专利名称：信号处理单元和方法
技术领域：
本发明涉及一种信号处理单元和方法，用于根据一个时域信号准确地估计至少一个复指数的至少一个频率和相应的振幅。本发明还涉及一种包括上述信号处理单元的对象检测系统，用于检测一定距离内的至少一个目标对象。本发明还涉及用于实施上述信号处理方法的一种计算机程序和一种非临时性计算机可读介质。
背景技术：
用于确定一定距离内的目标对象的对象检测系统又被称为雷达系统(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一个具有线性增加频率的传输信 号，所述频率包括多个连续的啁啾(chirp)。上述系统包括一个用于发射传输信号的发射机和一个用于接收来自目标对象的反射传输信号作为接收信号的接收机。所述目标对象的距离可使用所述传输信号和接收信号之间的频率差，即拍频进行估计。所述拍频与所述目标对象的距离成正比。距离分辨率的定义是两个可成功分离的目标对象之间的最小距离。当使用传统的频域技术时，距离分辨率仅取决于啁啾的带宽和传播速度。例如，us 2009/0224978A1公开了一种使用这种频域技术的用于估计到达方向的检测装置和方法。特别地，US2009/0224978A1公开了一种具有由η个传感元件组成的发射传感器阵列和接收传感器阵列的检测装置，该检测装置用于根据由所述发射传感器阵列发出且由目标反射的传输信号的反射信号来估计表示目标数量的目标计数，以及根据所述目标计数来估计每个反射信号的入射角度。然而，时域技术能获得更高的分辨率(即所谓的超高分辨率技术)。例如，US6，529，794Β1公开了一种FMCW传感器系统。发射的信号经目标反射后被接收，经处理形成一个被测信号，然后对该被测信号的频谱进行分析。在现有的序列中，离散的等距样本被排列在一个双汉克尔(Hankel)矩阵中。所述矩阵与奇异值分解成对角线关系，且仅使用主值来确定一近似值，从而使用已知方法来计算频率及其振幅。
发明内容
本发明的一个目的在于提供一种具有更高性能的信号处理单元和方法，用于根据一个时域信号准确地估计至少一个复指数的至少一个频率和相应的振幅，特别地，所述信号处理单元和方法具有更少的计算负荷、更高的距离分辨率、低信噪比(SNR)条件下更高的鲁棒性和/或更低的绝对和相对定位误差。本发明的另一个目的在于提供一种包括或使用上述信号处理单元的对象检测系统，和用于实施上述信号处理方法的一种计算机程序和一种非临时性计算机可读介质。根据本发明的一个方面，提供了一种用于根据一个时域信号准确地估计至少一个复指数的至少一个频率和相应振幅的信号处理单元。所述信号处理单元配置为将时域信号转换成频域信号，并且检测所述频域信号功率谱中的至少一个峰值频率。所述信号处理单元进一步配置为确定与所述至少一个峰值频率对应的至少一个感兴趣频带，并且确定与所述至少一个感兴趣频带对应的至少一个信噪比。进一步地，所述信号处理单元配置为执行至少一个后续时域处理步骤，从而根据所述时域信号，使用所述至少一个感兴趣频带和/或至少一个信噪比来准确估计所述至少一个复指数的至少一个频率和相应振幅。根据本发明的另一方面，提供了一种用于检测一定距离内的至少一个目标对象的对象检测系统。所述系统包括一个用于发射传输信号的发射机和一个用于接收来自至少一个目标对象的反射传输信号作为接收信号的接收机。所述接收机包括一个用于根据所述传输信号和接收信号产生一个复合信号的混合器。所述系统还包括根据本发明所述的信号处理单元，其中，所述复合信号是所述时域信号。根据本发明的另一个方面，提供了一种用于根据一个时域信号准确地估计至少一个复指数的至少一个频率和相应振幅的信号处理方法。