用于检测至少一个对象相对于接收信号的接收器的速度和距离的方法及装置

摘要

本发明公开了一种用于检测至少一个对象(105a)相对于接收信号(120)的接收器(110a)的速度和距离的装置(160)。所述装置(160)包括至少一个接口(210)，所述至少一个接口用于读取多个时间上连续的接收信号(120)的至少一个同相分量(I1)和一个正交分量(Q1)，所述接收信号各自表示在所述对象(110a)处反射到所述接收器(105a)并且按照预定发射频率(f)发射的信号(125)。所述装置(160)还包括用于使用所述接收信号(120)中的第一接收信号的同相分量(I1)和正交分量(Q1)形成第一检测值(x

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于检测至少一个对象相对于接收信号的接收器的速度和范围的方法及装置以及相应的计算机程序产品。

现有技术

多个对象(车辆)按照相同的径向速度相对于雷达移动的范围分辨是雷达信号处理中的一项要求非常高的任务。原理上，可以通过在极大带宽上操作的雷达系统来解决这个问题。考虑到如今的雷达系统被限制到250Mhz(K带)区域内的带宽的事实，使用在非常宽范围上操作的雷达是不可能的(例如，UWB雷达＝超宽频带雷达)。

目前用于雷达系统的致动系统被限制为称作频移键控(FSK方法)或FMCW方法(FMCW＝频率调制连续波)。在FSK方法的情况下，基于径向速度(接下来被称为速度)实现对象分离。稍后，可以测量每个对象的范围。在FMCW方法的情况下，通常基于速度和对象范围的组合来实现对象分离。在第二步骤中，以具体的方式计算每个对象的这两个变量。这两种方法都可以在硬件方面非常简单地来实现，但是不太适合具有相同速度的多个目标的分辨。

FSK和FMCW方法都无法或者仅在使用非常大的带宽时才能对具有相同相对速度的多个对象进行分辨。

与此结合，现有技术公开了文献EP 1873551A1，此文献公开了一种汽车领域的雷达系统和相应的技术。

发明内容

针对此背景，根据独立权利要求，本发明提出了一种用于检测至少一个对象相对于接收信号的接收器的速度和范围的方法、一种用于检测至少一个对象相对于接收信号的接收器的速度和范围的装置以及一种相应的计算机程序产品。可以从对应的从属权利要求和以下描述获得有利的配置。

本文提出的方式是使用一种用于检测至少一个对象相对于接收信号的接收器的速度和范围的方法，其中，所述方法至少具有以下步骤：

-读取多个时间上连续的接收信号的至少一个同相分量和一个正交分量，所述接收信号各自表示从所述对象上反射到所述接收器的信号，所述信号是按照预定发射频率发射的；

-使用所述接收信号中的第一接收信号的同相分量和正交分量形成第一检测值，其中，所述第一检测值对应于所述对象的预先确定的参考速度和距离所述接收器的预先确定的参考范围；

-使用所述接收信号中的第二接收信号的同相分量和正交分量获取第二检测值，其中，所述第二检测值对应于所述对象的所述预先确定的参考速度和距离所述接收器的所述预先确定的参考范围；以及

-使用所述第一和第二检测值确定所述对象相对于所述接收器的对应于所述参考速度的速度并且确定所述参考范围作为所述对象相对于所述接收器的范围。

对象可以被理解为例如是指在道路交通中行进的车辆。接收信号例如可以是由作为接收器的天线所捕捉的雷达信号。在这种情况下，信号可以被理解为是指已经在预定发射频率发射的并且从对象反射的发射信号，从而使得反射信号形成接收信号。在这种情况下，可以例如在交错的时间按照不同的发射频率发射多个信号，从而使得在每一种情况下基于一个发射信号的多个接收信号基于不同的发射频率并且在交错的时间接收。检测值可以被理解为是指通过变换对应的接收信号的两个分量而形成的值。在这种情况下，可以为每个检测值分配参考速度，所述参考速度例如表示相关接收信号中的参考速度分量。同时，每个检测值具有相关联的参考范围。可以在这种情况下例如基于所述检测值与另一个检测值或参考值的比较提供对象相对于接收器的速度和/或对象相对于接收器的范围。还可以想到的是通过另外的数学运算对检测值进行进一步的处理从而获取对象相对于接收器的速度和/或范围。

