本发明属于雷达技术，更具体地涉及雷达系统及其控制方法。
背景技术：
雷达是利用电磁波探测物理的电子设备。在工作时，雷达发射射频信号，以及检测从物体上反射的回波，从而可以判断物体的距离等信息。随着智能设备的发展，小型雷达在民用领域的应用越来越广泛。毫米波雷达系统有响应快，精度高，全天候工作，灵活性高等特点，已经广泛的应用于障碍规避、探测、智能巡航等领域。例如，车载雷达已经广泛地用于各种车辆，用于提醒障碍物的距离。
雷达系统的控制范围受到天线辐射范围的限制。对于单个发射天线和接收天线组成的前端，只能探测一定空间范围内的物体。多前端的雷达系统将多个发射天线和接收天线组成一维或二维天线阵列，从而可以扩大探测范围和提高探测精度，甚至可以实现360度全方位探测。然而，多前端的雷达系统需要同时处理多路的射频回波信号，导致数字处理系统电路的成本大大增加。
技术实现要素：
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种雷达系统及其控制方法，其中根据系统的运动方向和姿态动态选择前端模块的中频信号进行信号处理，从而可以达到多个雷达射频模块共用数字信号处理模块，以降低成本和提高系统资源利用率。
根据本发明的一方面，提供一种雷达系统，包括：方向及姿态检测模块，用于获得雷达系统的运动向量信息；多个发射天线，用于在施加激励电信号时发射射频信号；多个接收天线，用于接收从物体反射的电磁波以获得射频回波信号；多个前端模块，所述多个前端模块与所述多个发射天线中的相应发射天线和所述多个接收天线中的相应接收天线电连接，用于根据射频回波信号产生中频模拟信号；模数转换器，与所述前端模块连接，将所述中频模拟信号转换成中频数字信号；数字信号处理模块，与所述模数转换器连接，用于对中频数字信号进行信号处理，以及产生用于表征检测结果的检测数字信号，所述检测数字信号包含物体的位置、速度、角度中的至少一种信息；以及控制模块，与所述数字信号处理模块和所述方向及姿态检测模块相连接，根据所述运动向量信息判断运动方向，以及根据运动方向选择相关联的前端模块，使得所述数字信号处理模块选择性地对选定的前端模块的中频模拟信号进行信号处理。
优选地，所述控制模块建立所述运动向量信息与所述多个前端的映射关系。
优选地，所述映射关系包括所述多个发射天线和所述多个接收天线的探测范围与所述运动向量信息中的运动方向相一致。
优选地，在相同的参考系中安装所述多个发射天线和所述多个接收天线以获得各自的探测范围，以及定义所述运动向量。
优选地，所述多个发射天线和所述多个接收天线的探测范围部分重叠以提供稳定的切换。
优选地，所述控制模块在工作开始之前校准所述映射关系。
优选地，所述方向及姿态检测模块为选自惯性测量装置、全球导航卫星系统、惯性导航系统中的至少一种。
优选地，所述方向及姿态检测模块采用组合导航算法以获得运动向量信息，并且传送至所述控制模块。
优选地，所述多个前端模块分别包括：射频模块，用于产生所述激励电信号，以及根据所述射频回波信号产生所述中频模拟信号。
优选地，所述数字信号处理模块执行以下信息处理中的至少一种：重采样、参数估计、自适应滤波、恒虚警处理、脉冲压缩、自适应波束形成、旁瓣对消和快速傅里叶变换。
优选地，所述数字信号处理模块为专用数字信号处理芯片，或者采用通用处理器芯片实现数字信号处理芯片的功能。
优选地，所述通用处理器芯片包括选自用现场可编程门阵列、微控制单元、专用集成电路、应用控制器中的至少一种。
优选地，所述多个发射天线和所述多个接收天线中的至少一些天线是由多个天线单元排列组成的天线阵列。
优选地，所述多个发射天线和所述多个接收天线中的至少一些天线沿不同方向安装在预定的探测平面内，以实现二维方向的探测。
优选地，所述多个发射天线和所述多个接收天线中的至少另一些天线安装与所述探测平面成夹角的不同方向上，以实现三维方向的探测。
优选地，在所述雷达系统探测到运动方向上的物体时，所述检测数字信号用于改变运动方向以进行障碍规避。
优选地，还包括传输线，用于将所述多个前端模块与所述多个发射天线中的相应发射天线和所述多个接收天线中的相应接收天线电连接。
