雷达装置和雷达信号处理方法与流程

相关申请的交叉引用

本申请要求于2019年1月8日在韩国知识产权局提交的韩国专利申请no.10-2019-0002485的优先权，其公开内容整体以引用方式并入本文。

以下描述涉及雷达技术，更具体地，涉及具有多个发射天线和多个接收天线的雷达装置以及雷达信号处理方法。

背景技术：

已知一种技术，其用于通过顺序地驱动发射天线和接收天线来提高其中部署多个发射天线和多个接收天线的雷达装置的空间分辨率。

技术实现要素：

本发明内容是为了以简化的形式介绍一些概念，其在下面的具体实施例中将进一步描述。本发明内容不旨在标识所要求保护的主题的关键特征或必要特征，也不旨在用于帮助确定所要求保护的主题的范围。

以下描述涉及使用相同数量的天线具有更高空间分辨率的雷达装置。

以下描述涉及一种技术解决方案，其使得雷达装置可以具有多个不同的特性，同时具有固定的天线布置。

在一个总体方面，雷达装置包括多个发射天线和多个接收天线，接收天线非均匀地且线性地部署。在顺序驱动发射天线的同时，考虑到接收天线的非均匀线性布置来处理从接收天线输入的信号，从而计算目标的位置数据。

在另一个方面，在顺序驱动发射天线的同时，从接收天线接收雷达信号并对其进行处理。因此，可以实现比物理天线更多数量的虚拟天线或虚拟接收信道，并且通过虚拟天线或虚拟接收信道的非均匀线性布置有效地实现宽覆盖。

在又一个方面，通过设计待驱动的天线并在物理上固定的天线布置中设计天线的驱动序列来规定多个天线布置。通过选择性地应用多个天线布置，可以用一个物理雷达检测和跟踪多个不同的目标。

根据以下详细描述、附图和权利要求，其它特征和方面将是显而易见的。

附图说明

图1示出了根据本发明示例性实施例的雷达装置的整体配置。

图2是示出根据本发明示例性实施例的传感器信号处理器的一个发送和接收信道的配置的框图。

图3和图4示出了天线的非均匀线性布置的示例性实施例。

图5是示出根据本发明示例性实施例的雷达装置的配置的框图。

图6是示出根据本发明示例性实施例的传感器信号处理器的配置的框图，该传感器信号处理器处理由一个虚拟天线接收的信号。

图7是示出根据本发明示例性实施例的目标位置计算器的配置的框图。

图8示出了虚拟天线的布置和从该布置中提取的一行的示例。

图9是示出根据本发明另一个示例性实施例的目标位置计算器的配置的框图。

图10是示出天线配置相关信息的另一个示例的图。

图11是示出根据本发明示例性实施例的角位置计算器的配置的框图。

在整个附图和详细描述中，除非另外描述，否则相同的附图标号将理解成表示相同的元件、特征和结构。为了清楚、说明和便利，可以夸大这些元件的相对尺寸和图示。

具体实施方式

从将参考附图描述的示例性实施例，本发明的上述和附加方面将变得更加明显。应当理解，除非另有说明或产生矛盾，否则每个实施例的元件可以在实施例内以各种方式组合。

图1示出了根据本发明示例性实施例的雷达装置的整体配置。根据本发明示例性实施例的雷达装置包括多个雷达传感器10-1、10-2…和10-n以及控制器70，控制器以集成的方式控制雷达传感器10-1、10-2…和10-n。每个雷达传感器10-1、10-2…和10-n具有l个发送信道和m个接收信道，并且连接到l个发送天线和m个接收天线。如图所示，每个天线30可以包括馈线31和沿馈线31布置的多个贴片33。当沿馈线31布置具有不同或相同尺寸的贴片33时，可以通过调整贴片33之间的间隔来设计单个天线30的方向特性。根据本发明的示例性实施例，雷达传感器10-1、10-2…和10-n可以是市售的单调频连续波(fmcw)雷达传感器半导体。

