栅瓣检测的基于数字波束形成的分辨的制作方法
【专利摘要】本公开涉及一种栅瓣检测的基于数字波束形成的分辨。一种天线系统(诸如，雷达天线系统)包括天线阵元的阵列和控制器。所述控制器响应于针对目标的到达角小于针对到所述目标的给定距离的阈值角而输出路径中指示符。所述到达角是基于从定义来自所述目标的第一复合信号返回和第二复合信号返回的数据推导得到的微分相位角以及第一孔径和第二孔径之间的相位中心偏移的，其中，第一复合信号返回和第二复合信号返回分别与第一孔径和第二孔径关联。所述第一孔径和所述第二孔径分别由天线阵元的第一子集和第二子集形成。
【专利说明】
栅瓣检测的基于数字波束形成的分辨
技术领域
[0001] 本公开涉及阵列天线雷达。
【背景技术】
[0002] 波束形成是对来自一组非定向天线的无线电信号进行组合以模拟定向天线。虽然 模拟的天线不可以以物理方式移动，但是所述天线可以以电子方式被调整指向。在通信中， 波束形成被用于在信号源处调整天线的指向，以减少干扰并提高通信质量。在测向应用中， 波束形成可被用于引导天线以确定信号源的方向。
【发明内容】
[0003] -种分辨栅瓣的检测的方法包括:通过控制器，对来自多个天线阵元中的每个天 线阵元的指示来自目标的信号返回的输出进行采样，对来自所述多个天线阵元的被选择以 形成第一孔径的第一子集的输出进行组合，以针对所述第一孔径定义来自所述目标的第一 复合信号返回，对来自所述多个天线阵元的被选择以形成第二孔径的第二子集的输出进行 组合，以针对所述第二孔径定义来自所述目标的第二复合信号返回。所述方法还包括:通过 控制器，对定义所述第一复合信号返回和所述第二复合信号返回的输出进行处理，以识别 所述第一复合信号返回与所述第二复合信号返回之间的微分相位角，基于所述微分相位角 和所述多个孔径之间的相位中心偏移来定义所述目标的到达角，响应于所述到达角小于针 对到所述目标的给定距离的阈值角，输出路径中（in-path)指示符。
[0004] -种天线系统包括天线阵元的阵列和控制器。所述控制器响应于针对目标的到达 角小于针对到所述目标的给定距离的阈值角而输出路径中指示符。所述到达角是基于从定 义来自所述目标的第一复合信号返回和第二复合信号返回的数据推导得到的微分相位角 以及第一孔径和第二孔径之间的相位中心偏移的，其中，第一复合信号返回和第二复合信 号返回分别与第一孔径和第二孔径关联。所述第一孔径和所述第二孔径分别由天线阵元的 第一子集和第二子集形成。
[0005] 根据本发明的一个实施例，所述控制器还被配置为：响应于所述到达角大于所述 阈值角，输出路径外(〇ut-〇f-path)指示符。
[0006] 根据本发明的一个实施例，所述多个孔径由相同数量的天线阵元形成。
[0007] 根据本发明的一个实施例，所述多个孔径由不同数量的天线阵元形成。
[0008] 根据本发明的一个实施例，形成第一孔径的天线阵元是彼此相邻的，并且形成第 二孔径的天线阵元是彼此相邻的。
[0009] 根据本发明的一个实施例，所述微分相位角与相对于孔径的视轴的到所述目标的 角方向成比例。
[0010] 根据本发明的一个实施例，所述控制器还被配置为:执行所述数据的相位单脉冲 处理，以推导所述微分相位角。
[0011] -种车辆包括天线阵元的阵列和控制器。所述控制器基于对定义分别来自第一孔 径和第二孔径的第一复合信号返回和第二复合信号返回的输出的相位单脉冲处理而选择 性地输出路径中指示符，其中，所述第一孔径和所述第二孔径分别由天线阵元的不同的子 集形成。第一复合信号返回和第二复合信号返回均指示主瓣或栅瓣。
