CN114144697A - 用于内插虚拟孔径雷达跟踪的***和方法 - Google Patents

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Abstract

一种用于内插虚拟孔径阵列雷达跟踪的方法，包括：发射第一探测信号和第二探测信号；在雷达阵列处接收第一反射探测信号；在雷达阵列处接收第二反射探测信号；根据第一反射探测信号和第二反射探测信号中的至少一者来计算目标距离；将第一反射探测信号的信号实例对应于雷达阵列的物理接收器元件；将第二反射探测信号的信号实例对应于雷达阵列的虚拟元件；内插信号实例；计算第一目标角度；以及根据目标距离和第一目标角度计算跟踪目标相对于雷达阵列的位置。

Description

用于内插虚拟孔径雷达跟踪的***和方法
相关申请的交叉引用
本申请是2018年7月11日提交的第16/032,369号美国专利申请的部分延续，该美国专利申请是2018年1月30日提交的第15/883,372号美国专利申请的延续，所有这些申请通过本引用以其整体并入。
技术领域
本发明总体上涉及雷达领域，并且更具体地涉及用于内插虚拟孔径雷达跟踪的新的且有用的***和方法。
背景
传统的基于阵列的接收器通过使用波束成形(例如，数字波束成形)测量在阵列(如图1所示(1D阵列))内不同接收器(或天线)处接收的探测信号之间的时间或相位差来计算方位角和/或仰角(elevation)。使用发射阵列而不是接收器阵列可以产生类似的效果。这些传统解决方案是受限制的：角度分辨率取决于阵列中元件的数量以及阵列与目标之间的角度：
Figure BDA0003432793130000011
其中，N是阵列中的元件的数量，以及d是它们之间间隔的距离。
虽然阵列内插(array interpolation)可以用来提高这种***的分辨率，但是典型的内插方案需要具有亚半波长(sub-half-wavelength)间隔的均匀阵列，并且可能对非内插***的改进有限。
因此，在雷达领域中需要创建用于内插虚拟孔径雷达跟踪的新的且有用的***和方法。本发明提供了这种新且有用的***和方法。
附图简述
图1是1D接收器阵列雷达***的现有技术示例图；
图2A是在SAR跟踪中物理孔径的示例视图；
图2B是在SAR跟踪中虚拟孔径的示例视图；
图3A是在VAA跟踪中第一物理孔径的示例视图；
图3B是在VAA跟踪中第二物理孔径的示例视图；
图3C是在VAA跟踪中虚拟孔径的示例视图；
图4A是入射在传统接收器阵列上的信号的示意视图；
图4B是入射在传统接收器阵列上的信号的信号视图；
图5A是入射在VAA***上的信号的示意视图；
图5B是入射在VAA***上的信号的信号视图；
图6是本发明实施例的方法的图表视图(chart view)；
图7A是在IVAA跟踪中第一物理孔径的示例视图；
图7B是在IVAA跟踪中预内插(pre-interpolation)虚拟孔径的示例视图；
图7C是在IVAA跟踪中内插后(post-interpolation)虚拟孔径的示例视图；
图7D是在IVAA跟踪中第一物理孔径的示例视图；
图7E是在IVAA跟踪中预内插虚拟孔径的示例视图；
图7F是在IVAA跟踪中内插后虚拟孔径的示例视图；
图7G是在IVAA跟踪中第一物理孔径的示例视图；
图7H是在IVAA跟踪中内插后虚拟孔径的示例视图；
图8是间隔一定距离的两个发射器元件的相移的示例视图；
图9是IVAA***预内插中虚拟发射器和接收器元件的示意视图；
图10是目标位置参数的笛卡尔坐标系视图；
图11A是内插虚拟孔径阵列的物理和虚拟元件的示例视图；
图11B是对应于内插虚拟孔径阵列的视场的示例视图；
图12A是传统波束成形的示例视图；
图12B是本发明实施例的方法的波束控制(beamsteering)的示例视图；
图13是目标混叠(target aliases)的示例视图；
图14A是本发明实施例的方法的发射波束控制的示例视图；
图14B是本发明实施例的方法的发射波束控制的示例视图；
图15是本发明实施例的***的示意视图；以及
图16是本发明实施例的***的示意视图。
发明实施例的描述
本发明的发明实施例的以下描述并非旨在将本发明限制于这些发明实施例，而是旨在使本领域的任何技术人员能够制造并且使用本发明。
1.虚拟孔径阵列(VAA)雷达跟踪
如背景部分中所讨论的，传统的基于阵列的雷达***是受限制的：角度分辨率取决于接收器阵列中的元件的数量以及阵列和目标之间的角度：
Figure BDA0003432793130000031
其中，N是阵列中的元件的数量，以及d是它们之间间隔的距离。
这里，阵列元件的数量(以及它们之间间隔的距离)与接收器的孔径相关；也就是说，越多的元件(或增大的元件间距)导致接收器孔径增大。正如角度分辨率公式所表明的，(在不改变载波频率的情况下)要增大角度分辨率，必须增加接收器的孔径。通常，这是通过添加接收器阵列元件或增加元件之间的间隔距离来实现的；然而，这些技术增加了接收器阵列的物理尺寸或其成本和物理复杂性中的一者或两者。然而，这种传统技术的亮点在于，它提高了雷达分辨率，而在处理延时方面变化相对较小。