本文提出的方式基于以下启示：当使用各自基于按照预先确定的发射频率的(发射)信号的接收信号的同相分量和正交分量时，可以准确并精确地获取对象相对于接收器的速度和范围。在这种情况下，首先可以从接收信号的这两个分量中获取检测值，所述检测值接下来被处理以进一步用于分析对象距离接收器的不同范围的目的。通过考虑多个参考速度和参考范围，可以同时获取对象实际上相对于接收器具有相关参考速度和参考范围的概率。因此，对关于对象有多大可能性相对于接收器具有相关参考速度和/或相关参考范围进行分析。

在这种情况下，与常规的方式相比，本文提出的方式提供了以下优点：技术上相对简单以及数学上低复杂性的手段允许显著地改进对象相对于接收器的实际速度和实际范围的预测。同时，所提出的方式为准确地确定多个对象相对于接收器的速度和范围提供了非常好的基础。另外，还存在用多个接收器操作本文提出的方式的简单扩展选项，以便确定对象相对于接收器或多个对象的速度或范围的进一步精确度。

根据本文提出的方式的一个实施例，确定步骤可以涉及将第一和第二检测值相加。本文提出的方式的实施例提供了以下优点：特别简单地组合所述多个范围值以便例如将检测值用作具有对应于所述速度值的速度的对象的确定概率的系数。

有益的是，根据本文提出的方式的实施例，形成步骤进一步涉及使用接收信号中的第一信号的同相分量和正交分量形成第三检测值。在这种情况下，第三检测值对应于对象距离接收器的另一个参考速度和另一个参考范围。在这种情况下，获取步骤可以进一步涉及使用接收信号中的第二接收信号的同相分量和正交分量获取第四检测值，其中，第四检测值对应于对象的所述另一个参考速度和距离接收器的所述另一个参考范围。确定步骤还可以涉及使用第三和第四检测值确定对象相对于接收器的对应于参考速度的速度并且确定参考范围作为对象相对于接收器的范围。以此方式，获取此速度例如是对象的实际速度的最大概率是非常简单的事情。结果是，可以非常精确并准确地预测对象的速度。类似的情况同样适用于预测对象距离接收器的范围。

本文提出的方式实施例的优点是：确定步骤涉及当包括第一和第二检测值的组合值与包括第三和第四检测值的组合值具有预先确定的关系时，将参考速度确定为对象相对于接收器的速度并且将参考范围确定为对象相对于接收器的范围。结果是，实现对象的速度和范围的精确检测在技术上是非常简单的事情。

特别有利的是，本文提出的方式的实施例具有发射有待从对象反射的信号的步骤，其中，所述信号的发射频率是基于伪随机序列选择的。本文提出的方式的这个实施例提供了以下优点：用于本文提出的方式的接收信号基于具有变化发射频率的(发射)信号。结果是，可以使用基于接收信号的不同频率精确地评估对象的速度或范围的优点，然而，可用频谱并未完全由对象的速度和范围的测量或对象阻挡。结果是，还可以同样减少或者甚至很大程度上避免来自相邻测量装置的干扰。

本文提出的方式的实施例的另一个具体的效率是，读取步骤涉及读取多个时间上连续的天线信号的至少一个同相分量和一个正交分量，所述天线信号各自表示从另一个对象反射到接收器的信号，所述信号是按照预定发射频率发射的。在这种情况下，形成步骤涉及使用天线信号中的第一天线信号的同相分量和正交分量形成第一标识值，其中，第一标识值对应于所述另一个对象的预先确定的另一个参考速度和距离接收器的预先确定的另一个参考范围。获取步骤还可以涉及使用天线信号中的第二天线信号的同相分量和正交分量获取第二标识值，其中，第二标识值对应于所述另一个对象的所述预先确定的另一个参考速度和距离接收器的所述预先确定的另一个参考范围。另外，确定步骤可以涉及使用所述第一和第二标识值确定对象相对于接收器的对应于所述另一个参考速度的速度以及所述另一个对象相对于接收器的对应于所述另一个参考范围的范围。以此方式，可以有利地使用算法确定多个对象的范围和速度，这种确定方式的复杂性较低并且另外能够非常准确且精确。