图2是示出根据本发明示例性实施例的雷达传感器10的一个发送和接收信道的配置的框图。发送信道包括斜坡发生器193、可变振荡器131和功率放大器111，斜坡发生器用于控制fmcw振荡频率。接收信道包括低噪声放大器113、降频转换器135、中频处理器191和模数转换器(adc)150。信号处理器170根据内部固件控制雷达传感器10，并且包括专用电路、微处理器和数字信号处理器。根据本发明示例性实施例的雷达传感器10在单个芯片中具有四个接收信道和三个发送信道。雷达传感器10通过串行接口连接到外部控制器，并且因此是可编程的。信号处理器170控制可变振荡器131以产生fmcw雷达信号。而且，信号处理器170可以通过对内部微处理器和数字信号处理器进行编程来处理从adc150输出的数字雷达信号。

根据一个方面，雷达装置连接到包括多个发射天线和多个接收天线的天线布置。根据一个方面，多个发射天线和/或多个接收天线是非均匀且线性地部署。作为示例，多个发射天线可以是非均匀且线性地部署，并且多个接收天线可以均匀且线性地部署。作为另一个示例，多个发射天线可以是均匀且线性地部署，并且多个接收天线可以非均匀且线性地部署。作为又一个示例，所有多个发送天线和所有多个接收天线可以分开、非均匀且线性地部署。

在“非均匀且线性地部署”中，“线性地部署”表示沿直线或曲线部署多个天线。而且，“非均匀地部署”表示天线之间的间隔不规则。本发明不排除二维布置。例如，当发射天线交替地部署在两条线中并且接收天线线性地部署时，虚拟天线布置可以具有更高的密度。换句话说，术语“非均匀且线性地部署”被定义为表示这样的天线的布置，其包括其中天线以不规则间隔线性部署的部分。可以部署发射天线和接收天线，使得发射天线的线和接收天线的线彼此交叉。

本申请人于2018年3月27日提交的韩国未审查专利申请no.10-2018-0035463中公开了其中天线非均匀且线性部署的示例。图3和图4示出了在先前申请中公开的天线的非均匀线性布置的示例性实施例。

图3a示出了根据本发明示例性实施例的发送天线和接收天线的物理布置。在附图中所示的示例性实施例中，六个发射天线tx和八个接收天线rx沿着单独的曲线部署。发射天线之间的水平间隔和接收天线之间的水平间隔是0到2个单位的值，也就是说，发射天线和接收天线以不规则的水平间隔部署。此外，发射天线之间的竖直间隔和接收天线之间的竖直间隔是0到1个单位的值，也就是说，发射天线和接收天线在竖直方向上比在水平方向上更紧密地部署，但同样以不规则地间隔部署。

图3b示出了根据图3a所示的示例性实施例的在天线布置中顺序地驱动发送天线的同时通过接收天线接收的接收波束的分布。由于发送天线和接收天线之间的间隔在水平方向上比在竖直方向上更大，所以接收波束在水平方向上比在竖直方向上分布得更广。

接收波束的分布与当单独地驱动物理地部署在相同位置的发射天线和接收天线时接收的波束的分布相同。因此，在本说明书中，将下述单个天线的布置称为“等效虚拟天线布置”，其具有的接收波束分布与其中顺序扫描包括在布置中的多个发送天线和多个接收天线的情况相同。

如图3b所示，当多个发射天线和多个接收天线以不规则的间隔沿曲线部署时，接收波束的分布中的一些位置是空的，但是存在集中的监视区域。而且，如图3b所示，接收波束分布中的接收波束之间的分布间隔(也就是说，虚拟天线布置的天线分布间隔)小于接收波长的一半。因此，可以防止产生不期望的栅瓣。

图4a示出了根据本发明的其它示例性实施例的发送天线和接收天线的物理布置。在附图中所示的示例性实施例中，12个发射天线tx和16个接收天线rx沿着单独的曲线部署。发射天线之间的水平间隔和接收天线之间的水平间隔是0到4个单位的值，也就是说，发射天线和接收天线以不规则的水平间隔部署。此外，发射天线之间的竖直间隔和接收天线之间的竖直间隔是0到1个单位的值，也就是说，发射天线和接收天线在竖直方向上比在水平方向上更紧密地部署，但同样以不规则地间隔部署。

图4b示出了根据图4a所示的示例性实施例的虚拟天线的分布或在天线布置中顺序地驱动发送天线的同时通过接收天线接收的接收波束的分布。由于发送天线和接收天线之间的间隔在水平方向上比在竖直方向上更大，所以接收波束在水平方向上比在竖直方向上分布得更广。当顺序地驱动12个发送天线和16个接收天线时，可以获得与其中空间部署192个虚拟天线的情况相同的效果。

