用于自动化车辆MIMO雷达的残余抵消的制作方法

本公开总地涉及多输入多输出(MIMO)雷达系统，而且更具体地涉及源自接收信号的解调的信号残余的抵消。

发明

背景技术：

汽车雷达传感器在自动化车辆感测系统中广泛地使用，以提供关于周围环境的信息来控制对自动化车辆的操作和/或在高级驾驶辅助系统(ADAS)特征中使用。雷达系统可采用各种技术以确定或测量反射信号的到达角度。以此方式，能够估算物体的角度方向。一种称为数字波束成形的技术使用天线阵列接收被物体反射的信号。通过分析反射信号跨天线元件阵列的相对相位，能够确定天线元件阵列接收信号的角度。

对于MIMO雷达系统，接收天线将接收来自多个发射天线的信号。例如，在具有两个发射(Tx)天线和一个接收(Rx)天线的MIMO雷达系统中，一接收到来自两个发射天线的信号，就将它们以某种方式分开或区分，以有效地形成两个接收天线通道。该概念能够被延伸至由N个单独的Rx天线接收的M个单独的Tx天线以产生等效的N*M天线阵列。等效阵列的N*M天线的位置恰是Tx天线位置和Rx天线位置的空间卷积。

已经提出了用于完全自动化和半自动化驾驶应用的雷达系统，该雷达系统使用具有来自多个发射和接收天线元件的合成孔径技术的多输入多输出(MIMO)雷达概念。该MIMO技术提供了一种从较小数量的发射和接收天线合成复杂阵列的方法。这可用于各种优势，例如为了改善的角度精度性能形成大于天线的物理大小的合成孔径。MIMO技术的另一种使用是为了模糊度(ambiguity)的益处提供具有天线的间距小于天线的物理大小的阵列。MIMO雷达设计的许多其他的使用和益处是可能的。

在MIMO雷达系统中，多个发射和接收天线发射和接收独立的(即正交的)雷达信号。如果发射信号沿着传播路径的交叉相关是低的，接近零，则可以认为发射信号是正交的。存在发射和接收正交信号波形的各种方法，包括时分复用(TDM)、频分复用(FDM)和相位调制(PM)。这些方法中的每一个具有性能/成本的折衷。

在2006年1月6日颁发给Alland且名称为DIGITAL BEAMFORMING FOR AN ELECTRONICALLY SCANNED RADAR SYSTEM(用于电子扫描雷达系统的数字波束成形)的美国专利号7,474,262描述了配置为使用TDM方法来操作的MIMO雷达系统，其产生了从多个发射天线发射出的信号之间的最大程度的正交。检测动态范围将不会被发射天线之间的信号干扰削减。然而，TDM引入了雷达测量的相干处理区间(CPI)的无效使用。这将通过降低检测灵敏度(通过时分复用损失)来削减雷达的物体检测性能以及清楚地测量跨宽区间的多普勒的能力(通过增加来自单个发射天线的脉冲之间的时间)。

为了克服TDM方法的性能限制，可能期望从多个发射天线同时生成信号但仍然由每个接收天线分开同时接收的信号以形成多个通道。这要求生成的多个信号具有一些水平的正交性，从多个发射天线发射，而且这些信号的叠加被每个接收天线接收。在被接收后，这些信号然后被分开。存在多种已知的方法来实现这个。

一种方法是频分复用。使用该方法，对于每个发射天线的发射信号是来自对于其他发射天线的发射信号的在频率中的偏移。在下转换之后，来自不同Tx天线的信号之间将有频率偏移。该方法的成本是要求增大的基带带宽以采样来自多个发射天线的接收的信号。而且，影响了清楚的范围覆盖。

实现正交的另一种方法是与另一个发射信号相比对一个发射信号实现相位调制。该调制可能涉及具有0°和180°相位态的双相调制或在其中使用更多相位态的多相调制的使用。使用两类相位调制。第一类使用常规的、周期的码以在频率中移动接收信号，例如方波码的使用。该方法的缺点是来自一个物体的接收信号在频率中的移动可干扰来自另一个物体的信号。为了避免这个，例如，可使用增加的脉冲重复频率(PRF)以确保来自一个发射天线的信号不干扰来自另一个发射天线的信号。然而，该替代导致增加的系统成本和复杂性。