[0012] 根据本发明的一个实施例，所述子集使得所述多个孔径具有在孔径之间的相位中 心偏移。
[0013] 根据本发明的一个实施例，所述多个孔径由相同数量的天线阵元形成。
[0014] 根据本发明的一个实施例，所述多个孔径由不同数量的天线阵元形成。
[0015] 根据本发明的一个实施例，形成第一孔径的天线阵元是彼此相邻的，并且形成第 二孔径的天线阵元是彼此相邻的。
【附图说明】
[0016] 图1是包括用于数字波束形成的子阵列的阵列的车辆的示意图。
[0017] 图2是具有A/2间距和30dB的切比雪夫加权的四元阵列的增益相对于角度的波束 方向图。
[0018] 图3是具有3V2间距和30dB切比雪夫加权的十二元阵列的增益相对于角度的波束 方向图。
[0019] 图4是单脉冲的几何结构的示意图。
[0020] 图5是典型的用于线性FM调制的零差车载雷达架构以及关联的信号相位等式的示 意图。
[0021] 图6是具有3V2间距和30dB切比雪夫加权的十一元阵列的增益相对于角度的波束 方向图。
[0022] 图7是用于分辨复合信号返回指示主瓣还是栅瓣的算法的流程图。
【具体实施方式】
[0023] 在此描述本公开的实施例。然而，应当理解的是，所公开的实施例仅仅是示例，并 且其它实施例可采取多种替代形式。附图无需按比例绘制；可夸大或最小化一些特征以示 出特定组件的细节。因此，此处所公开的具体结构和功能细节不应被解释为限制，而仅仅作 为教导本领域技术人员以多种形式利用本发明的代表性基础。
[0024] 阵列天线一般被用于雷达系统，尤其是车载雷达系统(这些系统通常采用具有数 字波束形成(DBF)的脉冲多普勒处理）。很多当前的系统和遗留的系统使用这种类型的天线 以便利用这种类型的天线的剖面小且辐射高效的优点。另外，在利用来自单独的阵元或多 个阵元组(也称作子阵列）的多个接收信道方面，可应用DBF技术，以通过对相同的数据集施 加不同的复权重来同时形成多个方向上的波束。
[0025] 在形成阵列的过程中，为了避免被称为栅瓣的元素，阵元之间必须间隔小于感兴 趣的最高频率的二分之一波长。这些瓣基本上是呈现为以与欠采样因子成比例的角度的主 波束的复制。本质上，当阵列在空间上欠采样时，栅瓣会出现。
[0026] 针对未将阵元间隔小于二分之一的波长，存在多种原因。一种原因是为了让阵元 成为有效的辐射体，在一定程度上间距应该是至少四分之一波长。可以证明将这样的辐射 阵元间隔二分之一波长是困难的，并且还会导致相邻的阵元之间的不期望的耦合，对整体 波束方向图产生不利的影响。此外，如果将要采用DBF技术的话，则存在对于接收机中可支 持的信道的数量的限制，这进而限制了阵列的整体尺寸，并且因此限制可实现的波束宽度 和增益。另外，作为阵元的子群的所谓的子阵列被采用，并且即使实际的阵元到阵元的间距 小于二分之一的波长，这些子阵列也可能不容易重叠，其中，所述子阵列将有效阵元间距再 次设置为大于二分之一的波长。因此，在很多情况下，有效的阵元间距大于二分之一的波 长，为了将栅瓣置于感兴趣的视场(FOV)之外而尽力对间距进行选择，所述感兴趣的视场在 很多情况下是必须小于180度的。
[0027] 不幸的是，就是因为栅瓣不在感兴趣的F0V之内，才造成不会使它们免于拾取来自 F0V以外的对象的返回。由栅瓣(或者针对所述问题，可以是任何旁瓣)拾取的对象将与在天 线波束的主瓣中拾取的对象难以区分，并且因此可能错误地表现为感兴趣的对象。
