专利名称：雷达装置和方法
技术领域：
本发明涉及雷达装置和相应的雷达方法。此外，本发明涉及分别用在这种雷达装置和雷达方法中的处理装置和方法。另外，本发明涉及用于实现所述处理方法的计算机程序以及存储这种计算机程序的计算机可读非瞬态介质。
背景技术：
调频连续波(FMCW )雷达系统的距离分辨率(range resolution)通过增大所发送的线性调频信号(chirp)的带宽而得到改善(变得更精细)。传统上，有关目标距离的信息是利用所接收的样本数据的快速傅立叶变换(FFT)被提取出来的。尽管FFT是计算高效的，但是其提供了较差的距离分辨率。另外，该技术难以达到理论距离分辨率。一些信号处理技术已经被用来针对相同的频率带宽实现相比于传统傅立叶变换的目标的超分辨距离像(range prof ile)，尽管这些方法的计算复杂性比FFT大得多。它们被称为频谱估计方法，并且是以窄频谱带(区间)中的功率密度的估计为基础的。存在两种不同类型的方法非参数方法和参数方法。非参数方法不对数据做任何假设，而参数方法使用假设的数据模型并且试图估计该模型中的参数。如果数据满足所假设的模型/结构(即，针对数据所假设的模型合适)，则参数方法优于非参数方法；否则，非参数方法提供比参数方法更好的频谱估计。这些非参数方法中的一些方法是周期图、Blackman-Tuckey方法、Bartlett方法、或者Welch方法，如2008年Bogazid大学的Maser Thesis中的由 Erman Ozedemir 所著的 “Super-resolution spectral estimation methods forburied and through-the-wall object detection”。在参数方法中，存在诸如在 1991 年
3月的 IEEEtransactions on microwave theory and techniques, vol. 39, no. 3 中的由Zoran A. Mariievi C. , Tapan K. Sarkar, Yingbo HuaJPAntonije R. DjordjeviC 所著的“Time-Domain measurements with the Hewlett-Packard Network Analyzer HP8510Usingthe Matrix Pencil Method” 中描述的 Matrix Pencil 方法、Yule-Walker 方法、以及最小二乘方法，以及以上引用的Erman Ozedemir的Master Thesis中描述的旋转不变技术估计信号参数(ESPRIT)或者多重信号分类(MUSIC)方法。在2010年6月25日至27日的2010电气与控制工程国际会议的第1018至1021页的由 Peng Wang 等所著的 “FMCW Radar Imaging with Multi-channel Antenna Arrayvia Sparse Recovery Technique”公开了一种由单个发射机和M个接收信道构成的雷达系统。雷达回波信号被获取，以估计多运动目标情景中的角度、距离、和速度。所描述的算法是以采用角度-距离域中的目标的稀疏性的稀疏恢复技术为基础的。在针对自动场景的模拟中示出了 相比于传统的波束形成和最小方差(Capon)波束形成方法，所提出的算法在成像精确度和多目标分辨率方面产生了更好的性能。
发明内容
