CN116381635A - 用于在雷达传感器的情况下进行噪声估计的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于在雷达传感器(10)的情况下进行噪声估计的方法，所述雷达传感器生成数字的谱(14)，所述谱将所接收的信号强度说明为至少一个离散定位参数(d，v)的函数，其中，在所述谱(14)上，不仅进行CFAR探测(26)，用以判定在定位空间中的所检查的单元格(16)是包含真正的雷达目标还是仅包含噪声，在相邻单元格的选择中还根据信号强度确定(28)噪声水平(PR)，所述相邻单元格位于所检查的单元格附近，其特征在于，所述CFAR探测在所述噪声水平的确定之前进行，并且在CFAR探测时被识别为目标单元格的单元格从所述相邻单元格的选择中排除。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于在雷达传感器的情况下进行噪声估计的方法，该雷达传感器生成数字的谱，该谱将所接收的信号强度说明为至少一个离散定位参数的函数，其中，在所述谱上，不仅进行探测、例如CFAR探测，用以判定在定位空间中的所检查的单元格是包含真正的雷达目标还是仅包含噪声，还在相邻单元格的选择中根据信号强度确定噪声水平，所述相邻单元格位于所检查的单元格附近。
另外，本发明涉及一种雷达***，所述雷达***尤其用于机动车，在所述雷达***中实现所述方法。
背景技术
在用于机动车的雷达传感器中，由所接收的雷达回声典型地形成谱，该谱将用于所接收的信号强度的尺度、例如复振幅或者振幅平方说明为相关的对象的间距和径向相对速度的函数。在这种情况下，所述离散定位参数是间距和速度。通过所述定位参数张开的定位空间划分为多个间距/速度单元格，并且因此形成二维矩阵，在该二维矩阵中为每个单元格登入相关的振幅。
对雷达谱中的噪声的估计在雷达信号处理中扮演重要的角色，因为该估计能够实现对信号/噪声间距的计算并且能够实现该谱中的目标单元格与噪声单元格之间的区分。在实践中，CFAR(Constant False Alarm Rate，恒定误警率)探测器用于该目的，所述CFAR探测器根据相邻的单元格的内容适应性地为该谱的每个单元格估计噪声水平并且将该噪声水平用作阈值。在此，两种最广泛传播的方法是单元平均CFAR(Cell-Averaging-CFAR，CA-CFAR)(A.Farina，F.A.Studer。《A Review of CFAR Detection Techniques in RadarSystems》，微波杂志，1986，第115-128页)和有序统计CFAR(Ordered-Statistics-CFAR，OS-CFAR)(S.Blake。《OS-CFAR theory for multiple targets and nonuniform clutter》，IEEE航空航天与电子***，1988，第785-790页)。
更为复杂的方法，例如最大CFAR(Greatest-of-CFAR，GO-CFAR)(X.Meng，Y.He.《Two generalized greatest of selection CFAR algorithms》，CIE国际雷达会议记录，2001，第359-362页)或者自适应线性组合CFAR(Adaptive-Linear-Combined-CFAR，ALC-CFAR)(B.Magaz，A.Belouchrani.《A New Adaptive Linear Combined CFAR Detector inPresence of Interfering Targets》电磁学研究进展，2011，第367-387页)，扩展或者结合由CA-CFAR和OS-CFAR组成的方案，以便形成噪声的不同估计值，所述估计值随后通过选择或者组合用于确定阈值。
CFAR探测器固有的在噪声估计方面的弱点是，从目标反射的信号功率同时包括到对噪声的计算中。这是因为，在CFAR探测器的情况下，要么首先形成噪声估计值，然后才对谱中的噪声单元格与目标单元格进行区分，要么噪声估计值隐含地纳入到噪声单元格与目标单元格之间的区分中。因此，在噪声估计时，必须以相同的权重考虑所有单元格，因为还不存在如下信息：实际的目标位于哪些单元格中。这导致，目标的谱环境中的噪声往往被估计得过高。
