用于雷达系统的改进的近-远性能的功率控制的制作方法

本申请要求享有2016年10月13日提交的美国专利申请第15/292,755号的优先权，该申请要求2016年6月20日提交的美国临时申请第62/352,277号、2016年7月13日提交的第62/361,587号以及2016年8月5日提交的第62/371,257号的提交日权益，这些申请的全部内容由此通过引用并入本文。

本发明涉及雷达系统，并且具体地涉及用于车辆的雷达系统。

背景技术：

使用雷达来确定环境中物体的范围和速度在包括汽车雷达和姿势检测在内的许多应用中是重要的。雷达典型地发送信号并监听来自环境中的物体的信号反射。

技术实现要素：

本发明提供了用于在存在近物体和远物体时在雷达系统中实现更好性能的方法和系统。本发明通过根据时间改变传输功率，在存在近物体的情况下实现对远物体的更好的可检测性。

一种用于车辆的雷达感测系统，包括至少一个发射机、至少一个接收机以及处理器。至少一个发射机被配置用于在车辆上安装和使用，并且能够发送射频(rf)信号。至少一个发射机还能够对发送的rf信号进行功率整形。发送的rf信号随时间而功率降低，以补偿近目标和远目标之间的不匹配衰减。至少一个接收机被配置用于在车辆上安装和使用，并且能够接收反射的rf信号。反射的rf信号是从环境中的目标反射的发送的rf信号。反射的rf信号被下变频并且将结果提供给处理器。处理器对经下变频的反射的rf信号进行采样以产生采样流。处理器能够在多个时间间隔期间处理采样流。多个时间间隔中的不同时间间隔包含从目标反射的、不同信号电平的rf信号。处理器还能够在多个时间间隔中的没有反射离开近目标的rf信号的选定时间间隔内选择采样流中的样本。

一种用于车辆的雷达感测系统，包括至少一个发射机、至少一个接收机以及处理器。至少一个发射机被配置用于在车辆上安装和使用，并且能够发送射频(rf)信号。至少一个发射机还能够在多个时间间隔中的选定时间间隔期间在选定频率上发送rf信号，并且在多个时间间隔中的另一选定时间间隔期间在另一选定频率上发送rf信号。至少一个接收机被配置用于在车辆上安装和使用，并且能够接收反射的rf信号。反射的rf信号是从环境中的物体反射的发送的rf信号。反射的rf信号被下变频并且将结果提供给处理器。处理器对经下变频的反射的rf信号进行采样以产生采样流。处理器能够在多个时间间隔期间处理采样流。多个时间间隔中的不同时间间隔包含从目标反射的、不同信号电平的rf信号。处理器还可操作以用于从多个时间间隔中的没有反射离开近目标的rf信号的选定时间间隔中选择采样流中的样本。

一种用于车辆的雷达感测系统，包括至少一个发射机、至少一个接收机以及处理器。至少一个发射机被配置用于在车辆上安装和使用，并且能够发送射频(rf)信号。至少一个发射机还能够对发送的rf信号进行功率整形。发送的rf信号随时间而功率降低，以补偿近目标与远目标之间的不匹配衰减。至少一个发射机还能够在多个时间间隔中的选定时间间隔期间在多个频率中的选定频率上发送rf信号，并且在多个时间间隔中的另一选定时间间隔期间在另一选定频率上发送rf信号。至少一个接收机被配置用于在车辆上安装和使用，并且能够在多个频率上接收反射的rf信号。反射的rf信号是从环境中的目标反射的发送的rf信号。反射的rf信号被下变频并且将结果提供给处理器。处理器对经下变频的反射的rf信号进行采样以产生采样流。处理器能够在多个时间间隔期间处理采样流。多个时间间隔中的不同时间间隔包含从目标反射的、不同信号电平的rf信号。处理器还能够在多个时间间隔中的没有反射离开近目标的rf信号的选定时间间隔内选择采样流中的样本。

对从近目标反射的rf信号的信号处理可以在多个时间间隔中的第一时间间隔期间发生，而对从远目标反射的rf信号的信号处理可以在多个时间间隔中的在第一时间间隔之后的第二时间间隔期间发生。在第一时间间隔期间，发送的rf信号可以功率降低，并且在第二时间间隔期间，没有发送的rf信号。在第一时间间隔期间，至少一个接收机可以忽略反射的rf信号，并且在第二时间间隔期间，至少一个接收机可以接收反射的rf信号。反射的rf信号具有1/r4的返回信号强度，使得近目标和远目标具有类似的rcs。

可变功率使得从近物体反射的rf信号可以具有比在给定时间从最远物体反射的rf信号更低的发送功率。也就是说，最初发送大幅值rf信号。然后，发送功率根据时间降低。处理器还可以能够选择多个时间间隔中的时间间隔来处理选定的多个范围分组。从第一近目标反射的rf信号不足够大以干扰从第二远目标反射的rf信号。

