CN113391257A - 用于物件的角度估测的运算装置及物件的角度估测方法 - Google Patents

用于物件的角度估测的运算装置及物件的角度估测方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种用于物件的角度估测的运算装置及物件的角度估测方法。在这方法中，取得运算量变化因素，并依据运算量变化因素改变角度扫描精细度。运算量变化因素是基于线性调频信号的雷达回波所得出，且运算量变化因素相关于MUSIC算法的运算量。角度扫描精细度是用于确定MUSIC算法中的多个所欲评估角度，且至少一个物件的角度是由那些所欲评估角度分别经MUSIC算法运算所得出。藉此，可同时兼顾角度分辨率及***崩溃预防。

Description

用于物件的角度估测的运算装置及物件的角度估测方法
技术领域
本发明涉及一种雷达技术，尤其涉及一种用于物件的角度估测的运算装置及物件的角度估测方法。
背景技术
多信号分类(Multiple Signal Classification，MUSIC)算法是一种用于无线电测向的算法。MUSIC算法相较于常规离散快速傅里叶变换(Discrete Fast FourierTransform，DFFT)算法，可在角度上提供更高分辨率的检测结果。然而，MUSIC算法的运算复杂度高于DFFT算法，更导致较长的处理时间。图1是物件检测与信号的时序图。请参照图1，假设一组线性调频信号(chirp)所形成一个帧(frame)的传送周期为信号周期Tframe。数字信号处理器(Digital Signal Processor，DSP)对雷达回波经前端电路处理后的数字数据的获得、针对距离的一维处理、针对速度及距离的二维处理、恒虚警率(Constant FalseAlarm Rate，CFAR)检测、基于MUSIC算法的角度估测等处理耗费信号获取时间TAcuisition与检测处理时间TInterframe。若角度估测的运算量增加，则可能会进一步使用到部分或全部的剩余运算时间TMargin，甚至超出信号周期Tframe而导致***崩溃且影响功耗。
发明内容
本发明是针对一种用于物件的角度估测的运算装置及物件的角度估测方法，通过改变角度扫描精细度来降低运算量，从而避免***崩溃。
根据本发明的实施例，物件的角度估测方法包括下列步骤：取得运算量变化因素，并依据运算量变化因素改变角度扫描精细度。运算量变化因素是基于线性调频信号的雷达回波所得出，且运算量变化因素相关于MUSIC算法的运算量。角度扫描精细度是用于确定MUSIC算法中的多个所欲评估角度，且至少一个物件的角度是由那些所欲评估角度分别经MUSIC算法运算所得出。
根据本发明的实施例，用于物件的角度估测的运算装置包括(但不限于)内存及处理器。内存存储用于运算装置的角度估测方法所对应的程序代码。处理器耦接内存，并经配置用以执行程序代码。角度估测方法包括下列步骤：取得运算量变化因素，并依据运算量变化因素改变角度扫描精细度。运算量变化因素是基于线性调频信号的雷达回波所得出，且运算量变化因素相关于MUSIC算法的运算量。角度扫描精细度是用于确定MUSIC算法中的多个所欲评估角度，且至少一个物件的角度是由那些所欲评估角度分别经MUSIC算法运算所得出。
基于上述，本发明实施例用于物件的角度估测的运算装置及物件的角度估测方法，反应于雷达回波所得出检测结果的变化而取得MUSIC算法的运算量变化因素，并据以改变用于MUSIC算法的角度扫描精细度，从而改变使用MUSIC算法的运算量，进而改变处理器的总运算时间且避免***崩溃。
附图说明
包含附图以便进一步理解本发明，且附图并入本说明书中并构成本说明书的一部分。附图说明本发明的实施例，并与描述一起用于解释本发明的原理。
图1是物件检测与信号的时序图；
图2为为依据本发明实施例的雷达装置的方块示意图；
图3为依据本发明实施例的物件检测方法的流程图。
附图标号说明
Tframe：信号周期；
TAcuisition：信号获取时间；