使用相位调制的另一种方法是通过诸如伪随机码来相对于另一个发射信号调制一个发射信号的相位。该方法在此处被称为伪随机相位调制(PRPM)。通过根据应用到发射天线之一的发射码来解调接收信号，可恢复来自该发射天线的信号。由于其他发射天线的不同相位调制，抑制了来自其他发射天线的信号。根据应用到每个发射天线的相位码，对于同一接收信号，可重复解调过程。在该方法中，可将来自多个发射天线的信号叠加产生的合成的接收信号分开到其各个组成元件中。该方法的限制是在对给定的发射天线的解调后，来自其他发射天线的抑制的信号的能量对于给定的发射天线仍然存在于恢复的信号中，但仅仅跨频带分布。

存在于恢复的信号中的来自抑制的信号的分布的能量在本文中称为残余。残余源自或由于在应用到每个发射天线的信号之间的完美正交性的缺乏。存在于来自特定发射天线的恢复的信号中的残余由来自其他发射天线的每一个的各个残余的叠加组成。残余的水平或强度与接收信号水平相关，并且与发射信号之间的正交程度相关。在相位编码波形的情形下，用于每个发射天线的相位码的交叉相关确定发射信号之间的正交程度，还确定残余的频谱形状。

该残余的存在限制了雷达系统在从较大物体反射的信号存在时清楚地提取从较小物体反射的信号的能力。可通过增加相位编码波形之间的正交性(即降低交叉相关)来降低残余水平。用于减少产生于PRPM的残余的一种已知的方法是增加相位码长度以减少残余。然而，对于一些设计，为了残余中的显著提高而增加码长度可能是不实际的或可能在系统设计上有成本和性能的影响。

由Zhiguo Zhao、Jianwen Chen和Zheng Bao在2012年第10届天线、传播与电磁理论国际研讨会(ISAPE)上发表的名称为Slow Time Random Phase-Coded Waveforms in MIMO OTHR(MIMO OTHR中的慢时间随机相位编码波形)的文章描述了减少残余的另一种方法。在该实现中，描述了称为分层波形分离(HWS)的方法以减少来自PRPM MIMO实现的残余。尽管该方法可达到相似的性能，其使用矩阵子空间投影的方法以标识和移除来自强信号的残余。然而，其计算是复杂和耗时的，而且对于低成本的汽车雷达通常是不实际的。

发明概述

本文中所描述的是通过降低残余水平来改善对多输入多输出(MIMO)雷达系统的伪随机相位调制(PRPM)的限制的雷达信号处理技术。

根据一个实施例，提供了适于在自动化车辆上的使用的伪随机相位调制(PRPM)多输入多输出(MIMO)雷达系统。该系统包括发射由第一PRPM码生成的第一发射信号的第一发射天线、发射由第二PRPM码生成的第二发射信号的第二发射天线、用于检测源自第一发射信号的第一反射信号的接收天线和源自第二发射信号的第二反射信号的接收天线以及控制器。控制器与接收天线通信，而且用于生成第一PRPM码和第二PRPM码。控制器配置为基于来自接收天线的下转换信号和第一PRPM码的复共轭生成第一子通道输出、基于来自接收天线的下转换信号和第二PRPM码的复共轭生成第二子通道输出、基于第二子通道输出确定第一残余信号以及通过从第一子通道输出减去第一残余信号确定第一残余移除信号。

在一个实施例中，基于第二子通道输出与第一PRPM码和第二PRPM码的交叉相关的频率变换的卷积确定第一残余信号。

在替代实施例中，基于通过第二PRPM码和第一PRPM码的复共轭对第二子通道输出的逆频率变换的第一调制以及该第一调制的第一频率变换确定第一残余信号。

在另一个实施例中，提供了操作适于在自动化车辆上的使用的伪随机相位调制(PRPM)多输入多输出(MIMO)雷达系统的方法。该方法包括提供发射由第一PRPM码生成的第一发射信号的第一发射天线、提供发射由第二PRPM码生成的第二发射信号的第二发射天线、以及提供用于检测源自第一发射信号的第一反射信号和源自第二发射信号的第二反射信号的接收天线的步骤。该方法还包括生成第一PRPM码和第二PRPM码、基于来自接收天线的下转换信号和第一PRPM码生成第一子通道输出、基于来自接收天线的下转换信号和第二PRPM码生成第二子通道输出、基于第二子通道输出确定第一残余信号以及通过从第一子通道输出减去第一残余信号确定第一残余移除信号的步骤。

