CN118275982A - 相干分布式雷达中的定时偏移补偿 - Google Patents

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Abstract

呈现了一种用于处理雷达信号的***和方法。处理经由分布式孔径双基地雷达***的第一雷达装置接收的第一啁啾信号以确定指示到第一目标的第一距离的第一值。处理经由第二雷达装置接收的第二啁啾信号以确定指示到第二目标的第二距离的第二值。在确定所述第一目标和所述第二目标为同一目标之后，基于所述第一值与所述第二值之间的差确定定时偏移值，并且使用所述定时偏移值来修改由所述第一雷达装置接收的第三啁啾信号和由所述第二雷达装置接收的第四啁啾信号中的至少一者，以减少所述第一雷达装置和所述第二雷达装置的操作之间的定时偏移。

Description

相干分布式雷达中的定时偏移补偿
技术领域
本公开大体上涉及雷达***和相关联的操作方法。在一个方面，本公开涉及一种相干分布式雷达***，所述相干分布式雷达***被配置成估计和补偿双基地(bi-static)雷达应用中的定时偏移。
背景技术
雷达***发送电磁信号并接收所发送信号的背向反射。可确定所发送信号与所接收信号之间的时间延迟和/或时间延迟变化，并将所述时间延迟和/或时间延迟变化用于分别计算引起反射的对象的距离和/或速度。例如，在汽车应用中，汽车雷达***可用于确定迎面而来的车辆和其它障碍物的距离和/或速度。
汽车雷达***实现了高级驾驶员辅助***(ADAS)功能的实施，很可能实现越来越安全的驾驶并最终实现完全自主驾驶平台。此类***使用雷达***作为主传感器ADAS操作。由此，雷达***可通常提供良好的角分辨率，这可能需要较大天线孔径以及因此物理上较大的雷达。不利的是，具有较大雷达的需求可能与其它设计和/或操作约束冲突，例如将大孔径雷达集成到存在设计、结构和/或操作方面的竞争性需求的车辆中。保持雷达的大小足够小以便可与车辆的其它部分集成，这意味着雷达的孔径受到限制，因此角分辨率受到限制。
现有雷达***尝试通过使用有效地组合多个分布式较小孔径雷达以形成较大虚拟孔径的技术(例如，双基地多输入多输出雷达)来解决这些挑战。然而，这些技术通常需要分布式雷达共享共同参考本机振荡器(LO)信号(因此，雷达基于相同频率和时间参考而操作)，和/或需要对硬件和软件进行复杂且昂贵的修改来使目标返回信号与来自其它发送器的信号互相关或混合。不利的是，由于汽车集成、复杂性和/或成本约束阻碍了此类解决方案稳固且经济地实施，因此这些要求可能是不大可能的。如从前文可见，现有雷达***解决方案在实践层面上是极其困难的，因为要在现有雷达***应用的性能、设计、复杂性和成本约束下实现较大尺寸雷达的性能优势存在挑战。
发明内容
在一些方面，本文中所描述的技术涉及一种分布式孔径双基地雷达***，所述分布式孔径双基地雷达***包括：第一多天线雷达装置，所述第一多天线雷达装置包括：第一本机振荡器参考时钟发生器；第一信号处理器组件，其耦合到第一多个发送天线，所述第一信号处理器组件被配置成经由所述第一多个发送天线发送第一雷达信号；和第一多个接收天线；第二多天线雷达装置，所述第二多天线雷达装置包括：第二本机振荡器参考时钟发生器；第二信号处理器组件，其耦合到第二多个发送天线，所述第二信号处理器组件被配置成经由所述第二多个发送天线发送第二雷达信号；和第二多个接收天线；以及处理器，所述处理器耦合到所述第一多天线雷达装置和所述第二多天线雷达装置，所述处理器被配置成：处理经由所述第一多个接收天线接收的第一信号以生成第一距离-速度双基地信号，处理经由所述第二多个接收天线接收的第二信号以生成第二距离-速度双基地信号，通过以下操作确定所述第一多天线雷达装置和所述第二多天线雷达装置的操作之间的定时偏移：确定所述第一距离-速度双基地信号中的目标的第一差拍信号频率；确定所述第二距离-速度双基地信号中的所述目标的第二差拍信号频率；以及基于所述第一差拍信号频率与所述第二差拍频率信号之间的差确定定时偏移值，以及将由所述定时偏移值确定的复指数值与经由所述第一多个接收天线接收的第三信号相乘以对所述第三信号进行相移和时移中的至少一者，以减少所述第一多天线雷达装置和所述第二多天线雷达装置的操作之间的所述定时偏移。
根据一个或多个实施方式，所述处理器被配置成将由所述定时偏移值确定的所述复指数值与经由所述第二多个接收天线接收的第四信号相乘以对所述第四信号进行相移和时移中的至少一者，以减少所述第一多天线雷达装置和所述第二多天线雷达装置的操作之间的所述定时偏移。
根据一个或多个实施方式，所述第一信号处理器组件被配置成通过对经由所述第一多个接收天线接收的所述第一信号应用距离和多普勒处理步骤来生成所述第一距离-速度双基地信号。
根据一个或多个实施方式，所述第一信号处理器组件对所述第一信号计算距离快速傅里叶变换(FFT)和多普勒FFT以生成所述第一距离-速度双基地信号。
根据一个或多个实施方式，所述第二信号处理器组件被配置成通过对经由所述第二多个接收天线接收的所述第二信号应用距离和多普勒处理步骤来生成所述第二距离-速度双基地信号。