TInterframe：检测处理时间；
TMargin：剩余运算时间；
100：雷达装置；
110：发射电路；
120：接收电路；
130：前端电路；
140：处理器；
150：内存：
160：运算装置；
TA：目标物件；
DS：检测信号；
TS：传送信号；
MS：数字信号；
RS：接收信号；
S310～S330：步骤。
具体实施方式
现将详细地参考本发明的示范性实施例，示范性实施例的实例说明于附图中。只要有可能，相同组件符号在附图和描述中用来表示相同或相似部分。
图1为依据本发明实施例的雷达装置100的方块示意图。请参照图1，雷达装置100包括但不限于：发射电路110、接收电路120、前端电路130、处理器140、及内存150。雷达装置100可应用于诸如物体识别、车用辅助***、定位、测速、地形观测、军事或误差校正等领域。雷达装置100可能是独立装置，或经模块化而装载于其他装置，非用以限制本发明的范畴。
发射电路110及接收电路120分别用以通过天线(图未示)无线地发射传送信号TS及接收目标物件TA反射的接收信号RS(即，雷达回波)。发射电路110及接收电路120也可执行诸如低噪声放大、阻抗匹配、混频、升频或降频转换(即，混波)、滤波、放大、模拟至数字/数字至模拟转换及其类似者的模拟信号处理操作。接收电路120将接收信号RS经前述操作处理(例如，放大、基于传送信号TS的降频转换、滤波、模拟至数字转换等，但不限于此)后即可产生检测信号DS。
前端电路130耦接发射电路110及接收电路120，并提供数字信号MS(例如，基于本地振荡器(Local Oscillator，LO)或合成器(synthesizer)产生的线性调频信号(chirp))给发射电路110以产生传送信号TS。以线性调频连续波(FMCW)为例，线性调频信号是其频率随时间线性增加的正弦曲线。
接收电路120依据传送信号TS对接收信号RS混波(降频)，以产生中频信号(转成数字形式后可作为检测信号DS)。接收信号RS的线性调频信号为传送信号TS的线性调频信号的延迟版本(两者之间的时间间隔代表的是往返路程时间，且往返路程时间代表信号在雷达装置100与物件之间往返的时间)。
处理器140耦接接收电路120，处理器140并经组态以处理数字信号且执行根据本发明的例示性实施例的程序，并可存取或载入内存150所记录的数据和软件模块。在一些实施例中，前端电路130和/或处理器140的功能可通过使用诸如中央处理单元(CentralProcessing Unit，CPU)、微处理器、微控制器、数字信号处理器(Digital SignalProcessor，DSP)、场可程序化逻辑门阵列(Field Programmable Gate Array，FPGA)等可程序化单元来实施。前端电路130和/或处理器140的功能也可用独立电子装置或集成电路(Integrated Circuit，IC)实施，且前端电路130和/或处理器140的操作亦可用软件实现。
内存150耦接处理器140，内存150可以是任何型态的固定或可移动随机存取内存(Random Access Memory，RAM)、闪存(Flash Memory)、传统硬盘(Hard Disk Drive，HDD)、固态硬盘(Solid-State Disk，SSD)、非易失性(non-volatile)内存或类似组件或上述组件的组合的存储器。于本实施例中，内存150用于存储缓存的或永久的数据(例如，检测信号DS对应的检测结果、运算量变化因素、角度扫描精细度等)、程序代码、软件模块、操作***、应用程序、驱动程序等数据或文件，且其详细内容待后续实施例详述。值得注意的是，内存150所记录的程序代码是用于雷达装置100或运算装置160的角度估测方法，且后续实施例将详加说明这角度估测方法。