作为这种传统技术的替代方案，创建了合成孔径雷达(SAR)。在SAR中，移动的天线(或天线阵列)在其移动时连续捕获多个信号，如图2A所示；这些信号然后被组合(利用天线移动的知识)来模拟更大的天线的效果，如图2B所示。SAR设法模拟增大的雷达孔径(从而提高雷达分辨率)，但是需要精确的天线运动数据，并且通常需要在处理延时方面显著增加。这两个要求在许多应用中都是有问题的。
一种新颖的技术(以下称为虚拟孔径阵列(VAA)雷达跟踪)被创建以模拟增大的雷达孔径(如SAR所表现的那样)，而不会招致增加物理阵列大小的附加成本/大小或SAR的严重缺点(例如，运动数据需求和高处理延迟)。该技术首先在第15/883,372号原(parent)美国专利申请中引入。注意，虽然术语“虚拟孔径”在雷达跟踪领域具有多种用途，但是如在本申请中所使用的，虚拟孔径阵列雷达跟踪具体指的是本文描述的跟踪技术(而不是共用该术语的任何不相关的技术)。
VAA雷达跟踪技术通过以下方式来发挥作用：在物理阵列处同时捕获第一信号的实例(像传统的相控阵列一样)，然后在同一物理阵列处捕获第二信号的实例(同时捕获第二信号的实例，但不必与捕获第一信号的实例同时捕获)；如果适用，则以相同的方式捕获另外的实例，且最后一起处理从所有捕获的实例接收的数据，以生成比其他可能的方式更高分辨率的雷达跟踪解。值得注意的是，第一信号和第二信号(以及任何另外的信号)用不同的相位信息编码。该不同的相位信息使得第二信号的实例能够被视为在相对于物理阵列移位的虚拟接收器阵列处被接收(创建比物理孔径大的虚拟孔径)。例如，可以如图3A所示捕获具有第一相位编码的第一信号，并且可以如图3B所示捕获具有第二相位编码的第二信号；这些信号可以一起处理，如图3C所示。
如图4A所示，当从与六个元件的雷达阵列成角度(即，不垂直于该六个元件的雷达阵列)的目标接收到反射信号时，在阵列中的每个接收器元件处接收到的信号相对于在阵列中的其他元件处接收到的信号发生相移，如图4B所示。根据元件之间的相移和间距，可以确定目标相对于阵列的角度。
如图5A所示，VAA可以通过使用两个相移信号仅用三个元件来模拟相同的孔径，产生如图5B所示的接收器元件处的信号(注意，在t2时RX1处的信号类似于图4B中RX4处的信号，依此类推)。“虚拟元件”的定位取决于第一信号和第二信号之间的相移。
2.用于内插虚拟孔径阵列雷达跟踪的方法
用于内插虚拟孔径阵列(IVAA)雷达跟踪的方法100包括：发射一组探测信号S110，接收一组反射探测信号S120，以及根据该一组反射探测信号计算初始跟踪参数S130，如图6所示。方法100可以另外包括细化初始跟踪参数S140和/或修改探测信号特性S150。
虽然最初的VAA技术是一种强大的技术(特别是考虑到它可以很好地用于小型发射和接收阵列)，但是随着虚拟阵列尺寸的增加，***中的误差也会增加。这是因为每个附加的虚拟元件本质上都是物理阵列的外推。本申请涉及一种新颖的技术，该技术基于最初的VAA跟踪的各方面，但是是在内插稀疏物理阵列的框架内进行的(限制由于添加虚拟阵列元件而出现的误差)。例如，如图7A所示的(稀疏间隔的)双发射器、三接收器阵列；接收阵列可以接收来自两个发射器的探测信号，并且使用VAA可以处理如图7B所示的信号，增加孔径，并且因此增加角度分辨率。通过结合内插，角度分辨率可以进一步增加，如图7C所示。内插的另外的示例如图7D-图7F(注意，在这些示例中，虽然第一对物理接收器元件可以间隔某个亚半波长的距离，但是附加元件可以间隔得更远)和图7G-图7H(此处要注意，虽然前面的示例是针对1D阵列给出的，但是应该理解，该技术可以扩展到二维或三维)所示。在这种实现中，IVAA的性能接近物理阵列的性能，同时需要的阵列元件的数量要少得多，但IVAA的灵活性可以提供进一步的优势。如后面部分所述，IVAA可以利用基于FOV检测向量的方法进行目标识别，该方法可以在宽视场(FOV)上提供高角度分辨率，而没有传统波束控制的缺点。这种技术在下文中被称为“并行FOV检测”。请注意，与VAA和IVAA一样，术语“并行FOV检测”具体指的是后面部分中描述的检测技术(而不是共用该术语的任何不相关技术)。此外，IVAA本身可以利用发射和/或接收相位修改来进一步增加FOV。
方法100优选地由用于IVAA雷达跟踪的***(例如，***200)实现，但是可以另外地或替代性地使用能够执行虚拟孔径阵列目标跟踪的任何合适的目标跟踪***(例如，声呐(SONAR)、激光雷达(LIDAR))来实现。
S110包括发射一组探测信号。S110用于发射一组信号，该一组信号在被目标反射后，可以提供关于目标的信息(例如，相对位置、速度等)。S110优选地包括：发射频移键控(FSK)雷达信号或频率修正连续波(FMCW)雷达信号，但是S110可以包括发射满足这些约束的任何信号；例如电磁信号(如雷达中的无线电波、激光雷达中的红外/可见光/UV波)、声音信号(如在声呐中)。