在一些方面，本文中所描述的技术涉及一种***，所述***包括：第一雷达装置，其包括第一多个接收天线；第二雷达装置，其包括第二多个接收天线，其中所述第一雷达装置和所述第二雷达装置被配置成作为分布式孔径双基地雷达***的部分操作；和控制器，其被配置成：处理由所述第一雷达装置接收的第一啁啾信号以确定指示到第一目标的第一距离的第一值，处理由所述第二雷达装置接收的第二啁啾信号以确定指示到第二目标的第二距离的第二值，确定所述第一目标和所述第二目标为同一目标，基于所述第一值与所述第二值之间的差确定定时偏移值，以及使用所述定时偏移值来修改由所述第一雷达装置接收的第三啁啾信号和由所述第二雷达装置接收的第四啁啾信号中的至少一者，以减少所述第一雷达装置和所述第二雷达装置的操作之间的定时偏移。
根据一个或多个实施方式，所述控制器被配置成使用所述定时偏移值以通过将由所述定时偏移值确定的复指数值与由所述第一雷达装置接收的第三啁啾信号和所述第四啁啾信号中的所述至少一者相乘来修改所述第三啁啾信号和所述第四啁啾信号中的所述至少一者。
根据一个或多个实施方式，所述控制器被配置成通过以下操作处理所述第一啁啾信号以确定指示到所述第一目标的所述第一距离的所述第一值：
基于所述第一啁啾信号生成第一距离-速度双基地信号；以及
确定所述第一距离-速度双基地信号中的所述第一目标的第一差拍信号频率。
根据一个或多个实施方式，指示到所述第一目标的所述第一距离的所述第一值是所述第一目标的所述第一差拍信号频率。
根据一个或多个实施方式，所述控制器被配置成通过以下操作处理所述第二啁啾信号以确定指示到所述第二目标的所述第二距离的所述第二值：
基于所述第二啁啾信号生成第二距离-速度双基地信号；以及
确定所述第二距离-速度双基地信号中的所述第二目标的第二差拍信号频率。
根据一个或多个实施方式，指示到所述第二目标的所述第二距离的所述第二值是所述第二目标的所述第二差拍信号频率。
根据一个或多个实施方式，所述控制器被配置成通过将距离和多普勒处理步骤应用于所述第一啁啾信号来生成所述第一距离-速度双基地信号。
根据一个或多个实施方式，所述控制器对所述第一啁啾信号计算距离快速傅里叶变换(FFT)和多普勒FFT以生成所述第一距离-速度双基地信号。
在一些方面，本文中所描述的技术涉及一种方法，所述方法包括：处理经由分布式孔径双基地雷达***的第一雷达装置接收的第一啁啾信号以确定指示到第一目标的第一距离的第一值；处理经由第二雷达装置接收的第二啁啾信号以确定指示到第二目标的第二距离的第二值；确定所述第一目标和所述第二目标为同一目标；基于所述第一值与所述第二值之间的差确定定时偏移值；以及使用所述定时偏移值来修改由所述第一雷达装置接收的第三啁啾信号和由所述第二雷达装置接收的第四啁啾信号中的至少一者，以减少所述第一雷达装置和所述第二雷达装置的操作之间的定时偏移。
根据一个或多个实施方式，使用所述定时偏移值来修改所述第三啁啾信号和所述第四啁啾信号中的所述至少一者包括将由所述定时偏移值确定的复指数值与所述第三啁啾信号和所述第四啁啾信号中的所述至少一者相乘。
根据一个或多个实施方式，所述方法还包括通过以下操作处理所述第一啁啾信号以确定指示到所述第一目标的所述第一距离的所述第一值：
基于所述第一啁啾信号生成第一距离-速度双基地信号；以及
确定所述第一距离-速度双基地信号中的所述第一目标的第一差拍信号频率，其中指示到所述第一目标的所述第一距离的所述第一值是所述第一目标的所述第一差拍信号频率。
根据一个或多个实施方式，所述方法还包括通过以下操作处理所述第二啁啾信号以确定指示到所述第二目标的所述第二距离的所述第二值：
基于所述第二啁啾信号生成第二距离-速度双基地信号；以及
确定所述第二距离-速度双基地信号中的所述第二目标的第二差拍信号频率，其中指示到所述第二目标的所述第二距离的所述第二值是所述第二目标的所述第二差拍信号频率。
根据一个或多个实施方式，所述方法还包括通过将距离和多普勒处理步骤应用于所述第一啁啾信号来生成所述第一距离-速度双基地信号。
根据一个或多个实施方式，所述方法还包括对所述第一啁啾信号计算距离快速傅里叶变换(FFT)和多普勒FFT以生成所述第一距离-速度双基地信号。
附图说明
通过参考结合以下图式考虑的具体实施方式和权利要求可得到对主题的更完整理解，图中类似附图标记在各图中指代类似元件。
图1是包括连接到雷达控制器处理器的两个或更多个分布式雷达装置的分布式相干雷达***的简化示意图。
图2描绘其中可响应于雷达***发送的雷达信号而接收延迟的反射信号的典型啁啾波形。
图3是描绘由雷达单元发送和接收的信号中的时间和频率偏移(以及因此观测到的距离偏移)的图表。
图4是描绘根据本公开配置的用于定时偏移估计的***的组件的框图。
图5是用于确定相干分布式雷达***的第一雷达单元与第二雷达单元之间的定时偏移的示例方法的流程图。
具体实施方式
以下详细描述本质上仅为说明性的，并不意图限制申请的主题的实施例和此类实施例的使用。如本文所使用，词语“示例性”或“例子”意指“充当例子、实例或图解说明”。本文中描述为示例性或例子的任何实施方案或实施例不必理解为比其它实施方案优选或有利。此外，并不意欲受到前述技术领域、背景技术或以下具体实施方式中呈现的任何明确或暗示的理论束缚。
相干分布式雷达(CDR)***使用多个相干的空间上分离的雷达子***产生目标场景信息。在所选实施例中，公开了一种信号处理方法和算法，用于控制双基地或多基地雷达***中的多个物理分布式小孔径雷达以确定CDR***中的第一和第二雷达子***的操作之间的定时偏移。与可能依赖于复杂的啁啾信号发送计划来确定定时偏移的常规方法相比，本发明的定时偏移估计和补偿方案实际上依赖于CDR***中的双基地雷达场景的互反性(reciprocity)。
