集成到单个封装中的混合雷达的制作方法

集成到单个封装中的混合雷达的制作方法
【专利摘要】雷达装置包括具有可转向接收波束的相控阵接收器。接收器元件被分组到子阵列中，其中每个子阵列给混频器提供子阵列信号。混频器信号然后由DBF算法使用，以在接收波束中确定窄虚拟波束。接收波束用于从视野的区域中获得雷达数据，并且这些区域可以与接收波束大约同样宽。其中检查区域的顺序可以通过区域的重要性来确定，区域的重要性与在每个区域中之前所跟踪的目标的存在、属性、和/或行为有关。
【专利说明】集成到单个封装中的混合雷达

【技术领域】
[0001] 本发明涉及雷达装置与方法，尤其涉及用于车辆使用的相控阵雷达。

【背景技术】
[0002] 雷达装置用在车辆上，例如，用于避免碰撞以及其它应用。在传统的数字波束形成 (DBF)雷达中，照射了很宽的视野，并且数字波束形成器用来建立虚拟波束以跟踪视野中的 目标。另一种类型的雷达是相控阵雷达，其形成真实的波束来跟踪目标。


【发明内容】

[0003] 本发明的例子包括利用相控阵雷达来建立真实波束的混合雷达，以及数字波束形 成（DBF)方法来在真实的波束中形成较窄的虚拟波束。
[0004] 相控阵雷达可以几乎完全用硬件实现，使得对比DBF雷达而言，其数字处理需求 非常少。传统的相控阵只需要一个混频器，因此大的阵列可以容易地装配到单个芯片中。但 是，传统的相控阵雷达不具有由数字波束形成器所使用的复杂优化程序的优点。但是，传统 的数字波束形成器传统上具有大的硬件面积并且计算要求限制了可用信道的数量，因此降 低了雷达的性能。
[0005] 在本发明的例子中，相控阵和DBF雷达方法的各方面被组合以通过对方的长处来 扩充，从而消除每种技术的弱点。在一些例子中，雷达电路系统可以包含在单个硅芯片内， 从而最小化复杂性。
[0006] 示例性雷达装置包括发射器（其可以是相控阵发射器）及相控阵接收器。接收器 的每个相控阵元件都包括天线元件、可选的放大级、及移相器。接收天线信号的移相器可以 是电子控制的，以把接收波束转向到所选择的视野区域。接收波束也可以称作真实波束，以 区别于通过DBF处理而合成的虚拟波束。
[0007] 相控阵元件被分组到子阵列中，每个子阵列都包括至少两个相控阵元件。子阵列 给关联的混频器提供子阵列信号，子阵列信号是来自子阵列中的相控阵元件的组合的信 号。该装置包括多个混频器，每个子阵列一个混频器，每个混频器接收来自其关联的子阵列 的子阵列信号。混频器还从本地振荡器接收本地振荡器信号，并且产生提供给数字波束形 成器（DBF)的混频器信号。DBF然后在接收波束中合成（S卩，通过数字处理来确定）虚拟波 束。本地振荡器用于产生本地振荡器信号，并且电互连布置用于把本地振荡器信号传送到 每个混频器。
[0008] 在雷达操作中，天线控制器激励发射器并通过调整移相器来转向接收光束（通过 相控阵接收器接收的）。移相器可以是可集成到硅芯片中的被电子控制的组件。接收波束 是具有角宽度的真实波束，与传统的相控阵天线的波束相比，其可以通过子阵列分组被加 宽。数字波束形成器从混频器信号中确定虚拟波束，虚拟波束比真实波束窄并且位于真实 波束的角宽度内。作为非限制性的例子，真实波束可被再分成N个虚拟波束，其中N可以在 2和4096之间，例如介于4和64之间。因此，DBF在真实的波束中提供了超分辨率，从而帮 助目标识别。