S110优选地包括发射至少两个不同的探测信号。S110中的该一组探测信号优选地满足两个约束条件：该一组中的每一个在相位上是不同的(如从某个参考点测量)，并且该一组中的每一个在接收时是彼此可区分的。相位上的区分能够有效地增加孔径(从而提高角度分辨率)，而可区分性确保在接收时，鉴于在相位上的区分而使信号数据得到适当的处理。
S110可以以若干种方式完成相位区分。例如，S110可以包括从物理上不同的天线元件发射探测信号。对于与发射器元件呈一定角度的目标，间隔对固有相位差进行编码(该固有相位差取决于角度！)，如图8所示。对于相隔距离dTX的两个发射器，目标与法线在θ处的相位差约为：
Figure BDA0003432793130000061
并且在接收器处看到的相位差大致相同。
作为第二示例，S110可以包括在不同时间从相同的天线元件发射探测信号，但是探测信号具有不同的相位信息。例如，S110可以包括在第一时间从天线元件发射第一信号，然后在第二时间从相同天线元件发射第二相移信号。注意，这不等同于第一示例中的相位差；在目标处看到的(第一信号和第二信号之间的)相位差dφ是(近似)恒定的，并且与目标的角度无关。还要注意的是，虽然这种相位差异导致对增加的接收器元件的模拟，但它也导致对增加的发射器元件的模拟，如图9所示。
其结果是，虽然相位差异是由天线元件间隔产生的，但对于所有目标角度而言，虚拟孔径的大小大致相同；在显式相移(explicit phase shifting)示例中，虚拟孔径的大小取决于目标角度。例如，在发射器间隔的情况下，阵列移位可以被写成
Figure BDA0003432793130000071
而在显式相移的情况下
Figure BDA0003432793130000072
其中，dφ是恒定的(且因此d阵列取决于目标角度)。
虽然S110优选地利用移相器(即，相移理想地独立于频率的设备)来执行显式相移，但是S110可以另外地或替代性地利用延迟线(或相移依赖于频率的任何其他设备)和/或时间延迟和移相器的任何组合来执行显式相移。
S110可以另外地或替代性地包括组合相移技术(例如，使用间隔一定距离的多个发射器，并且使发射器相对于彼此相移)。
注意，虽然给出了具有时间常数相移的示例，但是S110可以另外地或替代性地包括通过物理地移动发射器(即，给出dTX时间相关性)和/或通过添加相位dφ来随时间调制相位，其中相位是时间的函数。发射信号随时间的相位称为相位函数。相位函数可以参考任何点。例如，如果第一天线元件和第二天线元件(间隔开非零距离(non-zero distance))分别产生相同的第一信号和第二信号，则可以说第一信号的相位函数(以第一发射器为基准)与第二信号的相位函数(以第二发射器为基准)相同。然而，这两个信号在被目标以相对于发射器阵列呈一定角度反射后的相位并不看起来与在目标处(或在接收器阵列处)相同。
S110可以另外地或替代性地包括相对于角度调制相位(例如，通过使用可操纵的或可定向的天线和在扫描天线时调制相位，使用天线阵列和针对阵列的不同元件调制相位，等等)。
S110还可以以若干种方式中的任何一种来实现信号可区分性。如前所述，S110可以实现信号可区分性的一种方式是对信号进行时分双工(time-duplexing)(例如，发射具有第一相位编码的第一频率啁啾信号，然后发射具有第二相位编码的第二信号)；然而，S110可以另外地或替代性地通过频分复用信号(例如，在第一频带内发射第一频率啁啾信号，并且在与第一频带不重叠的第二频带内发射第二频率啁啾信号)，或者通过对信号进行编码(例如，使用不同的频率调制或幅度调制技术来将信号与其他信号区分开来)，来使信号可区分。S110可以另外地或替代性地以任何方式实现信号可区分性。
S120包括接收一组反射探测信号。S120用于接收由S110中发射的探测信号的反射产生的数据。S120优选地包括测量来自反射探测信号的相位、幅度、和频率信息，但是S120可以另外地或替代性地包括测量反射探测信号的任何可用特性。
S120优选地包括测量用于恢复信号识别信息(即，用于确定反射探测信号对应于该发射组中的哪个信号的信息)所需的任何数据。
S130包括根据该一组反射探测信号计算初始跟踪参数。S130用于计算至少识别目标相对于雷达接收器的位置的一组跟踪参数；另外地或替代性地，跟踪参数可以包括与对象跟踪相关的另外的参数(例如，目标速度、目标加速度)。注意，S130可以包括为给定目标计算比获得位置解所需的更多的跟踪参数；例如，如稍后所述，虽然只有距离、方位角、和仰角可能是计算目标位置所必需的，但是复合角度(composite angle)也可以被计算并被用于改进和/或检查方位角/仰角计算。
此外，虽然S130主要包括根据反射探测信号计算跟踪参数，但S130可以另外地或替代性地计算或以其他方式接收不使用探测信号计算的与目标跟踪相关的参数(例如，雷达自运动速度)。
用于建立目标位置的参数可以在任何坐标系和基础中定义。在本申请中，目标位置优选地在笛卡尔坐标系中被表示，其中原点在雷达处(例如，x，y，z表示目标位置)，或者在球面坐标系中被表示，其中原点相同，其中位置由距离(R)、方位角(α)、和仰角(θ)定义；可替代地，可以以任何方式描述目标位置。注意，仰角(和类似的方位角)是参考向量和投影目标向量之间的角度的示例；投影目标向量是观察者(例如，雷达)和目标之间的、投影到参考平面(包含参考向量的参考平面)中的向量。方法100可以包括计算任何这样的角度。