归因于CDR***中的两个雷达子***的操作中的定时偏移，在第一雷达子***与第二雷达子***之间，目标的观测到的距离移位。归因于可操作互反性，在两个双基地雷达场景之间观测到的目标距离中的这些移位具有相同量值但具有相反符号，即，围绕正确目标距离形成镜像。简单地，第一雷达子***可能确定到特定对象的距离小于实际距离，而同时第二雷达子***可能会确定到同一对象的距离比实际距离大相同的偏移量。
通过采用该互逆误差，可从两个双基地雷达子***的观测到的不同目标距离估计第一雷达子***与第二雷达子***之间的定时偏移并进行校正(例如，通过使用与复指数的乘法)。可利用此方法，而不需要发送常规方法中常用于定时偏移估计的专门布置的啁啾计划。
如本文中所描述，根据本公开，雷达场景中的任何目标可用于定时偏移估计(但通常会使用最强目标)。这进一步实现了目标偏移估计，而不需要使用单独的专用通信链路在两个雷达子***之间分配专用参考目标信号。
在本公开的上下文中，应了解，包括CDR雷达***的雷达***可在各种不同应用中用作传感器，包括但不限于用于例如高级驾驶员辅助***(ADAS)和自主驾驶(AD)***之类的道路安全***的汽车雷达传感器。在此类应用中，雷达***用于测量到反射对象(即，‘目标’)的径向距离和目标的相对径向速度，并且通过例如角分辨率、灵敏度、错误检测速率等性能标准来表征。通常，使用调频连续波(FMCW)调制技术用于通过从多个发送天线发送FMCW调制信号来标识例如汽车或行人等雷达目标的距离和/或速度，使得在多个接收天线处接收来自雷达目标的反射信号，并对反射信号进行处理以确定雷达目标的径向距离以及相对径向速度和方向。然而，在当前汽车设计中，车辆可能包括可彼此独立操作的多个雷达单元。例如，双基地CDR***通过使每个单独的雷达单元接收另一雷达单元的发送且接着用从其它雷达单元接收的发送相干地处理所接收信号以用于估计目标参数而形成单个大孔径。
为了示出此类CDR***的操作，图1是包括连接到雷达控制器和处理器30的两个或更多个分布式雷达装置10、20的分布式相干雷达***100的简化示意图。在所选实施例中，分布式雷达装置10、20中的每一者可体现为被设计成在操作位置快速更换的现场可更换单元(line-replaceable unit，LRU)或模块化组件。类似地，雷达控制器处理器30可体现为现场可更换单元(LRU)或模块化组件。尽管示出了两个分布式雷达装置10、20，但应了解，可使用额外的分布式雷达装置。另外，所描绘的雷达***100可以集成电路形式实施，其中分布式雷达装置10、20和雷达控制器处理器30由单独的集成电路(芯片)或由单芯片形成，这取决于应用。
每个分布式雷达装置10、20各自为多天线雷达装置，所述多天线雷达装置包括分别连接到一个或多个射频(RF)发送器(TX)单元11、21和接收器(RN)单元12、22的一个或多个发送天线元件TXij和接收天线元件RXij。例如，每个雷达装置(例如，雷达单元10)示为包括分别连接到三个发送器模块(例如，11)和四个接收器模块(例如，12)的单独天线元件(例如，TX1,i、RX1,j)，但这些数目不是限制性的，并且其它数目也是可能的，例如四个发送器模块11和六个接收器模块12，或者单个发送器模块11和/或单个接收器模块12。每个雷达装置10、20还包括被配置并连接成将啁啾输入信号供应到发送器模块11、21的啁啾发生器112、132。为此目的，啁啾发生器112、132连接成接收单独且独立的本机振荡器(LO)信号发生器110、130，使得分布式雷达10、20可不共享共同本机振荡器(LO)信号并且可以非相干方式操作。另外，共同啁啾开始触发信号可在啁啾发生器112、132之间共享，但归因于信号路径差异和可编程数字延迟元件111、131，延迟很可能不同。因此，发送器元件11、12可能以非相干方式操作，因为即使发送器元件11、12被编程成发送相同波形并共享共同时间表，生成的波形也有可能具有不同的起始频率、相位和发送时间，从而在雷达装置10、20中的每一者的操作中产生一些定时偏移。
雷达***100还包括雷达控制器处理单元30，该雷达控制器处理单元30被连接以将输入控制信号供应到分布式雷达装置10、20并从中接收由接收器模块12、22生成的数字输出信号。在所选实施例中，雷达控制器处理单元30可体现为微控制器单元(MCU)或被配置和布置成用于信号处理任务的其它处理单元，所述信号处理任务例如但不限于目标标识、对目标距离、目标速度和目标方向的计算，以及生成控制信号。雷达控制器处理单元30可例如被配置成生成校准信号、接收数据信号、接收传感器信号、生成频谱整形信号(例如FMCW雷达的情况下的斜变生成)和/或用于RF(射频)电路启用序列的状态机信号。
在示出的例子中，响应于由延迟电路111、131生成的啁啾开始触发信号和由频率合成器单元110、130生成的对应参考本机振荡器信号LO#1、LO#2，每个啁啾发生器112、132生成啁啾信号。由于参考LO信号是独立的，因此参考LO信号可具有不同的频率和相位值，这继而影响所生成的啁啾信号的频率和相位。从每个发生器112、132所得的啁啾信号接着由RF调节单元113、133处理和在功率放大器(PA)114、134处放大，PA114、134将信号放大到适于作为雷达信号由发送器天线单元TX1,i、TX2,j发送的电平。尽管未示出，但应理解，发送器模块11、21可包括额外处理电路，例如数/模转换器(DAC)、移相器(或相位旋转器)、缓冲器、混合器、滤波器等。