[0009] 数字波束形成器可以通过电子控制电路提供，电子控制电路包括处理器并且接收 混频器信号。电子控制电路然后可以在雷达数据中例如按照范围和多普勒频移来识别目 标。数字波束形成器可以使用由处理器执行的数字波束形成算法。电子控制电路还可以用 于，例如通过激励发射器并通过移相器的电子控制转向相控阵接收器，来控制相控阵天线。 在一些例子中，发射器可以是相控阵发射器，并且被转向到接收波束所起源的视野的类似 部分。
[0010] 操作雷达装置，尤其是车辆雷达的示例性方法包括：通过调整接收天线元件中的 移相器，利用相控阵接收器把接收波束转向到视野区域。利用数字波束形成算法在接收波 束中确定来自该区域的雷达数据以及多个虚拟波束。每个虚拟波束都具有比接收波束窄的 波束宽度。
[0011] 在示例性方法中,视野被分成多个区域，并且这些区域被给予重要性参数。重要性 参数可以反映车辆环境的各种状态，诸如在车辆环境中的目标的存在、范围、相对速度、及 属性。该重要性参数可以利用从之前采集的雷达数据中所获得的目标跟踪数据来确定。
[0012] 接收波束以重要性参数的降序顺序依次转向到每个区域、所采集的数据、以及在 数据上执行的DBF算法，以识别虚拟波束。DBF算法用于在对应于接收波束宽度的区域上而 不是在整个视野上给予超分辨率，从而减少了计算需求。
[0013] 重要性参数可以基于采集的数据来修改，并且对这些区域重复该过程。相控阵接 收天线可以包括相控阵天线元件的子阵列，每个子阵列都具有接收本地振荡器信号和子阵 列信号的关联的混频器，数字波束形成算法利用来自混频器的输出信号来确定多个虚拟波 束。
[0014] 本发明的例子包括用于例如包括汽车雷达装置的陆地车辆使用的车辆使用雷达。

【专利附图】

【附图说明】
[0015] 图1(现有技术）说明了传统DBF (数字波束形成）雷达。
[0016] 图2说明了区域DBF处理的概念。
[0017] 图3进一步说明在相控阵雷达的真实波束中利用DBF技术创建虚拟波束。
[0018] 图4说明了示例性接收到的相控阵，该相控阵元件被分组到每个都具有其自己的 混频器的子阵列中。
[0019] 图5是根据本发明的例子的雷达装置的进一步的示意图。
[0020] 图6是说明在雷达操作中识别最重要区域的流程图。

【具体实施方式】
[0021] 示例性雷达装置包括带有可转向的真实接收波束的相控阵接收器。该相控阵接收 器元件被分组到子阵列中，每个子阵列都给关联的混频器提供组合的子阵列信号。混频器 信号然后由DBF算法使用以确定在接收波束中的窄虚拟波束。
[0022] 接收波束用于从视野的区域中获取雷达数据，并且这些区域可以是与接收波束大 约同样宽。DBF算法用于确定所选区域内的高分辨率虚拟波束。其中检查区域的顺序可以 通过区域的重要性来确定，区域的重要性与之前所跟踪目标的存在、属性及行为有关。接收 波束由相控阵接收器转向到期望的区域，并且数字波束形成器（例如，通过数字信号处理 器提供的）在接收波束中确定相对窄的虚拟波束。
[0023] 图1说明传统的DBF雷达的操作。车辆10装备有DBF雷达，该DBF雷达照射包括 附近车辆14和16的宽视野。三角形16是雷达视野的简化表示。传统的数字波束形成雷 达从雷达的视野中读入所有数据，并且同时计算所有的角度。但是，通过照射全部的视野， 会增加噪音及多重散射的影响，从而降低了雷达的信噪比。
[0024] 图2说明区域DBF处理的概念。车辆10包括产生真实波束18的相控阵雷达。在 这个例子中，真实波束的视野只包括车辆14。
[0025] 硬件移相器或接收天线形成真实波束，使得只覆盖雷达整个视野的一部分。该波 束可以比传统相控阵雷达波束具有更大的半功率波束宽度。但是，该波束宽度明显窄于在 图1中说明的传统DBF雷达的整个视野宽度。