需说明的是，在一些实施例中，处理器140和内存150可能被独立出来而成为运算装置160。这运算装置160可以是台式电脑、笔记本电脑、服务器、智能手机、平板计算机的装置。运算装置160与雷达装置100还具有可相互通讯的通讯收发器(例如，支持Wi-Fi、蓝牙、以太网络(Ethernet)等通讯技术的收发器)或将两者以实体传输线相互耦接，使运算装置160可取得来自雷达装置100的检测信号DS(可记录在内存150中以供处理器140存取)。
为了方便理解本发明实施例的操作流程，以下将举诸多实施例详细说明本发明实施例中雷达装置100和/或运算装置160的运作流程。下文中，将搭配雷达装置100和运算装置160中的各项组件和模块说明本发明实施例所述的方法。本方法的各个流程可依照实施情形而随之调整，且并不仅限于此。
图3为依据本发明实施例的物件检测方法的流程图。请参照图3，处理器140取得运算量变化因素(步骤S310)。具体而言，运算量变化因素是相关于MUSIC算法的运算量。在MUSIC算法的流程中，将对关联矩阵(由数组天线分别对应的检测信号DS所形成)特征分解(eigen-decomposition)，分解出相互正交的信号子空间(由具有最大特征值的特征向量所形成)与噪声子空间(由剩余特征值的特征向量所形成)，进而建构出空间谱图。接着，自空间谱图中搜寻多个峰值对应的角度，即可作为物件的角度/方位。
在一实施例中，运算量变化因素是物件数量。值得注意的是，在每个帧的传送周期(例如，图1的信号周期Tframe)中，处理器140会针对每个物件估测各自对应的角度。由此可知，角度估测时间将随物件数量增加而增长(例如，角度估测时间为物件数量与每个物件所需估测时间的乘积)，进而增加MUSIC算法的运算量/时间。
在另一实施例中，运算量变化因素是剩余运算时间(例如，图1的剩余运算时间TMargin)。请参照图1，假设其他处理时间(例如，信号获取、一维处理、二维处理等)固定不变，角度估测的运算时间将随物件数量增加而压缩剩余运算时间TMargin(信号周期Tframe包括剩余运算时间TMargin及实际运算时间(诸如一维处理、二维处理、恒虚警率(Constant FalseAlarm Rate，CFAR)检测、基于MUSIC算法的角度估测等处理的所需时间，以实际运算时间统称)，例如，信号周期Tframe是剩余运算时间与实际运算时间的总和，故剩余运算时间TMargin减少)。
又一实施例中，运算量变化因素包括物件数量及剩余运算时间两者。
另一方面，运算量变化因素可基于线性调频信号的雷达回波所得出。物件数量可由恒虚警率检测或其他物件数量检测方式得出。例如，雷达回波反映在待测距离上的强度(功率(power))大于强度阈值的数量可作为物件数量。在一些实例中，物件数量也可能经由用户、或外部装置输入而取得。
此外，剩余运算时间可以是前一组线性调频信号所形成的帧的信号周期(即，上一个信号周期)与处理器140的实际运算时间(或称为所需时间)的差值、或先前多个帧(即，前几个信号周期)对应的差值的平均值、中位数或众数。即，信号周期相关于剩余运算时间与实际运算时间的总和。在一些实例中，剩余运算时间也可能经由用户、或外部装置输入而取得。
接着，处理器140依据运算量变化因素改变角度扫描精细度(步骤S330)。具体而言，由于角度估测时间相关于物件数量与每个物件所需估测时间的乘积，因此可通过改变每个物件所需估测时间来改变角度估测时间。值得注意的是，为了提供较好的角度分辨率，在建构空间谱图的过程中，现有技术可能会尽可能地增加代入MUSIC算法的所欲评估角度(一个或更多个物件的角度例如是自那些所欲评估角度分别经MUSIC算法运算所得出功率强度中对应物件数量的峰值所对应的角度所得出)。例如，在-90度至90度的角度范围内每间隔1度(即，步长(step size)为1度)作为所欲评估角度。然而，增加所欲评估角度势必会增加运算时间，进而增加每个物件所需估测时间。