在阅读优选实施例的下列详细描述后，进一步的特征和优势将更清楚地呈现，该优选实施例仅作为非限制性的示例且参照附图而给出。

附图说明

现在将参照附图借助示例来描述本发明，在附图中：

图1是根据一个实施例的伪随机相位调制(PRPM)多输入多输出(MIMO)雷达系统的示图；

图2A和2B是可存在于根据一个实施例的图1的系统中的信号图；

图3是根据一个实施例的图1的系统的替代图；

图4是根据一个实施例的图1的系统的残余估算和减除技术(REST)信号处理示图；

图5是可存在于根据一个实施例的图1的系统中的信号图；

图6A是可存在于根据一个实施例的图1的系统中的信号图；

图6B是可存在于根据一个实施例的图1的系统中的信号图；以及

图6C是可存在于根据一个实施例的图1的系统中的信号图；

图7A是根据一个实施例的图4的REST信号处理示图的残余估算功能的细节示图；以及

图7B是根据一个实施例的图4的REST信号处理示图的残余估算功能的细节的替代示图。

具体实施方式

图1和3示出了对于两个发射天线和一个接收天线的简单情形具有子通道提取的PRPM MIMO雷达系统(下文称为系统10)的非限制性的示例。由T.Takayama、Y.Tokieda和H.Sugawara在IET国际雷达会议(2012)上发表的名称为MIMO Imaging Radar with Enhanced Range-Azimuth Sidelobe Suppression(具有增强的距离方位角旁瓣抑制的MIMO成像雷达)的文章描述了对于MIMO雷达系统在线性调频中和线性调频之间的伪随机相位码的实现，该系统示出了对于单一线性调频和对于集成线性调频的残余。伪随机相位调制是一种数字调制方法，为了在同时发射和接收的信号之间实现一定程度的正交，在该方法中发送到每个发射天线的信号的相位随机变化。信号之间的正交程度取决于相位调制分布之后将跨频谱被有效地抑制的信号的能量的能力。

该技术的性能可取决于在PRPM方法中使用的相位态的数量和分布。例如，对于单一序列的平均残余是用于生成相位调制的码的长度的函数。该残余可导致在使用PRPM方法的MIMO雷达系统中的不理想的限制。具体地，其减小了检测动态范围。这意味着，来自具有小的后向散射特征的目标的信号可被来自具有大的后向散射特征的目标的信号掩码，阻止对较小信号的检测。系统10包括对称为残余估算和减除技术(REST)的现有技术的改善，其显著地改善了使用PRPM方法操作的MIMO雷达系统的检测动态范围的限制。

Takayama描述了一种在线性调频内和跨线性调频的技术使用的相位编码以更好地抑制残余。该方法确实减少了残余，但其要求雷达中的某些增加成本和复杂性的能力。首先，其要求有能够在线性调频期间连续地调制相位的收发机，该收发机在目标为汽车市场的低成本收发机中不总是可能的。而且，因为相位调制将阻止简单的模拟高通滤波的使用以减弱短距离信号的幅度，增加了雷达的基带处理要求的动态范围。进一步，尽管减少了残余，线性调频中的相位编码允许在一个距离和多普勒的非常强的信号可以遮蔽在任何其他距离和多普勒的较小物体的可能性，这对于一些系统是不可接受的折衷。最后，因为通道在距离FFT期间被分开，对于这种编码的类型，系统RAM要求更高。本文中所描述的改善提供了低残余而没有在线性调频中编码的成本和缺点。本文中所描述的改善还能被应用到线性调频中的相位编码技术，而且提供残余水平的进一步改善。

残余估算和减除技术(REST)改善了使用伪随机相位调制(PRPM)脉冲压缩波形(例如线性FM快速线性调频波形)的MIMO雷达系统的动态范围。一般而言，系统10是一个在其中源自两个或多个发射天线12的信号由一个或多个接收天线14接收的系统。当采用使用独特的伪随机码的相位调制以形成分开的子通道(每个发射天线有一个)时，发射天线12的每一个同时发射。第一和后续的子通道可分别被定义为被分开至来自第一和后续的发射天线的组成信号内的由接收天线14的每一个实例接收的信号(通过对应于第一和后续的发射天线的相位码的复共轭的解调)。尽管只示出了接收天线14的单一的实例，这仅是为了简化系统10的示出和解释。然后标识包含在每个子通道中的目标信号，例如，通过傅里叶变换。