[0028] 经常在车载雷达系统中采用的一种抑制栅瓣的手段涉及使用单独的发射天线和 接收天线。在这种技术中，发射天线波束通常被设计为照射感兴趣的视场，而在接收天线上 采用DBF以形成覆盖感兴趣的F0V的多个方向上的窄且较高增益的波束。发射波束还被设计 为使得其波束图中的零点与接收波束中的栅瓣的位置相对应。这是相当有效的，但是具有 大的雷达截面的对象仍然可被栅瓣检测到，并且需要进一步的抑制。
[0029]作为DBF处理的一部分应用的幅度加权可帮助减小栅瓣的幅度，但是必须小心一 些复权重会加剧栅瓣。此外，该技术与上述发射波束置零技术相结合可以是有效的。不幸的 是，一些大的雷达截面(RCS)目标仍然可以在栅瓣中被检测到，并且需要进一步抑制的技 术。
[0030]子阵列通常被用于给出有助于控制栅瓣的有效阵元方向图。虽然子阵列的间距会 导致更严重的栅瓣，但是子阵列的阵列的有效的阵元方向图可非常有效地控制栅瓣。
[0031]在此提出的特定的抑制栅瓣（或者通常称为旁瓣)检测的技术利用DBF技术的优 点。由于多信道接收数据对处理器可用，所以可应用不同的加权。因此在N个阵元（或子阵 列）的阵列中，可对阵元应用加权，使得阵元中的一个从所述阵列被有效地移除，从而由一 个阵元或(子阵列）形成更小的阵列。这将由于更小的阵列尺寸而具有稍宽的波束宽度，但 是由于阵元(或子阵列）间距是相同的，所以栅瓣将在相同的角位置处出现。因此，在原始的 全阵列天线栅瓣中的目标也将位于合成的更小的阵列波束方向图的栅瓣中。
[0032] 现在，如果更小的阵列(子孔径)利用阵元(或子阵列）1至阵元(或子阵列)N-1被合 成，并且大小与第一子孔径N-1个阵元的阵列的大小相同的另一子孔径使用阵元(或子阵 列）2至阵元(或子阵列)N被形成，则所述两个阵列将具有在相同角位置的栅瓣。因此，来自 于一个子孔径的栅瓣的目标检测也将在另一子孔径的栅瓣中被检测到。检测到的偏离感兴 趣的方向的中心(位于主波束指向角）的栅瓣目标将具有相位差，所述相位差与所述两个子 孔径的相位中心的偏移以及偏离感兴趣的方向的角度成比例。实际上，两个单脉冲接收阵 列经由DBF被合成，并且通过应用单脉冲技术，可从在感兴趣的方向上的考虑中消除来自栅 瓣的检测，从而消除错误的对策激活。
[0033] 就处理而言，这种技术可能是相对低成本的，这是因为它只在对路径中的威胁进 行检测的情况下被选择性地应用。此外，所述处理将仅需要应用于检测在路径中的对象正 在被指示的距离/多普勒通道(Doppler bin)内的数据。另外，用于合成的更小的阵列的权 重可以是预定的，使得简单的查找表可被采用用于高效的计算。
[0034] 作为对这种方法的扩展，利用N个阵元形成的原始波束可连同上述采用N-1个阵元 的两个子孔径一起被包括，以建立感兴趣的目标的相位移动(phase progression)。超过阈 值的该相位移动的斜率将指示目标实际不在雷达(车辆)的路径中。
[0035] 如果目标的幅度使得其在使用N-1个阵元的子孔径中被少量地检测到，则只要所 述目标的幅度在所述N-1个阵元的子孔径中的至少一个中被检测到，就可以仍然利用原始 的全孔径波束(全部N个阵元)连同由N-1个阵元形成的子孔径中的一个来执行路径中或路 径外的单脉冲确定。（如果所述目标在路径中，则与所述目标关联的相位角在所形成的所有 波束中应该是大部分相等的。从一个波束到下一个波束的相位角的差将指示所述目标实际 上在路径外，并且可被忽视。）
