雷达系统的制作方法

本公开涉及用于检测物体的雷达系统，具体地涉及已调制雷达系统。

背景技术：

传统雷达系统发射已调制或脉冲信号以确定物体的性质，如到物体的距离或物体的速度。例如，在频率调制连续波(fmcw)雷达中，雷达信号的频率被调制，当雷达信号从物体反射时产生关于到物体的距离的信息。

fmcw或脉冲雷达系统的共同问题是它们遭受雷达系统(具有多个天线的一个雷达)内或雷达系统(具有重叠视野的多个雷达)之间的干扰。在雷达系统中，可以通过实施时域复用来减少干扰，但这会增加雷达周期时间，这对某些应用来说不是选项。在雷达系统之间，减少干扰的一种方法是同步系统之间的转变时间，但这只是用户可以控制所有传感器的雷达周期时间的确定性环境的选项。在用户不具有对雷达系统的任何控制的随机环境中，如多个车辆可能正在发射其自己的雷达信号的汽车环境，它将会失败。另一种方法是使用“检测与修复”算法来补偿干扰，但这些仅适用于少量干扰，并为信号处理系统增加额外的处理负载。

特别与fmcw雷达相关联的另外的问题是与产生频率调制的分量的线性度相关联的性能下降。在基于fmcw的雷达中，信号由压控振荡器(vco)生成，该压控振荡器可由外部数模转换器(dac)或锁相环(pll)控制。通常，频率调制是线性斜坡的函数。斜坡中的任何非线性将导致性能下降，因为在每个检测到的目标附近生成旁瓣，并且系统的基底噪声会增加。所产生的旁瓣和系统的噪声基底的增加将掩盖可能以其它方式被检测到的弱目标。高度线性的vco需要更大的芯片面积，这会增加系统成本，并且需要更高的能量消耗来维持系统的线性度，特别是更大的带宽。

与这种雷达系统相关联的额外问题是对用于超宽带系统的高速模数转换器(adc)以及例如多模式应用所需的用于改变实时带宽的仅有限能力的需要。

技术实现要素：

根据本公开的第一方面，提供了一种检测物体的方法，该方法包括：

通过以下操作生成传输信号：

生成载波信号；以及

用传输调制信号对该载波信号进行数字调制；

发射该传输信号；

接收反射信号，该反射信号已经从该物体反射；

对该反射信号进行解调以提取所接收调制信号；

将该所接收调制信号与该传输调制信号进行相关；以及

根据该所接收调制信号与该传输调制信号的相关确定该物体的距离。

将该所接收调制信号与该传输信号相关确保距离的确定基于该雷达系统发射的信号，从而去除与其它雷达系统相关联的噪声。例如，在密集的雷达环境中，如自动驾驶车辆将遇到的环境，这可能特别有用。每辆车将发出其自己的雷达信号，可能会造成大量的干扰。本公开的方法通过使用相关从所接收信号中提取该特定系统的雷达信号来帮助克服此干扰。

另外地，该所接收调制信号与已发射信号的相关容易提供对已发射与所接收信号之间的延迟时间的指示，使得能够确定该系统与该物体之间的距离。

在一些实施例中，可以对该传输调制信号进行成形，使得该传输调制信号的自相关包括delta函数或由delta函数组成，或者与delta函数近似。例如，该自相关可以包括具有比该自相关中的任何其它波峰的振幅大至少5倍或至少10倍的振幅的中心波峰。该中心波峰可以是具有0.2或更小或者0.1或更小的变化的高斯函数。

如果该传输调制信号的自相关包括如delta函数的尖峰，则如果该所接收调制信号是该传输调制信号的反射，那么该传输调制信号与该所接收调制信号的相关也将产生尖峰。这使得能够容易识别自相关(即，该所接收调制信号是该已发射调制信号的反射的情况)，并且便于更精确地确定距离，因为可以以比更宽的波峰更高的精确度从尖峰的位置确定延迟时间。

在一些实施例中，可以从一组正交调制信号中选择该传输调制信号，使得来自该组的一个信号与来自理想(无噪声)条件下的该组的不同信号的相关产生零振幅信号，即该组中的信号彼此不相关。