根据本发明的另一方面，提供一种雷达系统的控制方法，所述雷达系统包括多个发射天线、多个接收天线以及多个前端模块，所述多个前端模块用于向所述多个发射天线提供激励电信号，以及从所述多个接收天线获得射频回波信号，所述方法包括：在雷达系统中建立多个前端模块与运动向量的映射关系；检测雷达系统的运动及姿态以获得运动向量信息；根据运动向量信息选择与之关联的至少一个前端模块，以获得探测信号；以及针对选定的至少一个前端模块进行信号处理，在获得在运动方向上的物体信息。
优选地，所述映射关系包括所述多个发射天线和所述多个接收天线的探测范围与所述运动向量信息中的运动方向相一致。
优选地，建立映射关系的步骤包括：在相同的参考系中安装所述多个发射天线和所述多个接收天线以获得各自的探测范围，以及定义所述运动向量。
优选地，所述多个发射天线和所述多个接收天线的探测范围部分重叠以提供稳定的切换。
优选地，在工作开始之前校准所述映射关系。
优选地，采用组合导航算法以获得运动向量信息。
优选地，所述信号处理包括以下信息处理中的至少一种：重采样、参数估计、自适应滤波、恒虚警处理、脉冲压缩、自适应波束形成、旁瓣对消和快速傅里叶变换。
优选地，所述多个发射天线和所述多个接收天线中的至少一些天线沿不同方向安装在预定的探测平面内，以实现二维方向的探测。
优选地，所述多个发射天线和所述多个接收天线中的至少另一些天线安装与所述探测平面成夹角的不同方向上，以实现三维方向的探测。
优选地，在探测到运动方向上的物体时，所述探测信号用于改变运动方向以进行障碍规避。
在该实施例的雷达系统中，方向及姿态检测模块获得系统的运动矢量信息，数字信号处理模块和控制模块进一步处理选定的前端模块的探测信号。数字信号处理模块和控制模块仅仅需要处理一部分前端模块的探测信号，因此该信号处理方式避免了并行处理对数字信号处理模块的性能要求。即使采用公共的数字信号处理模块和控制模块，也可以满足控制信号处理的实时性要求。
在该实施例的雷达系统中，多前端的雷达系统选择性地处理单路中频信号，各个前端模块不需要设置各自的数字信号处理模块，而是可以共用数字信号处理模块，以降低成本和提高系统资源利用率，提高了系统的集成度。
附图说明
通过以下参照附图对本发明实施例的描述，本发明的上述以及其他目的、特征和优点将更为清楚，
图1示出根据现有技术的雷达系统的前端模块的示意性框图；
图2示出根据现有技术的雷达系统的示意性框图；
图3示出根据本发明实施例的雷达系统的前端模块的示意性框图；
图4示出根据本发明实施例的雷达系统的示意性框图；
图5示出根据本发明实施例的雷达系统的参考平面和角度范围；
图6示出根据本发明实施例的雷达系统的角度范围与前端模块的映射关系的实例；
图7示出根据本发明实施例的雷达系统中物体的运动向量与探测范围的关系示意图；
图8示出根据本发明实施例的雷达系统控制方法的流程图；以及
图9示出安装有根据本发明实施例的雷达系统的智能设备的实例的立体透视图。
具体实施方式
以下将参照附图更详细地描述本发明。在各个附图中，相同的元件采用类似的附图标记来表示。为了清楚起见，附图中的各个部分没有按比例绘制。此外，在图中可能未示出某些公知的部分。
在下文中描述了本发明的许多特定的细节，例如器件的结构、材料、尺寸、处理工艺和技术，以便更清楚地理解本发明。但正如本领域的技术人员能够理解的那样，可以不按照这些特定的细节来实现本发明。
图1示出根据现有技术的雷达系统的前端模块的示意性框图。前端模块110经由传输线连接至发射天线121和接收天线122，用于分别向发射天线121传送激励电信号和从接收天线122接收射频回波信号。发射天线121和接收天线122不限于单个天线单元，而是可以包括多个在空间上排列的天线单元组成的天线阵列。采用多个天线单元组成的天线阵列，可以扩大探测范围和提高探测精度。
前端模块110包括射频模块111、模数转换器112、数字信号处理模块113。
射频模块111用于提供激励电信号以及接收射频回波信号。如果发射天线121和接收天线122为天线阵列，则前端模块110可以包括多个射频模块111，分别用于产生多个天线单元的激励信号和接收多个天线单元的射频回波信号。
模数转换器112与射频模块111连接，用于将射频回波信号转换成中频数字信号。
数字信号处理模块113与模数转换器112连接，用于将中频数字信号进一步处理成最终可以使用的检测数字信号。
数字信号处理模块113例如可以是专用的DSP芯片，或者采用现场可编程门阵列(FPGA)、微控制单元(MCU)、专用集成电路(ASIC)、应用控制器(Application Processor)之类的通用芯片实现DSP芯片的功能。