[0036] 另外，如果目标的幅度是足够大的，则仅仅没有在子孔径中的相同距离/多普勒通 道中检测到目标将足以使所述目标作为路径中的目标而被排除，这是因为具有足够幅度的 目标必定应该在子阵列的主波束中被检测到。足够的幅度将使得在原始波束和子孔径之间 的增益差超过原始波束的检测阈值。
[0037] 作为实施方式的示例，我们将考虑包括车载雷达系统112的机动车辆110。车载雷 达系统112包括与形成阵列的天线阵元116通信的控制器布置114,并且利用大量发射波束 (照射整个预期的F0V的波束）。在该示例中，所述阵列是采用DBF的均匀线性阵列(ULA)接收 天线。接收阵列具有固定的仰角波束(elevation beam)，并且通过DBF形成的多个波束通过 在方位角方向（因此，波束控制受限于方位角方向）上的多个接收信道来实现。这种情况下 的阵列将具有二分之一波长的方位角阵元间距，但是阵元116将被组合成具有4阵元的子阵 列，其中，每个子阵列与相邻的子阵列共享一个阵元(子阵列之间有一个阵元重叠），导致子 阵列具有3/2波长的相位中心间距（当然，子阵列可具有任意期望的数量(诸如，1、2、5等）的 阵元，并且可以共享任意期望的数量的阵元）。在此，阵列将包含12个子阵列（编号为1至 12)。方位角方向是左/右横跨页面，而仰角方向是进入/超出页面。产生的天线方向图将是 从阵列朝向页面的顶部的。
[0038] 应该注意的是，子阵列形成为馈源结构（feed structure)，并且应用由硬件确定 的幅度加权，以便帮助控制在产生的子阵列方向图中的旁瓣水平（这会帮助控制栅瓣水 平）。在这种情况下的加权是具有30dB的相对旁瓣衰减的切比雪夫窗，并且产生的子阵列方 向图在图2中被示出。
[0039] 现在，由利用DBF合成的12个子阵列（或阵元)形成的笔直（straight ahead)的（0 度)波束和具有30dB的旁瓣衰减的切比雪夫加权在图3中被示出。注意栅瓣位于+/-32.5度 处。
[0040] 在单脉冲天线中，总体思路是利用具有物理偏移的相位中心的两个基本相同的孔 径来估计到目标的角度。这在图4中被描绘。
[0041] 如果考虑如图所示的在角度0处的目标，则从一个孔径相位中心到所述目标的距 离将与从另一孔径相位中心到所述目标的距离相差一定量，所述量是孔径相位中心的间距 (D)的函数。假设总体目标距离相对于孔径相位中心间距(D)是非常大的，因此到目标的距 离差可以由下式进行估计：
[0042] Ar = D sinQ
[0043] 注意，当0 = 〇时，Ar = 〇。
[0044] 还要注意的是，为了保持总体具有合理大小的物理孔径，以及为了避免针对相对 大的感兴趣角度的相位模糊，距离差相比于距离分辨单元是小的。因此，该距离差不可由雷 达直接测量。而是，距离差暗含了与距离差成正比的来自两个孔径的返回信号的相位差。
[0045] 图5示出了对车载雷达系统510来说非常常见的零差架构，以及针对线性啁嗽调制 的来自具有相对速度v、在距离R处的目标的信号的基带相位。在该示例中，车载雷达系统 510包括天线512和514、耦合器516、压控振荡器518、功率分配器520和522、移相器524、混频 器526和528以及低通滤波器530和532。压控振荡器518和天线512被布置为使得天线发射线 性调频信号（chirp signal)。设置在压控振荡器518和天线512之间的耦合器516将信号引 导至功率分配器520。功率分配器520的输出被引导至移相器524和混频器526。移相器524的 输出被引导至混频器528。天线514将接收到的线性调频信号引导至功率分配器522。功率分 配器522的输出被引导至混频器526、528。混频器526、528的输出分别被引导至低通滤波器 530、532。因此，针对在距离R处的目标的返回信号的相位为：