在阅览以下说明书时，结合附图，本发明的这些和其他目标、优点、目的和特征将变得显而易见。

附图说明

图1是配备有根据本发明的雷达系统的汽车的平面图；

图2a和图2b是根据本发明的雷达系统的框图；

图3是示出通过图2a和图2b的雷达系统的雷达接收机的信息流的框图；

图4是示出根据本发明的具有多个接收机和多个发射机的雷达系统的框图；

图5是示出根据本发明的图3的时间片的二维阵列；

图6是示出根据本发明的具有多个接收机和多个发射机的另一雷达系统的框图；

图7是本发明的雷达系统的示例性片上系统架构的框图；

图8-10示出了数字雷达如何工作的方面；

图11示出了多发射机和多接收机雷达系统的能力；

图12是用于本发明的雷达系统的示例性接收管线和发送管线的框图；

图13是示出具有连续传输的、在两个物体的复制物的延迟的情况下相关器的输出的一对曲线图；

图14是示出来自图13的输出的总和的总信号强度的相关器输出的曲线图；

图15是示出根据本发明的具有不连续传输的、在两个物体的复制物的延迟的情况下相关器的输出的一对曲线图；

图16是示出根据本发明的来自图15的输出的总和的总信号强度的相关器输出的曲线图；

图17是示出根据本发明的图16的总信号强度(放大)的一部分的曲线图；

图18是示出根据本发明的从不同距离处的两个物体反射的不连续传输的影响的流程图；

图19是示出根据本发明的对图18的反射信号的处理的时序的流程图；

图20是示出根据本发明的对图18的反射信号的处理的时序的流程图；

图21是示出根据本发明的传输的功率整形、对反射信号的处理的时序以及反射信号强度的对应曲线的流程图；

图22是进一步示出根据本发明的对反射信号的处理的时序和反射信号强度的对应曲线的流程图；

图23是本发明的雷达系统的示例性接收机的框图；

图24是根据本发明的不同距离处的物体的示例性时序图；

图25是根据本发明的用于确定与所要求的扩频码的信号相关的示例性数字处理器的框图；

图26示出了根据本发明的图25的接收机的fft输入；

图27是示出当从2.0-3.832微秒执行信号处理时150米和300米处的物体的归一化相关器输出的曲线图；

图28是示出当从2.5-3.832微秒执行信号处理时150米和300米处的物体的归一化相关器输出的曲线图；以及

图29是示出当从2.832-3.832微秒执行信号处理时150米和300米处的物体的归一化相关器输出的曲线图。

具体实施方式

现在将参考附图来描述本发明，其中以下书面描述中的编号的元素对应于图中同样编号的元素。当存在近物体和远物体时，本发明的方法和系统可以从雷达系统实现更好的性能。本发明的示例性实施例通过根据时间改变雷达系统的传输功率，在存在近物体的情况下实现对远物体的更好可检测。

本发明提供了用于在存在近物体和远物体时在雷达系统中实现更好性能的方法和系统。本发明通过根据时间改变传输功率，在存在近物体的情况下实现了对远物体的更好的可检测性。

雷达系统利用一个或多个发射机来发送射频(rf)信号。这些rf信号从环境中的物体(也称为目标)反射，通过雷达系统的一个或多个接收机。雷达系统使用一个或多个接收机来接收rf信号。发射机/接收机对被称为虚拟雷达。雷达系统的接收机具有下变频器，其将复值数字化样本(即，包括数学实部和数学虚部的值)输出到处理器。复值数字化样本针对不同接收机与发送的rf信号的各种时间延迟复制物相关。这些样本以称为时间片的二维阵列排列。将样本放置到二维阵列的相应范围分组中(如本文所使用的，范围分组是指对应于与雷达信号从发射机到目标/物体并返回接收机的往返时间相对应的特定时间延迟的距离范围)。雷达系统的虚拟接收机(雷达系统的每个虚拟雷达的虚拟接收机)定义二维时间片的x轴，并且范围分组定义二维时间片的y轴。每2-30微秒生成包含复值样本的另一时间片。在较长的时间间隔内，本文称为“扫描”(典型地，在1-60毫秒或更长的持续时间内)，累积多个时间片以形成三维雷达数据立方体。三维雷达数据立方体的x轴由时间(每个相应时间片要求2-30微秒)定义，而接收机(或虚拟接收机)定义三维雷达数据立方体的z轴，并且范围分组及其对应的时间延迟定义三维雷达数据立方体的y轴。雷达数据立方体可以具有预选或动态定义的时间片量。例如，雷达数据立方体可以包括100个时间片或1000个时间片的数据。类似地，雷达数据立方体可以包括不同数量的范围分组。

接收到的rf信号的复值样本是发送的rf信号的多个时间延迟复制物——其中时间延迟复制物对应于每个范围分组——与接收到的rf信号之间的相关的产物。当特定范围分组中的特定时间延迟复制物与接收到的rf信号高度相关时，这是对在从目标/物体反射之后接收到的发送的rf信号的时间延迟(即，目标/物体的范围)的指示。如本文所讨论的，每个时间片包含在其上执行多普勒处理(例如，快速傅立叶变换)的样本的时间序列中的一个样本。换言之，样本的时间序列包括针对特定接收机(或虚拟接收机/雷达)的特定范围分组的样本。样本的时间序列链越长，多普勒分辨率越高。

发送的射频(rf)信号从环境中的物体反射，并且在雷达接收机(或虚拟接收机/雷达)处被接收回来。来自每个雷达发射机的发送信号由基带信号组成，该基带信号由天线跟随的rf上变频器上变频为rf信号。每个雷达接收机天线处的接收到的信号由rf下变频器下变频为复数基带信号。在接收机中进行下变频之后，基带发送rf信号和反射的rf信号被提供给处理器。作为示例，用于由雷达系统的一个发射机进行传输的基带信号可以由用于一个发射机的重复的随机或伪随机二进制值的序列组成，例如(-1，-1，-1，-1，1，1，1，-1，1，1，-1，-1，1，-1，1)，但是可以使用任何序列，包括非二进制序列和非周期序列，并且可以针对不同的发射机使用不同的序列。

可以通过将基带信号与本地振荡器信号混频来获得射频的发送信号。在接收机(接收管线)处，通过典型的放大、滤波以及与振荡器的同相和正交相位分量的混频来对接收到的rf信号进行下变频。对下变频后的结果复数信号进行采样，并且然后与基带信号的复制物的不同延迟(时移)进行相关，以产生针对二进制序列的每个周期的复数相关值。具有在延迟方面与来自物体的反射的rf信号的时间延迟相匹配的复制物的特定相关器将产生大量级复数相关器输出。如果反射信号具有与基带发送信号的复制物的延迟相匹配的延迟，则单个相关器将产生大的、相关器输出的序列。如果与引起反射的物体相比存在不同的雷达系统速度，则反射的rf信号的频率相对于发送的rf信号将存在多普勒移位。针对一个特定延迟的相关器输出的序列将具有以与多普勒移位相关的速率旋转的复数值。使用相关器输出的序列(也称为扫描)，可以估计多普勒移位，从而可以确定环境中物体的速度。用于估计多普勒频率的相关器输出的序列越长，对多普勒频率的估计的准确度和分辨率越高，并且因此估计物体速度的准确度越高。

