雷达系统的制作方法

本发明涉及车辆的雷达系统。

背景技术：

雷达系统通常用作例如汽车、卡车和厢式货车等机动车的自适应驾驶辅助系统的一部分。雷达系统通常具有极佳的距离分辨率并且还可以测量速度。然而，与例如相机等的其它传感器相比，角分辨率通常较差。可以通过功率和处理的对应增加使用更复杂系统增加角分辨率，该系统包括具有多个rf接收器的定相阵列天线。

技术实现要素：

各种方面在所附权利要求书中定义。在第一方面中，定义一种用于机动车的雷达系统，该雷达系统包括：发射器，用于发射具有时间周期t的雷达信号；多个m个接收器，用于接收通过物体反射的该所发射雷达信号；信号压缩器，其具有耦合到m个接收器中的每一个接收器的m个输入端以及至少一个信号压缩器输出端，该信号压缩器被配置成将m个接收信号压缩成k个输出信号，每个输出信号具有n个样本，其中k小于m；以及信号重构器，其具有耦合到相应至少一个信号压缩器输出端的至少一个输入端并且被配置成根据该k个压缩信号确定至少n*m个信号强度值，每个信号强度值对应于接收信号的相应飞行时间和到达角度值对的信号强度。

在实施例中，信号重构器可以被配置成通过确定大部分信号强度值为零来确定至少n*m个信号强度值。

在实施例中，信号重构器可以另外被配置成通过确定反射信号和压缩信号的预期信号值之间的差来确定信号强度值。

在实施例中，信号重构器可以另外被配置成确定最大可能预期信号值并且将该最大可能预期信号值与压缩信号的值相比较。

在实施例中，信号压缩器可以包括：切换模块，该切换模块包括m个开关，每个开关具有耦合到相应接收器的输入端、输出端和控制输入端；以及求和模块，该求和模块具有耦合到相应开关输出端中的每一个输出端的m个输入端和k个输出端，并且其中该信号压缩器被配置成通过选择性地控制该开关中的每一个开关来调制该m个输入端中的每一个输入端。

在实施例中，信号压缩器可以被配置成以n/t的频率用正交码调制m个输入端。

在实施例中，信号压缩器可以另外包括k个模/数转换器，该模/数转换器被配置成以n/t的频率采样k个接收信号。

在实施例中，信号重构器可以被配置成确定矩阵的信号强度值，其中矩阵的每个元素对应于接收信号的相应飞行时间和到达角度值对。

雷达系统的实施例可以并入到高级驾驶员辅助系统中。

在第二方面中，描述一种在包括发射器和m个接收器的雷达系统中确定物体的坐标的方法，该方法包括：在时间周期t内发射信号；接收m个反射信号；将m个接收信号压缩成k个压缩信号；每个压缩信号具有n个样本；根据该k个压缩信号确定至少n*m个信号强度值，每个信号强度值对应于接收信号的飞行时间和到达角度的相应组合的信号强度，并且其中压缩信号的数目k小于接收器的数目m。

在实施例中，确定至少n*m个信号强度值可以另外包括确定大部分信号强度值为零。

在实施例中，确定每个矩阵元素的信号强度值可以包括确定反射信号和压缩信号的预期信号值之间的差。

在实施例中，压缩接收信号可以包括调制m个接收信号中的每一个接收信号并且组合调制后信号。

在实施例中，压缩接收信号可以包括用正交码调制m个接收信号。

在实施例中，k个压缩信号中的每一个压缩信号可以用n/t的采样频率采样。

在第三方面中，描述一种计算机程序产品，该计算机程序产品包括在由处理单元执行时致使所述处理单元执行在包括发射器和m个接收器的雷达系统中确定物体的坐标的方法的指令，该方法包括：在时间周期t内发射信号；接收m个反射信号；将m个接收信号压缩成k个压缩信号，每个压缩信号具有n个样本；根据该k个压缩信号确定至少n*m个信号强度值，每个信号强度值对应于接收信号的飞行时间和到达角度的相应组合的信号强度，并且其中压缩信号的数目k小于接收器的数目m。

