CN110806580A - 移动平台上的雷达***中的振动减轻 - Google Patents

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Abstract

一种对移动平台上的雷达***中的振动进行减轻的方法，包括获得由雷达***的视场中的一个或多个物体对发射信号的反射而产生的接收信号。接收信号是三维数据立方体。该方法还包括处理接收信号以获得第一三维图以及第二三维图，基于利用第二三维图进行的第一探测来估计振动，以及从第一三维图中消除振动以获得校正后的第一三维图。进一步处理校正后的第一三维图得到校正后的第二三维图；以及利用校正后的第二三维图进行第二探测。

Description

移动平台上的雷达***中的振动减轻
引言
本发明涉及移动平台上的雷达***中的振动减轻。
车辆(例如，汽车、卡车、建筑设备、农场设备，以及自动化制造设备)是越来越多地使用传感器来探测其附近物体的移动平台的示例。该探测可用于增强或自动化车辆操作。示例性传感器包括照相机、光探测和测距(激光雷达)***，以及无线电探测和测距(雷达)***。雷达可输出调频连续波(FMCW)信号，更具体地，可输出称为啁啾的线性调频连续波(LFMCW)信号。反射目标的相对运动产生的接收到的反射频率和发射频率之间的偏移称为多普勒频移。传统上，通过使用距离-多普勒图考虑来自调频连续波信号雷达***的信息。在距离-多普勒图中，距离沿着一个轴，多普勒沿着垂直轴。当雷达***位于移动平台(例如车辆)中时，振动会导致雷达***的天线位移并对运行产生不利影响。例如，由于振动，信噪比可能会降低，并且误检可能会增加。因此，减轻移动平台上的雷达***中的振动是可取的。
发明内容
在一个示例性实施例中，在移动平台上的雷达***中振动减轻的方法包括获得由雷达***的视场中的一个或多个物体对发射信号的反射产生的接收信号。接收到的信号是三维数据立方体。该方法还包括处理接收到的信号以获得第一三维图以及第二三维图，基于使用第二三维图执行第一探测来估计振动，以及从第一三维图中消除振动以获得校正的第一三维图。通过进一步处理校正后的第一三维图来获得校正后的第二三维图，以及利用校正后的第二三维图来执行第二探测。
除本文所描述的一个或多个特征之外，雷达***包括多个发射信道和接收信道，发射信号是称为啁啾的线性调频连续波信号，并且获得接收信号包括获得具有时间维度、啁啾维度以及信道维度的三维数据立方体。
除本文所描述的一个或多个特征之外，处理接收信号包括进行快速傅里叶变换和执行波束形成，以及获得具有距离维度、啁啾维度以及波束维度的第一三维图。
除本文所描述的一个或多个特征之外，处理接收信号还包括对第一三维图执行第二快速傅里叶变换，并获得具有距离维度、多普勒维度以及波束维度的第二三维图。
除本文所描述的一个或多个特征之外，对所述振动的估计包括对振动的振幅及频率进行估计。
除本文所描述的一个或多个特征之外，从经校正的第一三维图中获得校正的第二三维图包括对校正的第一三维图执行快速傅里叶变换。
除本文所描述的一个或多个特征之外，移动平台是车辆，并且第二探测提供用于增强或自动化车辆操作的信息。
在另一个示例性实施例中，在移动平台上经受振动的雷达***包括至少一个接收天线，以获得由雷达***的视场中的一个或多个物体对发射信号的反射产生的接收信号。接收信号是三维数据立方体。雷达***还包括处理器，用于处理所接收的信号以获得第一三维图以及第二三维图，基于使用第二三维图的第一探测来估计振动，从第一三维图中消除振动以获得校正后的第一三维图，通过进一步处理校正后的第一三维图获得校正后的第二三维图，并且利用校正后的第二三维图进行第二探测。
除本文所描述的一个或多个特征之外，雷达***包括多个发射信道和多个接收信道，发射信号是称为啁啾的线性调频连续波信号，并且三维数据立方体具有时间维度、啁啾维度以及信道维度。
除本文所描述的一个或多个特征之外，处理器进行快速傅里叶变换以及波束形成，以获得具有距离维度、啁啾维度以及波束维度的第一三维图。
除本文所描述的一个或多个特征之外，处理器还对第一三维图进行第二快速傅里叶变换，以获得具有距离维度、多普勒维度以及波束维度的第二三维图。