所述方法包括将时域信号转换成频域信号，以及检测所述频域信号功率谱中的至少一个峰值频率。所述方法进一步包括确定与所述至少一个峰值频率对应的至少一个感兴趣频带，以及确定与所述至少一个感兴趣频带对应的至少一个信噪比。进一步地，所述方法包括执行至少一个后续时域处理步骤，从而根据所述时域信号，使用所述至少一个感兴趣频带和/或至少一个信噪比来准确估计所述至少一个复指数的至少一个频率和相应振幅。根据本发明的另一些方面，提供了一种计算机程序和一种非临时性计算机可读介质，其中，所述计算机程序包括使计算机执行本发明所述方法的步骤的程序，且所述计算机程序是在计算机上运行的，在所述非临时性计算机可读介质上存储有指令，当在计算机上执行这些指令时，计算机执行本发明所述方法的步骤。本发明的优选实施例由所附权利要求定义。应该清楚，根据权利要求的方法、计算机程序和计算机可读介质具有与根据权利要求的信号处理单元或对象检测系统以及所附权利要求中定义的内容相似和/或相同的优选实施例。本发明的基本思路是，通过确定至少一个感兴趣频带和频域内的相应信噪比，在 初始阶段进行预估计；并且在至少一个(尤其是多个)后续时域处理步骤，尤其是超高分辨率时域处理步骤中，使用所确定的感兴趣频带或相应信噪比(尤其是信噪比)。这样，后续的阶段或步骤能适应当前的情况。特别地，后续阶段或步骤中所需的计算负荷能被优化调整。举例来说，所确定的感兴趣频带可被用于自适应带通滤波器对所述时域信号进行滤波。特别地，所确定的信噪比可被用于多个方面。举例来说，所确定的信噪比可与一给定阈值相比。在一个实例中，只有当所确定的信噪比等于或大于上述给定阈值时，才能执行后续处理步骤。在另一个实例中，如果所确定的信噪比等于或大于所述给定阈值，可执行一个特定的方法，和/或如果所确定的信噪比低于所述给定阈值，则执行另一个方法。在另一个实例中，所确定的信噪比参数可用于定义某一参数。例如，当在一个模型定阶算法中使用在预估计阶段所确定的信噪比来估计模型阶时，在低信噪比的情况或条件下能提高鲁棒性。在另一个实例中，当在降秩汉克尔近似(RRHA, reduced-rank-Hankel approximation)中使用在预估计阶段所确定的信噪比时,在低信噪比的情况或条件下能提高鲁棒性。在另一个实例中，当在求精阶段使用在预估计阶段所确定的信噪比来求精至少一个估计频率时，能降低绝对和相对定位误差。通过本文所述的使用超高分辨率时域处理的信号处理单元和方法，与使用传统的频域技术相比，能获得更好的结果，特别是更高的距离分辨率。例如，通过本文所述的信号处理单元和方法，与距离分辨率被限制在c/ (2 Δ f)的频域技术相比，可将距离分辨率最高提高15倍。
下面，将参照下文的实施例对本发明的各个方面进行详细描述。在附图中图I为一种对象检测系统的实施例的示意图；图2为用于图I的对象检测系统的示例性FMCW传输信号的图解；图3为图2的FMCW传输信号的一部分和相应接收信号的一部分的图解；
图4为一种信号处理方法或单元的实施例的图解；图5为图4的预估计步骤的实例；图6为图4的时域特征值分解步骤的第一实例；图7为图4的时域特征值分解步骤的第二实例的图解；图8为图7的模型定阶步骤的实例；图9为示例性功率谱的图示；和图10为示例性功率谱的图示，该功率谱示出了与快速傅里叶变换(FFT)相比，时域超高分辨率方法的结果。