如附图中所示的示例性实施例所示，可以借由将通过使被驱动的物理发射天线移位到被驱动的物理接收天线的位置而获得的所有图案相加来计算对应于物理天线布置的虚拟天线布置。因此，即使当发射天线或接收天线沿直线或曲线以规则间隔部署并且接收天线或发射天线非均匀且线性地部署时，也可以实现由本发明提出的空间广覆盖。

[图5的描述-权利要求1]

图5是示出根据本发明示例性实施例的雷达装置的配置的框图。根据一个方面，雷达装置包括存储器900、传感器信号处理器300和目标位置计算器500。存储器900存储天线配置相关信息。根据天线的布置确定天线配置相关信息。根据物理天线布置的形状确定天线配置相关信息，并且更直接地，根据从物理天线布置导出的虚拟天线的布置确定天线配置相关信息。根据一个方面，天线装置包括多个发射天线和多个接收天线。多个发射天线和/或多个接收天线是非均匀且线性地部署的。在本说明书中，“天线配置相关信息”被定义为反映多个发送天线和多个接收天线的物理静态布置的信息。根据其它方面，可以根据多个发射天线和多个接收天线的动态操作序列来确定“天线配置相关信息”。此种天线配置相关信息可以是反映虚拟天线之间的距离和多普勒数据的计算序列的信息。

在顺序地驱动多个发射天线的同时，传感器信号处理器300根据虚拟天线基于从接收天线布置输入的信号来计算目标距离-多普勒数据。这里，距离数据表示到目标的径向距离，以及多普勒数据表示与径向速度有关的值。例如，当非均匀且线性部署的四个发射天线为(tx1、tx2、tx3、tx4)和非均匀且线性部署的六个接收天线为(rx1、rx2、rx3、rx4、rx5和rx6)时，根据本发明示例性实施例的传感器信号处理器300在发送和接收天线布置中首先在tx1处发送雷达信号，并且在接收天线rx1、rx2、rx3、rx4、rx5和rx6处接收六个信号。随后，传感器信号处理器300在tx2处发送雷达信号，并且在接收天线rx1、rx2、rx3、rx4、rx5和rx6处接收六个信号。随后，传感器信号处理器300在tx3处发送雷达信号，并且在接收天线rx1、rx2、rx3、rx4、rx5和rx6处接收六个信号。随后，传感器信号处理器300在tx4处发送雷达信号，并且在接收天线rx1、rx2、rx3、rx4、rx5和rx6处接收六个信号，从而完成一个发送和接收循环。

根据接收的雷达信号计算目标距离-多普勒数据是众所周知的方法。图6是示出根据本发明示例性实施例的传感器信号处理器300的配置的框图，该传感器信号处理器处理由一个虚拟天线接收的信号。如附图所示，根据本发明示例性实施例的传感器信号处理器300包括距离和多普勒处理器310和目标选择器370。在顺序地驱动多个发射天线的同时，距离和多普勒处理器310根据虚拟天线基于通过多个接收天线输入的信号来计算距离-多普勒数据。

距离和多普勒处理器310可以包括目标距离计算器330和多普勒处理器350。目标距离计算器330根据虚拟天线基于通过接收天线输入的信号来计算距离数据。目标距离计算器330对通过天线所输入的fmcw数字雷达信号进行采样并以调制周期为单位存储fmcw数字雷达信号，以及一维傅里叶变换器331执行傅立叶变换并输出m条距离数据，也就是说，傅里叶系数。

多普勒处理器350根据虚拟天线通过处理所计算的距离数据来计算距离-多普勒数据。多普勒处理器350在二维存储器353中的行方向上存储n条距离数据，距离数据是从目标距离计算器330输出的m个距离索引特定系数值。二维傅立叶变换器351在作为时间轴方向的列方向上访问二维存储器353，并且通过对n条距离数据执行傅里叶变换来生成m条距离-多普勒数据，该数据为l个傅里叶系数。m×n条数据在行方向上具有距离信息并且在列方向上具有多普勒信息，并且被称为距离-多普勒数据。存储器阵列的行方向索引被称为距离索引，以及列方向索引被称为多普勒索引。