尽管如前所述可以在S130中计算与目标跟踪相关的任何参数，但是可以计算的一些附加参数包括目标距离变化率(target range rate)(dR/dt，通常根据多普勒数据计算)、相对目标速度(目标相对于雷达接收器的速度)、雷达自运动速度(在本申请中称为自速度(egovelocity)，雷达接收器相对于静止位置的速度)。这些可能是相关的；例如，距离变化率等于相对目标速度乘以雷达和目标之间视角(looking angle)的余弦。
S130可以附加地或替代性地包括计算复合角度(β，目标和雷达之间的角度：β＝arccos[cosα×cosθ]，也参见图10)。虽然复合角度可以从仰角和方位角导出(反之亦然)，但也可以根据多普勒数据计算出。例如，如果根据第一数据源(例如，接收器阵列中的接收器之间的相位差)计算仰角和方位角，并且根据第二数据源(例如，多普勒频移和相对速度)计算复合角度，则复合角度可以与仰角和方位角一起使用，以产生更精确的解。
S130可以包括根据任何合适的数据源计算跟踪参数。例如，在具有水平接收器阵列的雷达***上操作，方位角可以基于由阵列中每个接收器看到的反射探测信号之间的相位差来计算出。同样，垂直接收器阵列可以以类似的方式计算仰角(和/或二维接收器阵列可以以类似的方式计算仰角和方位角)。例如，可以基于探测信号的传播时间计算出距离(range)。例如，可以瞬时(例如，使用多普勒频移数据)或随时间(例如，通过测量距离随时间的变化)计算距离变化率。如前所述，复合角度可以从仰角/方位角中导出，或根据多普勒数据中明确地计算出：fD≈Kv cosβ；
Figure BDA0003432793130000091
另外地，S130可以包括以任何方式计算相对目标速度。例如，S130可以包括确定目标是静止的，并且基于自速度计算相对目标速度(即，在这种情况下，相对目标速度是自速度)。目标可以以任何方式被确定为是静止的；例如，通过在视觉上将目标识别为静止目标(例如，可以通过其外观来识别停止标志)，通过其雷达截面将目标识别为静止目标(例如，可以通过形状或其他特征来识别停止标志或道路)，通过将多普勒数据与其他(例如，相位)数据进行比较(例如，如果由多普勒数据提供的复合角度与从仰角和方位角导出的复合角度基本上不同，则其可能是移动目标)，通过目标的大小或者以任何其他方式。同样，自速度可以以任何方式(例如，耦合到雷达接收器的位置的GPS接收器或IMU、外部跟踪***等)确定。作为另一个示例，S130可以包括接收基于外部数据的相对目标速度信息；例如来自耦合到雷达接收器位置的视觉跟踪***的估计。相对目标速度信息甚至可以由外部跟踪***或目标本身提供(例如，从目标车辆传输IMU数据)。
为了确定多普勒频移，S130可以包括使用快速傅立叶变换(或者将时域信号变换到频域以用于分析的任何其他技术)将反射信号数据变换到频域。S130还可以通过使用滑动快速傅立叶变换(SFFT)或类似技术，例如滑动离散傅立叶变换(SDFT)和短时傅立叶变换(STFT)，来提高***性能。这些技术允许以显著更低的计算开销来计算样本流中连续样本的傅立叶变换，从而提高性能。
S130优选地包括通过首先将信号实例链接到接收器元件S131并生成内插信号实例S132，来从两个或更多个反射探测信号计算初始跟踪参数。根据链接的实例(包括通过内插生成的那些实例)，S130包括计算跟踪参数。S130然后可以包括通过执行波束成形(S133)和/或通过执行并行FOV检测(S134)来计算跟踪参数。
S131包括将信号实例链接到接收器元件。S131用于将在给定接收器元件处接收的信号实例对应于真实或虚拟接收器元件。例如，对第一(零相位)信号和第二(相移)信号进行时间双工的雷达***可以将在物理接收器元件处接收的信号实例对应于该接收器元件(如果反射信号是第一信号)或移位的虚拟接收器元件(如果反射信号是第二信号)。注意，虽然在一些情况下虚拟接收器元件的平移(translation)与目标角度无关，但是在虚拟接收器元件的平移取决于目标角度的情况下，可能需要在联合使用所有接收信号之前独立地首先使用一个或更多个接收信号子集(每个子集对应于唯一发射信号之一)初步确定目标角度(以便知道虚拟接收器元件的位置)。换句话说，虚拟元件可以通过元件平移函数(element translation function)按照物理元件来描述；如果该平移函数尚未知(如在间隔的发射器的情况下)，则S131可以包括确定给定目标的元件平移函数。
S132包括生成内插信号实例。S132用于从那些捕获的信号实例生成附加的信号实例，其中这些附加的信号实例对应于位于其他接收器元件(真实的或虚拟的接收器元件)之间的附加的虚拟接收器元件。例如，如果在S131中信号实例被链接到位置{0，d，2d，3d}处的物理接收器元件和位置{10d，11d，12d，13d}处的虚拟接收器元件，则S132可以包括生成对应于位置{4d，5d，…，8d，9d}处的虚拟接收器元件的附加的信号实例。S132可以使用任何技术来生成这些内插信号实例。