本发明的一个目的在于提供一种雷达装置和方法，以在不增大很容易被应用在FMCW雷达装置中的带宽的条件下改善距离分辨率。本发明的又一目的在于提供相应的处理设备和方法、以及相应的用于以软件实现所述处理方法的计算机程序和存储这种计算机程序的计算机可读非瞬态介质。根据本发明的一方面，提供了一种雷达装置，包括发射机天线，该发射机天线朝着潜在地包括两个或更多个目标的场景发送具有发送带宽的经频率调制的发送信号；接收机天线，该接收机天线响应于所述发送信号的传输，接收从所述场景反射的接收信号；混频器，该混频器对所述接收信号和所述发送信号进行混频，以获得经混频的接收信号；采样单元，该采样单元对所述经混频的接收信号进行采样，以从所述接收信号的周期(period)中获得接收信号样本；以及处理器，该处理器通过在所述接收信号是响应于具有比实际发送带宽更高的假设带宽的经频率调制的发送信号而被接收的假设下来定义测量矩阵，从而对所述接收信号样本进行处理，其中所述假设带宽对应于所期望距离分辨率，并且所述处理器使用所述测量矩阵和所述接收信号样本通过应用压缩传感来确定所述场景中的一个或多个目标的位置。根据本发明的另方面，提供了一种用在雷达装置中的处理器，具体地该雷达装置具有发射机天线，该发射机天线朝着潜在地包括两个或者更多个目标的场景发送具有发送带宽的经频率调制的发送信号；接收机天线，该接收机天线响应于所述发送信号的传输接收从所述场景反射的接收信号；以及混频器，该混频器对所述接收信号和所述发送信号进行混频，以获得经混频的接收信号；以及采样单元，该采样单元对所述经混频的接收信号进行采样，以从所述接收信号的周期中获得接收信号样本，其中，所述处理器被配置为通过在所述接收信号是响应于具有比实际发送带宽更高的假设带宽的经频率调制的发送信号而被接收的假设下来定义测量矩阵，从而处理所述接收信号样本，并且使用所述测量矩阵和所述接收信号样本通过应用压缩传感来确定所述场景中的一个或多个目标的位置，其中所述假设带宽对应于期望的距离分辨率。根据另外的方面，提供了相应的方法、包括用于促使计算机执行根据本发明的处理方法的步骤的程序装置的计算机程序(当所述计算机程序在计算机上被执行时)、以及存储有指令的计算机可读非瞬态介质(该指令在计算机上被执行时，促使计算机执行根据本发明的处理方法的步骤)。
本发明的优选实施例在从属权利要求中被限定。应该理解，请求保护的处理器、请求保护的方法、请求保护的计算机程序、以及请求保护的计算机可读介质具有与请求保护的雷达装置和从属权利要求中所限定的优选实施例相似和/或等同的优选实施例。本发明是以以下想法为基础的通过引入压缩传感的范例，使用FMCW的原理来改善雷达装置中的距离分辨率。如果稀疏性的条件被满足，则所提出的方案能够在至少比FMCW拍频(beat frequency)分析的传统频域处理所施加的理论距离分辨率近5倍的目标之间进行辨别。特别地，所提出的方案建立接收信号的模型，然后尝试通过求解11正则化凸函数问题(11-regularization convex problem)来估计目标的距离像。
参考随后描述的实施例，本发明的这些和其他方面将变得清楚并且将在下面更详细地描述。在以下附图中图I示出了传统的FMCW雷达装置的实施例；图2示出了传统的FMCW雷达装置的典型的频率相对于时间的波形的示意图；图3示出了根据本发明的FMCW雷达装置的一个实施例；图4示出了根据本发明的FMCW雷达装置的典型的频率相对于时间的波形的示意图；
图5示出了根据本发明的FMCW雷达装置的另一实施例；图6示出了根据本发明的雷达方法的实施例的流程图；图7示出了根据本发明的处理方法的实施例的流程图；图8示出了图示出位于不同距离处的三个目标和相应的FFT信号的示意图；图9示出了图示出利用仿真获得的针对三个目标示例的、相对最大值被被归一化的能量相对于归一化距离的示意图；以及图10A-10B示出了图示出在真实的实验中获得的可实现的距离分辨率的示意图。