如果该雷达系统使用来自该组的一个信号，并且其周围的任何其它系统使用来自该组的不同信号，则由该雷达系统对所接收信号执行的相关将去除或减少该雷达系统与其它雷达系统之间的串扰。

在一些实施例中，该方法可以包括：

生成多个传输信号，其中每个传输信号都是通过以下操作生成的：

生成载波信号；以及

用传输调制信号对该载波信号进行数字调制，该传输调制信号选自一组正交调制信号；

其中用与该组正交调制信号不同的传输调制信号对每个传输信号进行数字调制，使得每个传输信号的该传输调制信号与该多个传输信号中的所有其它传输信号的传输调制信号正交。以及

发射每个传输信号；以及

将该所接收调制信号与每个传输调制信号进行相关；

从该所接收调制信号与每个传输调制信号的相关中识别一个或多个相关；以及

根据该一个或多个相关确定该物体的距离。

每个传输信号可以例如由不同天线发射，或通过时分复用从同一天线发射。这种实施例的方法允许所接收调制信号对应地由于已发射信号中的每一个的反射而被分成单独贡献。例如，如果多个传输信号一个接一个发射并且从朝着雷达系统移动的物体反射，使得稍后的传输信号的反射与较早的传输信号的反射重叠，则该方法允许将所接收信号分成来自已发射信号中的每一个的单独贡献。例如，这可以允许确定物体的速度。

在一些实施例中，该方法可以另外包括：

接收多个反射信号；

对每个反射信号进行解调以从这些反射信号中的每一个中提取所接收调制信号；

将每个所接收调制信号与每个传输调制信号进行相关；

从每个所接收调制信号与每个传输调制信号的相关中识别一个或多个相关；以及

根据该一个或多个相关确定该物体的距离。

此方法提供了多输入、多输出(mimo)雷达系统。该方法允许根据每个反射信号重构每个传输信号的反射。因此，例如，如果发送三个传输信号并且检测到三个反射信号，则该方法有效地生成九个虚拟接收的调制信号。这可以增加雷达系统的角度分辨率，而不必改变该系统的天线的物理结构。

在一些实施例中，每个传输信号可以基本上同时发射，例如每个传输信号可以在其它信号的1μs内开始发射。每个传输信号可以从对应天线发射，和/或每个反射信号可以用对应天线接收。

在一些实施例中，该方法可以另外包括根据该相关或一个或多个相关确定该物体的速度或该物体的角位置。例如，可以确定多个时间间隔开的相关，并且进行傅里叶变换(例如，使用快速傅里叶变换(fft)算法)以产生物体的速度。

在一些实施例中，调制该载波信号或载波信号可以包括调制该载波信号的相位、频率或振幅。

在一些实施例中，该传输调制信号或每个传输调制信号可以包括重复信号模式。在一些这种实施例中，该方法可以另外包括以低于该信号的奈奎斯特采样率(即，信号的带宽的两倍)的速率对该所接收调制信号或每个所接收调制信号进行数字采样。通过使用这种子采样方法，可以在不需要快速模数转换器(adc)的情况下使用超宽带宽信号。当信号重复时，可以从这些重复中采样完整信号。

根据本公开的第二方面，提供了一种用于检测物体的雷达系统，该雷达系统包括：

载波信号发生器；

数字调制信号发生器；

数字调制器，其被配置成通过用由该数字调制信号发生器生成的传输调制信号对由该载波信号发生器生成的载波信号进行数字调制来生成传输信号；

发射天线，其用于发射该传输信号；

接收天线，其用于接收反射信号；

解调器，其被配置成从该反射信号中提取所接收调制信号；以及

数字信号处理器，其包括相关器，该相关器被配置成将该所接收调制信号与该传输调制信号进行相关，并且其中该数字信号处理器被配置成确定该物体的距离。

该发射天线可以是与接收天线相同的天线。

在一些实施例中，该雷达系统可以包括：

多个数字调制信号发生器，每个调制信号发生器被配置成生成一组正交调制信号中的单独一个正交调制信号；以及

多个数字调制器，每个调制器被配置成通过用来自该多个数字调制信号发生器中的单独一个数字调制信号发生器的传输调制信号调制该载波信号来生成单独的传输信号，

其中该相关器被配置成将该接收到调制信号与每个传输调制信号进行相关，并且其中该数字信号处理器被配置成从该所接收调制信号与每个传输调制信号的相关中识别一个或多个相关，并且根据该一个或多个相关确定该物体的性质。