由发送器天线单元TX1,i、TX2,i发送的雷达信号可被例如车辆目标1等对象反射。反射的雷达信号的一部分(例如单基地目标回波)到达第一分布式雷达装置10处的接收器天线单元RX1,i，而另一部分(例如双基地目标回波)到达第二分布式雷达装置20处的接收器天线单元RX2,i。
在每个接收器模块12、22处，接收到的(射频)天线信号由低噪声放大器(LNA)120、140放大，接着馈送到混合器121、141，此处，接收到的(射频)天线信号与由RF调节单元113、133生成的RF调节信号混合。将所得中频信号馈送到第一高通滤波器(HPF)122、142。将所得滤波后信号馈送到第一可变增益放大器123、143，所述第一可变增益放大器123、143放大所述信号，之后将所述信号馈送到第一低通滤波器(LPF)124、144。此再滤波后的信号被馈送到模/数转换器(ADC)125、145并由每个接收器模块12、22输出作为数字信号D1、D2等。
在雷达控制器处理器30的控制下，分布式相干雷达***100被配置成以操作方式组合多个物理分离的小孔径雷达单元10、20以用作单个大的相干孔径雷达。为此目的，雷达控制器处理器30可被配置有双基地雷达模块31，该双基地雷达模块31操作以组合分布式孔径信号结果，而不需要将所接收的目标回波与从其它发送器接收的信号物理混合或相关。然而，为了实现此结果，必须确定参考LO信号的起始频率和相位的差异，之后***可通过协调分布式雷达装置10、20以相干方式操作来充当单个雷达。因此，分布式雷达单元10、20之间的任何时间偏移(Δt0)必须是已知的，以便适当地处理由雷达单元10、20处理的信号。在常规***中，此定时偏移假定为已知的或以其它方式通过应用复杂***配置算法而导出，所述复杂***配置算法要求发送和处理专门配置的啁啾信号，如上文所描述。
除双基地雷达孔径构造之外，雷达控制器处理器30还可被配置成构造和累积多输入多输出(MIMO)阵列输出以形成MIMO孔径。为此目的，雷达控制器处理器30可被配置有MIMO虚拟阵列模块38，所述MIMO虚拟阵列模块38操作以使发送“主”角色在分布式雷达单元10、20之间交替，使得可基于MIMO雷达原理形成扩展MIMO孔径。
在包括多个雷达单元的雷达***中，合乎需要的是，相干地处理从雷达单元接收的信号，这可能需要精确知晓两个或更多个雷达单元的操作中的任何定时偏移。常规地，可通过在两个雷达单元之间共享相同时钟信号(例如，通过将第一雷达单元的时钟信号发送到第二雷达单元)来实现一对雷达单元的相干操作。归因于若干因素(例如，从第一单元到第二单元的时钟信号的传播延迟)，在两个雷达单元的时钟信号并且由此在雷达单元的操作之间可能存在定时偏移。优选地校正此定时偏移以确保此类相干分布式雷达***的正确操作。
用于减少常规雷达***中的这些定时偏移的方法通常依赖于顺序上啁啾和下啁啾信号的复杂集合的发送和分析。然而，这些方法在***的啁啾计划中产生复杂性，这可能实施起来困难且成本高。此外，这些方法不符合用于常规单基地雷达情境的常规啁啾计划。另外，依赖于这些复杂的上、下啁啾计划的定时偏移估计方法往往需要对不存在定时偏移的真实距离信息(例如，来自单基地响应，或来自专用参考目标)的额外先验知识。
为了减轻与常规定时偏移减少相关联的这些问题(和其它问题)，本公开提供一种利用相干分布式雷达***中的双基地雷达场景的互反性的定时偏移估计方法。归因于此类雷达***中的任何两个雷达单元之间的任何定时偏移，每个雷达单元确定的目标距离偏离正确值。归因于雷达***的操作中的互反性，通过两个双基地雷达场景中的每一者确定的目标距离中的那些移位或偏移具有相同量值但具有相反符号(即，围绕正确目标距离形成镜像)。
可根据由两个雷达单元所确定并适当地校正的双基地目标距离的这些差异来估计定时偏移。此方法不需要发送复杂的上、下啁啾信号。此外，在本方法中，由两个雷达单元在雷达场景中检测到的任何目标可用于定时偏移估计，因此省去了使用单独专用链路在两个雷达单元之间发送专用参考目标信号的必要性。可使用常规雷达***硬件根据本公开来估计和校正定时偏移，并且定时偏移在雷达***内不需要任何特定硬件或信号路径。
在经过频率调制的连续波雷达***中，高频正弦波通常用作载波。在雷达***接收到的反射信号内，使用此技术将目标距离信息与多普勒速度混合。在交替扫描时停用发送信号调制以使得能够使用未调制的载波频移确定接收到的反射信号内的速度数据。这允许通过一个雷达数据集(即，包括跨越数个发送的RF信号啁啾的所接收的RF信号电平的数据的二维矩阵或帧)或替代地通过二维快速变换(2D-FFT)即FMCW的快速啁啾版本找出距离和速度。
在这些各种雷达***实施方案中，可将上啁啾波调制用于由雷达***发送的信号。为了说明，图2是描绘具有上啁啾的典型啁啾波的图表。水平轴线表示时间，而竖直轴线表示频率。图2将所发送信号描绘为迹线202，而迹线204表示所发送的波形的延迟复本，所述延迟复本可响应于由雷达***发送的信号而被接收。
在接收反射信号(迹线204)后，所发送信号频率可用于将所接收信号降频转换到基带，并且发送信号(迹线202)与反射信号(迹线204)之间的频移的量(即，Δf)随着与距离相关的时间延迟而增加。时间延迟又是目标的距离的度量；其中小频移由来自附近目标的反射产生，而较大频移对应于来自较远目标的反射。