可能存在针对使用具有不同延迟的发送信号的复制物的不同相关器的扫描。因为存在多个发射机和多个接收机，所以可能存在这样的相关器：其处理每个接收机处与特定发射机的特定发送rf信号匹配的接收的rf信号。每个发射机/接收机对被称为“虚拟雷达”(雷达系统优选地具有4个虚拟雷达，或更优选地32个虚拟雷达，并且最优选地256个或更多个虚拟雷达)。因此，雷达系统的每个接收机的接收管线将针对每个可能的延迟并且针对每个虚拟接收机/雷达生成相关器输出的序列(时间片)。该数据集合被称为雷达数据立方体(rdc)。延迟也被称为范围分组。针对相关器输出的序列中的一个点的雷达数据立方体的部分被称为时间片，并且其包含针对每个范围分组和虚拟接收机/雷达组合的一个相关器输出。存储雷达数据立方体可能涉及大量存储器，因为雷达数据立方体的大小取决于所要求的虚拟雷达数量(例如，4-64个或更多个虚拟雷达)，所要求的范围分组数量(例如，100-500个或更多个范围分组)，以及所要求的时间片数量(例如，200-3000个或更多个时间片)。

包含在三维雷达数据立方体中的复值数字化样本可以优选地由在公共/相同半导体衬底上建立为cmos处理器和协处理器的处理器来处理，典型地是硅衬底。在一个实施例中，处理器包括固定功能和可编程cpu和/或可编程逻辑控件(plc)。优选地，系统将利用雷达系统架构来建立(包括例如用于雷达的模拟rf电路，用于雷达处理的(多个)处理器，(多个)存储器模块以及雷达系统的其他相关联的部件)，全部在公共/相同的半导体衬底上。该系统可以优选地还在公共/相同的半导体衬底内并入附加的处理能力(例如，对由一个或多个车辆摄像机捕获的图像数据的图像处理，例如通过利用美国专利第5,877,897号；第5,796,094号；第6,396,397号；第6,690,268号和第5,550,677号中描述的系统的方面，这些专利的全部内容由此通过引用并入本文)。

连续波雷达系统区分多个物体/目标的能力取决于雷达系统的范围分辨率、角度分辨率和多普勒分辨率。范围分辨率受雷达带宽(即，相位调制连续波雷达中的码片速率)的限制，而角度分辨率受天线阵列孔径的大小的限制。同时，增加多普勒分辨率仅要求更长的扫描。高多普勒分辨率是非常有价值的，因为无论两个物体或目标彼此多接近，只要这两个物体或目标具有略微不同的径向速度(其朝向或远离雷达系统的速度)，就可以通过具有足够高的多普勒分辨率的雷达系统来区分这两个物体或目标。考虑步行的成年人在步行的儿童旁边，其中成年人以1.5米每秒的速度朝向雷达系统移动，而儿童以1.2米每秒的速度朝向雷达系统移动(忽略雷达系统可以移动多快)。如果雷达系统的多普勒分辨率足够高，则雷达系统将能够区分这两个目标。然而，如果雷达系统仅能够实现达到示例性的0.5米每秒的多普勒分辨率，则雷达系统将无法区分这两个目标。优选地，多普勒分辨率是0.1米每秒(m/s)，并且更优选地小于0.05m/s。

图1示出了被配置用于车辆150的示例性雷达系统100。在本发明的一方面，车辆150可以是汽车、卡车或公共汽车等。如图1所示，雷达系统100可以包括用于多个虚拟雷达的一个或多个发射机和一个或多个接收机104a-104d。其他配置也是可能的。图1示出了接收机/发射机104a-104d，其被放置用于获取和提供用于物体检测和自适应巡航控制的数据。雷达系统100(提供这种物体检测和自适应巡航控制等)可以是用于汽车150的高级驾驶员辅助系统(adas)的一部分。

图2a示出了具有天线202的示例性雷达系统200，天线202经由双工器204在发射机206与接收机208之间分时共享。同样如图2a所示，来自接收机208的输出由控制和处理模块210接收，控制和处理模块210处理来自接收机208的输出以产生用于显示器212的显示数据。如本文所讨论的，控制和处理模块210还可操作以用于产生被提供给其他控制单元的雷达数据输出。控制和处理模块210还可操作以用于控制发射机206。图2b示出了替代示例性雷达系统250，其具有一对天线202a、202b，单独的天线202a用于发射机206并且另一天线202b用于接收机208。虽然脉冲雷达系统可以使用共享或单独的天线，但连续波雷达(本文讨论的)因为其连续操作而使用单独的天线(用于发送和接收)。

本发明的雷达感测系统可以利用以下申请中描述的雷达系统的方面：2016年7月7日提交的美国专利申请第15/204,003号和/或2016年7月7日提交的美国专利申请第15/204,002号，和/或2016年4月7日提交的美国临时申请第62/319,613号、2016年4月25日提交的美国临时申请第62/327,003号、2016年4月25日提交的美国临时申请第62/327,004号、2016年4月25日提交的美国临时申请第62/327,005号、2016年4月25日提交的美国临时申请第62/327,006号、2016年4月25日提交的美国临时申请第62/327,015号、2016年4月25日提交的美国临时申请第62/327,016号、2016年4月25日提交的美国临时申请第62/327,017号、和/或2016年4月25日提交的美国临时申请第62/327,018号，这些申请的全部内容由此通过引用并入本文。

在雷达系统中使用几种类型的射频(rf)信号。一种类型的雷达rf信号被称为频率调制连续波形(fmcw)。在fmcw雷达系统中，雷达系统的发射机发送连续信号，其中rf信号的频率变化。这有时被称为啁啾雷达系统。在接收机处，可以使用匹配滤波器来处理接收到的rf信号。匹配滤波器的输出是所谓的“脉冲压缩”信号，其脉冲持续时间与啁啾信号中使用的带宽成反比。

另一种类型的雷达rf信号被称为相位调制连续波形(pmcw)。对于这种类型的rf信号，发送的rf信号的相位根据特定模式或码(有时称为扩频码，其在雷达接收机处是已知的)而改变(参见图8-10)。相位变化越快，发送的rf信号的带宽就越宽。这有时被称为扩频，因为信号功率分布在宽带宽上。如图8-10中所示，模式可以实现为伪随机二进制码，其中1和0指示正相移或负相移。还如图9和10中所示，相移并不总是影响波形(例如，二进制码序列1，1或0，0不改变第二个1或0的波形的相位)。在本发明的方面，可以存在不同类型的码，其中雷达系统的每个发射机使用单独的码。在其他模式中，每个发射机利用根据hadamard变换调制的单个码进行发送。