在一些实施例中，该雷达系统可以另外包括：

多个解调器，每个解调器被配置成从多个所接收信号中的单独一个所接收信号中提取所接收调制信号，

其中该相关器被配置成将每个所接收调制信号与每个传输调制信号进行相关，并且其中该数字信号处理器被配置成从每个所接收调制信号与每个传输调制信号的相关中识别一个或多个相关，并且根据该一个或多个相关确定该物体的性质。

在一些实施例中，该雷达系统可以包括：

多个发射天线，每个传输天线用于发射该多个传输信号中的单独一个传输信号；以及

多个接收天线，每个接收天线用于接收该多个反射信号中的单独一个反射信号。

在一些实施例中，该雷达系统可以另外包括模数转换器，该模数转换器被配置成将这些所接收调制信号或这些所接收调制信号之一转换为数字信号。该模数转换器(adc)可以被配置成以低于该信号的奈奎斯特采样率的速率对该所接收调制信号进行采样。这可以允许使用低速adc采集超宽带信号，从而避免使用上述快速adc的问题。该雷达系统可以另外包括跟踪与保持放大器，该跟踪与保持放大器被配置成保持该所接收调制信号中的信号并将该信号传递给该adc以用于采样。

该雷达系统可以包括第一adc与第二adc，以分别对该经解调所接收调制信号的同相与正交相位分量进行采样。

本发明的这些及其它方面将根据以下描述的实施例而变得显而易见并参考这些实施例进行说明。

附图说明

将参考附图仅通过例子来描述实施例，在附图中：

图1示出了根据本公开的示例雷达系统；

图2示出了示例传输调制信号的自相关性质；

图3示出了来自一组传输调制信号的两个示例信号的正交；

图4示出了示例传输调制信号；

图5示出了可替换示例雷达系统；

图6示出了另外可替换示例雷达系统；

图7示出了从反射信号确定物体的速度的方法；并且

图8示出了检测物体的方法。

应注意，附图是图解的并且不是按比例绘制的。在附图中，为了清晰和方便起见，已经以夸大或减小的大小示出了这些图的部分的相对尺寸和比例。在经修改且不同的实施例中，相同的附图标记通常用于指代相应或相似特性。

具体实施方式

图1示出了用于基于二进制相移键控(bpsk)调制发射和接收经数字调制的雷达信号的示例雷达系统100的图示。

雷达系统100包括由本地振荡器101驱动的数字信号发生器102。数字信号发生器102生成传输调制信号，该传输调制信号然后由低通滤波器103进行滤波。由调制器104使用bpsk调制将传输调制信号调制到载波上。在示出的例子中，通过对本地振荡器101的输出进行倍频来提供载波信号，但是在其它例子中，第二本地振荡器可以用来生成载波信号。一旦生成，已调制信号就由功率放大器105放大，并通过天线106发射。

已发射信号可以被物体反射。该反射被天线107(其可以是与天线105相同的天线)检测为反射信号，并且被可变增益放大器108放大。解调器109用于从反射信号中提取已调制信号。解调器109由倍频的本地振荡器101(或由第二本地振荡器，如果使用的话)生成的载波信号驱动，并且分别提取所接收调制信号的同相(i)和正交相位(q)分量。在由低通滤波器110进行低通滤波之后，所接收调制信号的两个分量由跟踪与保持放大器111和模数转换器(adc)112进行采样。

在可选地用相干加法器对多个所接收信号求平均来增加信号的信噪比之后，然后将经采样信号传递到数字信号处理器(dsp)113。dsp包括相关器114与傅里叶变换器115。以下更详细地描述傅里叶变换器115。

相关器114将所接收调制信号与已发射调制信号进行互相关(在重新组合所接收调制信号的两个相位分量之后)。如下所述，对两个调制信号的相关提取所接收调制信号的部分，该部分是已发射调制信号的反射，从而去除来自外部雷达源或来自其它经内部发射的传输信号的贡献。所产生的相关可用于确定到物体的距离。