具体实施例方式图I中描绘了传统的FMCW雷达装置I的实施例。FMCW的透彻的说明在于2005年11月21日至23日在新西兰的北帕默斯顿市举行的第一次遥感技术国际会议上由G. Brooker 提出的 “Understanding Millimeter Wave FMCff Radars” 中的第 152-157 页上给出。这种FMCW雷达I通过线性调频信号发射机2发送被频率调制(频率随着时间改变)从而产生线性调频信号脉冲的连续波信号。其被发送到将被同一位置(co-located)(单站)天线3检查的对象100 (例如，被包括在场景中)，并且还经由耦合器4被馈送给接收机。根据对象100的特性，所发送的信号将被对象100反射并被FMCW雷达的接收机(即，同一位置天线3)接收。双工机或者循环器5用于对去往同一位置天线3的发送信号/来自同一位置天线3的接收信号进行时间复用。由于所发送的线性调频信号脉冲随着时间改变其频率，所以在给定时刻接收的精确频率取决于该对象所在的位置有多远以及相应的飞行时间(Tp)。所接收的信号然后被与所发送的线性调频信号进行混频(经由耦合器4被供应给混频器6)，并且混频器6的输出具有以下频率，该频率是所发送的信号和所接收的信号之间的频率之差。其被称为拍频(beat frequency, fb),并且与FMCW雷达和该对象之间的距离成正比。拍频信号被模数变换器(ADC) 7从模拟域变换到数字域。来自ADC7的复I/Q信号随后通过频谱分析器或者FFT变换单元8中的傅立叶变换被变换到频域，以得到每个频率区间。这些频率区间直接与目标的距离有关。发射机信号(线性调频信号脉冲)和所接收的信号的相对于时间的频率变化在图2中分别被示出为实线和虚线。所发送的信号和所接收的信号之间的频率差，即拍频(fb)也被标注出来。如图2中所示，所发送和所接收的信号的频率随着时间变化。在每个采样点处，信号的频率一般是已知的，并且针对给定的时刻，所发送和所接收的信号的带宽被限制。τ指示发送和接收信号之间的延迟时间，PRI指示一个线性调频信号的时间段即，脉冲重复间隔。调频连续波(FMCW)雷达系统的距离分辨率与带宽成反比，即，它们的关系为δ R=c/(2BW)，其中R是距离，c是光速，Bff是带宽。该距离信息传统上是通过执行频域分析被提取的(例如，通过所接收的混频信号(拍频)的快速傅立叶变换(FFT))。利用这种方法，目标的存在由与目标的距离相对应的最大值位于频拍处的主瓣示出。当两个以上目标比雷达的最大距离分辨率更接近彼此时，该基于频率的过程无法分辨出与不同目标相对应的主瓣。该理论距离分辨率仅取决于所发送的线性调频信号的带宽，即带宽越高，距离分辨率越好。如上所述，已经通过时域中的密集信号处理开发出了无需增大信号的带宽即可增 大距尚分辨率(也被称为超分辨率技术)的多种方法。本发明提出了一种通过引入压缩传感(CS)的新范例，来提高基于频率调制的雷达(诸如，FMCW雷达)中的距离分辨率的新方法。如果稀疏性的条件被满足，则这里提出的方法能够在比FMCW拍频分析的频域处理所施加的理论距离分辨率近五倍的目标之间进行辨别。在本发明的细节被更详细说明之前，CS的理论将被简要说明。CS的理论基本上陈述了以下内容一定基底中的长度为N的稀疏信号X很有可能通过11最小化而仅从M个测量结果被精确恢复出来，其中，M << No作为一般规则，根据经验发现，如果信号X是K稀疏的(X的N个系数中只有K个系数为非零的)，则所需要的测量结果的数目M大约为K*logM。令Ψ表示稀疏信号的基底矩阵(X = Ψ8)，并且令Φ表示测量矩阵。CS的理论证明，可以通过求解凸函数优化问题从较少数目的测量结果y重建信号X:5 ~ min jbl s.t,y = Φζ '二 ΦΨχ 二 Θ ( I )其中，s是仅具有K个有效系数的稀疏向量，并且Φ是MxN矩阵(Μ<<Ν)。除了信号的稀疏性以外，必需满足的另一个条件是约束等距性(RIP)，其规定只有矩阵 满足以下条件时信号的重建才会成功
I ιΛ,1、1-￡· <-Γ~- <Ι + Γ(2)
!H2其中，V是任意稀疏信号，并且ε >0。更容易证明的一种相关特性被称为不相干性，其规定代表矩阵ψ和测量矩阵φ之间的相干性越低，完美重建的概率越高。相干性μ被定义为
."(φ，ψ):: 'Jn *niax !( ，ψ s)(3)