除本文所描述的一个或多个特征之外，处理器对所述振动的估计包括对振动的振幅及频率进行估计。
除本文所描述的一个或多个特征之外，处理器通过对校正的第一三维图进行快速傅里叶变换，从校正的第一三维图中获得经校正的第二三维图。
除本文所描述的一个或多个特征之外，移动平台是车辆。
除本文所描述的一个或多个特征之外，处理器基于进行第二探测获得用于增强或自动化车辆操作的信息。
在又一个示例性实施例中，车辆包括经受振动的雷达***。雷达***包括至少一个接收天线，以获得由雷达***的视场中的一个或多个物体对发射信号的反射产生的接收信号。接收到的信号是三维数据立方体。该雷达***还包括处理器，用于处理所接收的信号以获得第一三维图以及第二三维图，基于利用第二三维图进行的第一探测来估计振动，从第一三维图中消除振动以获得校正后的第一三维图，通过进一步处理校正后的第一三维图获得校正后的第二三维图，并且使用校正后的第二三维图进行第二探测。车辆还包括车辆控制器以从第二探测中获得信息以及基于该信息增强或自动化车辆操作。
除本文所描述的一个或多个特征之外，雷达***包括多个发射信道和多个接收信道，发射信号是称为啁啾的线性调频连续波信号，并且三维数据立方体具有时间维度、啁啾维度以及信道维度。
除本文所描述的一个或多个特征之外，处理器进行快速傅里叶变换以及波束形成，以获得具有距离维度，啁啾维度以及波束维度的第一三维图。
除本文所描述的一个或多个特征之外，处理器还对第一三维图进行第二快速傅里叶变换，以获得具有距离维度、多普勒维度以及波束维度的第二三维图。
除本文所描述的一个或多个特征之外，处理器通过对校正的第一三维图进行快速傅里叶变换，从校正的第一三维图中获得经校正的第二三维图。
当结合附图阅读以下详细描述时，本发明的上述特征和优点以及其它特征和优点将变得显而易见。
附图说明
其他特征、优点和细节仅作为示例出现在下面详细描述中，详细描述参照附图，其中：
图1是涉及根据一个或多个实施例的雷达***的场景的框图；
图2是根据一个或多个实施例的对配置在车辆上或车辆中的雷达***中的振动进行减轻的方法的各个方面的工艺流程；
图3是根据一个或多个实施例的对配置在车辆上或车辆中的雷达***中的振动进行减轻的方法的其他方面的工艺流程；以及
图4示出了根据一个或多个实施例的对雷达***中的振动进行减轻的效果。
具体实施方式
以下描述仅为示例性的，并不旨在限制本发明，及其应用或用途。应该理解的是，在整个附图中，相应的附图标记表示相同或相应的部件和特征。如前所述，调频连续波信号雷达发射啁啾，并根据接收到的反射形成距离-多普勒图。反射可视为是具有时间、啁啾以及信道作为三个维度的三维数据立方体。接收反射的典型处理包括相对于距离进行模数转换和快速傅里叶变换(称为距离快速傅里叶变换)。距离快速傅里叶变换的结果是雷达能够探测到的每个发射啁啾范围内的能量分布的指示，并且每个接收信道和每个发射信道都与一个不同的距离快速傅里叶变换相关联。因此，距离快速傅里叶变换的总数是发射的啁啾数和接收信道数的乘积。
然后对距离快速傅里叶变换结果进行多普勒快速傅里叶变换。多普勒快速傅里叶变换也是雷达探测中的已知过程，并且用于获得每个接收信道的距离多普勒图。针对每个接收信道和发射信道对，对于距离-芯片图(利用距离快速傅里叶变换获得)的每个距离单元，同时处理所有的啁啾。多普勒快速傅里叶变换的结果，即距离-多普勒图，指示每个被探测物体的相对速度及其距离。多普勒快速傅里叶变换的数量是距离单元数量和接收信道数量的乘积。
数字波束形成的结果是每个波束的距离-多普勒(相对速度)图。数字波束形成也是已知的过程，并且涉及在针对每个目标反射到达角的每个接收元件处获取复数标量的矢量值，该矢量值从接收信号的矢量以及实际接收到的信号矩阵中获得。数字波束形成基于得到的矢量的复标量的阈值为每个被探测物体提供方位角和仰角。最终从处理接收信号得到的输出是每个物体的距离、多普勒、方位角、仰角，以及振幅。
还注意到，雷达***位于其上或其中的平台(如车辆)的振动会影响信噪比和探测。正因如此，根据一个或多个实施例，对前面讨论的常规工艺流程进行扩充和重新安排以减轻移动平台上的雷达***中的振动。具体地，在多普勒快速傅里叶变换之前执行数字波束形成，并且结果用于消除根据基于执行数字波束形成之后进行的多普勒快速傅里叶变换的探测而估计的振动。