为了允许特别准确地确定所述至少一个对象的速度和范围，多个接收器可以各自读取并处理接收器信号或对象信号。具体地，在这种情况下，读取步骤可以涉及多个时间上连续的对象信号的至少一个同相分量和一个正交分量，所述对象信号各自表示从对象上反射到接收器的信号，所述信号是按照不同的发射频率发射的。另外，形成步骤涉及使用所述对象信号中的第一对象信号的同相分量和正交分量形成第一对象检测值，其中，第一对象检测值对应于所述对象的另一个参考速度和距离所述另一个接收器的另一个参考范围。获取步骤还可以涉及使用对象信号中的第二对象信号的同相分量和正交分量形成第二对象检测值，其中，第二对象检测值对应于对象的另一个参考速度和距离所述另一个接收器的另一个参考范围。另外，确定步骤可以涉及使用第一和第二对象检测值确定对象相对于所述另一个接收器的对应于参考速度的速度并且确定参考范围作为对象相对于所述另一个接收器的范围。

本文提出的方式的这种实施例因此可以用于处理和评估来自多个接收器的数据，从而使得可以增加为另一个对象确定所述对象的速度和范围的准确性。在这种情况下，仅需要非常低的复杂性，因为本文的算法可以简单地扩展用于处理来自多个接收器的信号。

另外，在本文提出的方式的另一个实施例中，可以提供检测对象、接收器和另一个接收器之间的角度的步骤。在这种情况下，检测步骤可以涉及使用接收器和另一个接收器之间的距离和/或来自于与作为确定检测值和另一个检测值的基础的接收信号相对应的那些发射频率的平均频率来提供这个角度。本文提出的方式的这个实施例提供了以下优点：不仅能够获取多个对象相对于接收器和/或另一个接收器的速度和范围而且能够确定对象相对于彼此的物理安排，这种物理安排是通过对象相对于接收器和/或另一个接收器的角度来表示的。

本文提出的方式的实施例的另一个益处是使用一种用于检测至少一个对象相对于接收信号的接收器的速度和范围的装置，其中，所述装置具有至少以下特征：

-接口，所述接口用于读取多个时间上连续的接收信号的至少一个同相分量和一个正交分量，所述接收信号各自表示从对象上反射到接收器的信号，所述信号是按照预定发射频率发射的；

-使用接收信号中的第一接收信号的同相分量和正交分量形成第一检测值的单元，其中，第一检测值对应于对象的预先确定的参考速度和距离接收器的预先确定的参考范围；

-使用接收信号中的第二接收信号的同相分量和正交分量获取第二检测值的单元，其中，第二检测值对应于对象的预先确定的参考速度和距离接收器的预先确定的参考范围；以及

-使用第一和第二检测值确定对象相对于接收器的对应于参考速度的速度并且确定参考范围作为对象相对于接收器的范围的单元。

所述装置因此被设计成用于在适当的设备中执行或实现本文提出的方法的变体的步骤。本发明的装置形式的这个变体实施例还可以快速地且高效地实现本发明所基于的目的。

在本实例中，装置可以被理解为是指处理传感器信号并且将其用作输出控制和/或数据信号的基础。所述装置可以具有可以采用硬件和/或软件形式的接口。在硬件形式的情况下，接口可以例如是被称为包括所述装置的各种功能的系统ASIC的一部分。然而，所述接口还可以是专用集成电路或者至少部分地由离散组件组成。在软件形式的情况下，所述接口可以是例如在除其他软件模块之外的微控制器上存在的软件模块。

还具有以下优点：一种具有程序代码的计算机程序产品，所述程序代码可以存储在机器可读介质诸如半导体存储器、硬盘存储器或光学存储器上，并且当所述程序产品在计算机或装置上被执行时所述程序代码用于执行根据上述实施例之一所述的方法。