在接收机处，使用匹配滤波器，其产生所谓的脉冲压缩信号，其中时间分辨率与发送的rf信号的反向带宽成比例。具有良好自相关值的码在单个发射机、单个接收机、相位调制连续波雷达中很重要。

具有单个发射机和单个接收机的雷达可以确定到目标的距离，但是不能确定目标离雷达传感器或系统的方向或角度。为了获得角度信息，需要多个发射机或多个接收机或两者。发射机和接收机的数量越大，分辨率可能越高。具有多个发射机和多个接收机的系统也称为多输入多输出或mimo系统。利用mimo雷达系统，雷达系统的每个接收机的接收管线可以具有针对发射机码中的每个发射机码的匹配滤波器。如本文所讨论的，虚拟雷达的量由发射机和物理接收机的量定义(发射机的量乘以物理接收机的量等于虚拟雷达的量)。接收机可以称为虚拟接收机。仅具有单个发射机的雷达系统将具有作为物理接收机的虚拟接收机，但是仍然可以称为虚拟接收机。

一种类型的雷达系统连续地发送相同类型的信号。该信号可以是频率调制连续波(fmcw)类型的波形，其跨某种频率范围在频率上扫过连续波(cw)信号。将来自目标的反射波与发送信号的复制物混合(相乘)产生cw信号，该cw信号具有表示雷达发射机/接收机与目标之间的距离的频率。通过扫过频率并且然后降低频率，还可以确定多普勒频率。另一方面，相位调制连续波(pmcw)雷达系统发送rf信号，其中相位被调制(例如，具有两个值0和-π)。对于单个发射机，要求相位值的序列——有时称为扩频码——其具有良好的自相关属性，以使得幻影目标最小化。调制相位的速率决定发送的rf信号的带宽。

示例性雷达系统通过确定在雷达系统的接收管线处回听到发送的rf信号的回声花费多长时间来确定物体的范围或到物体的距离。根据该测量的时间延迟并且知道电磁rf信号以光速行进(或超声信号以声速行进)，可以确定距离。确定时间延迟的典型方法是通过使接收的rf信号与发送的rf信号的多个时间延迟复制物相关(经由使用范围分组，如本文所讨论的)。当对应于特定范围分组的特定时间延迟复制物与接收的rf信号高度相关时(与不与接收的rf信号高度相关的rf信号相比，这导致更大幅值信号)，这作为在从物体反射后被接收的发送的rf信号的时间延迟(或等效范围)的指示。由于环境中可能存在多个物体，所以将存在多个时间延迟，对其而言将存在高相关。虽然虚拟接收机/雷达可以使接收的rf信号与所有可能的延迟相关，但是通常存在虚拟接收机/雷达将与其相关的延迟的有限集合(即，范围分组)。

对应于由复制物信号生成的不同时间延迟的范围是上面提到的范围分组。这种范围也可以称为“范围门”。范围确定的准确度随着发送的rf信号的带宽增加(随着信号的相位变化的速率)并且随着时间延迟复制物的数量增加而增加。使用匹配滤波器的接收机可以针对所有可能的时间延迟(每个范围分组)生成相关值。该匹配滤波器接收机仍将具有取决于发送信号的带宽的范围分辨率。

雷达系统可以通过测量在发送的rf信号与接收的rf信号之间的频移来确定物体的速度。从移动物体反射的rf信号将相对于发送的rf信号具有频移。这称为多普勒效应，并且频移称为多普勒移位。关于通过道路交叉口的火车，可能经历明显的示例性多普勒效应，其中一旦火车经过道路交叉口，声音的频率就会下降。从朝向雷达系统移动的物体反射离开的rf信号将具有比发送的rf信号高的频率，并且移远的物体将具有更低的频率。如果雷达系统也在移动，则雷达系统与物体之间的相对速度将确定频移的量。因此，测量频移将确定环境中的物体的相对速度。发送的rf信号的持续时间将确定多普勒频率的准确度或分辨率。

以不同时间延迟和不同频移修改的发送的rf信号的复制物的相关被称为模糊函数。以不同延迟和不同频移的相关是对环境中的物体的范围和速度的指示。计算模糊函数的虚拟雷达可以估计环境中的物体的范围和速度。

因为在环境中可能存在具有不同范围和不同速度的多个物体，所以可能存在具有不同延迟和不同频移的多个反射。在许多应用中，测量不同范围处的不同物体的频移以确定各个物体的速度是重要的。给定范围内的每个物体将生成应被估计的频移。

可以通过在相关的集合内查看接收管线的相关器输出的相位值序列来测量在特定范围分组处的接收信号的频移。在时间δt上分开的两个连续相关器输出之间的相移δφ将对应于频移δf，其可以被确定为δf＝δφ/δt。发送信号的持续时间越长，在特定范围分组处对物体的频移的确定就越准确。

虽然上面的描述关注单个发射机-接收机对，但是如果存在n个发射机(txn)和n个接收机(rxn)，则将存在txnxrxn个虚拟雷达，每个发射机-接收机对一个虚拟雷达。例如，具有八个发射机和八个接收机的雷达系统将具有64个对或64个虚拟雷达(具有64个虚拟接收机)。如图11所示，当三个发射机(tx1，tx2，tx3)被三个接收机(rx1，rx2，rx3)接收时，接收机中的每个接收机接收来自发射机中的每个发射机的传输。接收机中的每个接收机同时接收所有三个传输的总和。每个接收机可以尝试通过与来自发射机中的一个发射机的信号的延迟复制物相关来确定物体的范围和多普勒。然后可以将物理接收机“划分”成三个单独的虚拟接收机，每个虚拟接收机与发送信号中的一个发送信号的复制物相关。在本发明的优选雷达系统中，存在1-4个发射机和4-8个接收机，或更优选地4-8个发射机和8-16个接收机，并且最优选地16个或更多个发射机和16-64个或更多个接收机。

收集和存储所有信息以确定与每个虚拟接收机相对应的每个物体的范围和速度要求大量的存储器资源。实现足够的多普勒分辨率所需的要求的存储器资源可能会达到数十兆字节至100兆字节或更多。例如，当扫描针对64个虚拟雷达跨100个范围分组累积样本时，针对来自64个虚拟雷达的1000个时间片的单次扫描存储数据所需的存储器的量将超过25兆字节(参见图3)。根据本发明的一方面，在每个时间片中优选地存在100个范围分组，更优选地200个范围分组，并且最优选地500个范围分组。