[0047]并且，针对在距离R+A r处的（具有相同的相对速度的）同一目标的返回信号相位 为：
[0049]这两个返回信号之间的相位差为：
[0052] 用Dsin9替代Ar得到：
[0054]这个等式直接将到目标的角度与来自两个单脉冲孔径的返回信号之间的相位差 相关联。可通过忽略来自c2项的极其微小的贡献来简化上述等式，从而我们得到：
[0056] 以及
[0058]根据采用DBF的单个孔径，通过应用适当的加权可形成两个有效分离的孔径。在当 前的十二阵元(或子阵列)孔径的示例中，参照图1，用于十一个阵元(或子阵列）的阵列的加 权可被应用到子阵列1至子阵列11，而子阵列12的加权为零。相同的十一个阵元的加权随后 可被应用到子阵列2至子阵列12,而子阵列1的加权为零。在每种情况下形成的波束将指向 相同的方向，并且具有为一个子阵列间距（3A/2)的相位中心偏移。在图6中示出了从具有 30dB切比雪夫加权的^^一阵元形成的位于0度的波束的方向图。应注意的是，与图3中的十 二阵元的加权的波束一样，栅瓣位于+/_32.5度的相对位置处，从而在十二阵元阵列波束的 栅瓣中的目标也将呈现在十一阵元阵列波束的栅瓣中。
[0059] 在其它示例中，加权可被应用，使得孔径由不同数量的子阵列形成，或者使得孔径 由每隔一个的子阵列(例如，子阵列1、3、5、7、9和11)形成。其它情况也是可行的。
[0060] 应该认识到，该技术可被扩展，使得形成的波束之间的间距(D)可被调整。例如，可 利用子阵列1至子阵列10来形成波束，而将子阵列11和子阵列12的加权设为零。然后，子阵 列3至子阵列12可应用相同的波束加权，而将子阵列1和子阵列2的加权设置为零。这将产生 为两个子阵列间距（3A)的孔径间距(D)。另外，也可将相同的波束加权应用于子阵列2至子 阵列11以形成第三孔径。在这种情况下的孔径与孔径的间距将是一个子阵列间距(3A/2)。 然而，会有两个应该具有线性移动（linear progression)的相位差，所述线性移动可证明 对于估计到目标的角度是有用的。
[0061]对DBF阵列的阵元(或子阵列)应用加权函数将不需要特别的额外处理，这是因为 所述加权函数可预先生成并存储在查找表中。此外，加权可被应用于相同的收集的数据集， 因此不需要收集新的数据。最后，在某些情况下，该技术可仅当与目标的潜在碰撞被指示时 被调用，并且可仅被应用于目标被检测到的特定距离和多普勒通道。
[0062]参照图7,雷达天线系统的控制器710可执行操作，以分辨来自目标的信号返回由 主瓣产生还是由栅瓣产生。尽管操作被按顺序描述，但是一些操作可被同时执行、以不同的 顺序执行或者被省略。在操作712,来自多个天线阵元中的每个天线阵元的指示来自目标的 信号返回的输出被采样。在操作714,对来自所述多个天线阵元的被选择以形成第一孔径的 第一子集的输出进行组合，以针对第一孔径定义来自所述目标的第一复合信号返回。在操 作716,对来自所述多个天线阵元的被选择以形成第二孔径的第二子集的输出进行组合，以 针对第二孔径定义来自所述目标的第二复合信号返回。在操作718，对定义第一复合信号返 回和第二复合信号返回的输出进行处理，以识别第一复合信号返回与第二复合信号返回之 间的微分相位角。在操作720,基于所述微分相位角和所述多个孔径之间的相位中心偏移来 定义所述目标的到达角。在操作722，响应于所述到达角小于针对到所述目标的给定距离的 阈值角（例如，针对5米的11°、针对10米的6°等），输出路径中指示符。在操作724，响应于所 述到达角大于针对到所述目标的给定距离的阈值角，输出路径外指示符（阈值角通常可取 决于到所述目标的距离和车辆的预测路径）。