对于PRPM类型的雷达系统，标识在一个子通道中的信号的能力被来自其他被抑制的子通道的残余的存在所限制。具体地，由于来自其他子通道的残余的存在导致的被限制的动态范围，妨碍了测量不同幅度的多个信号的能力。系统10在存在残余时使用在每个子通道中被标识的信号，而且使用该信号以估算在所有其他子通道的提取的期间产生的残余。然后，减去该估算的残余以提高在每个子通道中标识多个信号的能力。作为残余减除的结果，PRPM MIMO雷达系统对先前被埋在大的目标信号的残余之下的小的目标信号将具有提高的检测能力。REST因此增大了PRPM MIMO雷达系统的检测动态范围。

PRPM类型的雷达系统的一个通用示例包括同时发射多个信号的M个发射天线，多个信号中的每个信号被不同的伪随机相位码调制。通过不同码的使用，来自每个发射天线的信号形成独特的子通道。这些子通道的叠加由N个接收天线接收。根据每个子通道的相位码，通过解调将接收的信号分开至子通道内。

图2A和2B分别示出了曲线图16A和16B。这些是第一子通道输出18A和第二子通道输出18B的非限制性的示例，均包括如上所述的残余。用于每个其他子通道的独特的相位码通过在频域上散布能量导致了对该其他子通道的抑制。图2A和2B还示出了第一无残余信号20A和第二无残余信号20B用于参考。对于子通道中的每一个，将在下文中更详细地解释确定或得到这些子通道的技术。

图4示出了系统10的进一步的非限制性的细节。残余估算和减除(REST)方法使用下列信号处理步骤。

步骤A)通过各种相位码的复共轭解调接收信号以形成子通道。然后可将傅里叶变换处理用于将被解调的子通道信号变换到频域，从而输出第一子通道输出18A和第二子通道输出18B。

步骤B)标识子通道中的信号。这可通过标识来自其他通道的在残余峰值之上的频率点完成。然后通过在频域中使用矩形滤波器将信号从残余中隔离以输出第一频域调制(54A)的输出信号54A和第二频域调制(54B)的输出信号54B，其将在下文中被更详细地描述。

步骤C)估算将在形成其他子通道时由每个子通道生成的残余。这可以由两种不同的方法完成，它们是等效的，但要求不同的实现。图7A示出的一个选项是，对于每个子通道，确定来自所有其他子通道的相位码之间的交叉相关，计算每个得到的交叉相关相位码的快速傅里叶变换(FFT)，然后将其与来自步骤B的信号输出卷积。图7B示出的另一个选项是通过例如(减少的维度)逆FFT将来自步骤B的信号输出转换到时域，而且使用应用到子通道的原始相位码的复共轭和曾应用以提取另一个子通道的相位码来调制得到的时域信号，然后通过例如FFT将调制的信号转换回频域。

步骤D)对于在步骤A中形成的每个子通道，从每一个对应的抑制的子通道减去估算的残余以产生第一残余移除信号36A和第二残余移除信号36B。

步骤E)如果需要，可以通过重复步骤B到D来改善性能，在估算的残余的减除之后使用子通道数据作为输入。注意，在图4中图形地指示了REST处理流程步骤A到E。显示步骤#A到#E的每一个的输出的标签追踪用于关于第二残余移除信号36B的残余估算和减除的处理流程。从子通道一FFT输出(即第一子通道输出18A)中估算在子通道二中的残余。然后从子通道二FFT输出(即第二子通道输出18B)中减去子通道二中的估算的残余。图4还示出了关于第一残余移除信号36A的逆REST处理流程，尽管没有明确地标记步骤#A到#E的每一个的输出。

图5、6A、6B和6C示出了REST的性能的非限制性的示例。在该示例中，存在两个信号，在较大信号34之下的较小信号32测量为约22dB。较小信号32在原始的子通道提取24中不是可见的，因为其被来自其他子通道的残余覆盖了。在执行一次REST以产生第一迭代26之后(图6B)，较小信号32是可见的。在第二迭代28之后(图6C)，更进一步地减少了残余，因此较小信号32更加明显。图5还示出了最佳情况30，其是如果根本没有残余时，信号频谱将看起来的那样，即发射天线12中只有一个发射了信号。可以认为具有高数量的迭代的该过程的理想输出将是绿线。理论上，如果重复多次迭代过程，例如超过30次，则REST算法的信号输出达到图5示出的最佳情况30的信号输出。