附图说明

以下通过举例参照附图更详细地描述本发明，在附图中：

图1示出了具有根据本发明的示例性实施例的装置的交通监控系统；

图2示出了根据本发明的示例性实施例的一种用于检测至少一个对象相对于接收信号的接收器的速度和范围的装置的框图；

图3示出了在地图M_tv上的绝对值的2D表示，可以从中检测至少一个对象相对于接收信号的接收器的速度和范围；以及

图4示出了根据本发明的示例性实施例的方法的流程图。

具体实施方式

在本发明的以下有益示例性实施例中，相同的或类似的参考符号用于在各个附图中所描绘的并且具有类似功能的元素，省去了对这些元素的重复描述。

图1示出了采用交通监控系统100形式的本发明的示例性实施例的框图，所述交通监控系统具有用于检测至少一个对象105a相对于接收信号120的至少一个接收器110a(例如采用雷达接收单元的形式)的速度和范围的装置。对象105a可以像另一个对象105b那样是暴露于来自作为发射器的雷达发射天线130的信号125下的车辆。类似地，由于对信号125的反射，另一个接收器110b(例如，同样采用雷达接收单元的形式)可以接收从对象105发射到另一个接收器110b的另一个接收信号135。另外，另一个对象105b可以暴露于信号125下，信号125反射自所述对象并且被作为附加接收信号140发送到接收器110a。

在图1中示出的示例性实施例中，信号125的频率发生被设计为使用其频率与致动电压成比例的VCO 145(压控振荡器)。现在为了实现伪随机频率控制，使用来自伪噪声发生器155(PRNG)的被转换成伪随机频率序列的伪随机数字序列来致动数模转换器150。

本文提出的方式基于伪随机致动，从而使得由一个接收器110接收的信号120、135(也被称为对象信号)或140(也被称为天线信号)的下变频将低频混合信号的振幅和相位数字化。这通常涉及用于从所述接收器110之一到被用作用于检测至少一个对象105a的速度和范围的装置160的处理器单元的IQ混合器157，此IQ混合器能够使用一个发射和两个接收天线或单元的示例将如图1所示的异相(I1、I2)和正交(Q1、Q2)分量数字化。在这种情况下，每个所述IQ混合器157被提供有VCO所提供的信号(其振幅和相位对应于发射信号)、VCO所提供的相移90度的信号以及由分别连接到相关的IQ混合器157的接收器110接收的接收信号120、135或140。异相输出I1和I2和正交输出Q1和Q2各自经由模数转换器165连接到处理单元160(在这种情况下是微控制器)，其中，例如根据以下描述处理从IQ混合器157传送的数据。于是可以从本处理中确定对应于对象105a和105b的范围和速度的期望目标170。

在本文提出的示例性实施例中，因此提出了如何使用受限于相对窄带宽的频率致动来简单并系统性地发现多个目标的概念。本文提出的方法借助于频率发生的伪随机致动改善了选项。因此，可以使用小带宽(最大值250MHz)在技术上简单地并且在数学上简单地实现对多个对象相对于雷达的相对速度和范围的分辨。在这种情况下，还可以分辨具有相同的客观速度但是不同的范围的对象。另外，本文提出的方式还可以用于分辨具有相同范围但是不同相对速度的对象。

例如，修改现有雷达系统的频率选择(FST3/TR6000)，从而使得在每次采样时产生伪随机频率。离散速度/范围变换将采样值累积到速度/范围空间。可以直接在测量空间中读取多个对象的范围和相对速度。

如对于FSK方法已知的，频率通过VCO 145的适当动作持续较短时间保持稳定，例如，十万分之一秒，以便测量所述频率的相位和振幅。基于此致动，因此获得了接收信号120、135和140在时间上分散的多个振幅和相位值，在每一种情况下，信号125的在其处测量接收信号120、135和140的这个值的发射频率是已知的。

对于每一个采样值，因此，本底发射频率f是已知的。另外，VCO 145生成这个频率f的时间t是已知的。对于所述接收信号120、135和140中有待被评估为适用的那个信号的每一个单独的采样值(即，由模数转换器165传送的IQ混合器157的值的的采样值)，现在执行以下变换：

