有效近场雷达匹配滤波器处理

摘要

本发明公开了一种车辆雷达系统和操作雷达的方法。雷达系统包含雷达阵列和处理器。雷达阵列包含至少第一雷达节点和第二雷达节点，第一雷达节点和第二雷达节点中的每一个具有多个子节点。处理器使用第一节点的子节点确定雷达的第一节点的目标的第一远场参数测量值，使用第二节点的子节点确定雷达的第二节点的目标的第二远场参数测量值，及通过校正第一节点与第二节点之间的近场相位差，将第一远场参数测量值与第二远场参数测量值组合，得到目标的联合参数测量值。

权利要求

1.一种操作雷达的方法，包括：

使用第一节点的子节点确定所述雷达的所述第一节点的目标的第一远场参数测量值；

使用第二节点的子节点确定所述雷达的所述第二节点的所述目标的第二远场参数测量值；及通过校正所述第一节点与所述第二节点之间的近场相位差，将所述第一远场参数测量值与所述第二远场参数测量值组合，得到所述目标的联合参数测量值。

2.根据权利要求1所述的方法，其中所述雷达的所述第一节点和所述第二节点形成近场孔径，所述第一节点的所述子节点形成远场孔径，且所述第二节点的所述子节点形成远场孔径。

3.根据权利要求1所述的方法，进一步包括确定与所述第一节点相关联的第一匹配滤波器的第一粗网格参数测量值，以及确定与所述第二节点相关联的第二匹配滤波器的第二粗网格参数测量值。

4.根据权利要求3所述的方法，进一步包括对所述第一粗网格参数测量值进行插值以估算第一细网格上的网格位置处的所述第一远场参数测量值，及对所述第二粗网格参数测量值进行插值以估算第二细网格上的网格位置处的所述第二远场参数测量值。

5.根据权利要求1所述的方法，其中校正所述近场相位差进一步包括将关于选定位置的近场校正应用于所述第一远场参数测量值和所述第二远场参数测量值。

6.一种雷达系统，包括：

雷达阵列，包含至少第一雷达节点和第二雷达节点，所述第一雷达节点和所述第二雷达节点中的每一个具有多个子节点；和处理器，被配置成：

使用所述第一节点的子节点确定所述雷达的第一节点的目标的第一远场参数测量值；

使用所述第二节点的子节点确定所述雷达的第二节点的所述目标的第二远场参数测量值；及通过校正所述第一节点与所述第二节点之间的近场相位差，将所述第一远场参数测量值及所述第二远场参数测量值组合，获得所述目标的联合参数测量值。

7.根据权利要求6所述的雷达系统，其中所述雷达的所述第一节点和所述第二节点形成近场孔径，所述第一节点的所述子节点形成远场孔径，且所述第二节点的所述子节点形成远场孔径。

8.根据权利要求6所述的雷达系统，其中所述处理器进一步被配置成确定与所述第一节点相关联的第一匹配滤波器的第一粗网格参数测量值，并确定与所述第二节点相关联的第二匹配滤波器的第二粗网格参数测量值。

9.根据权利要求8所述的雷达系统，其中所述处理器进一步被配置成对所述第一粗网格参数测量值进行插值以估算第一细网格上的网格位置处的所述第一远场第一参数测量值，并且对所述第二粗网格参数测量值进行插值以估算第二细网格上的网格位置处的所述第二远场参数测量值。

10.根据权利要求6所述的雷达系统，其中所述处理器进一步被配置成将关于选定位置的近场校正应用于所述第一远场参数测量值和所述第二远场参数测量值。

说明书

有效近场雷达匹配滤波器处理

[0001] 引言

[0002] 本发明涉及一种雷达系统和使用方法，特别是涉及用于使用匹配滤波实现雷达阵列中的雷达信号的角分辨率的方法。

[0003] 可在车辆上执行雷达系统以检测车辆路径上的目标，使车辆能够关于目标进行导航。雷达系统可包含位于车辆周围的分离位置处的多个雷达节点。这种雷达系统形成可以提供低分辨率的宽孔径雷达。匹配滤波可用于宽孔径雷达以提高分辨率。然而，直接执行匹配滤波器是复杂的，这是因为阵列中的不同元件由于近场测量值的变化而在不同的距离、角度和多普勒频率下观察每个反射点。因此，需要提供一种在近场情况下将匹配滤波器应用于宽孔径雷达中的信号的有效且实用的方法。