随着现代电子件的出现，数字信号处理用于大多数反射信号处理以标识目标。在处理后，从接收的反射信号中检索到的差拍信号穿过模/数转换器(ADC)，并且对结果执行数字处理以标识目标距离和速度。
在FMCW雷达应用中，可从包括线性斜坡波形(即，图2的三角波形)的所接收反射信号确定目标范围，这在用于调制器部分(即，FMCW发送器)的以下一组等式中给出。因此，由雷达***(Tx)发送的信号由以下等式1给出。
在等式3中，以实部作为输入，fc是载波频率，是啁啾速率(啁啾斜率)，Beff是有效带宽，并且TFFT是(有效)啁啾持续时间。因此，在所接收信号中，可根据等式4确定瞬时频率，其中d表示距离。
在FMCW雷达应用内，从调制波提取原始消息信号的过程被称为检测或解调。解调所调制的波的信号处理***(例如，由图1的雷达单元10、20和/或雷达控制器处理器30实施)被称为解调器，所述解调器尝试从所接收信号中重构所发送信号。因此，由等式6给出在飞行时间(ToF)τ之后的FMCW雷达接收信号(Rx)。
通过将所接收信号与所发送信号混合并应用低通滤波(LPF)，生成差拍信号y(t)，这由等式8给出。
差拍频率fb，即，y(t)的频率，如等式10所给出。
给定差拍信号和已知差拍频率fb，目标距离则由等式12给出。目标通常通过标识差拍频率fb信号中超过预定检测阈值的峰值来确定。可使用算法(例如，恒虚警率(CFAR)算法)来确定所述阈值。接着，峰值检测器用于在差拍信号中找出量值超过该阈值的所有峰值(即，目标)。
在等式14中，c0是自由空间中的相速度，即，光速(≈3·108m/s)。
尽管上文以数学方式示出对目标距离的确定，但可能要注意，出于实际原因，在调制斜坡开始后的短时间段(Tdwell,Tsettle,Treset)内未处理所接收反射信号Rx的小部分，例如因为传入的反射将具有来自先前调制循环的重叠调制和例如锁相环(PLL)的电路***建立。
在本公开中，开发模型以在利用两个可操作雷达站点进行视距(LOS)操作的雷达***中提供改进的定时偏移估计。在具有采用全双工发送的第一和第二雷达单元(例如，图1的雷达单元10和雷达单元20)的相干分布式雷达***中，雷达***的第一雷达单元(即，雷达单元1)的单个啁啾信号的相位Φ1k(t)在两个站点之间存在相对时间漂移δt、两个站点之间存在定时偏移Δτ1k、频率偏移Δf以及RF带宽为B的情况下由等式15给出。
在等式17中，是啁啾速率(啁啾斜率)，而Tsw是扫频时间，即，啁啾持续时间，k∈{0，…，K-1}指示其中有K个啁啾被发送和接收的FMCW啁啾数目，Ψ1k(t)是相位噪声(PN)，并且Θ1k是任意初始相位。注意，对于第二雷达单元(即，雷达单元2)，类似的数学模型适用于该单元的单个啁啾信号相位Φ2k(t)，只是对于频率偏移Δf和相对时间漂移δt存在符号反转。
给定第一和第二雷达单元的单个啁啾信号相位Φ1k(t)和Φ2k(t)，第一和第二雷达单元发送的信号(s1k，tx(t)和s2k，tx(t))可根据等式18表示。
信号(s1k，tx(t)和s2k，tx(t))分别是每个雷达单元发送的信号，并作为以后降频转换的参考，其中A1和A2表示啁啾信号幅度。因此，相反的雷达单元(s2k，rx(t)和s1k，rx(t))在传播时间为τk、多普勒频移为fD和衰减系数为α的时变无线信道上接收的信号根据等式20表示。
在确定第一雷达单元的所发送和所接收信号(即，第一雷达单元发送的信号s1k，tx(t)和第一雷达单元接收的信号s1k，rx(t))的情况下，根据等式22确定对应的混合信号(s1k，mix(t))。
在等式24中，A是信号幅度，是总频率偏移，并且ToF建模为τk＝τ0+τ′k，其中τ0和τ′k分别是初始ToF和无线信道中的传播时间变化。注意，对于第二雷达单元(即，雷达单元2)，类似的数学模型适用于混合信号s2k，mix(t)，只是对于多普勒频移、初始ToF存在符号反转，以及对于PN存在雷达单元1与雷达单元2之间的ToFτk互换。
在每个雷达单元内，雷达单元的相应ADC由其自身的内部时钟源控制，并且由此，混合结果不可用作取样数据。因此，雷达单元1和雷达单元2中的每个雷达单元的取样操作分别延迟Δτ1k和Δτ2k。因此，FMCW差拍信号s1k，beat(t)和s2k，beat(t)可分别表示为混合信号s1k，mix(t)和s2k，mix(t)的时间延迟版本。在雷达***的实际实施方案中，需要一些多址方案，例如频分多址(FDMA)，以分离两个双基地雷达响应。因此，对雷达***的共同要求是，两个双基地雷达单元所见的雷达场景相同。
雷达单元1的频域差拍信号(s1k，beat(f))和雷达单元2的频域差拍信号(s2k，beat(f))可各自通过应用离散傅里叶变换从相应的时域差拍信号s1k，beat(t)和s2k，beat(t)导出。因为如果奈奎斯特(Nyquist)取样准则成立，则可经由离散或连续信号导出未知参数，所以使用连续时间信号描述所有计算步骤。FMCW啁啾具有有限的持续时间t＜Tsw。因此，可将合适的窗口函数w(t)与时域信号相乘，以降低频域中差拍信号的旁瓣电平。
傅里叶变换在(例如，通过应用窗口函数)加窗后，雷达单元1和雷达单元2的差拍信号由等式25给出。