发明内容
本发明的任务在于，给出一种实现更接近现实的噪声估计的方法。
根据本发明，该任务通过下述方式来解决：所述探测在噪声水平的确定之前进行，并且在探测时被识别为目标单元格的单元格从选择用于噪声估计的相邻单元格中排除。
通过这种方式防止，目标单元格中的高的信号值使噪声估计失真。
在下文中给出有利的构型和扩展方案。
在第一阶段中，传统的CFAR检测器可以用于在噪声单元格与目标单元格之间进行区分。一般适用地，能够自由选择并且可以视应用情况而定地确定在此使用哪种类型的CFAR。
在用于机动车的雷达***中，例如与CA-CFAR相比，使用OS-CFAR是优选的，因为OS-CFAR对于经常在城市场景中出现的多目标环境更稳健。
另外，在第一阶段中也可以使用不按照CFAR原理工作的别的探测器。例如，作为一种非常简单的实施方案，可以考虑恒定的探测阈值，用于在噪声单元格与目标单元格之间进行区分。
在第一阶段中例如由用于确定阈值的CFAR探测器形成的、可能的噪声估计值，不进一步令人感兴趣，因为在第二阶段中由专用的噪声估计器来求取该噪声。这也使得能够使用隐含地计算阈值的CFAR实现方式。这包括例如“仅秩OS-CFAR”“Rank-Only OS-CFAR”(M.R.Bales，T.Benson，R.Dickerson，D.Campbell，R.Hersey和E.Culpepper。《Real-timeimplementations of ordered-statistic CFAR》，IEEE雷达会议，2012，第896-901页)，该仅秩OS-CFAR能够实现不具有明确的噪声估计的、有效率的硬件实现方式。
然后，在第二阶段中进行专用的噪声估计，例如基于下述输入数据：
-谱P，例如间距/速度谱，其呈m×n矩阵的形式，
-用于呈布尔m×n矩阵形式的每个单元格的探测信息D，在该探测信息中，D＝1相应于目标单元格，D＝0相应于噪声单元格。
然而，二维数据结构的使用不是强制的。也可以考虑附加的维度、例如与数字射束成形器结合的多个接收通道。一维数据结构的使用同样是不受限制地可能的。
为了求估计值，可以例如在该谱内移动具有固定参数化的大小N的窗口。然后，在窗口中的、由上游的CFAR探测器分类为目标单元格的单元格的情况下，该单元格的谱值被忽略并且例如通过用于在邻近范围中的一个或者多个单元格的噪声估计值来替换，对于所述单元格已经存在噪声估计的结果。然后，例如计算用于当前所检查的单元格的噪声估计值，其方式是，在窗口中的所有单元格内求N阶的滑动平均值。该求平均值可以适宜地在迭代过程中进行。
在另一种实施方式中，以在噪声估计的时间点位于该窗口内的、被分类为目标单元格的单元格ND的数量来减小窗口N的大小。所得的窗口现在只包含噪声单元格，使得不再需要使用来自邻近范围的噪声估计的在先的结果。然后，用于当前所检查的单元格的噪声估计值可以例如基于(N–ND)阶的平均值。
在第三实施方式中，如在在先的例子中那样，从窗口中移除所有分类为目标单元格的单元格。然而，替代于现在在剩余的(N–ND)个单元格上实施噪声估计地，一直在邻近范围中增大窗口，直到该窗口再次包含恰好N个单元格。所得的窗口现在仅由噪声单元格构成，所得的噪声估计值始终基于N个输入值。
用于噪声估计的窗口可以是一维的(例如仅沿着速度轴)，或者是二维的或者更多维的。
视实施方式而定地，待检查的单元格可以位于窗口的中心或者窗口的端部处或角中。
在本发明的一种硬件实现方式中，为了映射窗口，适宜地设置移位寄存器或者FIFO(First In First Out，先进先出)存储器。
窗口的单元格的数量N优选是二的幂，因为在求平均值时可以简单且有效率地通过移位来实现除以N。
下面，根据绘图更详尽地阐述本发明的实施例。
附图说明
附图示出：
图1示出雷达***的框图，在该雷达***中实现根据本发明的方法；
图2示出仅秩OS-CFAR探测器的一种实现方式的方框图；
图3示出滑动窗口的两个不同状态；
图4示出噪声估计器的一种实现方式的方框图。
具体实施方式