再次参照图1和4，而且延伸到图3，示出了且进一步描述了适于在自动化车辆(未示出)上的使用的伪随机相位调制(PRPM)多输入多输出(MIMO)雷达系统(系统10)。第一发射天线12A发射由第一PRPM码40A生成的第一发射信号38A，而第二发射天线12B发射由第二PRPM码40B生成的第二发射信号38B。接收天线14检测源自第一发射信号38A反射离开物体44的第一反射信号42A，和源自第二发射信号38B反射离开物体44的第二反射信号42B。

与发射天线12和接收天线14通信的控制器46用于生成第一PRPM码40A和第二PRPM码40B。控制器46可包括诸如微处理器的处理器或诸如包括用于处理数据的专用集成电路(ASIC)的模拟和/或数字控制电路的其它控制电路，如对本领域技术人员而言应当是显而易见的。控制器46可包括存储器，包括非易失性存储器，例如用于存储一个或多个例程、阈值和捕捉的数据的电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)。如本文所描述的，可由处理器执行一个或多个例程以执行步骤A-D和其他步骤。

一般而言，控制器46配置为基于来自接收天线14的下转换信号48和第一PRPM码40A生成第一子通道输出18A，以及基于来自接收天线的下转换信号48和第二PRPM码40B生成第二子通道输出18B。控制器46还配置为基于第二子通道输出18B确定第一残余信号50A，以及基于从第一子通道输出18A减去第一残余信号50A确定第一残余移除信号36A。基于第二频域调制(54B)的输出信号54B与第一PRPM码40A和第二PRPM码40B的交叉相关的频率变换的卷积确定第一残余信号50A(图7A)。第二频域调制使用在第二通道输出18B的相关信号位置具有最大值而在噪声位置具有最小值的矩形窗口从第二子通道输出18B中过滤相关信号(图4)。

在逆方法中，控制器46进一步配置为基于第一子通道输出18A确定第二残余信号50B，以及基于从第二子通道输出18B减去第二残余信号50B确定第二残余移除信号36B。基于第一频域调制(54A)的输出信号54A与第二PRPM码40B和第一PRPM码40A的交叉相关的频率变换的卷积确定第二残余信号50B(图7A)。第一频域调制使用在第一子通道输出18A的相关信号位置具有最大值而在噪声位置具有最小值的矩形窗口从第一子通道输出18A中过滤相关信号(图4)。

继续参考图4，在替代方法中，基于通过第二PRPM码40B和第一PRPM码40A的复共轭对第二频域调制的输出信号54B的逆频率变换的第一时域调制56A(图7B)，以及第一时域调制56A的第一频率变换，确定第一残余信号50A。相似地，基于通过第一PRPM码40A和第二PRPM码40B的复共轭对第二频域调制的输出信号54B的逆频率变换的第二时域调制56B(图7B)，以及第二时域调制56B的第二频率变换，确定第二残余信号50B。

因此，提供了PRPM MIMO雷达系统(系统10)和操作系统10的方法。该系统同时从多个天线发射，其允许改善的多普勒模糊和改善的灵敏度而没有时分复用的损失。然而，在先前的PRPM MIMO雷达中，来自抑制的子通道的残余限制了测量的动态范围，其在存在较大物体时可阻止对小物体的检测。本文中所描述的REST算法改善了对检测动态范围的该限制。在同时发射和PRPM调制的波形的接收信号频谱上执行REST将改善检测动态范围，否则其被PRPM方法的残余所限制。具体地，存在具有较大后向散射特征(或RCS)的物体时，REST改善了对具有较小后向散射特征(或RCS)的物体的检测。可以充分使用该方法以在存在诸如汽车、SUV、卡车和拖车的在路上的物体时增强对诸如行人、骑自行车的人、摩托车和动物的汽车雷达在路上的物体的检测和区分。使用REST来减少残余可允许只跨线性调频而不在线性调频期间调制相位的实现，如在现有技术中曾使用的。这避免了与在线性调频期间的相位调制相关联的复杂化和成本。通过使用REST以降低残余在性能上的影响，对于增加数量的发射通道的使用的选项成为可行的。增加发射通道的数量开辟了用于改善的MIMO综合阵列形成的大量选项。

尽管已针对其优选实施例对本发明进行了描述，然而本发明不旨在如此受限制，而是仅受所附权利要求书中给出的范围限制。