发明内容

[0004] 在一个示例性实施例中，公开了一种操作雷达的方法。方法包含使用第一节点的子节点确定雷达第一节点的目标的第一远场参数测量值，使用第二节点的节点子确定雷达的第二节点的目标的第二远场参数测量值，且通过校正第一节点与第二节点之间的近场相位差，将第一远场参数测量值与第二远场参数测量值相结合，得到目标的联合参数测量值。

[0005] 除了本文描述的一个或多个特征外，雷达的第一节点和第二节点形成近场孔径，第一节点的子节点形成远场孔径且第二节点的子节点形成远场孔径。方法进一步包含确定与第一节点相关联的第一匹配滤波器的第一粗网格参数测量值，以及确定与第二节点相关联的第二匹配滤波器的第二粗网格参数测量值。方法进一步包含对第一粗网格参测量值进行插值来估算第一细网格上的网格位置处的第一远场参数测量值，且对第二粗网格参数测量值进行插值来估算第二细网格上的网格位置处的第二远场参数测量值。校正近场相位差进一步包含将关于选定位置的近场校正应用于第一远场参数测量值和第二远场参数测量值。方法进一步包含进行(i)范围FFT；(ii)多普勒FFT；(iii)波束成形中的至少一个以确定第一远场参数测量值和第二远场参数测量值中的至少一个。方法进一步包含使用联合参数测量值关于目标来对车辆进行导航。

[0006] 在另一示例性实施例中，公开了一种雷达系统。雷达系统包含雷达阵列和处理器。雷达阵列包含至少第一雷达节点和一个第二雷达节点，第一雷达节点和第二雷达节点中的每一个具有多个子节点。处理器被配置成使用第一节点的子节点确定雷达的第一节点的目标的第一远场参数测量值，使用第二节点的子节点确定雷达的第二节点的目标的第二远场参数测量值，且通过校正第一节点与第二节点之间的近场相位差，将第一远场参数测量值与第二远场参数测量值相结合，得到目标的联合参数测量值。

[0007] 除了本文描述的一个或多个特征外，雷达的第一节点和第二节点形成近场孔径，第一节点的子节点形成远场孔径且第二节点的子节点形成远场孔径。处理器进一步被配置成确定与第一节点相关联的第一匹配滤波器的第一粗网格参数测量值，和确定与第二节点相关联的第二匹配滤波器的第二粗网格参数测量值。处理器进一步被配置成对第一粗网格参数测量值进行插值以估算第一细网格上的网格位置处的第一远场第一参数测量值和对第二粗网格参数测量值进行插值以估算第二细网上的网格位置处的第二远场参数测量值。处理器进一步被配置成将关于选定位置的近场校正应用于第一远场参数测量值和第二远场参数测量值。处理器进一步被配置成进行(i)范围FFT；(ii)多普勒FFT；(iii)波束成形中的至少一个以确定第一远场参数测量值和第二远场参数测量值中的至少一个。处理器进一步被配置成使用联合参数测量值关于目标对车辆进行导航。在又一示例性实施例中，公开了一种车辆。车辆包含雷达阵列和处理器。雷达阵列包含至少第一雷达节点和一个第二雷达节点，第一雷达节点和第二雷达节点中的每一个具有多个子节点。处理器被配置成使用第一节点的子节点确定雷达的第一节点的目标的第一远场参数测量值，使用第二节点的子节点确定雷达的第二节点的目标的第二远场参数测量值，通过校正第一节点与第二节点之间的近场相位差，将第一远场参数测量值与第二远场参数测量值相结合得到目标的联合参数测量值，且使用联合参数测量值关于目标来对车辆进行导航。

[0008] 除了本文描述的一个或多个特征外，雷达的第一节点和第二节点形成近场孔径，第一节点的子节点形成远场孔径且第二节点的子节点形成远场孔径。处理器进一步被配置成确定与第一节点相关联的第一匹配滤波器的第一粗网格参数测量值，和确定与第二节点相关联的第二匹配滤波器的第二粗网格参数测量值。处理器进一步被配置成对第一粗网格参数测量值进行插值以估算第一细网格上的网格位置处的第一远场第一参数测量值和对第二粗网格参数测量值进行插值以估算第二细网格上的网格位置处的第二远场参数测量值。处理器进一步被配置成将关于选定位置的近场校正应用于第一远场参数测量值和第二远场参数测量值。处理器进一步被配置成进行(i)范围FFT；(ii)多普勒FFT；(iii)波束成形中的至少一个以确定第一远场参数测量值和第二远场参数测量值中的至少一个。