[0026] 可以利用传统的相控阵方法把真实波束转向到全部视野中的预定区域。在这 个例子中，区域是雷达整个视野的切片部分。然后，使用数字波束形成（DBF)优化技术 在区域内形成窄的虚拟波束。优化技术可以是那些已经与传统DBF雷达一起使用的技 术，诸如MUSIC(多信号分类）和ESPRIT (通过旋转不变技术估计信号参数）的波束形成 算法。但是，也可以使用诸如那些利用半定松弛和组合（semi-definite relaxation and combinatorics)的其它算法。
[0027] 图3示出了在车辆10上产生真实波束18的雷达装置，类似于在图2中所示出的， 波束形成算法在真实波束18的宽度内形成较窄的虚拟波束20。DBF算法可用于解决同时 在真实波束视野上的多个虚拟波束。虚拟波束可以明显地比真实波束窄。数据可以同时从 跨真实波束全角范围创建的虚拟波束中获得。
[0028] 真实波束可被转向到雷达视野内的其它区域，并且对于每个区域，相应的虚拟波 束在所转向的波束内形成。以这种方式，可以实现车辆环境的高分辨率雷达覆盖。
[0029] 图4示出了示例雷达装置中的移相器和混频器的配置。图4示出了包括给混频器 42提供子阵列输出的移相器40的第一子阵列。第二子阵列的输出送入到混频器44,并且 任意第N个子阵列的输出送入到混频器46。获得多个混频器输出，并且把它们送入到数字 波束形成算法的输入。
[0030] 在传统的相控阵中，所有移相器的输出被分组到一起并送入到单个混频器。但是， 在图4的配置中，移相器被分组在子阵列中，并且每个子阵列的输出导向个体混频器。每个 子阵列的移相器被分组到一起，但是每个子阵列的输出并没有被分组到一起。在一些例子 中，在每个子阵列中，可以存在2至128之间任意多个移相器，例如在2至32之间。
[0031] 每个子阵列具有接收子阵列输出的关联的混频器，并且每个混频器都通过普通分 布式本地振荡器（L0)信号供给。在每个混频器的输入，分布式L0信号都是相位和幅度一 致的，使得L0信号的相位和振幅对每个混频器来说是一样的。在一种方法中，这可以利用 把电连接器分支以给出L0生成器与每个输入混频器之间类似的路径长度来实现。每个混 频器的输出都被发送到模数转换器，使得波束形成器算法能够执行优化波束形成。
[0032] 在一些例子中，完整的设备可以在单个芯片中实现，诸如包括所有用于发射和接 收相控阵天线、混频器及L0分布的硬件移相器的单个硅芯片。其它的雷达功能也可以包括 在同一芯片上。
[0033] 硬件移相器形成真实波束，照射或接收来自雷达视野的区域的信号。雷达的视野 可以基于之前的测量来动态地分区。每个区域可以具有真实雷达波束的半功率波束宽度的 览度。
[0034] 图5是说明示例性装置的进一步的示意图。该装置包括发射相控阵，该发射相控 阵包括诸如与天线辐射元件52电通信的移相器50的相控阵元件。该雷达装置还包括接收 相控阵，该接收相控阵包括诸如移相器54的移相器和诸如56的天线接收元件。在每个移 相器及关联的天线辐射或接收元件之间可以存在一个或多个放大器元件（未示出）。
[0035] 本地振荡器60提供送入到诸如混频器58的每个混频器的本地振荡器信号。电连 接模式没有在这个图中示出，但是本地振荡器分布网络将按通常配置，使得到达每个混频 器输入的L0信号具有相同的相位和振幅。备选地，在对相位的数字处理中的软件调整在输 入到每个混频器的L0信号之间偏移。