数字信号处理模块113对数字信号的处理例如包括数据重采样、参数估计、自适应滤波、恒虚警处理、脉冲压缩、自适应波束形成、旁瓣对消和快速傅里叶变换等。数据重采样主要是为了获得射频回波信号的数据局部细节信息，实现数据校正或者配准。数字信号处理模块113的数据信号处理实时性要求高，利用内部的硬件乘法器、地址产生器(反转寻址)和多处理内核，可以实现快速傅里叶变换(FFT)算法从而实现时域-频域转换，以及实现有限长单位冲激响应(FIR)滤波器从而滤除杂波干扰，提高信噪比。
图2示出根据现有技术的雷达系统的示意性框图。雷达系统100包括介质基板101，在介质基板101的一个表面上设置前端模块110、发射天线121和接收天线122。传输线用于连接前端模块110和发射天线121，以及用于连接前端模块110和接收天线122。在介质基板101的另一个表面上设置接地面(未示出)。
在该实施例中，介质基板101例如为八边形。在介质基板101中，采用公共的控制模块160控制八个前端模块110，分别驱动在八边形的侧边发射和接收电磁波的八个子天线。每个子天线包括至少一个发射单元和至少一个接收单元。优选地，发射单元与接收单元相距约1个工作波长或以上，从而保证接收单元与发射单元具有足够的隔离度。
根据该实施例的前端模块提供了360度探测系统。该系统可以但不限于设计于同一块PCB上。
在雷达系统100中，采用公共的控制模块160对来自多个前端模块的探测信号进行并行处理，可以满足控制信号处理的实时性要求。然而，如果多个前端模块110采用公共的数字信号处理模块113对来自多个射频模块111的射频回波信号，则很可能造成数据拥堵，结果，数字信号处理模块113无法快速精准地处理多个目标。因此，很大程度上限制了最大探测区域和探测灵敏度。
在现有的雷达系统中，前端模块110必须包括各自的数字信号处理模块。多前端的雷达系统需要同时处理多路的射频回波信号，导致控制电路的成本增加。
图3示出根据本发明实施例的雷达系统的前端模块的示意性框图。前端模块210经由传输线连接至发射天线121和接收天线122，用于分别向发射天线121传送激励电信号和从接收天线122接收射频回波信号。
发射天线121在施加激励电信号时发射射频信号。接收天线122接收从物体反射的电磁波以获得射频回波信号。发射天线121和接收天线122不限于单个天线单元，而是可以包括多个在空间上排列的天线单元组成的天线阵列。采用多个天线单元组成的天线阵列，可以扩大探测范围和提高探测精度。
与图1所示的现有技术的雷达系统的前端模块不同，根据该实施例的雷达系统的前端模块210仅仅包括射频模块111和模数转换器112，而没有包括数字信号处理模块113。
射频模块111用于提供激励电信号，以及根据射频回波信号产生中频模拟信号。如果发射天线121和接收天线122为天线阵列，则前端模块210可以包括多个射频模块111，分别用于产生多个天线单元的激励信号和接收多个天线单元的射频回波信号。
模数转换器112与射频模块111连接，用于将中频信号转换成中频数字信号。在替代的实施例中，模数转换器也可以不位于前端模块中，这样，前端模块将产生模拟信号，不同的前端模块信号则需要在进入DSP前，共同使用一个模数转换器来实现并产生中频数字信号。
图4示出根据本发明实施例的雷达系统的示意性框图。雷达系统200包括介质基板(未示出)，在介质基板的一个表面上设置发射天线121、接收天线122、前端模块210、数字信号处理模块250、控制模块260和方向及姿态检测模块280。传输线用于连接前端模块210和发射天线121，以及用于连接前端模块210和接收天线122。在介质基板101的另一个表面上设置接地面(未示出)。
在该实施例中，介质基板例如为八边形。采用公共的数字信号处理模块250和控制模块260控制八个前端模块210，分别驱动在八边形的侧边发射和接收电磁波的八个子天线。每个子天线包括至少一个发射单元和至少一个接收单元。优选地，发射单元与接收单元相距约1个工作波长或以上，从而保证接收单元与发射单元具有足够的隔离度。
根据该实施例的前端模块提供了360度探测系统。该系统可以但不限于设计于同一块PCB上，极大程度上提高了系统的集成度，并降低了设备表面的使用空间。
