雷达系统中的故障检测的制作方法

本申请通常涉及雷达系统，更具体地涉及雷达系统中的故障检测。

背景技术：

已经将一类新的安全系统(称为高级驾驶员辅助系统(adas))引入汽车中以减少人为操作错误。这些系统由主要基于毫米波汽车雷达的智能传感器实现。这种可以提供诸如后视摄像机、电子稳定性控制和基于视觉的行人检测系统等功能的辅助系统的激增已经部分地通过微控制器和传感器技术的改进来实现。基于增强的嵌入式雷达解决方案为adas设计人员实现了互补的安全特征。

在汽车雷达系统中，一个或更多个雷达传感器可用于检测交通工具周围的障碍物和检测到的物体相对于交通工具的速度。雷达系统中的处理单元可以基于雷达传感器生成的信号确定所需的适当动作，例如，避免碰撞或减少附带损害。当前的汽车雷达系统能够检测：交通工具周围的物体和障碍物、任何检测到的物体和障碍物相对于交通工具的位置以及任何检测到的物体和障碍物相对于交通工具的速度。例如，经由处理单元，雷达系统可以警告交通工具驾驶员潜在的危险，在危险情况下通过控制交通工具来防止碰撞，接管交通工具的部分控制，或者协助驾驶员停放交通工具。

汽车雷达系统需要满足标题为“roadvehicles-functionalsafety(道路交通工具-功能安全)”的国际标准iso26262的功能安全性规范。iso26262将功能安全定义为不存在由电气/电子系统的故障行为而导致的不合理风险。汽车雷达中的功能安全是防止由于雷达中的组件故障而对人造成伤害。对于汽车雷达，应该知道雷达在大约100毫秒(ms)的容错时间间隔内正常运行。因此，当交通工具工作时，应检测到雷达的任何部分中的故障，该故障将导致降低的信噪比(snr)或障碍物的存在或位置的错误检测，并且在大约100毫秒内执行适当的响应。

技术实现要素：

在所描述的示例中，雷达系统包括：接收信道，其包括复合基带；处理器，其耦合到接收信道，以从复合基带的带内(i)信道接收第一多个数字中频(if)采样以及从复合基带的正交(q)信道接收相应的第二多个数字if采样。处理器被配置为执行指令以基于第一多个数字if采样和第二多个数字if采样计算至少一个故障度量(metric)。

在至少一个示例中，一种用于雷达系统中的故障检测的方法包括：从雷达系统的接收信道的复合基带的带内(i)信道接收第一多个数字中频(if)采样以及从复合基带的正交(q)信道接收相应的第二多个数字if采样，基于第一多个数字if采样和第二多个数字if采样计算至少一个故障度量，以及基于至少一个故障度量确定是否已经发生故障。

附图说明

图1是在接收信道中具有复合基带的示例调频连续波(fmcw)雷达系统的框图。

图2是用于fmcw雷达系统的复合基带中的故障检测的方法的流程图。

图3是示例调频连续波(fmcw)雷达系统的框图。

图4是图3的fmcw雷达中的雷达片上系统(soc)的一个实施例的框图。

具体实施方式

在附图中，为了一致性，相同的元件由相同的附图标记表示。

当例如在操作交通工具中使用雷达系统时，示例实施例提供在雷达系统的(一个或更多个)接收信道中的功能安全监视。更具体地，在各种实施例中，通过基于在每个复合基带的i(带内)信道和q(正交)信道中生成的信号计算一个或更多个故障度量来监视雷达系统中的每个复合基带中的组件的性能。在雷达系统的正常操作期间计算故障度量而不破坏主雷达功能。故障度量可以是复合基带的i信道中的接收的信号与q信道中接收的信号的能量比、复合基带的i信道中的接收的信号与q信道中接收的信号之间的互相关，以及图像频带中的谱含量(spectralcontent)中的一个或更多个。

本文参考调频连续波(fmcw)雷达描述实施例。fmcw雷达经由一个或更多个发射天线发射被称为线性调频信号(chirp)的无线电频率(rf)频率斜坡。此外，可以在被称为帧的单元中发射多个线性调频信号。发射的线性调频信号从雷达的视场(fov)中的任何物体反射，并由一个或更多个接收天线接收。将每个接收天线的接收信号下变频为中频(if)信号，然后进行数字化。在接收到整个帧的数字化数据之后，对数据进行处理以检测fov中的任何物体并识别检测到的物体的范围、速度和到达角。