在优选实施例中，传输调制信号被成形为使得其自相关函数接近delta函数。图2的上半部分示出展示理想自相关函数的传输调制信号201。当信号201与其自身相关时，所产生的相关包括尖锐的中心波峰202。当这种传输调制信号201在雷达系统101中使用并且与其自身在所接收调制信号中的反射相关时，所产生的相关还将包括尖峰。波峰将以与信号的传输与接收之间的时间相对应的延迟时间为中心——即，波峰的位置标识反射信号的飞行时间，根据该飞行时间可以计算出到物体的距离。

即使使用如传输调制信号203等非理想信号，相关仍然包括由旁瓣205包围的尖锐的中心波峰204。只要中心波峰204明显大于旁瓣，例如大5或10倍，仍然可以容易地识别中心波峰204。因此，非理想调制信号203仍然可以在雷达系统100中用于确定到物体的距离。

系统100中使用的传输调制信号可以选自一组正交信号。如图3的上半部分中示出的，该组信号中的任何两个不同信号301、302的互相关产生零振幅相关303。如果雷达系统100用于雷达密集的环境中，则此性质特别有用。如果所有附近的雷达系统使用与雷达系统100所使用的该组信号不同的信号，则可以避免系统之间的串扰。如果由天线107收集由任何其它系统发射的信号，则已发射调制信号与那些收集的信号的相关将导致零振幅相关。如图3的下半部分中示出的，只要任何波峰明显小于已发射调制信号的自相关波峰，例如小5倍或10倍，甚至可以在雷达系统100中使用具有低正交性的传输信号304、305。如下面更详细描述的，当雷达系统自身发射多个传输信号时，使用从一组正交信号中选择的信号也是有用的。

如图4中示出的，传输调制信号400可以包括一系列重复序列401a-n，例如每个持续时间为0.5μs(或每个持续时间在5μs与0.1μs之间)。通过重复该信号n次，所接收调制信号可以由adc112进行二次采样，而不会丢失任何数据。例如，如图4中示出的，adc112在第一序列401a中的点402处，在第二序列401b中的点403处以及在第n序列401n中的点404处采样。为了实现这一点，adc112可以由来自本地振荡器101的信号驱动，该信号被二进制分频器116以因子n分频。以此方式，全传输调制信号可以低于奈奎斯特采样率(即，信号带宽的2倍)的速率被采样，从而允许使用比将以其它方式需要的更慢的adc。因此，即使是低速adc也可用于对超宽带宽信号进行采样。

图5示出了可替换雷达系统500。系统500基本上类似于系统100，并且图中的类似部件已用相应的附图标记标出(例如图5中的本地振荡器501对应于图1中的本地振荡器101)。与雷达系统100相比，雷达系统500使用正交相移键控将数字传输信号调制到载波信号上。数字信号发生器502生成数字调制信号的i相位与q相位两者，两者均由低通滤波器503滤波，并由调制器504调制到载波上。除了这个差别之外，雷达系统500与系统100操作类似，接收反射信号并将所接收调制信号与已发射调制信号相关。

图6示出了另外的可替换雷达系统600，其是mimo雷达系统。与上述例子不同的是，当单个传输调制信号经由传输信号从单个发射天线发射时，雷达系统600生成并发射来自多个发射天线606a-c的多个(在示出的例子中是三个)传输信号。系统600还通过多个接收天线607a-c接收多个(在示出的例子中也是三个)反射信号。

该多个传输信号中的每一个与系统100中的传输信号基本相似地产生。本地振荡器601驱动多个数字信号发生器601a-c。每个信号发生器601a-c从一组正交信号中生成不同的信号，使得任何两个数字传输信号的相关产生零振幅信号，如图4中示出的。每个生成的传输调制信号使用低通滤波器(图6中未示出)进行滤波，并且通过对应调制器604a-c调制到载波上以生成传输信号。传输信号由功率放大器605放大，并由对应天线606a-c发射。