在雷达系统200中，采用方向及姿态检测模块280获取系统的运动矢量信息，从而根据系统的运动方向和姿态，判断与运动向量相对的前端模块210，从而选择前端模块210的探测信号，该探测信号例如是根据射频回波信号产生的中频模拟信号。采用公共的数字信号处理模块250和控制模块260进一步处理选定的前端模块210的探测信号。在该实施例中，方向及姿态检测模块280例如是惯性测量装置(IMU)、全球导航卫星系统(GNSS)、惯性导航系统(INS)中的一种。
在一个实施例中，在前端模块210和数字信号处理模块250之间可以包括开关阵列，在判断与运动向量相对的前端模块210之后，根据判断结果控制开关阵列的导通和断开，从而选择相应的前端模块210的探测信号，用于后继的数字处理，该探测信号例如是根据射频回波信号产生的中频模拟信号。在替代的实施例中，数字信号处理模块250分时连接至各个前端模块210，在判断与运动向量相对的前端模块210之后，数字信号处理模块250仅对于选定的前端模块210进行数字信号处理，从而通过多个前端模块210的周期性扫描获取周边环境信息。
数字信号处理模块250用于将前端模块210产生的中频数字信号进一步处理成最终可以输出的检测数字信号。
数字信号处理模块250例如可以是专用的DSP芯片，或者采用现场可编程门阵列(FPGA)、微控制单元(MCU)、专用集成电路(ASIC)、应用控制器(Application Processor)之类的通用芯片实现DSP芯片的功能。
与现有技术的雷达系统类似，在该实施例的雷达系统中，数字信号处理模块250对数字信号的处理例如包括数据重采样、参数估计、自适应滤波、恒虚警处理、脉冲压缩、自适应波束形成、旁瓣对消和快速傅里叶变换等。
与现有技术的雷达系统不同之处在于，在该实施例的雷达系统中，方向及姿态检测模块280获得系统的运动矢量信息，数字信号处理模块250和控制模块260进一步处理选定的前端模块210的探测信号，该探测信号例如是根据射频回波信号产生的中频模拟信号。数字信号处理模块250和控制模块260仅仅需要处理一部分前端模块210的探测信号，因此该信号处理方式避免了并行处理对数字信号处理模块的性能要求。即使采用公共的数字信号处理模块250和控制模块260，也可以满足控制信号处理的实时性要求。
在根据该实施例的雷达系统中，多前端的雷达系统选择性地处理单路的射频回波信号，各个前端模块不需要设置各自的数字信号处理模块，而是可以共用数字信号处理模块，以降低成本和提高系统资源利用率。
图5示出根据本发明实施例的雷达系统的参考平面和角度范围，以及图6示出根据本发明实施例的雷达系统的角度范围与前端模块的映射关系的实例。该雷达系统包含多个前端模块。所述雷达系统定义水平面为XY平面，正方向为X方向，也就是0度方向。该方向与安装有雷达系统的智能设备正方向保持一致。
在该实施例中，雷达系统包括四个前端模块A至D。前端模块A设置为探测水平面300°到60°扇区内的物体，也就是+X方向上±60°的扇区。前端模块B至D设置为分别探测+Y、-X、-Y方向上的120度扇区的位置。这样，四个前端模块A至D就包含了智能设备水平面各向的探测能力，从而智能设备可以在水平面内进行障碍规避。
在优选的实施例中，雷达系统包括附加的两个前端模块E和F。前端模块E和F分别能够对正上方(+Z)以及正下方(-Z)的物体进行探测，从而使得智能设备在上升或者下降的过程中障碍规避。这样，六个前端模块A至F就包含了智能设备水平面内和垂直方向的三维方向上的探测能力，从而智能设备可以在三维方向上进行障碍规避。
在雷达系统开始工作之前，方向及姿态检测模块280可以校准雷达系统的角度范围与前端模块的映射关系。在该实施例中，方向及姿态检测模块280例如是惯性测量装置(IMU)、全球导航卫星系统(GNSS)、惯性导航系统(INS)中的一种。通过组合导航算法(GNSS、INS、或GNSS+INS)获得实时的运动向量信息并且传输给控制模块260。控制模块260在接收到该数据之后，将判断所需要使用的前端模块，从而发出指令对该模块的信号经行处理分析，并最终给出相关结果信息，从而达到高效的障碍规避。
在雷达系统工作过程中，方向及姿态检测模块280的检测结果选择前端模块，从而切换用于水平平面内物体探测的前端模块A至D和用于垂直方向上物体探测的前端模块E和F。当方向及姿态检测模块280所获取的运动方向在某个模块所包含的120度扇区内时，雷达系统将自动使用该模块的数据进行数字信号处理并给出相关的信息。当运动方向超出该模块所使用的扇区边缘时，雷达系统会自动切换到相邻模块。