图1是在接收信道中具有复合基带的示例调频连续波(fmcw)雷达系统的框图。在该示例中，fmcw雷达系统包括本地振荡器发生器(logen)100、发射信道102、接收信道104和数字信号处理器(dsp)106。lo发生器100被配置为生成调频无线电频率(rf)信号用于经由发射信道102传输。发射信道包括耦合到lo发生器100的功率放大器(pa)108以接收和放大rf信号，以及包括耦合到pa的发射天线110以接收放大的信号用于传输。

接收信道104包括：接收天线112，其用于接收经反射的发射的rf信号；低噪声放大器(lna)114，其耦合到接收天线112以接收和放大接收的rf信号；以及复合基带，其耦合到lna114以接收经放大的接收的rf信号。复合基带包括i信道和q信道。每个信道包括混频器116、118，其耦合到lna114以接收信号。每个混频器116、118还耦合到lo发生器100以接收原始rf信号。特别地，i信道中的混频器116接收同相信号，并且q信道中的混频器118接收90度异相信号。混频器116、188混合输入信号以生成相应的iif信号和qif信号。每个混频器116、188用作下变频器，其生成输出信号，该输出信号具有的频率等于从lna114和lo发生器100接收的输入的频率之间的差。

在每个信道中，中频(if)放大器120、122耦合到相应的混频器116、118，以接收相应的if信号。例如，每个if放大器120、122可以包括用于对if信号进行滤波的基带带通滤波器和用于对经滤波的if信号进行放大的可变增益放大器(vga)。模数转换器(adc)124、126耦合到每个if放大器120、122，以接收相应的模拟iif信号和模拟qif信号并将其转换成数字信号。每个adc124、126还耦合到数字信号处理器(dsp)106，以将数字信号提供给dsp106，用于fmcw雷达信号处理。dsp106还可以被编程为执行实现图2的故障检测方法的一个实施例的指令。如参考图3更详细地描述，dsp可以用于使用从复合基带接收的采样来计算一个或更多个故障度量。然后，可以使用一个或更多个故障度量来检测复合基带中的组件的故障(如果有的话)。

图2是用于使用fmcw雷达系统的复合基带的故障检测方法的流程图。假设在单个接收信道中的单个复合基带来描述该方法。对于具有多个接收器的雷达系统，每个接收器具有复合基带，可以对每个复合基带执行该方法。最初，从复合基带的i信道和q信道接收200用于线性调频信号的帧的数字iif采样和数字qif采样。然后计算202来自i信道的信号和来自q信道的信号的dc(直流)偏移。可以将相应的dc偏移计算为来自相应信道的采样的平均值。

然后计算204能量比故障度量m1。能量比故障度量是i信道和q信道中的接收的信号的能量比。期望这个故障度量应该接近单位元素(unity)。通过检查该故障度量是否与单位元素显著不同，可以检测到某些故障。该故障度量可以通过m1＝e{|i|²}/e{|q|²}来计算，其中e{.}表示期望值，即，来自相应i或q信道的采样的均方能量。例如，e{|i|²}可以通过来计算，其中n是i采样的数量。类似地计算e{|q|²}。虽然没有具体示出，但是在计算该故障度量之前从每个采样中减去相应的dc偏移。

还计算206互相关故障度量m2。互相关故障度量测量在i和q信道中接收的信号之间的互相关。期望这个故障度量应该接近于零。通过检查该故障度量是否与零显著不同，可以检测到某些故障。该故障度量可以通过m2＝e{iq}/sqrt(e{|i|²}xe{|q|²})来计算，其中如上所述计算e{|i|²}和e{|q|²}，并且e{iq}由来计算，其中n是i采样和q采样的数量。虽然没有具体示出，但是在计算该故障度量之前从每个采样中减去相应的dc偏移。

还计算208图像频带谱内容故障度量m3。术语“图像频带”指代实际拍频(带内)谱的镜像频谱。在功能性fmcw雷达中，对应于检测到的物体的峰值应仅存在于谱的一侧。通过检查图像频带中的过量内容可以检测到某些故障。更具体地，在没有组件故障的情况下，图像频带谱应该仅包括热噪声。因此，可以通过检查图像频带中的过量或意外(杂散)信号内容，即不代表热噪声的信号内容来检测一些故障。设置该故障度量的值以指示图像频带中是否存在杂散内容。