附图说明

在附图和描述中，相似的附图标记指代相似特征。现在仅借助通过附图示出的例子来详细地描述本发明的实施例，其中：

图1描述根据实施例的用于机动车的雷达系统。

图2示出a)示例扫频信号特征b)周期性扫频信号特征和c)相对于待检测物体以及距离和到达角度的矩阵的雷达系统。

图3描述根据实施例的用于雷达系统的接收器。

图4示出a)用于具有单个发射器和单个接收器的典型雷达系统的物体检测结果b)用于典型mimo雷达系统的物体检测结果和c)用于根据实施例的mimo雷达系统的物体检测结果。

图5说明根据实施例的雷达系统。

图6示出根据实施例的在用于机动车的雷达系统中检测物体的方法。

具体实施方式

图1描述根据实施例的雷达系统100。雷达系统100具有信号产生器116，该信号产生器116具有连接到射频(radiofrequency，rf)发射器108的输出端。rf发射器108的输出端连接到天线106。雷达系统100包括连接到对应天线104a、104b、104c、104m的数目m个射频(radiofrequency，rf)接收器或接收器链102a、102b、102c、102m。rf接收器链102a、102b、102c、102m中的每一个rf接收器链的输出端连接到信号压缩器或信号组合器112。信号压缩器112具有k个输出端，其中k小于输入端的数目m。信号压缩器112可以具有单个输出端，即，k＝1。信号压缩器112的输出端114a、114b......104k中的每一个输出端连接到信号重构器116。信号重构器120的输出端可以连接到存储器122。在一些例子中，信号重构器120可以包括缓冲存储器，该缓冲存储器连接到rf接收器链104a、104b、104c、104m中的每一个rf接收器链的输出端。

现在参考图1和图2描述雷达100的操作。在操作中，信号产生器114产生将由rf发射器108发射的信号波形。在例如调频连续波(frequency-modulatedcontinuous-wave，fmcw)雷达的雷达系统中，所产生的信号通常是称为扫频信号的例子的线性频率扫描。图2a中示出扫频信号的特征，图2a示出通过线152示出的y轴上的扫频信号频率变化关于x轴上的时间的图形150。扫频信号可以具有总时间周期t，该总时间周期t可以由以下组成：与在频率斜升开始之前的周期对应的表示为tdwell的初始时间周期、与扫频信号的线性增加的频率斜升对应的周期tramp以及其间频率复位到最小频率值的时间周期treset。斜升的频率范围对应于扫频信号的带宽b。由线154示出的扫频信号的时间延迟版本在从物体反射时可以通过rf接收器104a、104b、104c、104m接收。扫频信号可以时间周期t重复，如在图2b中通过用于所发射扫频信号152′和所接收扫频信号154′的图形160所示。

图2c中示出雷达信号模型的一般操作。如图2c中所示，假设物体相对于雷达系统相距距离d并且成角度θ，则雷达信号以光速c行进并且当从物体反射时，该雷达信号以2d/c的延迟接收到。由于天线的物理位置不同，由不同天线接收到的信号之间将存在略微延迟变化。这些另外的延迟将取决于信号到达的角度θ并且可以用于提取关于物体182的角位置的信息。如将了解，可以检测多于一个物体。矩阵180的元素可以具有与在矩阵180的y轴上示出的到达角度θ的不同可能值对应的元素，该值可以在-π/2弧度至+π/2弧度之间变化。矩阵的x轴对应于可以根据发射信号与接收信号之间的相位差确定的距离d。距离d可以取决于相应发射器的功率在0与最大值dmax之间变化。用于例如汽车、卡车或厢式货车等的机动车的雷达系统可以具有100米的最大值dmax。