在图1中作为方框图示出用于机动车的雷达***，该雷达***具有雷达传感器10和电子分析处理***12。雷达传感器10，例如FMCW(Frequency Modulated ContinuousWave，调频连续波)雷达，将所接收的模拟雷达信号转换成数字信号，并且由此通过快速傅立叶变换形成离散的二维谱14，在该谱中，一个维度代表所定位的对象的间距d，另一个维度代表对象的径向相对速度v。如果定位具有间距d和相对速度v的对象，则该对象在谱14中呈现为信号强度在谱中的点(d，v)上的局部最大值。通过间距维度和速度维度张开的定位空间被划分为多个单元格16，所述单元格分别相应于确定的间距区间和确定的速度区间并且共同形成n×m矩阵。每个单元格16分配有谱值a，该谱值说明在相关的单元格中的信号强度。例如，谱值a是复振幅，该复振幅不仅包含振幅信息、还包含相位信息。
分析处理***12还包括CFAR和噪声探测单元18，该CFAR和噪声探测单元在图1中作为单独的方框示出并且必须完成两个相互关联的任务。第一任务在于，为谱中的单元格16中的每个单元格判定，该单元格是否包含雷达目标或者为该单元格所接收的信号是否仅示出噪声。该单元格在前一种情况中被称为目标单元格20，在后一种情况中被称为噪声单元格22。第二任务在于，为每个单元格16估计局部噪声水平PR。
对给定的单元格是否是目标单元格的判定，导致二进制探测结果D、即如下参量：当该单元格是目标单元格时，该参量具有值1，当该单元格是噪声单元格时，该参量具有值0。原则上，通过下述方式获得探测结果D：在求平方模块24中由待检查的单元格中的复振幅a计算振幅平方|a|2，然后将该振幅平方与适合的阈值进行比较。也就是说，只有当振幅平方大于阈值时，才将单元格分类为目标单元格20，在考虑到局部噪声水平PR的情况下如此选择该阈值，使得只有当信号强度明显大于噪声水平时，才大于该阈值。由于局部噪声水平可以受到时间波动和空间波动，因此，在雷达***运行期间必须动态地匹配用于噪声水平的估计值和由此推导出的阈值。
然而，在根据本发明的方法中，首先将振幅平方提供给CFAR探测器26，该CFAR探测器为每个单元格提供探测结果D。该探测结果D一方面传送给分析处理***12的下游的主管机关(Instanzen)，然而另一方面还传送给噪声估计器28，该噪声估计器使用该探测结果以根据振幅平方来估计噪声水平PR。然后，如此获得的噪声水平传送给分析处理***12的下游的主管机关，并且可以例如用于，评估雷达传感器的定位结果的质量和/或在后续的测量周期中更新在CFAR探测器26中所使用的阈值。与此并行地，来自谱14的复振幅a也直接传送给分析处理***12的下游的主管机关，并且可以在那里连同用于别的接收通道的相应的振幅一起用于所定位的目标的角度估计。
在图2中示出CFAR探测器26作为仅秩OS-CFAR的可能的实现方式。输入数据是来自谱14的谱值的振幅平方，其中，在图2中示出单元格矩阵的一行的片段。在示出的例子中，包围确定数量的相邻单元格的一维窗口30如此移动通过谱14的单元格矩阵，使得该谱的每个单元格16依次地获得“所检查的单元格”16a的状态，所检查的单元格位于窗口30的中心。窗口单元格16b置于所检查的单元格16a两侧，所述窗口单元格的谱值纳入到如下判定中：所检查的单元格16a是目标单元格还是噪声单元格。在示出的例子中，窗口附加地还具有多个相对于所检查的单元格16a对称的保护单元格16c，不对所述保护单元格的谱值进行分析处理。由此应防止，在多个单元格上延伸的延展的对象的情况下，当所检查的单元格是目标单元格时，与所检查的单元格16a相邻的并且同样具有高信号强度的单元格被错误地解读为噪声背景，并且使探测的结果失真。然后，在单元格矩阵上的窗口30的每个位置上，所检查的单元格16a的谱值通过乘法元件32与适合的缩放因数相乘，并且以这种方式缩放的谱值在比较元件34中与窗口单元格16b的(未经缩放的)谱值进行比较。在求和元件36中，对所有窗口单元格内的二进制比较结果进行求和。如此形成的和在另外的比较元件38中与所谓的秩(Rang)k进行比较，该秩在实践中可以具有固定预给定的值，例如k＝3N/4，当N是窗口单元格的数量时。如果和大于k，则这意味着，所检查的单元格16a的谱值大于大多数窗口单元格的谱值，即所检查的单元格16a中的信号强度明显从噪声背景中突出，该噪声背景通过窗口单元格的信号强度给定。因此，在这种情况下判定，所检查的单元格16a是目标单元格，探测结果D获得值1。否则，探测结果D获得值0，这意味着，待检查的单元格16a被分类为噪声单元格。