例如，故障度量可以被计算为图像频带中的能量与接收信道的热噪声水平或总噪声水平的比率。可以使用任何合适的技术来计算该故障度量。例如，在一些实施例中，可以通过计算i+jq采样数据的复合快速傅里叶变换(fft)以及将图像频带区域(bin)(即，负fft区域)与热噪声能量阈值进行比较来计算该故障度量。如果任何图像频带区域超过阈值则指示图像频带中的杂散内容，并且相应地设置m3的值。在一些实施例中，可以通过使复合i+jq数据通过滤波器以仅提取图像频带内容来计算故障度量，以及将经滤波的采样(包含图像频带信号)的能量用作度量。在后一种情况下，将经滤波的采样与热噪声能量阈值进行比较，以检测图像频带中的过量或意外信号内容。

例如，可以凭经验或使用概率分析计算来确定热噪声能量阈值的值，使得在没有任何故障的情况下，存在包括随机热噪声的采样超过阈值的可能性很小。可以通过在功能操作期间观察adc输出采样，或者通过使用操作的特定校准模式(其中接收信道在发射信道(tx)关闭的情况下操作，或者接收信道(rx)在内部tx到rx环回测试模式下操作)，诸如基于生产测试来确定接收信道的预期热噪声水平。

在一些实施例中，可以在图像频带内的子频带中计算谱内容故障度量，从而允许更准确地检测图像频带中的任何杂散内容(尖峰)。相应地，每个子频带中的热噪声会更小，并且因此可以更容易地检测到杂散内容。在这样的实施例中，每个子频带可能需要不同的热噪声阈值，因为每个子频带中的热噪声的量可以变化。可以如上文所描述的那样针对整个图像频带确定每个子频带中的预期热噪声水平。

来自另一个雷达(例如，即将到来的交通工具的雷达)的干扰也可以在使用图像频带谱内容故障度量时导致故障检测。取决于应用，这可能是期望的或不期望的。如果要将干扰的存在视为故障的检测，则可以在无需修改的情况下使用图像频带谱内容故障度量。但是，如果仅仅接收链电路中的永久性故障应该被视为故障的检测，那么每当怀疑存在来自另一个雷达的干扰时，应该有条件地忽略图像频带谱内容度量。来自另一个雷达的这种干扰通常是瞬态现象，仅影响线性调频信号中的少数采样。例如，可以将干扰的存在检测为接收的时域i和q采样中的临时尖峰。另外，例如，时域采样中的临时尖峰可以被确定为i或q时域采样的均方根(也称为二次均值)的函数。如果检测到干扰，则可以忽略图像频带谱内容故障度量。例如，即使度量计算指示了杂散内容，也可以将故障度量m3设置为指示无杂散内容。

来自另一个雷达的干扰应类似地影响i信道和q信道两者。在一些实施例中，如果在时域采样中检测到干扰，则可以将对应于i信道和q信道中的每个中的临时尖峰的时域采样与尖峰检测阈值进行比较。如果一个信道显示尖峰而另一个没有，则可以指示复合基带的故障，例如，尽管检测到实际干扰，但是可以将故障度量m3设置为指示杂散内容。例如，尖峰检测阈值的值可以经验性地确定或使用概率分析计算确定，使得在没有任何故障的情况下，存在采样超过阈值的可能性很小。

参见图2，在计算故障度量之后，使用故障度量来确定210复合基带中是否发生了故障。例如，可以将能量比故障度量m1与阈值进行比较以确定度量是否足够接近于单位元素。类似地，可以将互相关故障度量m2与阈值进行比较以确定度量是否足够接近零。例如，可以经验性地或使用概率分析计算来确定每个阈值，使得在没有任何故障的情况下，存在相应度量超过阈值的可能性很小。此外，检查图像频带谱内容故障度量m3的值以查看在图像频带中是否检测到杂散内容。如果这些故障度量中的任何一个指示故障，则发生雷达系统的故障。

在雷达系统的正常操作期间执行上文描述的方法。鉴于雷达系统的(一个或更多个)复合基带正在正确地运行，故障度量确认没有故障(没有故障度量设计检测的类型)。此外，故障度量对于各种正常操作条件是稳健的。例如，如果雷达系统的fov中没有物体，则接收的信号将是热噪声，对于正确操作的雷达系统(在补偿任何iq失配之后)，这将满足m1≌1和m2≌0并且m3将显示没有杂散谱内容。在另一个示例中，如果一个或更多个物体在雷达系统的fov中，则接收的信号将包含对应于一个或更多个物体的(一个或更多个)拍频音调，其应该位于复合基带谱的一侧。正确运行的雷达系统(在补偿任何iq失配之后)将满足m1≌1和m2≌0并且m3将显示没有杂散谱内容。