具体实施例方式下文将参照对象检测系统，特别是根据图I的实施例的对象检测系统10，对信号处理单元和方法进行描述。但是，应该清楚，所述信号处理单元和方法还可以在任何其他适合的系统中实施，特别是对象检测系统，例如，主动成像系统、安全传感器系统、医用传感器系统、光谱系统、汽车雷达系统(如用于停车和/或自适应巡航控制)、空中交通管制系统、飞机或船的雷达系统、导弹和/或目标导向系统、边境安全系统等等。图I为根据一实施例的对象检测系统10的示意图。所述对象检测系统10通过发送一个调频连续波(在下文称FMCW)传输信号Tx并接收来自一个目标对象I的传输信号Tx的反射传输信号作为接收信号Rx，来确定或估计目标对象I的距离R。所述系统基本上能使用任何种类的适合频率信号。举例来说，所述系统能使用中心频率f。为至少IkHz (尤其至少100kHz、至少IMHz或至少100MHz)的传输信号。在某一实例中，如在短程或中程FMCW对象检测或雷达系统中，所述系统能使用高频信号。这样的话，举例来说，传输信号Tx的中心频率f。可以是至少2GHz，例如至少40GHz。特别地，中心频率f。可以是至少100GHz，例如至少ITHz。因此，可以使用太赫兹频率或毫米级/低于毫米级的波长。在图I的实施例中，所述对象检测系统10包括一个信号处理单元12，其功能或配置将在此说明书中进行详细解释。所述对象检测系统10还包括一个用于发射所述FMCW传输信号Tx的发射机天线15和一个用于接收所述接收信号Rx的接收机天线16。所述发射机天线15和/或接收机天线16可以是任何适合形式的天线，或多天线或天线阵。例如，在图I的实施例中，所述发射机天线15和所述接收机天线16是单发送机和接收机天线。所述对象检测系统10包括一个用于产生所述FMCW传输信号Tx的信号发生器11。所述对象检测系统10还包括一个用于根据所述传输信号Tx和接收信号Rx产生一个复合信号的混合器13。在图I的实施例中，所述对象检测系统10还包括一个用于在所述发送机天线15、接收机天线16、信号发生器11和混合器13之间传送所述传输信号Tx和所述接收信号Rx的循环器14，因为图I的实施例中使用的是单发送机和接收机天线。如图I所示，传输信号Tx通过一个耦合器17从信号发生 器11传送至混合器13，接收信号Rx由循环器14传送至混合器13。从而，接收信号Rx与即时传送的信号Tx混合。混合器生成的合成信号(复合信号)具有两个分量。第一分量为所述传输信号Tx的中心频率f。的两倍，第二分量为较低的频率域，即基带分量。在第二分量内，根据频移，能提取所述目标对象I的距离R信息。距离R由所述传输信号Tx和接收信号Rx之间的频移获得，也称为拍频fbeat。所述拍频fbeat与所述距离R成正比，这一点将在下文进行更详细的说明。此外，还可以使用多普勒频移来获得所述目标对象I的速度V。总的来说，所述对象检测系统10的发射机能包括所述信号发生器11和/或发射机天线15。所述对象检测系统10的接收机能包括所述接收机天线16和/或混合器13。所述混合器13的输出(复合信号)传送至所述信号处理单元12。所述发射机和/或接收机还可以包括模拟滤波器和/或放大器。在图I中，所述接收机还包括一个放大器18。此处，所述放大器18的输出(放大复合信号)传送至所述信号处理单元12。所述发射机和接收机(发射机天线15和接收机天线16)能使用同一个外壳，从而形成一个收发机。图2为用于图I的对象检测系统的FMCW传输信号的图解。所述FMCW传输信号Tx包括多个连续啁啾。每个啁啾为线性增加频率的一部分。每个啁啾具有一个持续时间Tb和一个频带宽度Af。图3为图2的FMCW传输信号Tx (由图3中的实线表示)的一部分和相应接收信号Rx(由图3中的虚线表示)的一部分的图解。具有所述持续时间Tb和频带宽度Af的单个啁啾如图3所示。在延时Tp(或称飞行时间)后，接收来自所述目标对象I的反射传输信号作为接收信号Rx。所述传输信号Tx和接收信号Rx之间的频率差为拍频fbeat。除拍频之外，所述混合器的输出还存在一个多普勒频率。多普勒效应发生在当系统发送的传输信号Tx的波前到达所述目标对象I时。这样便产生了与所述目标的速度V和中心频率f。成比例的频移。下面的等式示出了拍频fbeat与距离R、速度V、发送的啁啾频宽Λ f、啁啾持续时间Tb、啁啾中心频率f。和光速c之间的函数关系。