图4示出了示例性相位调制连续波雷达系统400。如图4所示，雷达系统400包括多个接收机及其相应的天线406以及多个发射机及其相应的天线408。雷达系统400还包括闪速存储器412，并且可选地包括随机存取存储器410。随机存取存储器410(例如，外部dram)可以用于存储(多个)雷达数据立方体，而不是使用有限的内部(片上)存储器(例如，sram)，并且还可以用于存储从更大数量的雷达数据立方体选择的范围分组以用于级联微多普勒处理。雷达系统还包括到汽车网络的各种互连，例如，以太网、can-fd和flexray。

雷达系统具有测量目标的范围和角度(方位角和仰角)以及多普勒速度(范围变化速率)的能力。这些测量中的每个测量的主要指标是分辨率和准确度。分辨率特别重要，因为它允许雷达系统区分(分辨)在范围、角度或多普勒速度上紧密间隔的目标。范围分辨率受到雷达带宽的限制——pmcw雷达中的码片速率。角度分辨率受天线阵列孔径大小的限制。由于雷达的物理限制，两个相邻目标在范围或角度上无法分辨是很常见的。另一方面，增加的多普勒分辨率仅要求更长的扫描。无论两个目标彼此有多靠近，只要这两个目标具有稍微不同的径向速度，就可以通过具有足够高的多普勒分辨率的雷达对其进行区分。两个例子是(1)从沿着道路一侧停放的两辆汽车之间走进公路的行人，以及(2)与卡车并排行驶的摩托车。本发明的雷达系统提供更大的灵敏度(以实现对行人或用于停车的木杆的检测)以及增强的范围、方位角和仰角上的分辨率。雷达系统提供增强的目标辨别，同时提供成本高效设备，其提供可扩展性。

pmcw雷达系统提供全数字调制，其特征变为全数字对模拟。rf更简单且更小，尺寸优于fmcw系统大约10倍。雷达系统为数字处理提供了更多的区域，并且提供了改进的范围分辨率，增强的范围隔离——大目标旁边是非常小的目标)，增强的干扰减轻架构(其可以处理比fmcw多一个数量级的干扰)，以及与干扰雷达的增强的隔离。雷达系统提供真正的mimo处理，其可以实现无与伦比的角度和超高分辨率。pmcw雷达系统还自然地抵抗扰乱。上面描述的pmcw雷达系统当在多输入多输出(mimo)系统中包括多个发射机和多个接收机时，在其中接收机和发射机需要同时接收和发送的雷达系统中是有用的。

图6示出了本发明的另一示例性雷达系统。类似于图4的雷达系统400。图6的雷达系统包括多个发射机天线和接收机天线。图6的雷达系统还包括ram和闪速存储器，以及与汽车的互连。图7示出了用于图6的雷达系统的示例性片上系统架构。

图12示出了用于本发明的雷达系统的示例性接收管线1210和示例性发送管线1202。如图12中所示，码生成器输出用于形成基带信号的码，由传输天线跟随的rf上变频器将该基带信号上变频为rf信号。如图12所示，接收天线处的接收的rf信号由接收管线1210的放大器、滤波器和混频器进行下变频，并转换成复数基带信号。下变频后的结果信号由模数转换器(adc)采样，并且由接收管线1210的相关器以与发送序列的复制物的不同延迟(时移)进行相关，以产生针对二进制序列的每个周期的复数相关值。具有与来自物体的反射的rf信号的时间延迟在延迟上匹配的复制物的特定相关器将产生大量级复数相关器输出。如果反射的rf信号具有与基带发送信号的复制物的延迟匹配的延迟，则单个相关器将产生很大的相关器输出的序列。如果雷达系统的速度与引起反射的物体的速度之间存在差值，则反射的rf信号的频率相对于发送的rf信号将存在多普勒移位。针对一个特定延迟的相关器输出的序列将具有以与多普勒移位相关的速率旋转的复数值。使用相关器输出的序列(也称为扫描)可以估计多普勒移位，从而估计物体在环境中的速度。用于估计多普勒频率的相关器输出的序列越长，对多普勒频率的估计的准确度和分辨率就越大，并且因此物体的速度越大。

可能存在针对不同相关器的扫描，这些相关器使用具有不同延迟的发送的rf信号的复制物。因为存在多个发射机和多个接收机(虚拟雷达)，所以可能存在处理与特定发射机的特定发送信号匹配的在每个接收机处的接收的rf信号的相关器。因此，针对雷达系统的每个接收机的接收管线1210将针对每个可能的延迟并且针对每个虚拟雷达生成相关器输出的序列。该数据集合称为由个体时间片组成的雷达数据立方体(rdc)。

根据本发明的方面，接收管线1210包括相关器块，其中相关器块包括相关器组，其具有针对每个范围分组和每个虚拟雷达组合的相关器。换言之，二维相关器组类似于图5中所示的范围分组的二维阵列。可选地，相关器组可以小于范围分组的阵列。例如，针对每个物理接收机可以存在一个相关器，使得每个相关器针对对应物理接收机的每个虚拟接收机生成输出。可选地，在(多个)接收机天线之后的整个接收管线1210可以在单个集成芯片上实现。可选地，甚至天线也可以在与接收管线1210的其余部分相同的单个集成芯片上实现。根据本发明的另一方面，相关器功能可以在接收管线中实现。可选地，相关器功能可以在处理器中实现。可选地，接收管线的部分可以在处理器中实现。