现在返回图1，信号压缩器112可以在扫频信号的时间周期t期间压缩或组合经由接收器102a、102b、102c、102m接收到的信号。例如，信号压缩器112可以在样本时间周期期间将接收信号的变化组合切换或路由到k个输出端。路由的信号的组合通常在连续的样本周期之间变化。可以通过正交码或可以用于扩频通信信令中的其它代码确定信号的组合。可以通过将所测量的进入样本与由二维矩阵118表示的用于距离和入射角的变化值的预期响应的模型相比较而由信号重构器116处理反射接收信号。矩阵可以存储于存储器122中。本发明的发明人已认识到，假设存储于存储器122中的二维矩阵的大部分元素将为零，则可以通过使用天线的组合接收信号并且随后重构该信号而在单个线性调频脉冲时间周期t中确定角分辨率。这可以允许具有与常规多个接收器系统相同的角分辨率，但具有更少存储器和处理逻辑的物体的位置，因为通过一个或多个物体反射的接收信号有效地从m个接收信号压缩成k个接收信号。

在fmcw雷达的情况下，发射信号通常是具有带宽b的线性调频脉冲，该线性调频脉冲由在周期tramp期间的频率变化f组成，如先前参考图2b所说明。应了解，由第m个天线接收到的信号可以通过以下近似：

其中a是具有描述所接收反射信号的强度的量值的复数以及：

是距离相关的解调信号的频率。延迟τ(θ，m)描述第m个天线相对于某一参考天线m＝0的相对延迟。对于彼此相距距离δ的两个天线，假设在实践中的通常情况下，物距d远大于天线之间的距离，则2个信号之间的延迟可以近似为对于m个均匀间隔开的天线，其中λ是雷达信号的波长。

其中xnm表示在从第m个天线的发射期间的第n个复杂数据样本。在非复杂接收器中，样本等于等式的实数部分。雷达信号不会从单点反射，但会从空间中的多个点反射。可以限定一组距离d1和角度θk，并且将天线m处的接收信号近似为从所有这些可能点的反射的总和：

其中每个ωk对应于角度θk并且每个ω1对应于距离d1。抗混叠滤波器通常根据奈奎斯特采样标准设定以清除1/(2t/n)赫兹以上的所有频率。因此，雷达可以估计的最大距离可以根据上文计算为：n*c/(4b)。模型取决于由矩阵a的元素akl描述的未知反射信号强度。

其中模型取决于由矩阵a的元素akl描述的未知反射信号。

最小化观测到的信号xmn与模型预测信号之间的差的a的求值是用于基于雷达信号检测物体的典型雷达处理。平方距离的总和最小化为差的测量：e(a)

以及

在距离和角度的离散集合的情况下，使得

存在此问题的有效封闭式解，也称为可以实施为快速傅里叶变换的2维离散傅里叶变换(discretefouriertransform，dft)：

对于雷达系统100，在将m个接收信号组合到k个输出信号之后，遵循组合的模型是

其中cmn是用于在每个采样点n处组合m个天线信号的一组复数。在开关情况下，对于每个n，cnm对于对应于一个天线的m是1并且对于所有其它者是零。可以通过相同方式定义用于最小化模型与数据的差的目标：

以及

对于雷达系统100，仅存在n个测量样本而在矩阵a中存在nm个未知akl值。该问题是欠定的，并且因此将存在具有完全模型拟合的多个解决方案。在这种情况下，无法使用离散傅里叶变换。

本申请案的发明人已认识到，由于大部分空间是不会反射雷达信号的空气，因此大部分akl值预期为零。可以考虑此并且可替换的问题可以定义为根据满足的所有a值，即，具有不等于零的最少数目个akl的a值来确定。解决方案将从不完整的组合数据中提取相关信息。