在等式27中， 和{γ1k,γ2k}是ADC的延迟引起的相移。注意，{Ψpn,1k(t),Ψpn,2k(t)}对峰值位置的影响可忽略不计，因此可通过 估算以估计未知参数。如可见，对应差拍信号通过使用相对时间基准来建模，所述时间基准取决于定时偏移Δτ和LO漂移δt。
有可能通过假定将本机振荡器调整到相同频率(即，δt≈0和Δf＝0)来简化等式28的差拍信号表达式。此外，无线信道是互反的并且允许两个方向上的相同信号发送。通过那些假设，可通过等式29给出IF差拍信号的傅里叶变换。
雷达单元1和雷达单元2两者的这些差拍频谱都以频率fshift＝μΔτ为中心，该频率可能受到未知触发定时偏移的影响，这可能取决于内部电路延迟和触发线缆长度。雷达单元2的差拍频谱在fshift处成镜像，并计算复共轭。由于限定了定时，因此额外相移值{γ1k(Δτ,δt),γ2k(Δτ,δt)}是恒定的，并且可经由校准去除。此后，可通过等式31表示用于雷达单元1和雷达单元2的双基地差拍信号。
在等式33中，ψk表示FMCW啁啾的未知初始相位。可将第二FFT应用于等式13中所表示的差拍信号(例如，在“慢速时间”维度中)，以根据等式34生成距离-速度双基地信号。
在没有任何定时偏移的情况下，从与雷达单元1和雷达单元2观测到的目标相同的目标反射的信号的差频处于fkl,beat＝μτ0。然而，由于目前的定时偏移，第一雷达单元1处的目标在距离方向上出于频率f1kl,beat＝μ(τ0+Δτ)，而第二雷达单元2处的同一目标在距离方向上处于f2kl,beat＝μ(τ0-Δτ)。
因此，雷达单元1和雷达单元2所见的同一目标的两个观测值形成镜像±Δτ，其中正确的目标μτ0位于这两个观测值之间的中间。此镜像现象由图3示出。图3是描绘由雷达单元1和雷达单元2中的每一者发送和接收的信号中的时间和频率偏移(以及因此观测到的距离偏移)的图表。图3的水平轴线表示时间，而竖直轴线表示频率。如图3所示，雷达单元2发送的信号(见迹线302)与雷达单元1发送的信号(见迹线304)之间存在定时偏移Δτ。并且，雷达单元2接收的信号(见迹线306)与雷达单元1接收的信号(见迹线308)之间存在类似定时偏移Δτ。由此，双基地12(TX1到RX2)的飞行时间(ToF)变为τ0-Δτ，并且双基地21(TX2到RX1)的ToF变为τ0+Δτ。
有可能利用此互反ToF特性来估计雷达单元1与雷达单元2之间的定时偏移。具体地，定时偏移Δτ可由等式36的表达式估计。
等式38的表达式假定在无定时偏移的情况下的目标信号的已知差频。在实施例中，有可能在已知距离和速度下使用从雷达单元1到雷达单元2(反之亦然)的专用发送链路发送参考目标信号。作为正确的差频，在没有任何定时偏移的情况下，参考目标在雷达单元1和雷达单元2处都是已知的，并且可经由等式39的估计来估计定时偏移，从而找到参考目标的实际差频f1/2kl,beat。然而，此方法需要用于第一雷达单元与第二雷达单元之间的参考目标发送的专用链路，从而增加雷达***实施方案的复杂性。在本发明的方法中，归因于上文所描述的互反属性，对于任何检测到的目标，归因于雷达单元1与雷达单元2之间的定时偏移，两个雷达单元处的差频形成镜像，其中正确的差频在中间。因此，每个检测到的目标可被“升级”到参考目标并用于定时偏移确定。实际上，处理最强的观测目标是有意义的，因为该目标具有最大信噪比。在此情况下，可根据等式40的表达式来估计雷达单元1与雷达单元2之间的定时偏移。
在估计定时偏移后，例如，通过将形式的复指数乘以所接收时域差拍信号s1/2k,beat(t)，可校正偏移。此外，对于具有多个接收天线的雷达接收器，可仅估计定时偏移一次，并且可按相同方式将相同校正应用于所有接收天线接收的稍后信号。
图4是描绘根据本公开的雷达***的组件和由雷达***实施用于定时偏移估计的框图和流程图。具体地，图4描绘信号处理***400的组件(例如，图1的雷达***100)。***400包括两个信号处理路径，所述两个信号处理路径可至少部分地由两个单独雷达单元(例如，图1的雷达单元10或雷达单元20)实施。***400包括ADC 402(例如，无线电单元10的ADC)和ADC 404(例如，无线电单元20的ADC)。ADC 402和ADC 404被配置成处理对应接收天线接收的信号，以生成输出差拍信号s1k,beat(t)和s2k,beat(t)。FFT 406、408被应用于时域差拍信号，以生成频域差拍信号s1k,beat(f)和s2k,beat(f)。后续FFT 408、410被应用于频域差拍信号，以生成距离-速度双基地信号s1kl((f-μΔτ),f2)和s2kl((f-μΔτ),f2)。对距离-速度双基地信号进行处理以通过参考目标选择块412标识每个信号中的参考目标。如上文所描述，与每个信号中的最高量值反射信号相关联的每个双基地信号中的目标可被选择为每个双基地信号中的参考目标，并且可假设为与每个双基地信号中观测到的目标相同的目标。
在标识了参考目标的情况下，上文所描述的互反原理由定时偏移估计块414用以使用上文所描述的距离-速度双基地信号来执行定时偏移估计。具体地，可通过确定第一雷达单元(例如，包括ADC 402)和第二雷达单元(例如，包括ADC 404)观测到的参考目标之间的距离来估计定时偏移。