用于改进的物体/目标探测的脉冲化pmcw雷达：

使用伪随机二进制序列(prbs)码、几乎完美的自相关序列(apas)、格雷码以及许多其他码的相位调制连续波(pmcw)雷达全部具有限制雷达的动态范围的范围旁瓣。对于利用prbs码的pmcw雷达系统，可以示出范围旁瓣比峰值相关小10*log(ts*rc*vr)db，或者10*log(总码片*vr)db，其中vr是虚拟接收机的数量，ts是扫描时间，rc是码片速率，并且乘积表示在相关器中处理的码片数量。对于具有10ms的扫描时间、1ghz码片速率以及16个虚拟雷达(vr)的典型雷达系统，这表示旁瓣电平为10*log(160e6)或82db。许多用于汽车雷达的应用要求在最大目标到最小目标之间有90-105db的动态范围。作为示例，考虑汽车，例如10米范围处的卡车具有40dbsmrcs并且250米范围处的摩托车具有0dbsmrcs。假设空闲空间路径损失(在每个方向上)情况下，来自这些物体的信号强度的差值导致卡车具有比摩托车强(例如，40*log(250/10)+(40-0)＝95db)的信号。这暗指由于10米处的卡车的旁瓣将使得难以检测到250米处的摩托车。另一考虑是典型地检测到的最大目标经常是来自保险杠或天线耦合的自干扰。如果不恰当地处理，这可能会添加另外60db的动态范围要求。

可以使用示例性方法来抵消信号或减少目标的旁瓣，但是所有这些都依赖于对以下的准确测量：具有子范围分组准确度的到目标的距离，在不到1度内的目标的相位，以及目标的幅值。不幸的是，所有这些值都与目标的snr有关，并且在没有对这三个参数进行高度准确的测量的情况下，可能无法恰当地抵消。此外，必须准确地知道或确定信道的传递函数，以移除信号或直接移除旁瓣。信道传递函数随着传感设备的温度(以及其他因素)而变化，使得难以估计要取消“什么”和“多少”来移除来自近物体的信号。除了信道传递函数之外，还需要考虑非线性。这些包括二次谐波和三次谐波、发送的rf信号或接收到的rf信号的相位牵引、混频器问题、频谱发射掩码信号减少，以及可以降低20至30dbc的、模拟块中常见的其他非线性杂项。这些项中的一些要求在显著更高的频率下进行采样，以便可以对其进行分辨。

本发明的示例性实施例提供了用于在存在近物体和远目标时在雷达系统中实现更好性能的方法和系统。通过根据时间改变传输功率，在存在近目标的情况下针对远目标实现更好的可检测性。

在本发明的方面，示例性发射机发送具有可变传输功率或可变占空比的射频(rf)信号。可变功率使得从近目标反射的rf信号将具有比在给定时间从更远的目标反射的rf信号低的发送功率。也就是说，最初发送大幅值rf信号。然后，发送功率根据时间而降低。到大幅值rf信号从更远的目标反射离开并被接收时，从近目标接收的反射的rf信号的信号强度已经降低，因为引起来自近目标的反射的发送功率也已经降低。因此，相对于针对恒定功率发射机将存在的干扰量，近目标产生的干扰量减少。可以通过实际改变发送的rf信号的幅值或通过改变发送的rf信号的占空比来适配反射的rf信号的信号强度。发送功率电平将以某个高电平开始，并且然后随着时间降低，直到发送功率电平达到某个最小值，此时该过程将重复。作为示例，具有与18轮车的后部相对应的横截面积(rcs)的目标或物体是大约6.6平方米(或8.2dbsm)。在25米的距离处，这将产生与6.58/(25)^4)成比例的信号电平，其对应于到第四功率损耗模型的距离(在每个方向上空闲空间路径低)。在单个接收机情况下在具有500mhz的带宽10ms的持续时间内(其产生5000000个码片)的相关将产生比峰值相关仅低约33db(10*1/2*log10(5000000))的旁瓣。这对于prbs码序列是真实的，因为对于随机序列，旁瓣比峰值低序列长度的平方根。因此，1/2的因子在对数之外。另一方面，具有小得多的雷达横截面(例如，1dbsm或0dbsm)并且距离更远(例如，300m)的目标将产生与1/(2*300)⁴成比例的峰值相关，它比从更近的目标接收的rf信号的旁瓣低42db。因此，在存在更靠近的目标的情况下，不能检测到更远的目标。

例如，考虑试图在25米的范围处存在强目标(rcs为40dbsm)并且具有10ms扫描(码片速率500mcps)的情况下检测300米的范围外的摩托车(rcs为0dbsm)的雷达系统。离开摩托车的反射的rf信号将比离开强目标的反射的rf信号小约83db。由于强目标而导致的旁瓣仅比峰值信号电平低33db，并且比摩托车的反射的rf信号的峰值信号强约50db。因此，强目标将高效地隐藏300米范围处的任何小目标信号。具有大于16dbsm的rcs的目标将以50％的概率可被检测，但是这将高效地将雷达系统的有效范围减小到针对最小目标的范围或120米的范围的约40％。为了缓解这种情况，图18中示出了针对4.0μs的示例性50％占空比脉冲(发射机开启2.0μs，并且关闭2.0μs)。在本发明的方面，接收机可以在完整周期期间对下变频的信号进行采样。从时间t＝0.167μs到t(25米*2＝50米->167ns)2.167μs，反射的rf信号包含来自近目标/物体的大幅值目标信号。从t＝2.167到t＝-4.0μs，接收信号包含来自近目标的反射的rf信号，其幅值不足以干扰更远的目标。通电目标只是占空比的一部分，并且因此将系统的链路预算减少10*log(1.833/4.000)或-3.4db。这将使雷达的有效范围降低到范围的82％或～246米。这是显著更好的折衷。

图13是示出具有范围从0米处的目标到360米处的目标的复制物的延迟的相关器的输出的曲线。生成滤波器输出的假设包括发射机以恒定功率发送连续信号。对于范围从0米处的目标到360米处的目标的延迟，接收机使接收信号与对应于发送信号的前1000个码片(2ms)的发送信号的延迟复制物相关。换言之，图13是匹配前1000个码片(从时间0开始)的匹配滤波器输出端的输出的曲线图。目标一在25米的范围处，而目标二在300米的范围处。这里，相关在10000个码片的集合上，码片速率为500mcps，在20μs内收集。目标一(近目标)的幅值比目标二(更远的目标)高3db。由于近目标的输出在顶部曲线中示出，该曲线已被归一化为具有1000的峰值输出。这里，假设反射信号的相位为0。由于更远的目标的输出(具有相同的归一化)在底部曲线中示出。实际输出将是两者的总和。这些曲线不是以相同的尺度绘制的。由于更远目标的输出在对于更近目标而言合理的尺度中是不可见的。给定近目标的强度，更远目标的峰值幅值将是不可检测的。近目标的旁瓣具有约33的均方根值(在归一化尺度上)，而远目标的峰值大约为7(在归一化尺度上)。因此，远目标的峰值远低于近目标的旁瓣。图14是示出由于两个信号的总和的相关器输出的曲线图。这是实际观察到的。这里，由于近目标的旁瓣的强度，更远目标是不可检测的。