随后，目标选择器370使用恒定误报率(cfar)算法371等从表示为(距离索引、多普勒索引)的值373中选择很可能是实际目标的信号的值的位置。例如，此种信号处理应用于图3b或图4b中所示的所有虚拟天线中的每一个虚拟天线。目标选择器370在(距离索引、多普勒索引)对中仅将所选择的数据条提供到目标位置计算器500，从而可以减少数据处理。

再次参考图5，根据一个方面，目标位置计算器500基于布置映射数据来计算目标的位置数据，布置映射数据是通过参考天线配置相关信息根据虚拟天线的二维布置重新布置从传感器信号处理器300输出的虚拟天线特定距离-多普勒数据而获得的。布置映射数据表示可计算数据布置，其已经被重新布置使得可以根据一般雷达信号处理来计算目标位置。根据一个方面，布置映射数据可以表示通过考虑虚拟天线的布置来重新布置目标的距离-多普勒数据而获得的数据，即，通过将目标距离-多普勒数据映射到虚拟天线的布置，使得可以计算目标位置。

[图7的描述-权利要求4和5的详细位置计算]

图7是示出根据本发明示例性实施例的目标位置计算器500的配置的框图。根据本发明示例性实施例的目标位置计算器500包括数据访问控制器510和角位置计算器530。数据访问控制器510参考天线配置相关信息571、根据虚拟天线的二维布置将目标的所选择的虚拟天线特定距离-多普勒数据577重新布置成目标特定布置映射数据，并输出该目标特定布置映射数据。

如附图所示，距离-多普勒数据集573是三维数据集，其中对p个虚拟天线中的每一个虚拟天线布置m×l个距离-多普勒数据。如由虚线形成的正方形所示，数据访问控制器510基于所有p个虚拟天线、从m×l个距离-多普勒数据中提取已通过图6中的目标选择器370确定为很可能是目标的距离-多普勒数据，即，在附图中的彩色位置处的数据条。可以从距离-多普勒数据集573中选择多个目标。数据访问控制器510参考天线配置相关信息571、根据虚拟天线的二维布置将虚拟天线特定距离-多普勒数据577重新布置成目标特定布置映射数据，并输出该目标特定布置映射数据。

布置映射数据是通过重新布置距离-多普勒数据集573中已经被确定为很可能是目标的距离-多普勒数据而获得的数据，使得重新布置的距离-多普勒数据可以与虚拟天线的空间布置匹配。换句话说，如图7所示，距离-多普勒数据集573中的一个目标的距离-多普勒数据577已经布置在根据数据处理结构确定的虚拟天线的阵列序列中。然而，虚拟天线的空间布置是非均匀且线性的，如图8所示。

图8示出了通过顺序地驱动12个发射天线和16个接收天线而实现的192个虚拟天线的示例性布置。虚拟天线的此种布置已在来自图3a的物理布置的图3b和来自图4a的物理布置的图4b中示出。虚拟天线位于彩色单元中。空单元中没有虚拟天线，并且对应于空单元的距离-多普勒数据用0填充。在图7的距离-多普勒数据集573中，记录在彩色单元中的数字是z轴中的阶数或索引，z轴是虚拟天线方向。这些阶数是根据数据处理结构确定的。换句话说，根据以什么序列生成相应虚拟天线的距离-多普勒数据来确定阶数，其中该距离-多普勒数据是通过图6所示的示例性实施例中的目标距离计算器330和多普勒处理器350而生成的并通过目标选择器370收集在存储器中。然而，虚拟天线的空间布置是不均匀且离散的，如图8所示。因此，不可能将一般存在的角位置计算方法应用于与图7的m×l个距离-多普勒数据集573处于相同状态的数据。

在图7的距离-多普勒数据集573中，根据此种数据处理结构，所有192个虚拟天线的距离-多普勒数据按顺序存储在z轴方向上。然而，需要重新布置192个虚拟天线以实际具有如图8所示的空间分布。数据访问控制器510参考天线配置相关信息571以虚拟天线的此种二维布置的阶数将距离-多普勒数据重新布置成按照目标的布置映射数据，并输出该布置映射数据。