在估计了定时偏移的情况下，可在雷达***经由其信号接收和处理***接收每个距离-速度双基地信号s1kl((f-μΔτ),f2)和s2kl((f-μΔτ),f2)时(例如，由定时偏移校正块416)使用定时偏移来相移和/或时移校正每个距离-速度双基地信号，然后可通过常规信号处理(例如，通过FFT 418、420、422、424)来生成常规和定时偏移校正的双基地信号426、428以用于常规信号处理和目标标识。
图5是用于确定相干分布式雷达***的第一雷达单元与第二雷达单元之间的定时偏移的示例方法500的流程图。方法500可例如由图1的分布式相干雷达***100的组件实施，所述组件例如雷达控制器处理器30与分布式雷达单元10和分布式雷达单元20的组合。在各种实施例中，可通过执行各种功能步骤来实施方法500，例如图4中所示和上文所描述的那些功能步骤。
在步骤502中，由雷达***的第一雷达单元(例如，分布式雷达单元10)接收第一信号(即，反射雷达信号)。第一雷达单元被配置成根据本文中所描述的方法处理该信号以确定指示到该接收的信号内标识的第一目标的第一距离值的第一值。在各种实施例中，第一目标被确定为该接收的信号中的最强目标，但可利用其它方法来标识所接收信号内的第一目标。
在步骤504中，由雷达***的第二雷达单元(例如，分布式雷达单元20)接收第二信号(即，反射雷达信号)。第二雷达单元被配置成根据本文中所描述的方法处理该信号以确定指示到该接收的信号内标识的第一目标的第二距离值的第二值。在各种实施例中，第一目标被确定为该接收的信号中的最强目标，但可利用其它方法来标识所接收信号内的第一目标。
在步骤506中，根据本文中所描述的方法基于第一距离值与第二距离值之间的差确定定时偏移值。
在步骤508中，使用定时偏移值来修改由第一雷达装置接收的第三信号和由第二雷达装置接收的第四信号中的至少一者，以减少第一雷达装置和第二雷达装置的操作之间的定时偏移。
如上文所描述，以二维数据帧的形式接收雷达反射，其中数据帧的第一维度被称作“快速时间”维度且表示从不同脉冲信号捕捉的数据值，并且第二维度被称作“慢速时间”维度且表示响应于可包括于由发送器发送的特定脉冲信号内的不同啁啾信号而捕捉的数据值。在各种实施例中，可在对所接收数据帧执行第一(距离或快速时间)FFT和第二(多普勒或慢速时间)FFT两者之后由雷达***实施本发明的定时偏移方法。然而，在其它实施例中，可在仅执行第一(距离)FFT之后执行本发明的定时偏移算法。另外，尽管预期两个雷达单元中的每个雷达单元将参考目标标识为所接收雷达信号中的强或最高量值目标(即，与由所接收雷达信号中的每一者观测到的目标相同的目标)的实施例，但替代方法可涉及使用在所接收雷达信号中标识的多个目标，其中所述目标具有高于本底噪声以改善定时偏移估计的信噪比(SNR)的相关联信号量值。此外，还可应用针对离FFT网格目标的插值技术。
在一些情况下，不同雷达单元之间的定时偏移可为时变性的，因为当处理接收的特定雷达数据帧内的不同啁啾信号时，雷达单元之间的定时偏移可能不同。在此情况下，可在第1(距离)FFT之后执行用于定时偏移估计的本发明方法，其中针对每个啁啾信号独立地估计定时偏移。
尽管已参考汽车雷达***描述了例子，但本文中所描述的***和方法可结合其它类型的雷达***来实施。
前述详细描述本质上仅为说明性的，并不意图限制主题的实施例或此类实施例的应用和使用。
如本文所使用，词语“示例性”意指“充当例子、实例或图解说明”。本文中描述为示例性的任何实施方案不必理解为比其它实施方案优选或有利。此外，并不意欲受到前述技术领域、背景技术或具体实施方式中呈现的任何明确或暗示的理论束缚。
本文中含有的各图中示出的连接线旨在表示各种元件之间的示例性功能关系和/或物理耦合。应注意，所述主题的实施例中可存在许多替代或另外的功能关系或物理连接。另外，本文中还可仅出于参考的目的使用某些术语，因此这些术语并不意图具有限制性，并且除非上下文清楚地指示，否则指代结构的术语“第一”、“第二”和其它此类数值术语并不暗示顺序或次序。
如本文所使用，“节点”意指任何内部或外部参考点、连接点、接合点、信号线、导电元件等，在“节点”处存在给定信号、逻辑电平、电压、数据模式、电流或量。此外，两个或更多个节点可通过一个物理元件实现(并且两个或更多个信号即使在公共节点处接收或输出也可进行多路复用、调制或以其它方式区分)。
前文描述提及元件或节点或特征“连接”或“耦合”在一起。如本文所使用，除非以其它方式明确地陈述，否则“连接”意指一个元件直接连接到另一元件(或与另一元件直接连通)，且未必以机械方式。同样，除非以其它方式明确地陈述，否则“耦合”意指一个元件直接或间接连接到另一元件(或直接或间接与另一元件连通，以电气方式或以其它方式)，且未必以机械方式。因此，虽然图中示出的示意图描绘元件的一个示例性布置，但额外居间元件、装置、特征或组件可存在于所描绘主题的实施例中。
尽管前文具体实施方式中已呈现至少一个示例性实施例，但应了解，存在大量变型。还应了解，本文中描述的示例性实施例或多个示例性实施例并非旨在以任何方式限制所要求保护的主题的范围、适用性或配置。实际上，前文具体实施方式将向本领域的技术人员提供用于实施所描述的实施例或多个实施例的方便指南。应理解，可在不脱离由权利要求书所限定的范围的情况下对元件的功能和布置作出各种改变，所述范围包括在提交本专利申请时的已知等同物和可预见的等同物。

Claims (10)

1.一种分布式孔径双基地雷达***，其特征在于，包括：
第一多天线雷达装置，其包括：