为了减轻来自近目标的旁瓣的影响，可以改变发送信号的功率电平。在本发明的方面，可以改变发送的rf信号的功率电平，使得发送功率在选定的时间段内随时间减小并且然后重复。例如，如图18和图19所示，可以在两个电平之间调整发送功率电平。在2μs的第一时间段期间，发射机开启(并且处于全功率)，然后在2μs的第二时间段期间，发射机关闭。距离为25米(从雷达发射机到目标并返回雷达接收机的总距离为50米)处的目标花费0.167μs。因此，接收机将从时间t＝0.167μs到时间t＝2.167μs接收该强反射的rf信号。另一方面，300m处的目标将具有2.0μs的往返时间。从时间t＝2.0μs到时间t＝4.0μs(第二时间段)接收在2.0μs之后接收的反射的rf信号。在该第二持续时间的前0.167μs期间，可以忽略接收信号。因此，从时间t＝2.167μs到时间t＝4μs，不会存在来自接近目标的干扰。然而，这种方法存在缺点。发射机只有一半的时间开启。此外，接收机仅监听(对于更远的目标)在某种程度上减少的时间量(不是从2-4μs监听，接收机从2.167-4.0μs监听)。因此，这两个因素导致信号电平降低约3.4db。然而，来自附近目标的干扰已被完全隔离并移除。

图19示出了示例性传输和接收机处理时间线。如图19所示，(多个)发射机可以在t＝0到t＝2.0μs的第一时间段内开启，并且然后在t＝2.0到4.0μs的第二时间段内关闭。在第二时间段期间，也可以关闭数字接收机以进一步降低数字噪声耦合。如果需要关闭数字接收机以实现期望的噪声水平，则可以将模拟信号保存在缓冲器中以便进行稍后的数字处理。虽然稍后的数字处理将进一步使雷达系统变慢并进一步降低性能，但在某些情形下这是一种选项。

同样如图19所示，接收机处理可以包括在第一时间段期间进行的覆盖0-120米的范围分组的“大”信号处理，并且然后在2.187μs处，可以进行覆盖26-300米的范围分组的“小”信号处理。大信号处理包括处理来自近目标的反射信号，而小信号处理包括处理来自更远目标的反射信号。图19示出了在第一时间段期间的反射的rf信号将包括来自保险杠、天线和内部码片溢出的干扰，其中最后的自干扰目标也在第一时间段期间返回。图19还示出了在第二时间段期间返回的最远目标将是300米。范围分组累积也在图20中示出，其中示出了在第一时间段期间和第二时间段期间的范围分组累积对于26-120米的范围分组重叠。

图15是示出目标在25米处和目标在300米处的情况下具有上面描述的不连续传输的相关器输出(即，发射机在一段时间内开启并且然后在一段时间内关闭的占空比)。顶部曲线是针对从仅第一个目标接收的信号的相关器输出，而底部曲线示出了针对仅远目标的相关器输出。由于近目标导致的输出消失，因为发送的rf信号已经终止。然而，远目标仍将导致针对更长的延迟(范围分组)的相关器输出。因为近目标在2μs之后仍然导致输出，所以由于第一目标仍然存在相对大的输出。图16是示出由于这两个目标的总和而导致的输出的曲线图。由于第二目标，第一目标仍然主导峰值相关器输出，因为远目标在2μs将开始到达，而近目标直到2.167μs才完成到达。如果接收机忽略输出直到2.167μs，则来自近目标的信号将消失，并且接收信号将仅来自远目标。图17示出了当接收机仅在2.167μs之后处理信号时相关器的输出。

上面描述的打开发射机电源并且然后关闭的过程是能够在存在近目标的情况下检测更远的目标的一种可能方式。然而，还有其他方法可以做到这一点。一种替代方案是根据时间连续降低传输功率电平，使得当来自更远目标的反射的rf信号到达雷达接收机时，来自近目标的反射的rf信号具有显着减小的幅值。这在图21和图22中示出。这可以通过根据时间减小发送的rf信号的幅值来完成，使得到远目标的反射到达雷达接收机时，来自附近目标的反射的rf信号实际上比来自更远目标的反射的rf信号弱得多。在本发明的方面，并且如图21所示，发送的rf信号可以根据等式1/r^α进行功率整形，其中α在2.0和4.0之间，使得发送信号功率电平随着时间从t＝0处的峰值减小直到t＝2.0μs。

图21和图22还示出了当返回的rf信号根据1/r⁴随时间衰弱时(由于功率整形后的发送的rf信号)，对于各种距离处的物体接收恒定信号强度，使得其具有恒定rcs。换言之，由于传输功率不断降低，近目标的rcs将随着具有类似rcs的更远距离目标反射回来并最终接收到的时间而变小。因此，当接收到来自远目标的信号时，来自近目标的信号将具有相同的信号强度，因为从发送来自远目标的信号到发送来自近目标的信号的时间，发送信号的功率已经降低。

另一种用于相对于更远目标降低来自近目标的反射的rf信号的功率电平的方法是在一段时间内关闭发射机，其中该段时间是时间的递增函数。例如，对于前0.1μs，发射机始终通电，然后对于第二个0.1μs，发射机在90％的时间内通电。发射机通电的该段时间继续减小，使得到来自更远目标的反射信号到达时，来自附近目标的反射信号具有非常小的占空因数，并且因此产生相对小的干扰。这称为脉冲化。

将发送的rf信号脉冲化以动态地降低发送功率电平的替代方案是以以下方式切换传输频率：允许反射离开更远物体的rf信号被接收，即使附近目标也反射发送信号。以这种方式，发射机始终在发送，但以不同频率。例如，雷达系统可以在频率f1上发送2μs，并且然后在切换到不同的频率f2之后，继续发送另外2μs。试图检测在300米距离处的物体/目标的接收机将在从2.167μs直到4μs的第二时间间隔期间监听频率f1。以这种方式，从时间t＝2.167μs直到t＝4.0μs，从离开近目标的反射接收的rf信号将处于与反射离开远目标的rf信号不同的频率。该方法具有始终发送(在某种频率上)的优点，但缺点是需要能够以两个不同的频率发送并以两个不同的频率接收。在该示例中，带宽将被分成至少两个部分。