此问题可以使用稀疏近似技术解决，例如，通过添加初始项作为另外的正则项，该初始项捕获大多数akl预期为零的直觉

根据以下确定与所测量结果与模型之间的最佳拟合对应的最小化

由此从等式(12)和(13)确定e^c(a)和r^c(a)，并且λr通常是选自雷达系统100的特定实施方案的特征化的定值。例如，可以通过交叉验证选择参数λr。λr的不同值尝试用于不同数据并且使用最小化交叉验证误差的一个值。零值对应于原始非确定问题。在测试某一小值期间，在通过交叉验证数据的测试的误差开始增加之前，最初使用例如0.0001并且随后增加。

信号重构器118可以实施等式9、10、11、12、13，该等式可以允许通过与由具有减少的存储器的多个接收器实现的角分辨率类似的角分辨率来在单个线性调频脉冲周期内确定物体的位置。例如，在m个接收天线的常规情况下，对于在线性调频脉冲周期t期间获取的n个样本，以下转换所需的存储器可以是m×n个样本。对于雷达系统100，此需求可以减少至k×n个样本的存储器。应了解，信号重构器118可以例如通过在数字信号处理器或其它微处理器上可执行的软件实施，并且因此可以使用软件实施在以上等式中描述的矩阵处理。可替换的是或另外，可以使用专用逻辑硬件实施信号重构器116中的一些功能。

图3示出具有8个接收器的雷达系统200的例子。接收器天线204a至204h可以连接到相应rf接收器链202a至202h。每个接收器链的输出端可以连接到开关模块208。开关模块208的输出端可以连接到模/数转换器210。开关模块208和模/数转换器210可以包括在信号压缩器206中。模/数转换器210的输出端可以连接到存储器212。存储器212的输出端可以连接到信号重构器214。可以使用逻辑硬件或硬件和软件的组合实施的控制器216可以连接到模/数转换器210、开关模块208和信号重构器214的控制输入端。

在雷达系统200的操作中，雷达扫频信号可以由发射器(未示出)发射并且来自物体的反射信号由接收器天线204a至204h接收。如果在线性调频脉冲周期t期间获取接收信号的n个样本，则控制器208可以控制开关模块208以在样本周期t/n中将接收器202a-h中的一个接收器连接到模/数转换器210。可替换的是或另外，控制器216可以在样本周期t/n中选择接收器中的多于一个接收器。来自选定信号的信号可以在由模/数转换器210采样之前在开关模块208中求和。在线性调频脉冲周期t期间测量的输出样本可以存储于存储器212中。信号构造器214可以通过将所测量样本与如先前使用等式9至13说明的来自模型的预期结果相比较来重构信号，并且在存储器218中产生结果矩阵。从信号构造器214输出的重构后信号接着可以示出一个或多个峰值，该峰值指示相应物体相对于雷达系统200的位置。

现在考虑每天线接收到的一个序列cmn(其中n＝1...n)并且表示为向量cm，则m个序列cm应具有对于用于扩频通信中的良好序列典型的特性。假设所有天线同等重要，则序列可以具有以下特性中的一个或多个特性：

-每个序列cm的频谱可以较宽且理想地平坦。例如，cm可以t/n样本时间间隔采样，并且因此频率范围可以具有在与零与尼奎斯特频率1/(2t/n)之间的范围对应的许多或所有部分带宽中的能量。如果选择所有序列具有仅频谱的一部分，则全谱的重构将是不可能的。如果序列中的一个序列不是宽频谱，则将无法最佳地使用来自该接收天线的信息。

-序列的总功率应该类似，即，在5％内，以同等地使用来自所有天线的信息，即应该平衡输出。

-两个不同天线的两个序列之间的互相关性应最小。例如，序列可以与零互相关值正交。

-合适序列产生器的一些例子是所谓的“金氏码”或使用移位寄存器产生的伪噪声。在其它例子中，可以使用其它扩频码序列。

图4a、4b和4c示出来自处于不同雷达系统的相同位置处的物体的反射的模拟。

图4a指示具有耦合到相应天线的1个发射器和1个接收器的常规雷达系统的响应300。x轴306在0与50m之间变化。y轴304在-50米与+50米之间变化。此例子中的雷达系统具有耦合到相应天线的m＝8个接收器以及连接到相应天线的1个发射器。对于接收器中的每一个接收器，反射信号的到达角度可以在-pi/3弧度至pi/3弧度的范围内变化。z轴302示出通过接收器检测到的总反射功率。在每个线性调频脉冲周期t期间获取n＝256个样本。使用常规2d傅里叶变换的处理的结果示出可以根据弧308、310、312准确地确定距离，但可能不具有角分辨率。