在本发明实施例中，处理器140将通过改变角度扫描精细度来改变每个物件所需估测时间。角度扫描精细度是用于确定MUSIC算法中的那些所欲评估角度。在一实施例中，角度扫描精细度相关于前述步长，且处理器140可改变角度范围内相邻的二个所欲评估角度之间的角度大小(即，前述步长)。需说明的是，所有的所欲评估角度都只介于这角度范围之间。相同角度范围下，步长的数值越大，则角度扫描精细度越低，并使每个物件所需估测时间越短。相反而言，相同角度范围下，步长的数值越小，则角度扫描精细度越高，并使每个物件所需估测时间越长。例如，在-90度至90度的角度范围内，由步长1度增加为2度，所欲评估角度的数量将减少一倍。
在另一实施例中，角度扫描精细度相关于角度范围，且处理器140可改变角度范围。相同步长下，角度范围越小，则角度扫描精细度越低，并使每个物件所需估测时间越短。相反而言，相同步长下，角度范围越大，则角度扫描精细度越高，并使每个物件所需估测时间越长。例如，步长维持在1度，角度范围由-90度至90度缩减为-70度至70度，所欲评估角度的数量将减少。需说明的是，角度范围的确定可能相关于应用情境。例如，用于汽车上任一侧盲点侦测的角度范围为-80度至0度。
表(1)是关于不同步长及角度范围对应的角度估测时间的实验范例。
表(1)
步长(度) 角度范围(度) 平均角度估测时间
1 -90:90 0.437
1 -80:80 0.434
1 -70:70 0.425
2 -90:90 0.405
2 -80:80 0.396
2 -70:70 0.393
3 -90:90 0.386
3 -80:80 0.384
3 -70:70 0.383
又一实施例中，处理器140可同时改变步长及角度范围。
另一方面，运算量变化因素会影响角度扫描精细度的改变方式。在一实施例中，处理器140可依据物件数量改变角度扫描精细度。其中，角度扫描精细度是相关于每个物件所需估测时间(与物件数量的乘积相关于使用MUSIC算法的角度估测时间)。因此，若物件数量越多，则处理器140可减少角度扫描精细度，以避免***崩溃。若物件数量越少，则处理器140可增加角度扫描精细度，以提升角度分辨率。
在另一实施例中，处理器140可依据剩余运算时间所占一个帧的信号周期的比例改变角度扫描精细度。若欲避免***崩溃，则剩余运算时间的大小会影响角度估测时间。若所占比例越高，则角度估测时间将有更多容许的运算时间，且处理器140可增加角度扫描精细度。若所占比例越低，则角度估测时间将有少量容许的运算时间，且处理器140可减少角度扫描精细度。
又一实施例中，处理器140可依据物件数量及所占比例两者改变角度扫描精细度。例如，表(2)是关于不同物件数量及所占比例与步长及角度范围的对照表范例。处理器140可依据这对照表及输入的物件数量及所占比例确定步长及角度范围。
表(2)
所占比例(α) 物件数量(β) 步长(度) 角度范围(度)
α>0.3 β<10 1 -90到90
0.1<α<0.3 10<β<30 2 -80到80
α<0.1 β>30 3 -70到70
需说明的是，基于不同设计需求，角度扫描精细度的数值确定可能不同。例如，若有降低运算量为主的需求(可能进一步减少功耗)，则可能尽量增加步长。又例如，若有一定角度分辨率的需求，则可能步长和/或角度范围的大小有特定限制。本发明实施例并未加以限制角度扫描精细度的确定手段。
另外，在一实施例中，本实施例的角度估测方法，还提供参数(或其相关输入接口)的动态调整机制，让使用者输入当前的环境参数(例如，所在的时间、地点、天候状况或周边的交通信息等)，并让处理器140依据使用者输入操作对应的环境参数且结合人工智能(例如，参数推论(inference)或分类(classification))与其他预设的查找表，动态决定步长与角度范围等角度扫描精细度相关参数，据此让运算装置160可对应提供完整且合适的角度分辨率。需说明的是，动态调整机制非用以限制本发明的范畴。
综上所述，本发明实施例用于物件的角度估测的运算装置及物件的角度估测方法，可基于物件数量和/或剩余运算时间，改变步长和/或角度范围(即，角度扫描精细度)。藉此，可在具有一定角度分辨率的情况下避免运算时间过长而导致***崩溃。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (12)