[0009] 结合附图，根据以下详细描述，上述特征和优点以及本发明的其它特征和优点将变得显而易见。

附图说明

[0010] 其它特征、优点和细节，仅以示例的形式出现在下面的详细描述中，具体描述参照其中的图示：

[0011] 图1展示了根据各种实施例的具有相关轨迹规划系统的车辆；

[0012] 图2展示了用于图1的车辆的雷达阵列的说明性实施例；

[0013] 图3示出了在雷达阵列处孔径大小对信号检测的影响；

[0014] 图4展示了包含彼此分离的第一节点和第二节点的两节点阵列；

[0015] 图5示出了用于使用图4的阵列的第二节点估算目标的参数测量值的远场处理；

[0016] 图6示出了用于从第一远场参数测量和第二远场参数测量获得联合参数测量的方法；和

[0017] 图7展示了示出使用本文所公开的方法的车辆导航方法的流程图。

具体实施方式

[0018] 以下描述本质仅为示范性的，且不意图限制本发明、其应用或用途。应理解，在整个图式中，对应的参考数字表示类似或对应的零件和特征。

[0019] 根据一示例性实施例，图1展示了根据不同实施例的具有以100描述的关联轨迹规划系统的车辆10。通常，轨迹规划系统100确定用于车辆10的自动驾驶的轨迹计划。车辆10通常包含底盘12、车身14、前轮16和后轮18。车身14布置在底盘12上且基本上包围车辆10的组件。车身14和底盘12可共同形成车架。车轮16和18各自以可旋转方式连接到靠近车身14的相应拐角底盘12。

[0020] 在各种实施例中，车辆10为自动驾驶车辆，轨迹规划系统100被并入到自动驾驶车辆10中(以下称为自动驾驶车辆10)。举例来说，自动驾驶汽车10是被自动控制以将乘客从一个地点运送到另一个地点的车辆。在所示出的实施例中，自动驾驶车辆10被描述为轿车，但应了解，也可使用任何其它车辆，包含摩托车、卡车、运动型多用途车(SUV)、休闲车(RV)、船舶、飞机等。在一示例性实施例中，自动驾驶车辆10是所谓的四级或五级自动化系统。四级系统表示“高度自动化”，指的是由自动化驱动系统对动态驱动任务的各个方面进行特定于驱动模式的性能，即使人类驾驶员没有正确地响应进行干预的请求。五级系统表示“完全自动化”，指的是自动驾驶系统在可由人类驾驶员管理的所有道路和环境条件下的动态驾驶任务所有方面的全时性能。

[0021] 如所展示，自动驾驶车辆10一般包含推进系统20、变速系统22、转向系统24、制动系统26、传感器系统28、执行机构系统30、至少一个数据存储装置32和至少一个控制器34。在各种实施例中，推进系统20可包含内燃发动机，例如牵引电动机的电机和/或燃料电池推进系统。变速系统22被配置成根据可选择的速度比将动力从推进系统20传输到车轮16和18根据各种实施例，变速系统22可包含步进比自动变速器，无级变速器或其它合适的变速器。
制动系统26被配置成为车轮16和18提供制动力矩。在各种实施例中，制动系统26可包含摩擦制动器、线控制动器、例如电机的再生制动系统和/或其它适当的制动系统。转向系统24影响车轮16和18的位置。虽然为了说明目的，将转向系统描述为包含方向盘，但是在本发明范围内预期的一些实施例中，转向系统24可能不包含方向盘。

[0022] 传感器系统28包含一个或多个传感装置40a-40n，所述传感装置感测自动驾驶车辆10的外部环境和/或内部环境的可观测条件。传感装置40a-40n可包含(但不限于)雷达、激光雷达、全球定位系统、光学相机、热相机、超声波传感器和/或其它传感器。在各种实施例中，车辆10包含雷达系统，雷达系统包含雷达传感器阵列，雷达阵列的雷达传感器位于沿车辆10的不同位置处。在操作中，雷达传感器发出电磁脉冲48，所述电磁脉冲被传感器视野中的一个或多个物体50反射回车辆10中。致动器系统30包含一个或多个致动器装置42a-42n，所述致动器装置控制一个或多个车辆特征，例如(但不限于)推进系统20、变速系统22、转向系统24和制动系统26。在各种实施例中，车辆特征可进一步包含内部和/或外部车辆特征，例如(但不限于)门，行李箱和舱室特征，例如通风，音乐，照明等(未标号)