利用脉冲化pmcw雷达的接收机功能：

在本发明的方面，图23所示的雷达接收机2300包括rf前端2302、模数转换器(adc)2304、数字信号处理器(dsp)2306和存储器2308。示例性rf信号由雷达发射机从时间t＝0到t＝1.832μs发送，并且码片速率为每秒5亿个码片。每个码片的持续时间为2ns。1.832μs的传输持续时间对应于发送916个码片。来自25米距离处的物体的反射的延迟为0.166μs(发送的rf信号从雷达的发射机行进，反射离开物体/目标并且由雷达的接收机接收所要求的时间)。这意味着对于25米远的物体，存在大约83个码片往返。而对于150米远的物体，存在500个码片往返，并且对于300米远的物体，存在1000个码片往返。这意味着在接收到300米的反射的rf信号之前，发射机将关闭168ns。另外，来自25米远的物体的反射的rf信号到接收到来自300米处的物体的反射的rf信号时已经完全接收。因此，在2μs开启并且在3.832μs关闭的接收机能够处理来自300米处的物体的所有码片。然而，150米远的物体将导致在接收机处从1μs开始接收反射的rf信号。由于接收机在2μs开启，因此接收机仅接收来自150米处的物体的反射的rf信号的416个码片。因此，与更近物体相关联的处理增益将小于更远物体。当然，更远距离处的物体将导致反射的rf信号以更少的功率被接收，并且需要更多的处理增益。

图24示出了针对该场景的时序图。针对25米(ttr1)、150米(ttr2)和300米(ttr3)处的目标提供了时间轨迹。如图24中所示，在1.0μs接收到来自150米处的目标的反射的rf信号(ttr2)，而在2.0μs接收到来自300米处的目标的反射的rf信号(ttr3)。还如图24中所示，rf信号在时间t＝1.832μs处终止，其中在2.5μs接收到来自25米处的目标的最后的反射的rf信号(ttr4)。图24还示出了在时间1μs与2.832μs之间接收到来自150米处的目标的第二反射的rf信号(ttr5)，而在时间2μs与3.832μs之间接收到来自300米处的目标的第三反射的rf信号(ttr6)。

在本发明的方面，接收机2300可以包括图23中所示的数字处理器2306。示例性数字处理器2306确定接收到的rf信号(“x”)与所要求的扩频码(“α”)的相关，并且如图25所示，可以用若干fft运算、ifft运算和混频器来实现。当接收机2300开启时，adc2304的输出用作fft的输入。如图25和图26所示，来自adc2304的输出可以填充(附加)有相等数量的零(例如，916)。同时，还如图25和图26所示，已经生成916个码片的码生成器可以是零填充(前附)的。

参见图25和图26，示出了示例性fft输入，其中adc输出被填充(附加)并且码生成器输出是零填充(前附)的。对这两个零填充信号中的每个进行fft。然后将复共轭应用于fft的输出，其从码生成器接收码片(“α”)。然后将结果与接收到接收信号(“x”)的fft的输出混合。然后进行逆fft(ifft)。结果是在25米与300米之间的范围分组处的所有相关。然后将该输出存储在存储器2308中。

在本发明的方面，示例性目标位于25米、150米和300米处。在雷达的发射机与接收机之间存在假设的传播损耗，其与到第四功率的距离成比例。这对应于与距离平方成比例的在每个方向上(雷达发射机到目标以及目标到雷达接收机)的功率损耗(例如，空闲空间路径损耗)。在这种情况下，当与25米处的目标相比时，对于300米处的目标而言，传播损耗大43.2db。当与150米处的目标的传播损耗相比时，对于300米处的目标而言，传播损耗大12.0db。因此，即使接收机在时间t＝2.0μs之前忽略所有接收信号，这将忽略来自25米处的物体的反射，也将会有来自150米处的目标的反射的信号，其比来自300米处的物体的反射信号大12.0db(对于相同的rcs)。

取决于环境，示例性雷达接收机可以在缩短的时间窗期间接收反射的rf信号，从而减少接收机处理接收到的rf信号的时间窗口。结果是，来自与感兴趣的目标(例如，300米处的目标)相比更靠近收发器(接收机/发射机)的目标的反射的rf信号在其对针对300米处的范围分组执行的相关的影响方面会降低。虽然这移除了比来自300米处的物体的反射的rf信号大得多的干扰，但它也移除了期望的rf信号中的一些。对于某些接收机窗口，300米处的目标变得可检测。这取决于目标的雷达横截面(rcs)及其相对距离。

例如，考虑150米处的示例性目标和300米处的另一示例性目标，其具有10db的较小rcs。来自300米处的目标的接收到的rf信号比在150米处的目标小53.2db。因此，对应于150米处的目标的相关值的旁瓣大于对应于300米处的目标的相关值的主峰值。图27示出了当在时间t＝2.0μs开始并且持续到t＝3.832μs评估接收到的rf信号时的相关值的量级。然后关闭接收机，忽略反射信号，直到t＝2.0μs。图27中没有对300米处的目标的指示，因为从150米处的目标反射的rf信号主导从300米处的目标反射的rf信号。

图28示出了当雷达接收机从时间t＝2.5μs到t＝3.832μs评估接收到的rf信号时的归一化相关值。接收机忽略接收到的rf信号，直到t＝2.5μs。在图28中，雷达接收机忽略来自150米处的目标的强得多的反射的rf信号的大部分。接收机还忽略来自300米处的目标的反射的rf信号中的一些。然而，由于从150米处的目标反射的rf信号比从300米处的目标反射的rf信号强得多，因此识别300米处的目标总体上有所改进。图29示出了当接收机忽略接收的rf信号直到t＝2.832μs时的归一化相关输出值，这意味着忽略从150米处的目标反射的整个rf信号。现在300米处的目标清晰可见。

可以在不脱离本发明的原理的情况下进行具体描述的实施例中的改变和修改，本发明旨在仅受所附权利要求的范围限制，如根据包括等同原则在内的专利法的原理所解释的。