权利要求
1.一种信号处理单元，用于从时域信号(y(t)，y(kTs))准确地估计至少一个复指数的至少一个频率(A)和相应振幅(Ai),所述信号处理单元配置为 将时域信号(y(t)，y(kTs))转换成频域信号(Y(f))， 检测频域信号(Y(f))的功率谱中的至少一个峰值频率(fpeak)， 确定与所述至少一个峰值频率(fPMk)对应的至少一个感兴趣频带(BoI), 确定与所述至少一个感兴趣频带(BoI)对应的至少一个信噪比(SNRbJ, 执行至少一个后续时域处理步骤，从而基于所述时域信号(y (t)，y (kTs))，使用所述至少一个感兴趣频带(BoI)和/或所述至少一个信噪比(SNRbJ来准确估计所述至少一个复指数的至少一个频率(fj和相应振幅(Ai)。
2.如前述权利要求之一所述的信号处理单元，所述信号处理单元被配置为通过确定相对于所述相应峰值频率(fpe;ak)的一侧上的起始频率(fa)以及相对于所述相应峰值频率(fpeak)的另一侧上的终止频率(fb)，来确定至少一个感兴趣频带(BoI)。
3.如权利要求2所述的信号处理单元，所述信号处理单元被配置为以与相应峰值频率(fpeak)的预定距离来确定所述起始频率(fa)和所述终止频率(fb)，或以预定的功率级阀值(Pth)来确定所述起始频率(fa)和所述终止频率(fb)。
4.如前述权利要求之一所述的信号处理单元，所述信号处理单元被配置为通过相应的感兴趣频带(BoI)中的最大功率级(Y(fpeak))与相应的感兴趣频带(BoI)之外的功率谱的平均值之比来确定信噪比(SNRbJ。
5.如前述权利要求之一所述的信号处理单元，所述信号处理单元被配置为将信噪比(SNRbo1)和第一阀值(TH1)进行比较，并且只有当信噪比(SNRm)等于或大于第一阀值(TH1)时才执行后续处理步骤。
6.如权利要求5所述的信号处理单元，所述信号处理单元被配置为如果信噪比(SNRbo1)低于第一阀值(TH1)，则输出至少一个峰值频率(fPMk)和一个相应振幅(Apeak)。
7.如前述权利要求之一所述的信号处理单元，所述信号处理单元被配置为对时域信号(y(t))进行采样以产生采样时域信号(y(kTs))。
8.如前述权利要求之一所述的信号处理单元，所述信号处理单元被配置为使用与至少一个确定出的感兴趣频带(BoI)相对应的至少一个自适应带通滤波器，对时域信号(y(t)，y (kTs))进行滤波。
9.如前述权利要求之一所述的信号处理单元，所述信号处理单元被配置为对时域信号(y(t)，y(kTs))进行时域特征值分解，以确定具有至少一个估计频率(fj和相应振幅(Ai)的至少一个复指数。
10.如权利要求9所述的信号处理单元，所述信号处理单元被配置为通过对时域信号(y(t)，y(kTs))进行矩阵投影来产生至少一个投影矩阵(Y)，对所述至少一个投影矩阵(Y)进行奇异值分解(SVD)来产生包括具有若干(L)个奇异值的对角矩阵(E )的矩阵(U* E ^Vh),使用一个模型阶进行矩阵求逆和求解来确定至少一个复指数信号，从而执行基于矩阵束的方法。
11.如权利要求10所述的信号处理单元，其中，所述基于矩阵束的方法是基于旋转不变技术的信号参数估计(ESPRIT)方法。
12.如权利要求10和11之一所述的信号处理单元，所述信号处理单元被配置为执行模型定阶算法来估计模型阶