从图中可以看出，每个模块都会和相邻模块有一个重叠的区域，该区域确保了各个模块临界角度的可靠性，以及降低了在临界角度运动时反复切换的可能性。而该系统中，只要运动测量装置感知到上升或者下降，那么系统将会自动激活前端模块E或者F。
图7示出根据本发明实施例的雷达系统中物体的运动向量与探测范围的关系示意图。
本发明实施例可以适用于空间球面上任何所需要区域的智能障碍规避系统。首先定义雷达系统所处平面为参照系统。在该系统下，可以通过探测系统获取以建立的参考系为对照的运动向量在系统XY平面的投影与X轴的夹角为θ而与Z轴的夹角为
假设在球面上任意需要探测的区域为S，而能够覆盖该面积的N个前端模块分别能探测的区域为An。An主要取决于模块的天线设计，而每个区域An可以有或者没有相互重叠的区域，这取决于系统探测的需求。
根据实际需求建立起与An的映射关系并将其写入控制器中。那么控制器就可以实时的根据该运动向量计算并指定相应的前端模块，并将数据经行后端处理，从而覆盖在该运动状态下所须探测的区域。
上述选择性的算法可以用于选择前端模块，使得数字信号处理模块可以仅处理一部分前端模块的探测信号，从而减少计算负荷，提供整体系统的运行效率。需要注意的是该运动向量与前端模块的映射关系可以是一一对应的，也可以根据应用场景多对一。在后者的情形下，在雷达系统沿着预定方向运动时，可以启动多个前端模块，从而实现更大的天线阵列，以提高探测灵敏度和探测精度。
在根据该实施例的雷达控制方法中，多前端的雷达系统选择性地处理单路的射频回波信号，各个前端模块不需要设置各自的数字信号处理模块，而是可以共用数字信号处理模块，以降低成本和提高系统资源利用率。
图8示出根据本发明实施例的雷达系统控制方法的流程图。
在步骤S01中，在雷达系统中建立前端模块与运动向量的映射关系。
在该步骤中，预定义雷达系统的参考系，即XY平面和Z方向。将多个天线安装在雷达系统中，使得一部分天线的探测范围位于XY平面内，另一部分天线的探测范围沿着Z方向，从而实现三维方向上的探测能力。
该步骤将雷达系统的运动向量与前端模块相连接的天线的探测方向在相同的参考系中彼此映射。
在步骤S02中，采用方向及姿态检测模块，检测雷达系统的运动及姿态，以获得运动向量信息。如上所述，可以通过组合导航算法(GNSS、INS、或GNSS+INS)获得实时的运动向量信息。
在步骤S03中，根据运动向量信息，可以选择与之关联的一个或多个前端模块，以获得探测信号。该选择步骤从全部的前端模块中，根据映射关系选择与运动向量信息相关联的一部分前端模块，用于后端的数字信号处理电路，从而减少后端模块的计算负荷。
在步骤S04中，针对选定前端模块的探测信号，数字信号处理电路和控制模块进行信号处理，在获得在当前的运动方向上的物体信息。
在智能设备包含雷达系统的情形下，如果雷达系统的当前运动方向上存在物体，则智能设备或以改变运动方向，从而实现障碍规避。
图9示出安装有根据本发明实施例的雷达系统的智能设备的实例的立体透视图。在该实施例中，智能设备800例如是四旋翼无人机，包括安装有控制电路和电池的主体810、包括马达和叶片的旋翼830、用于连接主体810和旋翼830且提供机械支撑的支架820、以及安装在主体顶部的雷达系统200。
在该实施例中，雷达系统200例如可以使用图4所示根据本发明实施例的雷达系统，从而可以采用采用共用的数字信号处理模块和控制模块实现全向探测。在智能设备探测到运动方向上的物体时，则智能设备自动改变运动方向以进行障碍规避。
应当说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
依照本发明的实施例如上文所述，这些实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施例。显然，根据以上描述，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地利用本发明以及在本发明基础上的修改使用。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。