通过用于乘法元件32的缩放因数以及通过秩k和窗口参量N，可以根据期望的应用将恒定误警率的高度参数化。
图3示出用于窗口40的例子，该窗口在用于噪声估计的噪声估计器28中使用并且不必与图2中窗口30相同。在示出的例子中，窗口40也是一维窗口，然而，在该一维窗口中，所检查的单元格16a不位于窗口的中心，而是位于窗口的端部。索引i说明谱14的单元格矩阵的行索引。窗口40包括N个单元格，所述单元格具有索引i-N+1、i-N+2、…、i-1、i。如果索引i逐步地以增量1增加，则这意味着，窗口40在行方向上移动通过单元格矩阵，更准确地说在递增的行索引的方向上移动，使得所检查的单元格16a形成窗口的在前的端部。
一般适用地，窗口40中的单元格的谱值形成用于估计局部噪声水平的基础。然而，在示出的例子中，窗口40不仅包含噪声单元格，还包含目标单元格16d，所述目标单元格在此以阴影部分示出。在常规方法中，在进行噪声估计的时间点还不知道，窗口40是否包含目标单元格，使得所有单元格都必须被视为噪声单元格。然而，在根据本发明的方法中，对于当前位于窗口40中的单元格，已经存在探测结果D，使得可以根据该探测结果辨认目标单元格16d。在图3中，例如在位置i-2上的单元格是目标单元格，而在位置i-3上的单元格是噪声单元格。所检查的单元格16a是如下单元格：当前为该单元格执行噪声估计。由于窗口40随着增长的索引i从右向左运动通过单元格矩阵，因此，对于在位置i-2、i-3等上的单元格，噪声估计已经进行。为了使目标单元格16d中的高信号水平不纳入到噪声估计中，目标单元格中的谱值(量值平方)分别被用于最近的噪声单元格的噪声估计值替换。该替换在图3中通过下述方式符号化：在代表替换之后的状态的下方窗口中的单元格用不同的阴影部分示出。
然后，真正的噪声估计可以通过下述方式进行：在发生上述替换之后对，在窗口的所有单元格内的谱值求平均值。如果PR(i)是用于当前所检查的单元格16a的待确定的估计值，F(j)是具有索引j的单元格的(可能经替换的)谱值，并且N是窗口的单元格的数量，则适用的是：
然而，如果该计算迭代地进行，则谱值的上述替换和求平均值能够有效率地以明显更少的数量的计算操作实施：
如果D(i)＝0：
PR(i) ＝ PR(i-1) + (1/N) (P(i) - F(i-N) (2)
如果D(i)＝1：
PR(i) ＝ PR(i-1) + (1/N) (PR(i-1) - F(i-N) (3)
其中，P(i)是在具有索引i的单元格中的谱值。
该迭代估计过程的可能的硬件实现方式在图4中作为方框图示出。在此示出的噪声估计器28具有移位寄存器42，该移位寄存器具有N个存储位置，其中，N是2的幂，N＝2p。依次向在移位寄存器42的输入端上的多路复用器44提供单元格16的谱值P(i)(振幅平方)，连同用于相关的单元格的探测结果D(0或者1)一起。根据该探测结果来判定，应使用公式(2)还是公式(3)。加法元件46和减法元件48求移位寄存器42的第一个存储位置与最后一个存储位置之间的差，延迟元件50控制从索引i到先前的索引i-1的过渡。根据公式(2)或者公式(3)除以N，通过非常有效率的方式借助简单的移位器52来实现，该移位器将相应的二进制值以p(以2为底N的对数)移动。通过这种方式，噪声估计器28为索引i的彼此相继的值中的每个值提供相关的估计值PR(i)。
Claims (17)