[0023] 控制器34包含至少一个处理器44和计算机可读存储装置或媒体46。处理器44可以是任何定制的或商业上可用的处理器，中央处理单元(CPU)、图形处理单元(GPU)、与控制器34相关联的若干处理器中的辅助处理器、基于半导体的微处理器(呈芯片或芯片组的形式)、宏处理器，其任何组合或通常用于执行指令的任何装置。例如，计算机可读存储装置或媒体46可包含呈只读存储器(ROM)、随机存取存储器(RAM)和保持活动存储器(KAM)形式的易失性存储器和非易失性存储器。KAM是可用于在处理器44断电时存储各种操作变量的持久性或非易失性存储器。计算机可读存储装置或媒体46可使用许多已知存储器装置中的任何一种来执行，例如PROM(可编程只读存储器)、EPROM(电PROM)、EEPROM(电可擦除PROM)、闪存或任何存储器装置，或能够存储数据的其它电、磁、光学或组合存储器装置，其中一些表示由控制器34用于控制自动驾驶车辆10的可执行指令。

[0024] 指令可包含一个或多个单独的程序，每个程序包含用于执行逻辑功能的可执行指令的有序列表。当由处理器44执行指令时，指令接收并处理来自传感器系统28的信号，执行用于自动控制自动驾驶车辆10的组件的逻辑、计算、方法和/或算法，且基于逻辑、计算、方法和/或算法生成控制信号到执行机构系统30以自动控制自动驾驶车辆10的组件。尽管图1中仅展示了一个控制器34，但自动驾驶车辆10的实施例可包含任何数量的控制器34，所述控制器通过任何合适的通信媒体或通信媒体的组合进行通信，并且协作以处理传感器信号、执行逻辑、计算、方法和/或算法，且生成信号以自动控制自动驾驶车辆10的特征。

[0025] 轨迹规划系统100根据确定目标和/所述目标在车辆环境中的位置来对自动驾驶车辆10进行导航。在各种实施例中，控制器34操作车辆10上的各个位置处的多个雷达以使用插入近场反应使用对反应的近场假设的校正来确定目标50的位置(即，范围、仰角和方位角)。所确定的位置可单独或结合由单一雷达系统获得的类似参数使用，以提供目标50的距离、方位角和/或高程用于导航目的。在确定目标的各种参数(例如范围、方位角、仰角、速度等)后，控制器34可操作一个或多个致动器装置42a-n、推进系统20、变速系统22、转向系统24和/或制动器26，以关于目标50来对车辆10进行导航。

[0026] 图2展示了用于图1的车辆10的雷达阵列200的说明性实施例。雷达阵列200是包含多个雷达节点202a、202b、...、202n的宽孔径雷达。出于说明性目的，图2的雷达阵列200包含五个雷达节点。每一雷达节点202a、...、202n包含多个具有小孔径的子节点。雷达节点202n被扩大以详细展示多个子节点204a、...、204n。出于说明性目的，选定雷达节点202n包含四个子节点。然而，任何数量的子节点可包含在节点中，且任何数量的节点可包含在雷达阵列200中。通常，每一节点将具有与雷达阵列200的其它节点相同数量的子节点。子节点通常是雷达系统200的雷达天线或雷达收发器。

[0027] 图3示出了在雷达阵列处孔径大小对信号检测的影响。相对孔径大小近场等式和远场等式是否为可应用的。远场场景通常由到物体的距离大于2D2/λ时定义，其中D是阵列的长度，λ是雷达测试信号的波长。第一雷达阵列300示出了远场间隔。第二雷达阵列310示出了近场间隔。在各种实施例中，第一阵列300代表图2中的子节点204a、...、204n，且第二阵列310代表图2中的节点202a、...、202n。

[0028] 子节点阵列的孔径d为子节点204a、...、204n所跨越的距离。由于孔径d的尺寸相对较小，子节点204a、...、204n被认为在远场场景中接收信号，目标被认为是在无穷远处。对于大约10厘米的小孔径和4毫米的波长，远场条件适用于距离大于约5米的目标。在远场场景中，每一子节点处的到达角相同或基本相同。类似地，从每一子节点处的信号波形的相关性(而不是载波相位测量值)获得的所测得的距离与每一子节点处的所测得的多普勒测量值相同或基本相同。因此，在每个子节点204a...，204n处的反射点位置和相位，范围和多普勒测量之间存在相对简单的关系。