[0036] 电子控制电路62接收混频器信号，并且包括执行DBF算法的处理器。该电子控制 电路还给移相器提供电子移相信号（为清楚起见，电连接未示出），从而使得发射和接收波 束可以被转向。
[0037] 如之前所讨论的，相控阵元件被分组到子阵列中，并且每个子阵列的输出都送入 到关联的混频器。每个子阵列都有一个混频器，使得混频器的数量与子阵列的数量相同。因 此，对于单个接收波束获得多个混频器的输出。然后，混频器输出被诸如包括CPU或其它处 理器的电子电路的数字处理电路接收，并且由处理器执行的数字波束形成算法来使用以确 定虚拟波束。
[0038] 在视野被切分成区域后，然后可以基于通常如由跟踪滤波器所计算的之前的测 量，对区域按它们的重要性进行排序。首先利用移相器来转向波束，以调整真实波束来覆盖 具有最高等级的区域，然后按重要性的降序覆盖其它区域。在一些例子中，在重复视野的覆 盖之前，如果一些区域是低重要性，则这些区域可以被省略。跟踪滤波器可以用于预测目标 跨视野的运动，从而使得基于之前收集的数据来改善区域的重要性排序。
[0039] 对于每个区域，以所识别的最重要的区域开始，接收雷达信号，并且利用由诸如计 算机化的控制系统的中央处理单元（CPU)的处理器执行的数字波束形成算法在区域内形 成虚拟波束。利用优化算法，从该区域返回的重要信号求解出位置和速度，并且该结果用来 更新跟踪滤波器。
[0040] 真实波束然后移动到第二高级别的区域，并且重复该过程。所描述的方法的优点 是在优化之前波束被定位，并且这减少了用于DBF优化的面积及数字信号处理的需求。在 考虑中的所减少的角面积节省了计算能力。
[0041] 由于噪声源减少，因此相对于其中从整个雷达视野接收信号的传统DBF雷达而 言，信噪比增加了。雷达的允许更新率也增加了。
[0042] 图6是说明区域排序方法的流程图。方框80对应于把视野切分成N个区域。作 为非限制性的例子，N可以在2-64的范围变动，例如，在包含4-32的范围内。方框82对应 于按重要性从1至N对区域进行排序。通常，这将会利用跟踪滤波器来完成，或者以其它方 式利用之前所收集的数据来完成。例如，最重要的区域可以包含雷达目标的最大数量、最近 的目标、或识别为碰撞危险的目标。在缺少任何之前的数据的情况下，区域可以按任意方式 或其它方式排序。方框84对应于把由相控阵雷达产生的真实波束转向到最重要的区域。 方框86对应于读入区域雷达数据并且执彳丁波束形成优化。方框88对应于基于所收集的数 据更新跟踪滤波器。方框90对应于确定这是否是第N个区域。对该N个区域中的每一个 重复该过程，并且在该过程对所有的区域都完成之后，该过程返回到方框80。但是，如果还 没有检查完所有的区域，则在方框84选定下一个最重要的区域并且重复方框86和88的过 程。
[0043] 在一些例子中，接收波束跨视野进行扫描而不识别区域的重要性。
[0044] 在一些例子中，混合阵列可以集成到单个芯片中。混频器布局及本地振荡器分布 网络被配置成使得信道信号自身的相位和幅度一致。在芯片内，可以使用隔离栅（包括导 电元件）把强大功率的发射信号从相对低功率的接收信号中隔离。芯片可以通过许多不同 的基于硅的技术来实现，例如但不限于，SiGe、BiCMOS、Si-RF，等等。在一些例子中，电压控 制振荡器本身和锁相环检测电路系统可以位于不同的芯片上，以减少干扰。
[0045] 在一些例子中，接收天线可被动态地配置来提供最多N个单独的接收波束，其中N 是混频器的数量。如果真实波束的数量小于N，那么DBF分析可以应用到一些或全部的真实 波束。