提出了两个示例性实施例，以将距离-多普勒数据集573中的特定目标的距离-多普勒数据577重新布置成布置映射数据。

根据一个方面，数据访问控制器510参考天线配置相关信息、根据虚拟天线从一维地布置的目标的所选择的距离-多普勒数据中提取与二维布置的虚拟天线存储器阵列的每个地址相对应的数据并存储相应的数据。在第一示例性实施例中，数据访问控制器510的输出缓冲器可以具有虚拟天线布置中的方位角方向或仰角方向的长度。缓冲器可以具有两种尺寸中的一种尺寸，其根据角位置计算器530是否首先在方位角方向或仰角方向上执行数据处理来确定。例如，在图8中，在下部端部处示出从上部虚拟天线布置中提取的第k方位角方向行。该行具有128的长度，并且在本示例性实施例中，数据访问控制器510的输出缓冲器可以具有128的大小。数据访问控制器510在从图7的距离-多普勒数据集573中提取的一个目标的距离-多普勒数据577中将与角位置计算器530请求的方位角方向行相对应的距离-多普勒数据输出到输出缓冲区，也就是说，将在图8的下端处示出的示例中按照(0、0、0、0、0、8、38、0、0、53......)的阶数重新布置的128条数据输出到输出缓冲区。当方位角方向行的数据处理采用其中多行数据同时处理的并行结构时，输出缓冲器可以增加与并行处理的行数一样多的倍数。此外，当同时处理多个目标的数据时，可以提供与同时处理的目标的数量一样多的数据访问控制器510和角位置计算器。

根据另一个方面，天线配置相关信息571可以在具有与虚拟天线的二维布置相同大小的存储器阵列的每个地址处包括与对应位置的虚拟天线的索引相关的信息。例如，图8的上侧所示的映射可以是天线配置相关信息571的示例。其中存储天线配置相关信息571的存储器是具有与虚拟天线的二维布置相同大小的存储器阵列，也就是说，在这种情况下为128×128的大小。在存储器阵列的相应地址处，记录与地址对应的位置处的虚拟天线的索引。在附图中所示的示例性实施例中，在相应位置处没有虚拟天线的单元用0填充。此种“空”位置的存储器地址可以用特殊字符或可区分的数字填充。数据访问控制器510通过访问其中存储有天线配置相关信息571的存储器的相应部分来提取角位置计算器530所请求的部分的虚拟天线的空间布置信息，并在输出缓冲器中记录通过利用索引信息访问一个目标的距离-多普勒数据577而获得的距离-多普勒数据。记录在输出缓冲器中的数据可以是布置映射数据。

角位置计算器530根据相应目标的布置映射数据计算每个目标的角位置。角位置计算器530还可以通过以与到达均匀且线性部署的一般天线的雷达信号相同的方式处理重新布置的布置映射数据来计算相应目标的角位置。

[图9的描述-权利要求6和7的详细位置计算]

图9是示出根据本发明另一个示例性实施例的目标位置计算器500的配置的框图。根据另一个方面，数据访问控制器510顺序地提取根据虚拟天线一维布置的目标的所选距离-多普勒数据，并参考天线配置相关信息571将提取的距离-多普勒数据存储在虚拟天线的二维布置的存储器阵列的相应地址处。根据其它方面，天线配置相关信息571可以是其中虚拟天线的空间布置的相应地址在虚拟天线特定距离-多普勒数据中的虚拟天线的序列中列出的信息。

在本示例性实施例中，数据访问控制器510可以包括数据重排器511。数据重排器511根据虚拟天线的空间布置、参考天线配置相关信息571将从距离-多普勒数据集573中提取的一个目标的距离-多普勒数据577重新布置成布置映射数据513，并存储布置映射数据513。角位置计算器530可以通过以与到达均匀且线性部署的一般天线的雷达信号相同的方式处理存储在存储器中的布置映射数据513来计算角位置。

如附图所示，距离-多普勒数据573是三维数据集，其中对p个虚拟天线中的每一个虚拟天线布置m×l个距离-多普勒数据。如在由虚线形成的正方形中所示，基于所有p个虚拟天线从m×l个距离-多普勒数据提取彩色位置处的数据。数据重排器511基于所有虚拟天线从距离-多普勒数据集573中提取特定距离-多普勒数据，根据虚拟天线的位置、参考天线配置相关信息571重新布置提取的特定距离-多普勒数据，并将重新布置的特定距离-多普勒数据存储在存储器中作为布置映射数据513。

根据其它方面，天线配置相关信息571可以是其中虚拟天线的空间布置的相应地址在虚拟天线特定距离-多普勒数据中的虚拟天线的序列中列出的信息。图10是示出天线配置相关信息的另一个示例的图。在附图中所示的示例性实施例中，当最左上角是(0，0)时，天线配置相关信息可以是以下阵列访问序列信息：

(5，1)、(4，2)、(1，3)、(5，3)、(3，4)、(2，5)、(5，4)、(4，5)......