图4b指示mimo系统通过来自1个天线以及由耦合到相应天线的8个接收器链接收到的扫频信号的常规依序发射的响应320。x轴326在0与50m之间变化。y轴324在-50米与+50米之间变化。此例子中的雷达系统具有耦合到相应天线的m＝8个接收器以及连接到相应天线的1个发射器。对于接收器中的每一个接收器，反射信号的到达角度可以在-pi/3弧度至pi/3弧度的范围内变化。z轴322示出通过接收器检测到的总反射功率。在每个线性调频脉冲周期t期间获取n＝256个样本。使用常规2d傅里叶变换的处理的结果示出在328、330和332处具有峰值的物体。

图4c示出相对于在原点x＝0、y＝0处的示例fmcwmimo雷达系统200变换到x、y二维位置的矩阵(a)340。x轴346在0与50m之间以米为单位变化。y轴344在-50米与+50米之间变化。对于每一个发射器，反射信号到达角度可以在-pi/3弧度至pi/3弧度的范围中变化。z轴342示出通过接收器108检测到的反射功率。在每个线性调频脉冲周期t期间获取n＝256个样本。通过信号重构器214处理的结果示出在348、350和352处具有峰值的物体。

可以从图形320和340的峰值的比较中看到，与常规雷达系统具有相同角分辨率，但具有低存储器和硬件需求的雷达系统200正确地检测物体位置。峰值较低，因为获取对应于较低峰值能量的较少样本。如果增加发射能量，则峰值将变高。

图5示出包括单个发射器和四个接收器链的另外的示例雷达系统400。雷达系统400的发射器可以包括连接到发射天线402的rf放大器404。接收器链中的每一个接收器链可以包括相应天线412a-d、混频器414a-d和滤波器418a-d的串联布置，该滤波器418a-d可以是抗混叠滤波器。滤波器418a-d中的每一个滤波器的输出端可以连接到组合器420。组合器420的输出端可以连接到模/数转换器422。组合器420和模/数转换器422可以被视为压缩器。信号产生器408可以具有到rf放大器404的输入端和每个接收器混频器418a-d的输入端的连接406。

模/数转换器422的输出端可以连接到控制器-处理器424，该控制器-处理器424可以是数字信号处理器。控制器-处理器424可以具有到信号产生器408、信号组合器420和模/数转换器422的控制输出端连接410。控制器-处理器424可以连接到数据存储器432和程序存储器428。应了解，数据存储器432中的一些数据存储器可以用于类似于雷达系统200中的缓冲存储器212从模/数转换器422缓存输入数据。数据存储器432中的一些存储器可以用于类似于雷达系统200中的存储器218存储矩阵180。应了解，雷达系统400中提及的连接可以是物理硬件连接或虚拟软件连接。控制器-处理器424可以连接到系统接口426。系统接口424可以具有用于例如与主机处理器(未示出)通信的接口总线。程序存储器428可以存储用于根据等式9至13执行信号重构的程序。程序存储器426、控制器-处理器424与存储于程序存储器426中并且可由控制器-处理器执行的信号重构软件组合可以视为实施信号重构器。