在一个实施例中，S132包括生成(由测距***的发射器发射的)相位调制码的线性组合，以模拟信号分量，如在内插接收器元件上预期和/或预测的那样。
S133包括在接收器元件上执行波束成形。一旦数据已经链接到真实或虚拟接收器元件位置，S133使用波束成形技术来计算对象跟踪数据(例如，目标距离(target range)和角度)。S133可以使用的波束成形技术包括但不限于常规(即，Bartlett)波束成形、最小方差无失真响应(MVDR，也称为Capon)波束成形、多重信号分类(MUSIC)波束成形、或任何其他波束成形技术。
S133优选地包括使用阵列中的每个元件(真实的和虚拟的元件)对给定的目标跟踪元件阵列执行数字波束成形，但是S133可以另外地或替代性地使用元件的任何子集来执行角度计算。在一些实施例中，S133可以包括动态选择用于执行数字波束成形技术的接收器元件(例如，基于接收器噪声或任何其他相关因素)。
S134包括执行并行FOV检测。在并行FOV检测中，来自接收器元件对的信号(各自对应于不同的视场)被并行分析以确定与目标的角度(angle-to-target)。
例如，考虑一个具有n个元件{e1，…，en}的阵列(例如，如图11A所示)。n-1对可以由第一元件组成：{e12，…，e1n}。每对都有一个关联的FOV，由以下公式给出：
Figure BDA0003432793130000121
其中d是元件间间距。请注意，虽然该公式假设了规则的元件间间距，但应当理解，元件不需要规则地间隔开(即使没有规则的元件间间距，FOV与第一元件和第i元件之间的距离成反比的基本关系也成立)。整个***的FOV(即最宽阔的FOV)是前两个元件的FOV：
Figure BDA0003432793130000122
在传统的相控阵雷达***中，这种阵列的角度分辨率为
Figure BDA0003432793130000123
此处请注意，随着角度远离中心角α＝0，分辨率会降低。例如，当
Figure BDA0003432793130000124
(中心角处的分辨率)时，
Figure BDA0003432793130000125
(对于
Figure BDA0003432793130000126
)。这就是为什么经常对此类阵列执行波束成形的原因——通过在FOV上控制(steering)中心角，可以获得高角度分辨率(但这需要随着时间的推移修改相位以完成波束控制)。
在并行FOV检测中，FOV检测向量是为多个FOV生成的，而不是在宽FOV上进行波束控制以保持角度分辨率。例如，如图11B所示，考虑两个目标(目标1和目标2)。目标1存在于第三最窄FOV(宽度为
Figure BDA0003432793130000127
)和每个较宽FOV{FOVn-2，…FOV2}中，而目标2存在于所有FOV{FOVn，…FOV2}中。通过在一组FOV上并行执行目标检测，可以为每个检测到的目标生成FOV检测向量。例如，目标1(在角度θ1处)可能与看起来像{θ1，…，θ1，x，x}的FOV检测向量相关联。第一系列θ1表示目标1已经被每个元件对e12…e1(n-2)在θ1处检测到，而x显示在{e1(n-1)，e1n}处未检测到。同样，目标2可能与看起来像{θ2，…，θ2，θ2，θ2}的FOV检测向量相关联。
换句话说，可以为包括阵列的物理元件以及第一组和第二组虚拟元件(分别对应于由移相和内插生成的虚拟元件)的雷达阵列元件超集对计算FOV检测向量。
值得注意的是，在更宽的角度处，角度分辨率很差(如上所述)。然而，FOV之间的角度差异相对较小。例如，想象一个具有2λ元件间距和10个元件的阵列。FOV如下：{29°，14.4°，9.6°，7.2°，5.7°，4.8°，4.1°，3.6°，3.2°}。在FOV4…FOV10中(即，在0±4.8°之内)检测到元件。FOV3和FOV4的大小相差2.4°。在这个角度，传统阵列的角度分辨率(不执行波束控制，仅使用三个元件)将为9.6°。(我们只使用三个元件，因为具有该间距的4+元件阵列的FOV将比目标所在的区域更窄)。同样，具有波束控制的传统阵列实现2.8°的分辨率。这里的要点是，并行FOV检测可以实现与波束控制的准确度相当的准确度(实际上不需要执行执行波束控制所需的时间密集型相位调制)。
因此，S134优选地包括为检测到的目标生成FOV检测向量，并且根据FOV检测向量确定与目标的角度。每个检测向量优选地包含对应于是否检测到目标的每个FOV窗(对应于参考接收器元件和所有其他接收器元件的每个可能对)的条目(和/或可用于指示该条目的值，例如检测概率大小和/或根据该接收器对计算的与目标的角度)；附加地或可替代地，FOV检测向量可以包含与确定目标角度相关的任何信息。跨FOV的FOV检测优选地同时发生，但是可以附加地或可替代地顺序地或以任何方式发生。