l<kj<n 1换言之，相干性测量的是Ψ和Φ的任意两个元素之间的最大相关性。可以在2006 年的 IEEE Transactions on Information Theory, Vol. 52，第 489 至 509 页上的由Ε· Candes，J. Romberg，和 Τ· Tao 所著的 “Robust uncertainty principles Exact signalreconstruction from highly incomplete frequency information，，、2006 年的 IEEETransactions on Information Theory, vol. 52，第 1289 至 1306 页的由 D. Donoho 所著的uComperssed sensing”、或者 2008年 3 月的 IEEE Signal Processing Magazine，第 21 至 30页的由Emmanuel J. Candes矛口Michael B. Wakin所著的“An introduction to compressivesamp I ing ”中找到压缩传感理论的详细说明。传统上，CS被用来减少必要测量的数目，目的是在减少获取时间的同时仍然保持恢复出的信号(图像、声音等)的可接受质量，或者降低硬件复杂度(即，以较低的速率对信号进行采样，以降低对数模转换器的要求)。但是，本发明提出以完全不同的方式使用CS:代替减少恢复原始信号的测量的数目，根据本发明，所有的可用测量被进行，并且具有比利用传统方法恢复出的信号更好的质量(在某种意义上)的信号被重建出来。图3示出了根据本发明的雷达装置10的一般性布局的示意图。其包括发射机天线11，该发射机天线朝着潜在地包括两个或更多目标112、113、114的场景111发送具有一发送带宽的经频率调制的发送信号；以及接收机天线12，该接收机天线响应于所述发送信号的传输，接收从所述场景111反射的接收信号。另外，雷达装置10包括混频器13，该 混频器对所述接收信号和所述发送信号进行混频，以获得经混频的接收信号；以及采样单元14，该采样单元对所述经混频的接收信号进行采样，以获得来自所述接收信号的周期的接收信号样本。还提供了处理器15，该处理器通过假设接收信号是响应于经频率调制的发送信号具有比实际发送带宽更高的假设带宽而被接收的情况下来定义测量矩阵，从而处理所述接收信号样本，其中所述假设带宽对应于期望的距离分辨率，并且该处理器还使用所述测量矩阵和所述接收信号样本通过应用压缩传感来确定场景的一个或多个目标的位置。在FMCW雷达的实施例中(在这里，其将被用来说明本发明的细节)，CS被应用于接收机中所收集的所有数据，以实现比数据被以传统方式处理时获得的分辨率更为精细的距离分辨率。相反，传统方法利用FFT在频域中执行分析，并且实现的分辨率接近于理论分辨率。如前面提到的，FMCW雷达中的距离分辨率仅取决于所发送的带宽。为了在相同的带宽下改进距离分辨率，考虑所收集的数据仅仅是具有更高带宽(具有更精细的距离分辨率)的FMCW雷达的经减少的样本集合。这在图4中示出。这里，Afl指示由发射机天线11发送的实际发送信号Tl的发送带宽，并且Λ f2指示理论上被认为用在实现更高距离分辨率的CS算法中的假设(经扩展)发送信号T2(虚线所示)的更大(假设)带宽。接收信号由R指示。实际的脉冲重复间隔由PRIl指示。从这点看，CS理论表达了可以重建应用CS的信号，然后提取其包含的信息(即，目标的数目和它们的距离)。首先，适合被用作压缩传感算法的输入的信号模型被形成。尽管所发送的信号是连续斜坡频率连续调频信号(但也可以是步进斜坡信号、或者随着时间改变其频率的其他信号)，但是旦反射信号在接收机处被采样，则这些接收信号样本被当作来自具有与样本点相对应的频率的步进频率雷达的脉冲集合。为了说明此，接收信号被以采样频率fs进行采样，以便以间隔kTs获得接收信号样本yk
:2; ! ι +akJ,t --二ατ \