13.如权利要求12所述的信号处理单元，所述信号处理单元被配置为将确定出的信噪比(SNRm)与第二阈值(TH2)相比较，如果信噪比(SNRm)等于或大于第二阀值(TH2)，则执行第一模型定阶方法，如果信噪比(SNRm)低于第二阀值(TH2),则执行第二模型定阶方法。
14.如权利要求13所述的信号处理单元，其中，所述第一模型定阶方法基于高效描述准则(EDC)，和/或其中，所述第二模型定阶方法基于间距准则。
15.如权利要求14所述的信号处理单元，其中，基于间距准则的方法包含以下的公式
16.如权利要求9至15之一所述的信号处理单元，所述信号处理单元被进一步配置为执行降秩汉克尔近似(RRHA)算法。
17.如权利要求16所述的信号处理单元，其中，所述估计的模型阶(M)被用于所述降秩汉克尔近似(RRHA)算法。
18.如权利要求16或17所述的信号处理单元，其中，所述确定出的信噪比(SNRbJ被用于所述降秩汉克尔近似(RRHA)算法。
19.如权利要求16至18之一所述的信号处理单元，其中，所述降秩汉克尔近似(RHHA)的终止准则为
20.如权利要求19所述的信号处理单元，所述信号处理单元被配置为将确定出的信噪比(SNRbJ与第三阈值(TH3)相比较，其中，如果确定出的信噪比(SNRbJ等于或大于第三阀值(TH3),则所述收敛值(Skkha)被设定为预定值，并且其中，如果确定出的信噪比(SNRbo1)低于第三阀值(TH3)，则所述收敛值(e EEHA)取决于确定出的信噪比(SNRm)和第三阀值(TH3)之间的一个商。
21.如权利要求9至20之一所述的信号处理单元，所述信号处理单元被配置为通过执行迭代优化算法来对至少一个复指数的至少一个估计频率求精。
22.如权利要求21所述的信号处理单元，所述信号处理单元被配置为将信噪比(SNRbo1)与第四阀值(TH4)相比较，并且只有当信噪比(SNRbJ等于或大于第四阀值(TH4)时才执行所述迭代优化算法。
23.如权利要求21或22所述的信号处理单元，其中，所述迭代优化算法是利用至少一个复指数作为种子的最小二乘算法。
24.如权利要求21至23之一所述的信号处理单元，其中，所述迭代优化算法使用下面的代价函数
25.如权利要求21至24之一所述的信号处理单元，其中，所述迭代优化算法的终止准则是从以下准则构成的组中选择的至少一个准则达到预定的最大迭代次数(maXit )、判断出相继的迭代之间的估计频率的变化小于以一个预定因数划分的频率分辨率、判断出代价函数(f_t)的变化小于代价函数的最小允许变化(e cost)。
26.如权利要求25所述的信号处理单元，其中，所述代价函数的最小允许变化(e_t)取决于确定出的信噪比(SNRbJ。
27.如权利要求26所述的信号处理单元，其中，如果信噪比(SNRm)等于或大于第五阀值(TH5)，则所述代价函数的最小允许变化(e cost)是预定值(e。。_5)，并且其中，如果信噪比(SNRbJ小于第五阀值(TH5)，则所述代价函数的最小允许变化(e_t)是通过将预定值(e C0stra5)乘以确定出的信噪比(SNRbJ和第五阀值(TH5)之间的一个商而获得的。
28.如前述权利要求之一所述的信号处理单元，所述信号处理单元被配置为检测多个峰值频率(fPMk n)，确定每个峰值频率(fpeakn)的对应的感兴趣频带(BoIn)，并确定每个感兴趣频带(BoIn)的对应信噪比(SNRB()I n)。
29.如权利要求I至27之一所述的信号处理单元，所述信号处理单元被配置为检测多个峰值频率(fPMkn)，确定每个峰值频率(fPMkn)的对应的感兴趣频带(BoIn),将至少部分感兴趣频带与一个联合感兴趣频带相连，并确定所述联合感兴趣频带的对应信噪比。
