾的斜率也可被称为啁啾率。现在将更详细地说明图2中示出的根据第一实施例的FMCW发射信号。每一个调
制块M包括Na个第一类型啁啾a:、a2.....aNa。每一个第一类型啁啾a:、a2.....aNa具有第
一频率带宽Bwa和第一持续时间Ta，它们的比例定义了第一斜率。第一类型的两个连续的啁啾具有频率偏移Afa。第一频率带宽Bwa是全频率带宽Bwm的子范围，因此为部分频率偏
移(子波段)。在图2的实施例中，第一类型啁啾％、&2.....aNa中的每一个形成锯齿。Na
个第一类型啁啾a” a2、. . .、aNa或锯齿形成了调制块M的第一部分a。每一个调制块M还包括Nb个第二类型啁啾bp b2.....bNb。每一个第二类型啁啾
bp b2.....具有第二频率带宽Bwb和第二持续时间Tb，它们的比例定义了第二斜率。第
二斜率不同于第一斜率。第二类型的两个连续的啁啾具有频率偏移Afb。第二频率带宽Bwb是全频率带宽Bw的子范围，因此为部分频率偏移(子波段)。第二类型啁啾bi、b2.....bNb
中的每一个形成锯齿。Nb个第二类型啁啾bp b2.....bNb或锯齿形成了调制块M的第二部
分b。Nb个第二类型啁啾在Na个第一类型啁啾后面。因此，第二部分b在第一部分a后面。第一类型啁啾的数量Na和第二类型啁啾的数量Nb是相互互质的，这意味着数量Na和数量Nb没有除了 I之外的共同整数因子。图2中示出的第一实施例的发射信号或波形可被描述为如下
权利要求
1.ー种对象检测系统，用于通过发送调频连续波(FMCW)发射信号(Tx)并接收作为接收信号(Rx)的来自目标对象(I)的发射信号(Tx)的发射信号反射来确定目标对象(I)的距离(R)和速度(V)，所述系统包括 用于生成所述FMCW发射信号(Tx)的信号生成器(11)，所述发射信号(Tx)具有多个连续调制块(M)，每个调制块(M)包括若干(Na)个第一类型啁啾和若干(Nb)个第二类型啁啾，每个第一类型啁啾具有第一斜率，每个第二类型啁啾具有与所述第一斜率不同的第二斜率，其中，相同类型的两个连续的啁啾具有频率偏移(Af、Afa> Afb), 信号处理单元(12)，用于基于所述发射信号(Tx)和所述接收信号(Rx)并且使用所述第一类型啁啾和所述第二类型啁啾来处理混合信号，以便确定所述目标对象(I)的距离(R)和速度(V)。
2.根据权利要求I所述的对象检测系统，所述第一类型啁啾中的每ー个形成锯齿，并且所述第二类型啁啾中的每ー个形成锯齿。
3.根据权利要求2所述的对象检测系统，所述若干(Nb)个第二类型啁啾跟随在所述若干(Na)个第一类型啁啾之后。
4.根据权利要求I所述的对象检测系统，其中，所述第一斜率是正的，并且所述第二斜率是负的。
5.根据权利要求4所述的对象检测系统，每个第二类型啁啾直接跟随在第一类型啁啾后面，每个第一类型啁啾和直接跟随的第二类型啁啾形成三角形。
6.根据前述权利要求中任何一个所述的对象检测系统，还包括用于以采样周期(Tsam)采样所述混合信号的采样单元(17)。
7.根据前述权利要求中任何ー个所述的对象检测系统，每个第一类型啁啾具有第一频率带宽(Bwa)和第一持续时间(Ta)，所述第一频率带宽(Bwa)和所述第一持续时间(Ta)的比例定义了所述第一斜率，并且每个第二类型啁啾具有第二频率带宽(Bwb)和第二持续时间(Tb)，所述第二频率带宽(Bwb)和所述第二持续时间(Tb)的比例定义了所述第二斜率。
8.根据权利要求7所述的对象检测系统，其中所述第一持续时间(Ta)和所述第二持续时间(Tb)相等(Tmni)。
9.根据权利要求6和7或8所述的对象检测系统，其中，每个第一类型啁啾的所述第一持续时间(Ta)大于所述采样周期(Tsam),并且每个第二类型啁啾的所述第二持续时间(Tb)大于所述采样周期(Tsam)。
10.根据前述权利要求中任何一个所述的对象检测系统，所述调制块(M)相等并且具有块周期(Tm)。
11.根据权利要求7、8或9和10所述的对象检测系统，所述发射信号(Tx)覆盖每个块周期(Tm)上的全频率带宽(BwM)，并且其中，所述第一频率带宽(Bwa)和所述第二频率带宽(Bwb)中的每ー个是所述全频率带宽(Bwm)的子范围。
12.根据前述权利要求中任何一个所述的对象检测系统，其中，第一类型啁啾的数量(Na)和第二类型啁啾的数量(Nb)相互互质。
13.根据前述权利要求中任何一个所述的对象检测系统，其中，所述信号处理单元(12)适于从所述混合信号分离对应于所述第一类型啁啾的第一信号分量和对应于所述第ニ类型啁啾的第二信号分量。