第一本机振荡器参考时钟发生器，
第一信号处理器组件，其耦合到第一多个发送天线，所述第一信号处理器组件被配置成经由所述第一多个发送天线发送第一雷达信号，和
第一多个接收天线；
第二多天线雷达装置，其包括：
第二本机振荡器参考时钟发生器，
第二信号处理器组件，其耦合到第二多个发送天线，所述第二信号处理器组件被配置成经由所述第二多个发送天线发送第二雷达信号，和
第二多个接收天线；以及
处理器，其耦合到所述第一多天线雷达装置和所述第二多天线雷达装置，所述处理器被配置成：
处理经由所述第一多个接收天线接收的第一信号以生成第一距离-速度双基地信号，
处理经由所述第二多个接收天线接收的第二信号以生成第二距离-速度双基地信号，
通过以下操作确定所述第一多天线雷达装置和所述第二多天线雷达装置的操作之间的定时偏移：
确定所述第一距离-速度双基地信号中的目标的第一差拍信号频率；
确定所述第二距离-速度双基地信号中的所述目标的第二差拍信号频率；以及
基于所述第一差拍信号频率与所述第二差拍频率信号之间的差确定定时偏移值，以及
将由所述定时偏移值确定的复指数值与经由所述第一多个接收天线接收的第三信号相乘以对所述第三信号进行相移和时移中的至少一者，以减少所述第一多天线雷达装置和所述第二多天线雷达装置的操作之间的所述定时偏移。
2.根据权利要求1所述的分布式孔径双基地雷达***，其特征在于，所述处理器被配置成将由所述定时偏移值确定的所述复指数值与经由所述第二多个接收天线接收的第四信号相乘以对所述第四信号进行相移和时移中的至少一者，以减少所述第一多天线雷达装置和所述第二多天线雷达装置的操作之间的所述定时偏移。
3.一种***，其特征在于，包括：
第一雷达装置，其包括第一多个接收天线；
第二雷达装置，其包括第二多个接收天线，其中所述第一雷达装置和所述第二雷达装置被配置成作为分布式孔径双基地雷达***的部分操作；和
控制器，其被配置成：
处理由所述第一雷达装置接收的第一啁啾信号以确定指示到第一目标的第一距离的第一值，
处理由所述第二雷达装置接收的第二啁啾信号以确定指示到第二目标的第二距离的第二值，
确定所述第一目标和所述第二目标为同一目标，
基于所述第一值与所述第二值之间的差确定定时偏移值，以及
使用所述定时偏移值来修改由所述第一雷达装置接收的第三啁啾信号和由所述第二雷达装置接收的第四啁啾信号中的至少一者，以减少所述第一雷达装置和所述第二雷达装置的操作之间的定时偏移。
4.根据权利要求3所述的***，其特征在于，所述控制器被配置成使用所述定时偏移值以通过将由所述定时偏移值确定的复指数值与由所述第一雷达装置接收的第三啁啾信号和所述第四啁啾信号中的所述至少一者相乘来修改所述第三啁啾信号和所述第四啁啾信号中的所述至少一者。
5.根据权利要求3所述的***，其特征在于，所述控制器被配置成通过以下操作处理所述第一啁啾信号以确定指示到所述第一目标的所述第一距离的所述第一值：
基于所述第一啁啾信号生成第一距离-速度双基地信号；以及
确定所述第一距离-速度双基地信号中的所述第一目标的第一差拍信号频率。
6.根据权利要求5所述的***，其特征在于，所述控制器被配置成通过以下操作处理所述第二啁啾信号以确定指示到所述第二目标的所述第二距离的所述第二值：
基于所述第二啁啾信号生成第二距离-速度双基地信号；以及
确定所述第二距离-速度双基地信号中的所述第二目标的第二差拍信号频率。
7.一种方法，其特征在于，包括：
处理经由分布式孔径双基地雷达***的第一雷达装置接收的第一啁啾信号以确定指示到第一目标的第一距离的第一值；
处理经由第二雷达装置接收的第二啁啾信号以确定指示到第二目标的第二距离的第二值；
确定所述第一目标和所述第二目标为同一目标；
基于所述第一值与所述第二值之间的差确定定时偏移值，以及
使用所述定时偏移值来修改由所述第一雷达装置接收的第三啁啾信号和由所述第二雷达装置接收的第四啁啾信号中的至少一者，以减少所述第一雷达装置和所述第二雷达装置的操作之间的定时偏移。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，使用所述定时偏移值来修改所述第三啁啾信号和所述第四啁啾信号中的所述至少一者包括将由所述定时偏移值确定的复指数值与所述第三啁啾信号和所述第四啁啾信号中的所述至少一者相乘。
9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，还包括通过以下操作处理所述第一啁啾信号以确定指示到所述第一目标的所述第一距离的所述第一值：
基于所述第一啁啾信号生成第一距离-速度双基地信号；以及
确定所述第一距离-速度双基地信号中的所述第一目标的第一差拍信号频率，其中指示到所述第一目标的所述第一距离的所述第一值是所述第一目标的所述第一差拍信号频率。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，还包括通过以下操作处理所述第二啁啾信号以确定指示到所述第二目标的所述第二距离的所述第二值：
基于所述第二啁啾信号生成第二距离-速度双基地信号；以及
确定所述第二距离-速度双基地信号中的所述第二目标的第二差拍信号频率，其中指示到所述第二目标的所述第二距离的所述第二值是所述第二目标的所述第二差拍信号频率。
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