[0063]在此公开的处理、方法或算法可被传送到处理装置、控制器或计算机/通过处理装 置、控制器或计算机实现，所述处理装置、控制器或计算机可包括任何现有的可编程电子控 制单元或者专用的电子控制单元。类似地，所述处理、方法或算法可以以多种形式被存储为 可被控制器或计算机执行的数据和指令，所述多种形式包括但不限于永久地存储在非可写 存储介质(诸如，ROM装置)上的信息以及可变地存储在可写存储介质(诸如，软盘、磁带、CD、 RAM装置以及其它磁介质和光学介质）上的信息。所述处理、方法或算法还可被实现为软件 可执行对象。可选地，所述处理、方法或算法可使用合适的硬件组件（诸如，专用集成电路 (ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)、状态机、控制器或任何其它硬件组件或装置)或者硬件、 软件和固件组件的组合被整体或部分地实现。
[0064]说明书中使用的词语为描述性词语而非限制，并且应理解，可在不脱离本公开的 精神和范围的情况下作出各种改变。如前所述，各个实施例的特征可被组合，以形成可能未 被明确描述或示出的本发明的进一步的实施例。尽管各个实施例可能已被描述为提供优点 或者在一个或多个期望的特性方面优于其它实施例或现有技术的实施方式，但是本领域普 通技术人员应该认识到，一个或多个特征或特性可被折衷，以实现期望的整体系统属性，期 望的整体系统属性取决于具体的应用和实施方式。这些属性可包括但不限于成本、强度、耐 久性、生命周期成本、可销售性、外观、包装、尺寸、维护保养方便性、重量、可制造性、装配容 易性等。因此，被描述为在一个或更多个特性方面不如其它实施例或现有技术的实施方式 的实施例并不在本公开的范围之外，并且可被期望用于特定的应用。
【主权项】
1. 一种分辨栅瓣的检测的方法，包括： 通过控制器执行以下操作： 对来自多个天线阵元中的每个天线阵元的指示来自目标的信号返回的输出进行采样； 对来自所述多个天线阵元的被选择以形成第一孔径的第一子集的输出进行组合，以针 对所述第一孔径定义来自所述目标的第一复合信号返回； 对来自所述多个天线阵元的被选择以形成第二孔径的第二子集的输出进行组合，以针 对所述第二孔径定义来自所述目标的第二复合信号返回； 对定义所述第一复合信号返回和所述第二复合信号返回的输出进行处理，以识别所述 第一复合信号返回与所述第二复合信号返回之间的微分相位角； 基于所述微分相位角和所述多个孔径之间的相位中心偏移来定义所述目标的到达角； 响应于所述到达角小于针对到所述目标的给定距离的阈值角，输出路径中指示符。2. 如权利要求1所述的方法，还包括：响应于所述到达角大于所述阈值角，输出路径外 指示符。3. 如权利要求1所述的方法，其中，所述多个孔径具有相同数量的天线阵元。4. 如权利要求1所述的方法，其中，所述微分相位角与相对于所述多个孔径的视轴的到 所述目标的角方向成比例。
【文档编号】G01S7/28GK105929370SQ201610112158
【公开日】2016年9月7日
【申请日】2016年2月29日
【发明人】詹姆斯·保罗·艾博林
【申请人】福特全球技术公司