[0029] 第二雷达阵列310展示跨越孔径D的节点202a、...、202n之间的近场间隔。对于阵列300的近场间隔，每个节点的到达角(θ0、θ1、θ2、θ3)是不同的。同样，范围(r1、r2、r3、r4)对于每一节点是不同的，且多普勒测量值彼此不同。因此，反射点位置与节点处的测得的相位、距离和多普勒频率之间存在复杂的关系。

[0030] 本发明公开了确定目标的雷达参数，例如范围、多普勒和角度的方法，所述方法首先使用节点的子节点处的测量值获得参数的远场估算值。然后，将远场估算值在阵列的节点上组合。组合远场估算值包含基于阵列的节点的间隔应用近场校正。下面进一步详细讨论这些方法。

[0031] 图4展示了包含彼此分离的第一节点202a和第二节点202b的双节点阵列400。阵列中心402展示在第一节点202a与第二节点202b之间的中间。第一匹配滤波器404与第一节点202a相关联以用于处理与第一节点202a相关联的远场测量值。将第一匹配滤波器404应用于雷达检测，以从检测中获得参数测量值的估算值。第一匹配滤波器404在空间上定义具有多个网格点的粗网格。网格点匹配滤波器的复数值表示为(x1、x2、....、xN)。将第一匹配滤波器404应用于检测提供参数测量值的估算值。特别地，网格点及其相关的复数值可被进一步处理以获得在粗网格点之间的位置处的精细网格上的信号插值点。

[0032] 在各种实施例中，通过利用位于关于第一节点202a的距离d1处的目标50来反射源信号以自目标接收信号。插值通过使用第一匹配滤波器404的粗网格复数值(x1、x2、....、xN)和第一匹配滤波器404的网格点的已知位置来确定信号的位置和复数值。插值展示于等式(1)中：

[0033] y1＝＝(AHA)-1AHa0x  等式(1)

[0034] 其中

[0035] x＝[x1 x2 x3 x4]T  等式(2)

[0036] 和

[0037] A＝[a1 a2 a3 a4]  等式(2)

[0038] 其中a1、a2、a3和a4是对于分别对应于网格点x1、x2、x3和x4的每个反射点位置的预期阵列响应的向量，且a0是对于精细网格上的期望点处的反射点的阵列响应。

[0039] 图5示出了使用阵列400的第二节点202b来估算目标50的参数测量值的远场处理。第二匹配滤波器504与第二节点202b相关联。将第二匹配滤波器504应用于雷达检测，以从检测中获得参数测量值的第二估算值。

[0040] 图6示出了用于从第一远场参数测量值y1和第二远场参数测量值y2获得联合参数测量值的方法。使用以下等式(3)将远场参数测量值组合：

[0041] z＝y1exp(j2πd1/λ)+y2exp(j2πd2/λ)  等式(3)

[0042] 其中d1是第一节点202a的中心点与第一参数测量值的反射点位置之间的距离，d2是第二节点202b的中心点与第二参数测量值的反射点位置之间的距离，λ是雷达系统的源信号的波长。

[0043] 图7展示了示出使用本文所公开方法的车辆导航方法700的流程图。在框702中，从雷达阵列的第一节点和第二节点处的目标接收信号。在框704中，将与第一节点相关联的基于远场假设计算的第一匹配滤波器应用于第一节点的接收信号，以确定第一粗网格的网格点处的第一节点的参数测量值。在框706中，对第一粗网格处的参数测量值进行插值以确定不在第一粗网格的网格点上的第一细网格上的位置处的第一远场参数测量值。在框708中，将与第二节点相关联的基于远场假设计算的第二匹配滤波器应用于第二节点的所接收信号，以确定第二粗网格上的第二节点的参数测量值。在框710中，对第二粗网格处的参数测量值进行插值以确定不在第二粗网格的网格点上的第二细网格上的位置处的第二远场参数测量值。应理解，在替代实施例中，可以在已获得第一和第二粗网格参数测量值后进行对第一和第二粗网格参数测量进行插值。在框712中，在第一节点与第二节点之间使用近场相位差校正以将第一远场参数测量值与第二远场参数测量值组合，以获得联合参数测量值。在框714中，使用联合参数测量值关于目标来对车辆进行导航。

[0044] 虽然已参考示例性实施例进行描述，但本领域技术人员将理解，在不脱离其范围的情况下，可进行各种修改且可用等效物代替其元件。另外，在不脱离本发明的实质范围的情况下，可以进行许多修改以使特定情况或材料适用于本发明的教示。因此，本发明不限于所公开的特定实施例，且将包含落入其范围内的所有实施例。