根据示例性实施例，图1是涉及雷达***110的场景的框图。图1中所示的车辆100是汽车101。雷达***110是具有若干发射信道113a到113m(通常称为113)以及若干接收信道114a到114n(通常称为114)的多输入多输出(MIMO)***。发射信道113显示为共享发射发射信号150的示例性发射天线111，并且接收信道114显示为共享接收如图2所示的示例性雷达***110中的结果反射155的示例性接收天线112。在替代或附加实施例中，雷达***110可包括收发器或附加发射天线111以及接收天线112。例如，可能有与发射信道113同样多的发射天线111以及与接收信道114同样多的接收天线112。此外，示例性雷达***110被示出在汽车101的发动机罩下。根据替代或附加实施例，一个或多个雷达***110可位于车辆100中或车辆100上的其他地方。还显示了另一传感器115(例如，摄像机、声呐，以及激光雷达***)。由雷达***110以及一个或多个其他传感器115获得的信息可提供至控制器120(例如，电子控制单元)用于图像或数据处理、物体识别，以及随后的车辆控制。
控制器120可使用信息控制一个或多个车辆***130。在示例性实施例中，车辆100可以是自动驾驶车辆且控制器120可使用来自雷达***110以及来自其他来源的信息进行已知的车辆操作控制。在替代实施例中，控制器120可以使用来自雷达***110以及其他来源的信息作为已知***(例如，避碰***、自适应巡航控制***，以及驾驶员警报)的一部分来增强车辆操作。雷达***110以及一个或多个其他传感器115可用于探测物体140，如图1所示的行人145。控制器120可包括处理线路，其可包括专用集成电路、电子电路、执行一个或多个软件或固件程序的处理器(共享的、专用的、或成组的)以及存储器、组合逻辑电路，和/或提供所描述功能的其他适合的部件。
图2是根据一个或多个实施例的一种对配置在车辆100上或车辆100中的雷达***110中的振动进行减轻的方法200的各个方面的工艺流程。图2中所示的过程产生估计和消除振动所需的信息，参照图3进一步讨论。在方框210处，获得反射155以及执行模数转换指的是控制器120包括模数转换器并提供数字样本215用作进一步处理。如前所述，反射155可以是具有以时间、啁啾、以及信道作为三个维度的三维数据立方体。
在方框220处，对样本215执行距离快速傅里叶变换实质上是指基于发射信号150以及反射155的飞行时间和距离之间的已知关系将三维立方体的时间维度转换为距离。在方框220处执行的距离快速傅里叶变换产生距离-啁啾-波束图225。在方框230处，执行数字波束形成与常规的处理顺序不同，常规的处理顺序通常包括波束形成前的多普勒快速傅里叶变换。在方框230处，波束形成本质上指的是将三维立方体的信道维度转换为定义方位角和仰角的波束。在方框230处执行的波束形成产生距离-啁啾-波束图235。
如图2所示，距离-啁啾-波束图235除了用于在方框240处进行多普勒快速傅里叶变换之外还被提供至方框350(图3)。在方框240处执行的多普勒快速傅里叶变换本质上指的是将三维立方体的啁啾维度转换为多普勒，其表示物体140的相对速度。在方框240处执行的多普勒快速傅里叶变换产生距离-多普勒-波束图245。因为在这个阶段没有进行振动估计和消除，所以在方框250处进行探测指的是使用受振动影响的数据进行探测。在方框250处执行探测产生的探测信号255表示当能量超过距离-多普勒波束图245中的指定阈值时的距离、多普勒(即，相对速度)，以及波束(即，方位角以及仰角)。如图2所示，探测信号255被提供至方框310(图3)。
图3是根据一个或多个实施例的对配置在车辆100上或车辆100中的雷达***110中振动进行减轻的方法200的附加方面的工艺流程。在方框310处，在方框250处执行探测获得的探测信号255用于估计每个探测信号的振动参数。每个探测信号255包括物体多普勒分量和振动效应分量。探测信号255可以表示为：