1.一种用于在雷达传感器(10)的情况下进行噪声估计的方法，所述雷达传感器生成数字的谱(14)，所述数字的谱将所接收的信号强度说明为至少一个离散定位参数的函数，其中，在所述谱(14)上，不仅进行探测以便判定在定位空间中的所检查的单元格(16a)是包含真正的雷达目标还是仅包含噪声，而且在相邻单元格的选择中根据信号强度来确定噪声水平，所述相邻单元格位于所检查的单元格(16a)附近，其特征在于，所述探测在所述确定之前进行，并且将在探测时被识别为目标单元格的单元格从所述相邻单元格的选择中排除。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述探测是CFAR探测。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，在确定所述噪声水平时，分别通过已经存在的、用于位于附近的单元格的噪声估计值来替换所排除的相邻单元格的信号强度。
4.根据权利要求1或2所述的方法，其中，在确定所述噪声水平时，相应于所排除的相邻单元格的数量，减少在相邻单元格的选择中的单元格的数量的大小。
5.根据权利要求1或2所述的方法，其中，在确定所述噪声水平时，分别通过来自增大的邻近范围的、位于附近的单元格的信号值来替换所排除的相邻单元格的信号强度。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其中，所述定位空间是至少二维的。
7.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述CFAR探测根据OS-CFAR算法进行。
8.根据权利要求7所述的方法，其中，所述CFAR探测根据仅秩OS-CFAR算法进行。
9.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其中，为了确定噪声水平，使具有所述定位空间的N个单元格(16)的大小的窗口(40)移动通过所述定位空间的单元格矩阵，并且在所述窗口(40)的每个位置上，包含在所述窗口中的单元格是所检查的单元格(16a)，并且其余单元格是所述相邻单元格。
10.根据权利要求9所述的方法，其中，所述窗口(40)是一维的。
11.根据权利要求9或10所述的方法，其中，所检查的单元格(16a)在一维的窗口(40)的情况下位于所述窗口的端部处，在多维的窗口的情况下位于所述窗口的角中，并且使所述窗口如此运动通过所述单元格矩阵，使得所检查的单元格所在的端部或者角比窗口的任何其他部分更早地扫过所述单元格矩阵的每个单元格(16)。
12.根据权利要求9至11中任一项所述的方法，其中，迭代地计算用于彼此相继的单元格(16)的噪声水平的估计值(PR(i))。
13.根据权利要求9至12中任一项所述的方法，其中，N是二的幂。
14.根据权利要求9至13中任一项所述的方法，其中，窗口大小N根据所述窗口的当前的位置变化。
15.根据权利要求9至14中任一项所述的方法，其中，所述窗口内的各个单元格被隐没，使得所述各个单元格不对噪声估计提供贡献。
16.一种雷达***，所述雷达***具有雷达传感器(10)和电子分析处理***(12)，其特征在于，所述分析处理***(12)配置用于实施根据权利要求1至15中任一项所述的方法。
17.根据权利要求16所述的雷达***，其中，所述分析处理***(12)具有噪声估计器(28)，所述噪声估计器具有FIFO存储器(42)和移位器(52)，所述FIFO存储器具有N个存储器单元格，其中，N是二的幂。
Applications Claiming Priority (2)
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|---|---|---|---|
| DE102022200000.5A DE102022200000A1 (de) | 2022-01-03 | 2022-01-03 | Verfahren zur Rausch-Schätzung bei einem Radarsensor |
| DE102022200000.5 | 2022-01-03 |
Publications (1)
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|---|---|
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Family Applications (1)
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