1.一种物件的角度估测方法，其特征在于，包括：
取得运算量变化因素，其中所述运算量变化因素是基于线性调频信号的雷达回波所得出，且所述运算量变化因素相关于MUSIC算法的运算量；以及
依据所述运算量变化因素改变角度扫描精细度，其中所述角度扫描精细度是用于确定所述MUSIC算法中的多个所欲评估角度，且至少一物件的角度是由所述多个所欲评估角度分别经所述MUSIC算法运算所得出。
2.根据权利要求1所述的物件的角度估测方法，其特征在于，所述运算量变化因素包括所述至少一物件的物件数量，且依据所述运算量变化因素改变所述角度扫描精细度的步骤包括：
依据所述物件数量改变所述角度扫描精细度，其中
反应于所述物件数量越多，减少所述角度扫描精细度；以及
反应于所述物件数量越少，增加所述角度扫描精细度。
3.根据权利要求1所述的物件的角度估测方法，其特征在于，依据所述运算量变化因素改变所述角度扫描精细度的步骤包括：
改变角度范围内相邻的二所述所欲评估角度之间的角度大小。
4.根据权利要求1所述的物件的角度估测方法，其特征在于，依据所述运算量变化因素改变所述角度扫描精细度的步骤包括：
改变角度范围，其中所述所欲评估角度只介于所述角度范围之间。
5.根据权利要求3或权利要求4所述的物件的角度估测方法，其特征在于，还包括：
依据使用者输入操作对应的环境参数改变所述角度扫描精细度。
6.根据权利要求1所述的物件的角度估测方法，其特征在于，所述运算量变化因素包括剩余运算时间，且依据所述运算量变化因素改变所述角度扫描精细度的步骤包括：
依据所述剩余运算时间所占信号周期的比例改变所述角度扫描精细度，其中所述信号周期是多个所述线性调频信号所形成帧的传送周期，所述信号周期包括所述剩余运算时间及实际运算时间，且
反应于所述比例越高，增加所述角度扫描精细度；以及
反应于所述比例越低，减少所述角度扫描精细度。
7.一种用于物件的角度估测的运算装置，其特征在于，包括：
内存，存储用于所述运算装置的角度估测方法所对应的程序代码
处理器，耦接所述内存，并经配置用以执行所述程序代码，所述角度估测方法包括：
取得运算量变化因素，其中所述运算量变化因素是基于线性调频信号的雷达回波所得出，且所述运算量变化因素相关于MUSIC算法的运算量；以及
依据所述运算量变化因素改变角度扫描精细度，其中所述角度扫描精细度是用于确定所述MUSIC算法中的多个所欲评估角度，且至少一物件的角度是由所述多个所欲评估角度分别经所述MUSIC算法运算所得出。
8.根据权利要求7所述的用于物件的角度估测的运算装置，其特征在于，所述运算量变化因素包括所述至少一物件的物件数量，且所述角度估测方法还包括：
依据所述物件数量改变所述角度扫描精细度，其中
反应于所述物件数量越多，减少所述角度扫描精细度；以及
反应于所述物件数量越少，增加所述角度扫描精细度。
9.根据权利要求7所述的用于物件的角度估测的运算装置，其特征在于，所述角度估测方法还包括：
改变角度范围内相邻的二所述所欲评估角度之间的角度大小。
10.根据权利要求7所述的用于物件的角度估测的运算装置，其特征在于，所述角度估测方法还包括：
改变角度范围，其中所述所欲评估角度只介于所述角度范围之间。
11.根据权利要求9或权利要求10所述的用于物件的角度估测的运算装置，其特征在于，所述角度估测方法还包括：
依据使用者输入操作对应的环境参数改变所述角度扫描精细度。
12.根据权利要求7所述的用于物件的角度估测的运算装置，其特征在于，所述运算量变化因素包括剩余运算时间，且所述角度估测方法还包括：
依据所述剩余运算时间所占信号周期的比例改变所述角度扫描精细度，其中所述信号周期是多个所述线性调频信号所形成帧的传送周期，所述信号周期包括所述剩余运算时间及实际运算时间，且
反应于所述比例越高，增加所述角度扫描精细度；以及
反应于所述比例越低，减少所述角度扫描精细度。
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