Figure BDA0002087595760000071
在等式1中，t是时间，n是样本215的指数，fd是与探测信号255相关联的物体140的多普勒频率，Avib是振动的振幅参数，fvib是振动的频率参数。在方框310处，执行估计振动参数Avib以及fvib可基于查找值来最大化以下公式：
Figure BDA0002087595760000072
在等式2中，指标k是K个啁啾，q是频率。
在方框320处，这些过程包括从在方框310处估计的每个探测信号的振动参数Avib和fvib来估计整体振动参数
Figure BDA0002087595760000073
和
Figure BDA0002087595760000074
每个探测信号255的振动参数为沿着雷达***110和与探测信号255相关联的物体140之间的径向矢量。每个探测信号255(使用指标i)的
Figure BDA0002087595760000075
的整体振动振幅是通过使用振动振幅Avib上的旋转函数来估计的。还使用了每个探测信号255的估计方位角azi以及仰角eli：
Figure BDA0002087595760000076
整体振动频率
Figure BDA0002087595760000077
不随到达方向的变化而变化。因此，对于每个探测信号255来说：
Figure BDA0002087595760000078
当I个探测信号255用于估计整体振动参数
Figure BDA0002087595760000081
以及
Figure BDA0002087595760000082
时，提高了估计精度：
Figure BDA0002087595760000083
在方框330处，跟踪振动参数
Figure BDA0002087595760000085
以及
Figure BDA0002087595760000086
指的是在帧与帧之间及时平滑参数以提高他们的精度。滤波器(例如，阿尔法滤波器)用于平滑并且在本质上为当前估计(m)提供了先前估计(m-1)的参数值的加权平均值。滤波器的加权值α可基于平台(例如，车辆100)以及影响雷达***110的因素预先确定。在方框330处使用等式5和等式6获得的滤波值为：
Figure BDA0002087595760000087
Figure BDA0002087595760000088
在方框330处的跟踪(即，滤波)用于在方框340以及350处执行的振动消除。
在方框340处，这些过程包括将振动投射到所有达到方向(视野中的所有方位角和仰角)。如前所述，在所有到达方向上的振动频率都相同。因此，每个到达方向的振动频率确定为：
Figure BDA0002087595760000089
通过使用具有与每个到达方向相关联的方位角
Figure BDA00020875957600000810
和仰角
Figure BDA00020875957600000811
的旋转函数来获得每个到达方向上的振动振幅，如：
Figure BDA00020875957600000812
基于投射的振动，每个波束的振动位移s(t)可由等式9以及等式10中的结果确定为：
Figure BDA0002087595760000091
在方框350处，应用振动消除指的是在原始数据水平上消除估计的振动位移s(t)。每个反射155取决于它的到达方向。因此，对从方框230中获得的距离-啁啾-波束图235的能量值(RCBmap)的啁啾维度进行校正以消除振动的影响，获得校正值C-CRBmap，如下：
Figure BDA0002087595760000092
在方框360处，重复执行多普勒快速傅里叶变换(如在方框240处)，但是使用的是在方框350处获得的距离-啁啾-波束图的校正值C-RCBmap。在方框370处通过使用由方框360处的多普勒快速傅里叶变换产生的距离-多普勒-波束图进行探测指的是在没有振动影响的情况下对物体140进行探测。因此，可基于方框310处的振动估计以及方框340和350处的振动消除进行具有更高信噪比和更高精度的探测370以及消除振动引起的错误警报。