注意，以上示例是针对单个发射信号给出的。当使用多个发射信号时(例如，经由时分多路复用或经由多个发射器元件)，检测向量可以包括每个发射信号的数据。值得注意的是，因为发射元件本身可以在阵列中(物理的、虚拟的或其他的)，所以使用多个发射信号还可以增加方法100的角度分辨率(即，发射信号本身形成“视场”)。
S140包括细化初始跟踪参数。S140用于产生比S130最初计算的更精确的跟踪解。在第一示例实现方式中，S140包括对目标的笛卡尔坐标运行卡尔曼滤波器(Kalmanfilter)，该目标的笛卡尔坐标是由(根据相位信息确定的)仰角或方位角、距离、和受复合角度的误差界限约束的复合角度生成的。在第二示例实现方式中，S140包括对目标的笛卡尔坐标运行卡尔曼滤波器，该目标的笛卡尔坐标是由(根据相位信息确定的)仰角和方位角、距离、和受复合角度的误差界限约束的复合角度生成的。
S140可以另外地或替代性地包括以任何方式过滤、细化、和/或约束跟踪参数。
S150包括修改探测信号特性。S150用于修改发射的探测信号的特性(在发射器元件和接收器元件中的一个或两个)，以确保雷达跟踪算法的高性能。方法100的优点之一是可以随意添加(以及扩展虚拟孔径)或去除虚拟发射器/接收器元件。添加更多虚拟元件增加了方法100执行的对象跟踪的潜在准确性，但是也增加了对象跟踪的延时。
S150可以包括基于S130的输出来修改探测信号特性；例如，如果在对象跟踪期间检测到第一组数据(例如，对应于较早发射的信号和真实接收器)和第二组数据(对应于较晚发射的信号和虚拟接收器)未能在某个阈值误差范围内收敛于对象跟踪解，S150可以包括修改发射的信号以减少虚拟元件的数量(例如，将不同的相位编码信号的数量从三个减少到两个)。
可替代地，S150可以包括基于其他数据修改探测信号特性。例如，S150可以包括基于雷达阵列运动(例如，车载雷达的汽车速度)修改探测信号数据；当汽车移动得更慢时修改发射(transmission)以增加虚拟孔径，以及当汽车移动得更快时修改发射以减少虚拟孔径。
S150可以另外地或替代性地包括(在发射器或接收器处)以任何方式修改探测信号特性。
在本发明实施例的一个实现方式中，S150包括对发射信号和接收信号中的一者或两者执行波束控制。与先前针对传统线性雷达阵列描述的波束成形(其中在宽且静态的FOV上扫描窄波束，如图12A所示)相比，S150的波束控制用于移动所有FOV的中心角，如图12B所示。波束控制优选地通过在发射元件或接收元件处修改发射信号的相位来执行，但是可以附加地或可替代地以任何方式来执行。波束控制可以用于进一步增加角度分辨率(通过在检测到的目标跨越FOV边界时以已知偏转角扫描整个FOV2，可以提高检测准确度/分辨率)。
请注意，由于阵列元件之间的间距可能大于λ/2，因此可能会出现混叠，如图13所示。在这种情况下，S150可以包括控制或以其他方式修改信号(在发射器和/或接收器处)以帮助拒绝混叠。例如，发射器FOV可以独立于接收器FOV进行扫描，消除了对称性，否则会防止通过混叠检测真实目标。例如，如果扫描发射阵列，使得发射模式的零点(null)落在混叠上，则目标仍然会出现(如图14A所示)，而如果零点落在真实目标上，目标将没有发射信号要反射，如图14B所示。
2.用于内插虚拟孔径阵列雷达跟踪的***
如图15所示，用于内插虚拟孔径阵列(IVAA)雷达跟踪的***200包括发射器阵列210、水平接收器阵列220、和信号处理器240。***200可以另外地包括垂直接收器阵列230和/或速度感测模块250。
此外，***200可以包括任意数量的虚拟发射器211和/或虚拟接收器元件222/232，如图16所示(虽然这里没有明确示出，但是应当理解，这种虚拟接收器元件还可以包括如方法100中所述的内插元件)。
类似于方法100，***200利用IVAA雷达跟踪来模拟增加的雷达孔径(如SAR所表现的那样)，而不会招致增加物理阵列尺寸的额外成本/尺寸或SAR的严重缺点(例如，运动数据要求和高处理延时)。
***200的IVAA雷达跟踪技术通过在物理阵列处同时捕获第一信号的实例(像传统的相控阵一样)，然后在同一物理阵列处捕获第二信号的实例(同时捕获第二信号的实例，但不必与捕获第一信号的实例同时捕获)；如果适用，以相同的方式捕获另外的实例，且最后一起处理从所有捕获的实例接收的数据，以生成比其他方式更高分辨率的雷达跟踪解。值得注意的是，第一信号和第二信号(以及任何另外的信号)用不同的相位信息编码。该不同的相位信息使得第二信号的实例能够被视为在相对于物理阵列移位的虚拟接收器阵列处被接收(创建比物理孔径大的虚拟孔径)。例如，可以如图4A所示捕获具有第一相位编码的第一信号，并且可以如图4B所示捕获具有第二相位编码的第二信号；这些信号可以一起处理，如图4C所示。
发射器210用于发射信号，该信号在被目标反射后，可以提供关于目标的信息(例如，相对位置、速度等)。发射器210优选地发射频移键控(FSK)雷达信号或频率修正连续波(FMCW)雷达信号，但是发射器210可以发射满足这些约束的任何信号；例如电磁信号(如以雷达中的无线电波，激光雷达中的红外/可见光/UV波的形式)、声音信号(如以声呐的形式)。