在雷达系统400的操作中，处理器-控制器424可以使信号产生器408能够在输出端406上产生扫频信号。四个相应接收链中的每一个接收链可以经由天线412a-d接收反射扫频信号。在通过相应混频器416a-d混合之后，解调波形可以具有相对较低的频率，例如，大致40mhz的频率。此相对较低频率信号通常包含深度或距离信息，并且经由相应接收天线412a-d中的每一个接收天线接收到的信号之间的相位差指示反射信号的到达角度。控制器-处理器424可以处理来自接收器链的信息并且根据如先前所描述的等式9至13确定物体的位置。在针对常规4接收器mimo雷达系统每线性调频脉冲仅获取n个样本，而不是4n个样本时，雷达系统400可以通过减小的存储器需求确定物体的位置。此外，雷达系统400在典型的4接收器系统中具有单个模/数转换器412，而不是4个模/数转换器。因此，雷达系统400的功率消耗可以小于常规雷达系统，同时保持相同角分辨率。应了解，在其它例子中，可以使用雷达系统中的多于一个发射器。

图6示出在具有多个接收器和至少一个发射器的雷达系统中确定物体的位置的方法500。在步骤502中，可以发射雷达信号，例如，具有时间周期t的扫频信号。

在步骤504中，可以通过m个天线接收来自一个或多个物体的反射信号。在步骤506中，m个反射信号可以压缩成k个信号，k个信号中的每个信号随后在周期t期间采样n次。

在步骤508中，可以根据由接收器接收到的反射信号的模型确定距离和到达角度的每个值的预期值。预期值可以在距离值矩阵中呈现。如将了解，每个矩阵元素的值可以存储于存储器中以避免重新计算每个元素的预期值。对于n个样本中的每个样本，反射信号可以与矩阵元素中的预期值相比较，并且确定所测量信号值与预期值之间的误差。

在步骤510中，可以对误差项施加限制，该误差项假设大部分矩阵元素为零。例如，这可以是等式9至13中描述的正则化函数。

在步骤512中，可以确定受限误差是最小值的矩阵元素，并且可以确定那些矩阵元素的反射信号的振幅。

在步骤514中，可以根据一个或多个峰值确定一个或多个物体的位置，该一个或多个峰值根据矩阵元素值相对于其相邻矩阵元素的比较来确定。这可以视为指示物体的位置的局部峰值。如将了解，雷达系统可以检测从多个物体的多个反射。

方法500可以允许在具有减少的存储器和处理需求的系统中确定物体的位置。还可以减小接收器中的硬件的复杂性，因为例如，在遵循信号压缩的接收器中可能需要更少硬件元件。

描述一种雷达检测的方法以及一种用于机动车的雷达系统。雷达系统包括：用于发射具有时间周期的雷达信号的发射器；用于接收通过物体反射的所发射雷达信号的多个接收器；具有耦合到接收器中的每一个接收器的多个输入端和至少一个信号压缩器输出端的信号压缩器，该信号压缩器被配置成将接收信号压缩成更少输出信号，每个输出信号具有多个样本。信号重构器具有耦合到信号压缩器输出端中的每一个信号压缩器输出端的至少一个输入端并且被配置成根据压缩信号确定多个信号强度值，每个信号强度值对应于接收信号的相应飞行时间和到达角度值对的信号强度。雷达系统可以通过较少存储器和较低功率消耗检测物体，同时保持角分辨率。

尽管所附权利要求书是针对特定特征组合，但应理解，本发明的公开内容的范围还包括本文中明确地或隐含地公开的任何新颖特征或任何新颖特征组合或其任何一般化形式，而不管其是否涉及与当前在任何权利要求中主张的相同的发明或其是否缓解与本发明所缓解的任一或全部技术问题相同的技术问题。

在单独实施例的上下文中描述的特征也可以组合地提供于单个实施例中。相反，为了简洁起见，在单个实施例的上下文中描述的多种特征也可以分开提供或以任何合适的子组合形式提供。

申请人特此提醒，在审查本申请案或由此衍生的任何另外的申请案期间，可以根据此类特征和/或此类特征的组合而制订新的权利要求。

为完整性起见，还规定术语“包括”不排除其它元件或步骤，术语“一”不排除多个，单个处理器或其它单元可以实现在权利要求中所述的若干构件的功能，且权利要求中的附图标记不应被解释为限制权利要求的范围。