[0046] 本发明的例子还包括用于在车辆操作期间避免碰撞的改进的方法和装置。例如， 由DBF形成的窄虚拟波束可以用于提高目标识别和特征描述，并且诸如范围及相对速度的 目标特征可以用来触发用于避免碰撞的车辆输入，诸如转向或刹车的输入。
[0047] 在一些例子中，区域的数量可以动态地配置。例如，如果检测到更多的目标，则可 以增加区域的数量。
[0048] 本发明不限于上述的说明性例子。所描述的例子不是要限制本发明的范围。对本 领域技术人员来说，将想到其中的变化、元件的其它组合、以及其它应用。
[〇〇49] 已经描述了我们的发明，我们要求：
【权利要求】
1. 一种装置，该装置是雷达装置，包括： 发射器； 相控阵接收器，包括多个相控阵元件， 每个相控阵元件包括天线元件和移相器， 所述相控阵元件被分组到子阵列中，每个子阵列包括至少两个相控阵元件并且提供子 阵列信号； 多个混频器，每个混频器接收来自相关联的子阵列的子阵列信号， 每个混频器还接收本地振荡器信号并且产生混频器信号； 数字波束形成器，从所述多个混频器接收混频器信号； 本地振荡器，产生本地振荡器信号；以及 相控阵天线控制器，可操作以转向通过相控阵接收器接收到的接收波束，所述接收波 束具有角宽度， 所述数字波束形成器从混频器信号中确定虚拟波束，所述虚拟波束比接收波束窄并且 位于接收波束的角宽度内。
2. 如权利要求1所述的装置，所述数字波束形成器是通过电子控制电路提供的，所述 电子控制电路包括处理器。
3. 如权利要求2所述的装置，所述数字波束形成器是通过由处理器执行的数字波束形 成算法提供的。
4. 如权利要求3所述的装置，所述数字波束形成算法是从一组包括MUSIC (多重信号分 类）算法和ESPRIT(通过旋转不变技术估计信号参数）算法的算法中选择的。
5. 如权利要求1所述的装置，所述电子控制电路还包括相控阵天线控制器并且可操作 以转向接收波束。
6. 如权利要求1所述的装置，所述发射器是相控阵发射器。
7. 如权利要求1所述的装置，混频器的数量等于子阵列的数量。
8. 如权利要求1所述的装置，所述装置是适于安装在陆地车辆上的车辆雷达。
9. 一种操作雷达以识别雷达目标的方法，所述雷达具有接收波束以及视野，所述方法 包括： 利用相控阵接收器把接收波束转向到视野的区域； 从所述区域接收雷达数据；以及 利用数字波束形成算法分析雷达数据来确定接收波束中的多个虚拟波束， 每个虚拟波束具有比接收波束窄的波束宽度， 虚拟波束用于识别雷达目标。
10. 如权利要求9所述的方法，还包括 把视野分成多个区域； 给所述多个区域中的每个区域赋予重要性参数； 以重要性参数的降序，把真实波束转向到所述多个区域中的每个区域。
11. 如权利要求10所述的方法，所述重要性参数是利用从之前收集的雷达数据中所获 得的目标跟踪数据来确定的。
12. 如权利要求9所述的方法，所述相控阵接收天线包括相控阵天线元件的子阵列， 每个子阵列具有关联的混频器，所述关联的混频器接收本地振荡器信号和来自子阵列 的子阵列信号， 所述数字波束形成算法利用来自混频器的输出信号来确定所述多个虚拟波束。
13.如权利要求9所述的方法，所述雷达是车辆雷达，所述方法是操作车辆雷达的方 法。
【文档编号】G01S13/88GK104067142SQ201380006310
【公开日】2014年9月24日 申请日期:2013年1月22日 优先权日:2012年2月22日
【发明者】李宰丞, P·D·施马伦贝格 申请人:丰田自动车工程及制造北美公司