发射器210优选地具有多个发射元件(例如，发射阵列)，但是可以附加地或可替代地具有单个发射元件(例如，发射天线)。如果发射器210具有多个元件，则这些元件可以包括与多个天线配对的单个发射器(例如，以特定样式间隔和/或与耦合到相位/时间延迟的天线配对)；多个发射器，每个发射器与单个天线配对；多个发射器与多个天线配对，或任何其他配置。例如，发射器210可以包括以明显大于(例如，>3x)接收器元件之间的距离的距离间隔开的发射器元件。同样，发射器阵列可以相对于接收器阵列以任何方式进行取向。
除了发射器210，***200可以另外地包括任意数量的虚拟发射器211。如在方法100的部分中所描述的，虚拟发射器是通过一个或更多个真实发射器210的输出的相移而创建的，并且可以对应于发射器210的平移元件。
水平接收器阵列220用于接收由发射器210发射的探测信号的反射产生的数据。水平接收器阵列220优选地测量来自反射探测信号的相位、幅度、和频率信息，但是水平接收器阵列220可以另外地或替代性地测量反射探测信号的任何可用特性。
根据从水平接收器阵列220接收到的数据，可以计算与跟踪目标相关的跟踪参数。水平接收器阵列220优选地用于确定方位角(α)，如图9所示，但是用于建立目标位置的参数可以在任何坐标系和基础中定义，并且水平接收器阵列220可以用于确定任何相关的跟踪参数。在本申请中，目标位置优选地在笛卡尔坐标系中被表示，其中原点在雷达处(例如，x，y，z表示目标位置)，或者在球面坐标系中被表示，其中原点相同，其中位置由距离(R)、方位角(α)、和仰角(θ)定义；可替代地，可以以任何方式描述目标位置。注意，仰角(和类似的方位角)是参考向量和投影目标向量之间的角度的示例；投影目标向量是观察者(例如，雷达)和目标之间的、投影到参考平面(包含参考向量的参考平面)中的向量。***100可以计算任何这样的角度。
水平接收器阵列220包括例如沿着水平轴以某种样式布置的一组接收器元件221。该一组接收器元件221可以包括与多个天线配对的单个接收器(例如，以特定样式间隔开和/或与耦合到相位/时间延迟的天线配对)；多个接收器，每个接收器与一个天线配对；与多个天线配对的多个接收器，或任何其他配置。
水平接收器阵列220可以另外地包括任意数量的虚拟接收器元件222。如方法100的部分中所述，响应于一个或更多个真实发射器210的输出的相移(或通过内插)而创建虚拟接收器元件222，并且虚拟接收器元件222可以对应于水平接收器阵列220的平移的接收器元件221。
水平接收器阵列220优选地用于根据相位信息计算角度，但是可以另外地或替代性地用于以任何方式(例如，使用多普勒频移的水平分量)计算角度。
垂直接收器阵列230优选地基本上类似于水平接收器阵列220，不同之处在于垂直接收器阵列被布置在不与水平接收器阵列的轴线平行的轴线(例如，垂直轴线)上。垂直接收器阵列230优选地用于计算仰角，但是可以另外地或替代性地用于计算任何跟踪参数。垂直接收器阵列230包括多个接收器元件231，并且可以另外地包括任意数量的虚拟接收器元件232。如方法100的部分中所述，响应于一个或更多个真实发射器210的输出的相移而创建虚拟接收器元件232，并且虚拟接收器元件232可以对应于垂直接收器阵列230的平移的接收器元件231。
信号处理器240用于根据由水平接收器阵列220、垂直接收器阵列230、和/或速度感测模块250所收集的数据来计算跟踪参数。信号处理器240优选地包括根据方法100计算跟踪参数的微处理器或微控制器；另外地或替代性地，信号处理器240可以以任何方式计算跟踪参数。信号处理器240可以另外地或替代性地用于与外部计算机通信(例如，卸载计算(offload computations)、接收另外的数据、或用于任何其他原因)。信号处理器240还可以控制***200的组件的配置或***200执行的任何计算或动作。例如，信号处理器240可用于控制虚拟发射器或虚拟阵列元件的创建和/或其他参数，如方法100的部分中所描述的。
速度感测模块250用于确定***200(或***200的组件，或耦合到***200的目标)的速度。速度感测模块优选地是耦合到惯性测量单元(IMU)的通信接口，但是可以另外地或替代性地是任何通信接口(例如，Wi-Fi、以太网、ODB-II)或能够确定速率(speed)和/或速度(velocity)的传感器(加速度计、车轮速度传感器、IMU)。
优选实施例及其变型的方法可以至少部分地被体现和/或实现为被配置成接收存储计算机可读指令的计算机可读介质的机器。指令优选地由优选地与用于IVAA雷达跟踪的***集成的计算机可执行部件来执行。计算机可读介质可存储在任何合适的计算机可读媒介(诸如RAM、ROM、闪存、EEPROM、光学设备(CD或DVD)、硬盘驱动器、软盘驱动器或任何合适的设备)上。计算机可执行部件优选地是通用或专用处理器，但任何合适的专用硬件或硬件/固件组合设备可以替代性地或另外地执行指令。
如本领域中的技术人员将从先前的详细描述以及从附图和权利要求中认识到的，可以对本发明的优选实施例做出修改和改变而不偏离在随附权利要求中限定的本发明的范围。