30.一种用于在一距离(R)内检测至少一个目标对象(I)的对象检测系统(10)，所述系统包括 发射机，用于发射传输信号(Tx)，和 接收机，用于接收来自至少一个目标对象(I)的反射传输信号作为接收信号(Rx)，所述接收机包括 混合器(13)，用于根据所述传输信号(Tx)和接收信号(Rx)产生复合信号，和 如前述权利要求之一所述的信号处理单元(12)，其中，所述复合信号是所述时域信号(y (t), y (kTs))。
31.如权利要求30所述的系统，所述发射机包括用于产生所述传输信号(Tx)的信号发生器(11)。
32.如权利要求31所述的系统，其中，所述信号发生器(11)产生包括多个连续的啁啾的调频连续波(FMCW)传输信号(Tx)。
33.如权利要求30至32之一所述的系统，所述信号处理单元(12)被配置为根据至少一个估计频率，估计所述至少一个目标对象(I)的距离(R)。
34.如权利要求25和权利要求33所述的系统，其中，所述终止准则是判断出相继迭代之间的距离(R)的变化小于以预定因数(Rfart)划分的距离分辨率(SR)。
35.如权利要求30至34之一所述的系统，其中，具有至少一个估计频率和相应振幅的至少一个复指数估计所述复合信号的至少一个谱分量，并且其中，所述至少一个估计频率估计传输信号(Tx)和接收信号(Rx)之间的至少一个频率差(fbMt)。
36.如权利要求30至35之一所述的系统，其中，所述发射机包括单个发射机天线(15)，所述接收机包括单个接收机天线(16)。
37.一种信号处理方法，用于从时域信号(y(t)，y(kTs))准确地估计至少一个复指数的至少一个频率(^)和相应振幅(Ai),所述方法包括 将时域信号(y(t)，y(kTs))转换成频域信号(Y(f))， 检测频域信号(Y(f))的功率谱中的至少一个峰值(fpeak)， 确定与所述至少一个峰值对应的至少一个感兴趣频带(BoI), 确定与所述至少一个感兴趣频带(BoI)对应的至少一个信噪比(SNRbJ, 执行至少一个后续时域处理步骤，从而基于所述时域信号(y (t)，y (kTs))，使用所述至少一个感兴趣频带(BoI)和/或所述至少一个信噪比(SNRbJ来准确估计所述至少一个复指数的至少一个频率(fj和相应振幅(Ai)。
38.一种包括程序代码装置的计算机程序，当所述计算机程序在计算机上运行时，所述程序代码装置使计算机执行如权利要求37所述方法的步骤。
39.一种非临时性计算机可读介质，其上存储有指令，当在计算机上执行这些指令时，所述指令使计算机执行如权利要求37所述方法的步骤。
全文摘要
本发明涉及一种信号处理单元和方法，用于从时域信号(y(t)，y(kTs))准确地估计至少一个复指数的至少一个频率(fi)和相应振幅(Ai)。信号处理单元被配置为将时域信号(y(t)，y(kTs))转换成频域信号(Y(f))，检测频域信号(Y(f))功率谱中的至少一个峰值频率(fpeak)。信号处理单元进一步被配置为确定与至少一个峰值频率(fpeak)对应的至少一个感兴趣频带(BoI)，并确定与至少一个感兴趣频带(BoI)对应的至少一个信噪比(SNRBoI)。信号处理单元进一步被配置为执行至少一个后续时域处理步骤，从而根据时域信号(y(t)，y(kTs))，使用至少一个感兴趣频带(BoI)和/或至少一个信噪比(SNRBoI)来准确估计至少一个复指数的至少一个频率(fi)和相应振幅(Ai)。
文档编号G01S7/35GK102819018SQ20121019526
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10日
发明者米克尔·泰斯塔, 理查德·斯蒂林-加拉彻 申请人:索尼公司