每个接收天线607a-c接收反射信号。每个反射信号可以包括该多个已发射信号的组合。所接收调制信号由对应的解调器609a-c从每个反射信号中提取，由低通滤波器(图6中未示出)滤波，并由adc612a-c经由跟踪与保持放大器(也在图6中未示出)采样。如在系统100和500中，所接收调制信号的i相位与q相位可以在被传递到数字信号处理器(dsp)613之前被单独采样，并且可选地求平均。

数字信号处理器613包括相关器614。相关器614将每个所接收调制信号与每个传输调制信号单独地相关。如果所接收调制信号的任何部分是传输调制信号中的一个的反射，则所接收调制信号与该传输调制信号的互相关将产生自相关函数。由于传输调制信号的正交性，所接收调制信号的与该已发射调制信号相对应的那部分与任何其它传输调制信号的互相关将产生零振幅信号。

以此方式，相关器614可以分别从每个所接收调制信号中提取每个传输调制信号的反射，并且如上面针对系统100所描述的那样，针对来自相关的每个信号计算到物体的距离。实际上，雷达系统600具有九个不同的虚拟接收天线617，而不需要九个物理天线的天线空间。dsp613中的mimo分析器618可以像虚拟天线617检测到一样重构已发射信号的路径，并且到达方向(doa)跟踪器619可以使用此信息计算反射物体的doa。因此，与传统的雷达系统相比，mimo雷达系统600提供增加的角分辨率，而不需要用于大量接收天线的物理空间。

尽管在图6中系统600包括三个发射天线和三个接收天线，但是可以使用任何数量的天线。接收天线的数量不需要等于发射天线的数量。例如，三个发射天线可以发射三个传输信号，但是一个接收天线仅可以接收一个反射信号。上述相关方法可用于提取每个传输信号对单个所接收信号的贡献。

dsp613还包括离散傅里叶变换(dft)块618。如图7中示出的，dft块618可用于确定物体的速度。系统100和500的傅里叶变换器118和518也执行类似的方法来确定物体的速度。

如图7中示出的，在这种情况下并入车辆701中的雷达系统发射传输信号701。从物体703、704反射信号(在这种情况下人703与另一车辆704)，并且反射信号705由雷达系统检测。如上所述分析反射信号，产生相关706。图7示出了一个这种相关的结果。第一波峰707是由于人703比其它车辆704更靠近车辆701。稍后的第二波峰708指示车辆704的位置。通过发射与接收多个信号来确定多个时间间隔开的相关。例如使用fft算法对结果进行傅里叶变换以导出每个物体相对于车辆701的速度。

图8示出了例如使用雷达系统100、500或600检测物体的方法800。

在步骤801处，通过生成载波信号并且用传输调制信号对载波信号进行数字调制来生成传输信号。

在步骤802处，发射传输信号。

在步骤804处，接收反射信号，该反射信号已经从物体反射。

在步骤805处，对反射信号进行解调以提取所接收调制信号。

在步骤806处，将所接收调制信号与传输调制信号进行相关。

在步骤807处，根据所接收调制信号与传输调制信号的相关确定物体的距离。

通过阅读本公开，其它变化与修改对本领域技术人员将是显而易见的。这种变化与修改可能涉及雷达系统领域中已知的并且可代替本文所描述的特征或除了这些特征之外使用的等效与其它特征。

尽管所附权利要求书针对特征的特定组合，但是应该理解，本发明的公开距离还包括任何新颖特征或在本文中明确地或隐含地公开的特征的任何新颖组合或其任何概括形式，不论它是否涉及与任一项权利要求中当前要求的相同发明，以及它是否与本发明所做那样同样地减轻了这些相同技术问题中的任何或所有。

在单独的实施例的上下文中描述的特征还可以组合形式提供在单个实施例中。相反，为简便起见而在单个实施例的上下文中描述的各个特征也可以单独地或以任何适合的子组合的方式提供。本申请人特此发出通知，在本申请或源于其的任何另外申请的实施期间，可针对这种特征和/或这种特征的组合确定出新的权利要求。

出于完整性考虑，还声明，术语“包括”不排除其它元件或步骤，术语“一个(a/an)”不排除多个，并且权利要求书中的附图标记不应被解释为限制权利要求书的距离。