表1-4说明了在四个示例场景中的四个示例故障情况下使用故障度量的模拟的结果。表1说明了当i信道中发生增益下降(故障)3db时，使用针对m1的2db的阈值，每个故障度量的模拟故障检测结果。表2说明了当q信道中发生相变(故障)10度时每个故障度量的模拟故障检测结果。表3说明了当q信道发生故障使得只有噪声在与热噪声水平类似的水平上从信道传出时每个故障度量的模拟故障检测结果。表4说明了当q信道发生故障使得只有噪声在与i信道总功率(信号+噪声)类似的水平上从信道中传出时的模拟故障检测结果。

表1

表2

表3

表4

图3是示例调频连续波(fmcw)雷达系统300的框图，该系统300被配置为在交通工具的正常操作期间使用雷达系统的接收信道的复合基带来执行故障检测。示例fmcw雷达系统300包括雷达片上系统(soc)302、处理单元304和网络接口306。参考图4描述雷达soc302的示例架构。

雷达soc302经由高速串行接口耦合到处理单元304。在另一个实施例中，处理单元304可以集成在雷达soc302内。如参考图4更详细地描述的，雷达soc302包括多个接收信道，每个接收信道具有复合基带，该复合基带生成一对数字iif信号和数字qif信号(替代性地称为去线性调频信号、拍频信号或原始雷达信号)，其经由高速串行接口被提供给处理单元304。

处理单元304包括执行雷达信号处理的功能，诸如处理接收的雷达信号以确定任何检测到的物体的距离、速度和角度。处理单元304还可以包括执行对关于检测到的物体的信息的后处理的功能，诸如跟踪物体以及确定移动的速率和方向。此外，处理单元304包括使用每对数字iif信号和数字qif信号执行故障检测的功能。更具体地，处理单元304包括根据图2的方法的实施例，基于复合基带中生成的数字iif信号和数字qif信号针对雷达soc302中的每个复合基带，计算上文描述的度量中的一个或更多个的功能。此外，处理单元304包括基于(一个或更多个)计算的度量使得雷达故障经由网络接口106被指示给交通工具的操作者的功能。

处理单元304可以包括针对使用雷达数据的应用的处理吞吐量所需的任何合适的处理器或处理器的组合。例如，处理单元304可以包括数字信号处理器(dsp)、微控制器(mcu)、结合dsp和mcu处理的soc或现场可编程门阵列(fpga)和dsp。

处理单元304可以根据需要经由网络接口306向交通工具中的一个或更多个电子控制单元提供控制信息。电子控制单元(ecu)是用于交通工具中的任何嵌入式系统的通用术语，其控制交通工具中的一个或更多个电气系统或子系统。ecu的示例类型包括电子/引擎控制模块(ecm)、动力传动系控制模块(pcm)、变速器控制模块(tcm)、制动控制模块(bcm或ebcm)、中央控制模块(ccm)、中央定时模块(ctm)、通用电子模块(gem)，车身控制模块(bcm)和悬架控制模块(scm)。

网络接口306可以实现任何合适的协议，诸如控制器局域网络(can)协议、flexray协议或以太网协议。

图4是示例雷达soc302的框图。雷达soc302可包括用于发射fmcw信号的多个发射信道404和用于接收经反射的发射信号的多个接收信道402。发射信道404是相同的并且包括功率放大器405、407以放大发射的信号和天线。接收信道包括合适的接收器和天线。此外，每个接收信道402是相同的并且包括低噪声放大器(lna)406、408，以放大耦合到复合基带的接收的信号。

每个复合基带包括：正交混频器410、412，其用于将由soc302中的传输生成电路生成的信号与接收的信号混合以生成模拟i和qif信号；一对基带带通滤波器414、416，其用于滤波相应的模拟i和qif信号信号；一对可变增益放大器415、417，其用于放大相应的经滤波的模拟i和qif信号；以及一对模数转换器418、420，其用于将相应的模拟i和qif信号转换为数字i和qif信号。正交混频器410用作下变频器，其生成输出信号，该输出信号具有的频率等于从低噪声放大器接收的输入的频率与传输生成电路之间的差，两者都是无线电频率(rf)信号。接收信道的带通滤波器、vga和adc可以统称为基带链或基带滤波器链。此外，带通滤波器和vga可以统称为if放大器。