yk - S!f(kT^) = s*e'2^(4)其中，α = Af/PRI是连续调频信号的斜率，并且τ =2R/c是传播时间。在接收信号的一个周期期间，N = PRI/TS个接收信号样本被获取。如果场景中存在位于Rm个位置处的M个目标，则等式(4)可以被扩展为
权利要求
1.一种雷达装置，包括 发射机天线(11)，该发射机天线朝着潜在地包括两个或更多个目标的场景发送具有发送带宽的经频率调制的发送信号； 接收机天线(12)，该接收机天线响应于所述发送信号的传输，接收从所述场景反射的接收信号； 混频器(13)，该混频器对所述接收信号和所述发送信号进行混频，以获得经混频的接收信号； 采样单元(14)，该采样单元对所述经混频的接收信号进行采样，以从所述接收信号的周期中获得接收信号样本；以及 处理器(15)，该处理器通过在所述接收信号是响应于具有比实际发送带宽更高的假设带宽的经频率调制的发送信号而被接收的假设下来定义测量矩阵，从而对所述接收信号样本进行处理，其中所述假设带宽对应于所期望距离分辨率，并且所述处理器使用所述测量矩阵和所述接收信号样本通过应用压缩传感来确定所述场景中的一个或多个目标的位置。
2.根据权利要求I所述的雷达装置， 其中，所述处理器(15)被配置为定义具有与来自所述接收信号的周期的接收信号样本数相对应的行数并且具有与匹配所述所期望距离分辨率的所定义距离栅格相对应的列数的所述测量矩阵，其中每行的元素具有取决于所述接收信号的相同频率分量的值。
3.根据任意前述权利要求所述的雷达装置， 其中，所述处理器(15)被配置为应用11范数最小化算法来求解当应用压缩传感时存在的11正则化问题。
4.根据权利要求3所述的雷达装置， 其中，所述处理器(15)被配置为通过应用二阶锥求解器，尤其是SeDuMi或者SDPT来求解所述11范数最小化问题。
5.根据任意前述权利要求所述的雷达装置， 其中，所述处理器(15)被配置为应用11范数最小化算法来求解以下形式的11正则化问题 min| s I1 s. t. | | O x-y | 12 ^ e 其中，s是针对一个或多个目标的反射率向量的期望解答，O是所述测量矩阵，y是来自所述接收信号的周期的所述接收信号样本的向量，并且e表示用作所述最小化算法的停止准则的被接受误差参数。
6.根据权利要求I至4中任一项所述的雷达装置， 其中，所述处理器(15)被配置为应用11范数最小化算法来求解以下形式的11正则化问题，尤其是Dantzing选择器正则化问题min| Sll1 s. t. | | 0H(0s-y) | | U 其中，s是针对一个或多个目标的反射率向量的期望解答，O是所述测量矩阵，Oh是所述矩阵的厄米特转置，y是来自所述接收信号的周期的所述接收信号样本的向量，并且U是正则化参数。
7.根据权利要求6所述的雷达装置， 其中，所述处理器(15)被配置为迭代地调整所述Dantzing选择器问题中的所述正则化参数的值，利用经调整的正则化值来求解所述11正则化问题，并且更新所检测到的目标的值直到结束准则被满足为止。
8.根据权利要求7所述的雷达装置， 其中，所述处理器(15)被配置为随着迭代次数的增加而减小所述正则化值来迭代地调整所述正则化值，具体如下
9.根据权利要求7或8所述的雷达装置， 其中，所述处理器(15)被配置为在所述11正则化问题被求解之后并且在所述结束准则被检查之前，迭代地对所述反射率向量的估计值进行归一化、加权和累加。
10.根据权利要求9所述的雷达装置， 其中，所述处理器(15)被配置为向利用所述正则化参数的较高值获得的估计目标值给予更多惩罚。
11.根据任意前述权利要求所述的雷达装置，还包括 FFT单元(8)，该FFT单元对所述经混频的接收信号执行FFT，以获得FFT接收信号；以及 选择单元(20)，该选择单元通过分析所述接收信号的FFT值来选择所述场景中潜在目标所位于的区域， 其中，所述处理器(15)被配置为处理所述接收信号样本并在具有比仅针对被选择区域的理论距离分辨率更高的距离分辨率的栅格上定义测量矩阵，并且通过仅在所述场景的被选择区域中应用压缩来确定一个或多个目标的位置。