Claims (21)

1.一种用于内插虚拟孔径阵列雷达跟踪的方法，包括：
发射第一探测信号，所述第一探测信号具有第一相位函数；
发射第二探测信号，所述第二探测信号具有第二相位函数；
响应于通过跟踪目标对所述第一探测信号的反射，在雷达阵列处接收对应于第一反射探测信号的第一组信号实例，其中，所述跟踪目标和所述雷达阵列通过目标向量连接；其中，所述雷达阵列包括沿着第一雷达轴线定位的第一多个雷达元件；
响应于通过所述跟踪目标对所述第二探测信号的反射，在所述雷达阵列处接收对应于第二反射探测信号的第二组信号实例；
根据所述第一反射探测信号和所述第二反射探测信号中的至少一个计算目标距离；
将所述第一组信号实例对应于所述雷达阵列的物理接收器元件；
将所述第二组信号实例对应于所述雷达阵列的第一组虚拟元件；其中，所述雷达阵列的虚拟元件通过元件平移函数按照所述雷达阵列的物理元件来描述；
通过内插所述第一组信号实例和所述第二组信号实例来生成第三组信号实例；
将所述第三组信号实例对应于所述雷达阵列的第二组虚拟元件；
计算第一参考向量和第一投影的目标向量之间的第一目标角度；其中，所述第一投影的目标向量是投影到第一参考平面中的目标向量，所述第一参考平面包含所述第一雷达轴线和所述第一参考向量两者；和
根据所述目标距离和所述第一目标角度计算所述跟踪目标相对于所述雷达阵列的位置。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，计算所述第一目标角度包括使用所述第一组信号实例、所述第二组信号实例和所述第三组信号实例执行波束成形。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，计算所述第一目标角度包括使用所述第一组信号实例、所述第二组信号实例和所述第三组信号实例执行并行视场(FOV)检测。
4.根据权利要求3所述的方法，其中，执行并行FOV检测包括为接收器元件超集的第一元件和其他元件对生成第一组FOV检测向量，所述接收器元件超集包括所述物理接收器元件以及所述第一组虚拟元件和所述第二组虚拟元件。
5.根据权利要求4所述的方法，其中，执行并行FOV检测还包括使用所述第一组FOV检测向量来计算所述第一目标角度。
6.根据权利要求5所述的方法，其中，执行并行FOV检测还包括同时生成所述第一组FOV检测向量。
7.根据权利要求5所述的方法，其中，计算所述第一目标角度包括计算仰角和方位角之一。
8.根据权利要求5所述的方法，其中，发射所述第一探测信号包括从第一发射器元件发射所述第一探测信号；其中，发射所述第二探测信号包括从第二发射器元件发射所述第二探测信号；其中，所述第一发射器元件和所述第二发射器元件间隔开非零距离。
9.根据权利要求8所述的方法，其中，以所述第一发射器元件为基准的所述第一相位函数与以所述第二发射器元件为基准的所述第二相位函数相同。
10.根据权利要求9所述的方法，其中，所述元件平移函数独立于所述第一目标角度。
11.根据权利要求9所述的方法，其中，所述第一探测信号在第一时间段期间被发射；其中，所述第二探测信号在第二时间段期间被发射，所述第二时间段在所述第一时间段之后并且与所述第一时间段不重叠。
12.根据权利要求9所述的***，其中，所述第一探测信号在第一频带中被发射；其中，所述第二探测信号在与所述第一频带不重叠的第二频带中被发射。
13.根据权利要求9所述的***，其中，所述第一探测信号用第一幅度调制编码；其中，所述第二探测信号用与所述第一幅度调制不同的第二幅度调制编码。
14.根据权利要求8所述的方法，其中，以所述第一发射器元件为基准的所述第一相位函数与以所述第二发射器元件为基准的所述第二相位函数不相同。
15.根据权利要求14所述的***，其中，所述第一相位函数和所述第二相位函数相差恒定相位。
16.根据权利要求14所述的***，其中，所述第一相位函数和所述第二相位函数相差时变相位。
17.根据权利要求14所述的***，其中，所述元件平移函数取决于所述第一目标角度。
18.根据权利要求5所述的方法，还包括响应于计算的位置数据来修改所述第一探测信号和所述第二探测信号中的至少一个。
19.根据权利要求18所述的方法，其中，修改所述第一探测信号和所述第二探测信号中的至少一个包括修改所述第一探测信号和所述第二探测信号中的所述至少一个，以向所述雷达阵列添加虚拟元件并加宽所述雷达阵列的虚拟孔径。
20.根据权利要求18所述的方法，其中，修改所述第一探测信号和所述第二探测信号中的至少一个包括修改所述第一探测信号、所述第二探测信号、所述第一反射探测信号和所述第二反射探测信号中的至少一个的相位，以便修改由所述并行FOV检测使用的中心角。
21.根据权利要求20所述的方法，其中，所述第一探测信号和所述第二探测信号的相位独立于所述第一反射探测信号和所述第二反射探测信号的相位被修改，从而能够拒绝目标混叠。
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