接收信道402耦合到数字前端(dfe)组件422，以将数字i和qif信号提供给dfe422。dfe422可包括对数字i和qif信号执行抽取滤波的功能，以降低数据传送速率。dfe422还可以对数字if信号执行其他操作，例如，接收信道中的非理想性的数字补偿，诸如rx间增益不平衡非理想性、rx间相位不平衡非理想性等。dfe422耦合到高速串行接口(i/f)424，以将抽取的数字i和qif信号传送到处理单元306。

串行外围接口(spi)426提供用于与处理单元306通信的接口。例如，处理单元306可以使用spi426将控制信息(诸如线性调频信号的定时和频率、输出功率水平以及监视功能的触发)发送到控制模块428。

控制模块428包括控制雷达soc302的操作的功能。例如，控制模块428可以包括：缓冲器，其用于存储dfe422的输出采样；fft(快速傅立叶变换)引擎，其用于计算缓冲器内容的谱信息；以及mcu，其执行固件以控制雷达soc302的操作。

可编程定时引擎432包括从控制模块428接收雷达帧中的线性调频信号序列的线性调频信号参数值并且基于参数值生成线性调频控制信号的功能，该线性调频控制信号控制帧中的线性调频信号的发送和接收。例如，线性调频信号参数由雷达系统架构定义，并且可以包括发射器启用参数，用于指示启用哪些发射器、线性调频信号频率起始值、线性调频信号频率斜率、线性调频信号持续时间、发射信道何时应进行发射以及何时应收集dfe输出数字用于进一步的雷达处理等的指示符。这些参数中的一个或更多个可以是可编程的。

无线电频率合成器(synth)430包括基于来自定时引擎432的线性调频控制信号生成用于传输的fmcw信号的功能。在一些实施例中，synth430包括具有压控振荡器(vco)的锁相环(pll)。

时钟倍频器440将传输信号(lo信号)的频率增加到混频器410、412的lo频率。清除(clean-up)pll(锁相环)434进行操作以将外部低频参考时钟(未示出)的信号的频率增加到synth430的频率，并从时钟信号中滤除参考时钟相位噪声。

时钟倍频器440、合成器430、定时发生器432和清除pll434是传输生成电路的示例。传输生成电路生成无线电频率(rf)信号作为到发射信道的输入，并作为经由时钟倍频器到接收信道中的正交混频器的输入。传输生成电路的输出可以称为lo(本地振荡器)信号或fmcw信号。

本文描述了示例实施例，其中在帧水平处计算度量。在一些实施例中，对于帧中的每个线性调频信号或针对帧中的线性调频信号序列计算度量。

在另一个示例中，本文描述了实施例，其中计算所有三个度量。在一些实施例中，计算一个度量或计算任何两个度量。

在另一个示例中，本文描述了实施例，其中度量的计算和故障确定在雷达soc外部的处理器中执行。在一些实施例中，度量的计算由雷达soc上的处理器执行，并且结果被传送到soc外部的处理器以用于故障确定，以及度量的计算和故障确定都由soc上的处理器执行，其故障指示被传送到soc外部的处理器。

在另一个示例中，复合基带中的组件中的一个或更多个可不同于本文中所描述的那些。

在另一个示例中，本文参考fmcw雷达描述了实施例，但是实施例对于其他类型的雷达调制是可能的。

在另一个示例中，本文描述了一些实施例，其中雷达系统是交通工具中的嵌入式雷达系统，但是实施例可以用于嵌入式雷达系统的其他应用，诸如监视和安全应用、在工厂或仓库中操纵机器人以及工业液位感测。

在本说明书中，可以以顺序方式示出和/或描述方法步骤，但是附图中示出和/或本文描述的步骤中的一个或更多个可以同时执行、可以组合和/或可以以不同的顺序执行。相应地，实施例不限于附图中示出和/或本文描述的步骤的特定顺序。

实现本文描述的方法的全部或部分的软件指令可以最初存储在计算机可读介质中并由处理器加载和执行。在一些情况下，可以经由可移动计算机可读介质、经由来自另一数字系统上的计算机可读介质的传输路径等来分布软件指令。计算机可读介质的示例包括：不可写存储介质(诸如只读存储器设备)、可写存储介质(诸如磁盘、闪存、存储器或其组合)。

雷达系统中的组件可以通过不同的名称来指代和/或可以以本文未示出的方式组合而不脱离所描述的功能。在本说明书中，术语“耦合”及其派生词意指间接、直接、光学和/或无线电连接。例如，如果第一设备耦合到第二设备，则该连接可以通过直接电连接、通过经由其他设备和连接的间接电连接、通过光电连接和/或通过无线电连接。

在所描述的实施例中，修改是可能的，并且在权利要求的范围内，其他实施例也是可能的。