12.如任意前述权利要求所述的雷达装置，包括 表示被交替地用于发送和接收的所述发射机天线和所述接收机天线的同一位置天线⑶。
13.一种雷达方法，包括以下步骤 朝着潜在地包括两个或者更多个目标的场景发送具有发送带宽的经频率调制的发送信号; 响应于所述发送信号的传输，接收从所述场景反射的接收信号；将所述接收信号和所述发送信号进行混频，以获得经混频的接收信号；以及对所述经混频的接收信号进行采样，以从所述接收信号的周期获得接收信号样本，通过在所述接收信号是响应于具有比实际发送带宽更高的假设带宽的经频率调制的发送信号而被接收的假设下来定义测量矩阵，从而处理所述接收信号样本，并且使用所述测量矩阵和所述接收信号样本通过应用压缩传感来确定所述场景中的一个或多个目标的位置，其中所述假设带宽对应于所期望距离分辨率。
14.一种用在雷达装置中的处理器(15)，具体地该雷达装置具有发射机天线(11)，该发射机天线朝着潜在地包括两个或者更多个目标的场景发送具有发送带宽的经频率调制的发送信号；接收机天线(12)，该接收机天线响应于所述发送信号的传输接收从所述场景反射的接收信号；混频器(13)，该混频器对所述接收信号和所述发送信号进行混频，以获得经混频的接收信号；以及采样单元(14)，该采样单元对所述经混频的接收信号进行采样，以从所述接收信号的周期中获得接收信号样本， 其中，所述处理器(15)被配置为通过在所述接收信号是响应于具有比实际发送带宽更高的假设带宽的经频率调制的发送信号而被接收的假设下来定义测量矩阵，从而处理所述接收信号样本，并且使用所述测量矩阵和所述接收信号样本通过应用压缩传感来确定所述场景中的一个或多个目标的位置，其中所述假设带宽对应于期望的距离分辨率。
15.一种用在雷达方法中的处理方法，具体地该雷达方法包括以下步骤朝着潜在地包括两个或者更多个目标的场景发送具有发送带宽的经频率调制的发送信号；响应于所述发送信号的传输接收从所述场景反射的接收信号；对所述接收信号和所述发送信号进行混频，以获得经混频的接收信号；以及对所述经混频的接收信号进行采样，以从所述接收信号的周期获得接收信号样本， 所述处理方法包括以下步骤通过在所述接收信号是响应于具有比实际发送带宽更高的假设带宽的经频率调制的发送信号而被接收的假设下来定义测量矩阵，从而处理所述接收信号样本，并且使用所述测量矩阵和所述接收信号样本通过应用压缩传感来确定所述场景中的一个或多个目标的位置，其中所述假设带宽对应于所期望距离分辨率。
16.一种计算机程序，包括用于促使计算机在所述计算机程序在计算机上被执行时执行权利要求15所述的处理方法的步骤的程序代码装置。
17.一种存储指令的计算机可读非瞬态介质，其中该指令在计算机上被执行时促使所述计算机执行如权利要求15所述的处理方法的步骤。
全文摘要
本发明涉及雷达装置和方法，用于在不增加带宽的条件下获得比传统的雷达装置更高的距离分辨率。该雷达装置包括发射机天线(11)，朝着包括目标的场景发送具有发送带宽的经频率调制的发送信号；接收机天线(12)，响应于发送信号的传输而接收反射的接收信号；混频器(13)，对接收信号和发送信号进行混频以获得经混频的接收信号；采样单元(14)，对经混频的接收信号采样以从接收信号的周期中获得接收信号样本；以及处理器(15)，其通过在接收信号是响应于具有比实际发送带宽更高的假设带宽的发送信号而被接收的假设下来定义测量矩阵从而对接收信号样本进行处理，并且还通过应用压缩传感来确定目标的位置，假设带宽对应于期望距离分辨率。
文档编号G01S7/28GK102819017SQ201210195110
公开日2012年12月12日 申请日期2012年6月11日 优先权日2011年6月9日
发明者卓那·诺格瑞亚-尼恩 申请人:索尼公司