数据重排器511从虚拟天线序列中的三维距离-多普勒数据集中提取特定距离-多普勒数据，并根据上述示例性实施例中描述的天线配置相关信息在布置映射数据513的位置处顺序地记录特定距离-多普勒数据。在本示例性实施例中，存储器仅被访问与虚拟天线的数量一样多的次数，并且因此与上面参照图7和图8描述的示例性实施例相比，可以减少存储器访问次数的数量。

[图11的描述-角位置计算器]

图11是示出根据本发明示例性实施例的角位置计算器的配置的框图。

根据本发明示例性实施例的角位置计算器530根据重新布置的布置映射数据计算相应的距离-多普勒数据对的角位置。由于数据条由数据访问控制器510进行对准，因此角位置计算器530可以具有与具有均匀且线性部署的天线的普通雷达中的角位置计算相同的配置。根据示例性实施例，角位置计算器530包括方位角傅里叶变换器531、缓冲存储器533、仰角傅立叶变换器535和精细估计器537。方位角傅里叶变换器531中的每个傅立叶变换器接收通过提取从在方位角方向上的数据访问控制器510输出的布置映射数据而获得的一行数据，对数据执行傅立叶变换，并且将傅立叶变换数据存储在行方向上的缓冲存储器533中。仰角傅里叶变换器535中的每个傅里叶变换器逐列接收从方位角傅里叶变换器531输出并存储在缓冲存储器533中的数据，对数据执行傅立叶变换，并且输出傅立叶变换的数据。精细估计器537将输入傅里叶变换系数阵列投影到波束空间，通过精细估计来计算目标的方位角和仰角，并且输出方位角和仰角。

再次参考图5，根据其它方面，雷达装置还可以包括天线布置输入部分230。天线布置输入部分230在存储器900中接收并存储与新天线配置有关的信息。当改变物理天线的布置时，安装新天线，或者首次初始化雷达装置，可以输入天线配置相关信息。

根据其它方面，雷达装置还可以包括天线操作模式选择器210。天线操作模式选择器210可以根据操作选择指令将多个天线配置相关信息集中的一个天线配置相关信息集应用于雷达装置。作为示例，操作选择指令可以是用户的输入。作为另一个示例，操作选择指令可以是基于控制器的确定的操作选择指令。在存储器900中提供多个天线配置相关信息集。尽管物理天线布置是固定的，但是可以通过选择性地仅驱动一些天线来控制雷达的特性。作为示例，可以通过在保持类似布置的同时减少天线的数量来选择用于以低分辨率快速搜索目标的操作模式。作为又一个示例，可以通过选择性地仅驱动天线中的特定方向的天线来选择其中增加特定方向的灵敏度的操作模式。例如，可以选择性地应用其中水平灵敏度高的水平运行模式和其中竖直灵敏度高的竖直运行模式。

上面参考附图以装置为中心描述了本发明的示例性实施例。然而，雷达信号可以由包括指令的计算机程序处理，这些指令由诸如数字信号处理器或通用处理器的计算元件执行。可以由专用硬件或门阵列实现一些或所有指令。

根据本发明，可以提供一种雷达，该雷达由于非均匀且线性部署的多个接收天线的布置而具有宽覆盖范围。而且，可以使用从均匀且线性部署的天线接收的雷达信号的处理技术来处理从非均匀且线性部署的天线接收的雷达信号。此外，物理上具有一种天线布置的雷达可以提供多种不同的特性。

上面已经描述了许多示例。然而，应该理解，可以进行各种修改。例如，如果所描述的技术以不同的顺序执行和/或如果所描述的系统、架构、设备或电路中的组件以不同的方式组合和/或由其它组件或其等同物替换或补充，则可以实现合适的结果。相应地，其它实现在以下权利要求的范围内。