图4说明了根据一个或多个实施例对雷达***中的振动进行减轻的效果。图410-A和图410-B显示了单个距离单元的距离-多普勒-波束结果。具体地，图410-A显示了振动消除前从方框240处产生的距离-多普勒-波束结果，图410-B为振动消除后方框360处产生的距离-多普勒-波束结果。多普勒单元沿轴420表示，以分贝(dB)计的功率沿轴430表示。与图410-A相比，图410-B有更高的信噪比。因此，在振动消除之后就不太可能出现物体140的误检。
虽然本发明已参照示例性实施例进行了描述，但本领域技术人员应理解，在不偏离其范围的情况下，可以对其进行各种更改并可用同等物取代其元件。此外，在不脱离本发明的基本范围的情况下，可以进行许多修改以使特定情况或材料适应本公发明的教导。因此，本公开旨在不限于所公开的特定实施例，而是将包括其范围内的所有实施例。

Claims (10)

1.一种对移动平台上的雷达***中的振动进行减轻的方法，所述方法包括：
获取由所述雷达***的视场中的一个或多个物体对发射信号的反射而产生的接收信号，其中，所述接收信号是三维数据立方体；
处理所述接收信号以获得第一三维图以及第二三维图；
基于使用所述第二三维图执行的第一探测来估计所述振动；
从所述第一三维图中消除所述振动以获得校正后的第一三维图；
通过对所述校正后的第一三维图进行进一步处理得到校正后的第二三维图；及
使用所述校正后的第二三维图执行第二探测。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述雷达***包括多个发射信道和接收信道，所述发射信号是称为啁啾的线性调频连续波信号，获得所述接收信号包括获得具有时间维度、啁啾维度以及信道维度的所述三维数据立方体，以及处理所述接收信号包括执行快速傅里叶变换，执行波束形成，以及获得具有距离维度，啁啾维度以及波束维度的第一三维图。
3.根据权利要求2所述的方法，其中，所述处理所述接收信号还包括对第一三维图执行第二快速傅里叶变换以及获得具有距离维度、多普勒维度以及波束维度的所述第二三维图，以及对所述振动的估计包括对振动的振幅及频率进行估计。
4.根据权利要求2所述的方法，其中，所述从所述校正的第一三维图中获得所述校正的第二三维图包括对所述校正的第一三维图执行快速傅里叶变换。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，所述移动平台是车辆，并且执行所述第二探测提供用于增强或自动化车辆操作的信息。
6.一种在移动平台上经受振动的雷达***，所述雷达***包括：
至少一个接收天线，配置为获得由所述雷达***的视场中的一个或多个物体对发射信号的反射产生的接收信号，其中，所述接收信号是三维数据立方体；及
处理器，配置为处理所述接收信号以获得第一三维图以及第二三维图，基于使用所述第二三维图进行的第一探测来估计所述振动，从所述第一三维图中消除振动以获得校正后的第一三维图，通过进一步处理所述校正后的第一三维图获得校正后的第二三维图，以及使用所述校正后的第二三维图进行第二探测。
7.根据权利要求6所述的雷达***，其中，所述雷达***包括多个发射信道和多个接收信道，所述发射信号是称为啁啾的线性调频连续波信号，所述三维数据立方体具有时间维度、啁啾维度及信道维度，以及所述处理器进一步配置为执行快速傅里叶变换及波束形成以获得具有距离维度、啁啾维度和波束维度的所述第一三维图。
8.根据权利要求7所述的雷达***，其中，所述处理器还配置为对所述第一三维图执行第二快速傅里叶变换以获得具有所述距离维度、多普勒维度以及波束维度的所述第二三维图，并且所述处理器对所述振动的估计包括对振动的振幅和频率进行估计。
9.根据权利要求7所述的雷达***，其中，所述处理器配置为通过对所述校正的第一三维图进行快速傅里叶变换从所述校正的第一三维图中获得所述校正的第二三维图。
10.根据权利要求6所述的雷达***，其中，所述移动平台是车辆，以及所述处理器基于进行所述第二探测获得用于增强或自动化所述车辆操作的信息。
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