14.根据权利要求13所述的对象检测系统，其中，所述信号处理单元(12)适于相互独立地处理所述第一信号分量和所述第二信号分量。
15.根据权利要求13或14所述的对象检测系统，其中，所述信号处理单元适于将第一二维傅立叶变换应用到所述第一信号分量，并且将第二ニ维傅立叶变换应用到所述第二信号分量。
16.根据权利要求15所述的对象检测系统，其中，与所述目标对象(I)对应的第一峰值在所述第一ニ维傅立叶变换中检测，并且与所述目标对象(I)对应的第二峰值在所述第ニニ维傅立叶变换中检测。
17.根据权利要求13到16中的一个所述的对象检测系统，其中，所述信号处理单元适于通过连接根据处理所述第一信号分量和所述第二信号分量获得的信息来确定所述目标对象⑴的距离的初始估计量(Rest)和速度的初始估计量(\st)。
18.根据权利要求16和17所述的对象检测系统，其中，所述目标对象(I)的所述距离的初始估计量(Rest)和所述速度的初始估计量(\st)是使用所述第一峰值和所述第二峰值确定的。
19.根据权利要求18所述的对象检测系统，其中，所述距离的初始估计量(Rest)和所述速度的初始估计量(\st)的使用以下公式确定的 O パ· {Pa-Pl>) v =^^___{(η + η ) —~他+伽ぶ!~ 2 (Bwa- Bwh)[KPa Ph) (Bwa-Bwh) J
20.根据权利要求17和18所述的对象检测系统，其中，所述信号处理单元适于使用利用所述距离的初始估计量(Rest)和所述速度的初始估计量(\st)作为种子的迭代优化算法来确定目标对象⑴的距离(R)的最终值和速度(V)的最终值。
21.根据前述权利要求中任何一个所述的对象检测系统，其中，所述信号生成器(11)适于修改所述FMCW发射信号(Tx)的至少ー个參数。
22.根据权利要求21所述的对象检测系统，其中，所述至少ー个參数是从以下组中选择的第一类型啁啾的持续时间(Ta、TMini)，第二类型啁啾的持续时间(Tb、TMini)，第一带宽(Bwa)，第二带宽(Bwb)，频率偏移(Λ f、Λ fa、Λ fb)，第一类型啁啾的数量(Nb)和第二类型啁啾的数量(Na)。
23.根据权利要求21或22所述的对象检测系统，还包括參数优化単元(18)，适于优化所述FMCW发射信号(Tx)的所述至少ー个參数。
24.ー种对象检测方法，用于通过发送调频连续波(FMCW)发射信号(Tx)并接收作为接收信号(Rx)的来自目标对象(I)的发射信号(Tx)的发射信号反射来确定目标对象(I)的距离(R)和速度(V)，所述方法包括以下步骤 生成所述FMCW发射信号(Tx)，所述发射信号具有多个连续调制块(M)，每个调制块(M)包括若干(Na)个第一类型啁啾和若干(Nb)个第二类型啁啾，每个第一类型啁啾具有第一斜率，每个第二类型啁啾具有与所述第一斜率不同的第二斜率，其中，相同类型的两个连续的啁啾具有频率偏移(Λ f、Λ fa、Λ fb)，以及 基于所述发射信号(Tx)和所述接收信号(Rx)并且使用所述第一类型啁啾和所述第二类型啁啾来处理混合信号，以便确定所述目标对象(I)的距离(R)和速度(V)。
25.一种计算机程序，包括程序代码装置，用于当所述计算机程序在计算机上被执行吋，使得计算机执行根据权利要求24所述的方法步骤。
26.一种存储有指令的计算机可读非瞬时介质，所述指令当在计算机上被执行时，使得所述计算机执行根据权利要求24所述的方法步骤。
全文摘要
公开了对象检测系统和方法。本发明涉及一种通过发送调频连续波(FMCW)发射信号(Tx)和接收来自目标对象(1)的发射信号(Tx)的发射信号反射作为接收信号(Rx)来确定目标对象(1)的距离(R)和速度(v)的对象检测系统和方法。发射信号(Tx)的每一个调制块(M)包括若干(Na)个第一类型啁啾和若干(Nb)个第二类型的啁啾，每个第一类型啁啾具有第一斜率，每个第二类型的啁啾具有与第一斜率不同的第二斜率。相同类型的两个连续的啁啾具有频率偏移(Δf)。基于发射信号和接收信号并且使用第一类型啁啾和第二类型的啁啾来处理混合信号，以便确定目标对象(1)的距离(R)和速度(v)。
文档编号G01S13/58GK102680967SQ201210075770
公开日2012年9月19日 申请日期2012年3月19日 优先权日2011年3月17日
发明者米克尔·泰斯塔 申请人:索尼公司