1.速度被量化为N_v个精细阶段(接下来被称为参考速度)，例如，按照0.2m/s步长从0到100m/s。对于每一个量化点(也就是说，对于每个参考速度)，调制当前读取的接收信号120、125、135和140的测量相位和振幅，从而使得其对应于相应(参考)速度下的时间t₀。对于时间t处的频率f的样本x，按照以下等式获得调制值x_v：其中，c₀＝光速，并且v＝(参考)速度。基于不同参考速度获取的这种调制值接下来被称为速度值。可以任意选择时间t₀。例如，此变换结束时，由于所有N_t个采样值(例如，来自模数转换器165的1024个传送值)因此与所有可能(参考)速度相关联，从而使得所述(速度)值包括在大小为N_t>v的矩阵A_tv内。

2.范围被量化为N_r个精细阶段(接下来也被称为参考范围)，例如，按照0.25m步长从0到200m。对于矩阵A_tv的每一个点，对相位和振幅进行调制，从而使得它们对应于精细阶段的对应范围和参考范围。对于频率f的值x_v(即，对于每一个速度值)，按照如下等式获得调制值x_vr：其中，r＝范围。这个调制值在以下描述中也被称为范围值。也就是说，矩阵A_tv的每一个点由长度为N_r的向量增强。获得具有维度样本、速度和范围的体积V_tvr。

3.体积V_tvr中的每一个点现在对应于接收信号120、125、130和140中的一个信号的样本基于假定速度(参考速度)和假定范围(参考范围)的假设。

在变换之后，可以按照如下方式实现对多个目标的分辨。

如果射线沿着样本的维度穿过体积V_tvr并且体积沿着这个射线的复值被求和，则对于确定的速度/范围假设，获得其绝对值是对象105a或105b的发生概率的测量值的复值。在实践中，可以对沿着样本维度的体积进行求和。针对具有特定速度和特定范围的对象的发生概率获得2D地图M_tv。

图2示出了用于检测至少一个对象相对于接收信号的接收器的速度和范围的装置200的示例性实施例的框图。所述装置200可以例如是图1的被描绘为微控制器的处理单元160的一部分。在图2中，装置200仅被描绘为连接到接收单元110a。

装置200包括至少一个接口210，所述至少一个接口用于读取多个时间上连续的接收信号120的至少一个同相分量I1和一个正交分量Q1，所述接收信号各自表示从对象105a上反射到接收器110a并且按照预定发射频率f发射的信号125。另外，装置160包括用于使用接收信号120中的第一接收信号的同相分量I1和正交分量Q1形成第一检测值x_vr的单元220，其中，第一检测值x_vr对应于对象105a的预先确定的参考速度v和距离接收器110a的预先确定的参考范围r。装置160还包括用于使用接收信号120中的第二接收信号的同相分量I1和正交分量Q1获取第二检测值x_vr的单元230，其中，第二检测值x_vr对应于对象105a的预先确定的参考速度v和距离接收器110a的预先确定的参考范围r。最终，装置160包括用于使用第一和第二检测值x_vr确定对象105a相对于接收器110a的对应于参考速度v的速度v并且确定参考范围v作为对象105a相对于接收器110a的范围的单元440。

图3示出在地图M_tv上的绝对值的2D描绘，其中，七个对象105可被辨识为具有速度0、15、30和45m/s和以及范围20m、50m、60m和75m的光点。在这种情况下，已经感测到七个对象105而不是在图1中描绘的这两个对象105a和105b，已经在图2的地图中输入了对象105相对于接收器110a的对应范围和速度。

如果使用多于一个接收天线或接收单元110a(如图1中所描绘的另一个接收单元110b所示出的)，则可以例如根据上述过程使用来自这个接收单元i的接收信号135或140为每一个接收天线或接收单元i确定相应的地图M_tvⁱ。根据两个地图和中的测量点t、v的相位差可以例如测量对象的角度其中λ是所使用的频率的平均波长并且d是所考虑的接收天线之间的距离。可替代地，还可以通过第四维度“角度”扩展3D样本/速度/范围空间。在这种情况下，基于被量化成精细阶段的角度(也可以被称为参考角度)(例如，按照0.01°步长从-18°到18°)执行振幅和相位的适当调制。使用“样本”维度的加和传送速度/范围角度空间。本方式允许根据其速度、范围和角度分离对象。

图4示出了作为用于检测至少一个对象相对于接收信号的接收器的速度和范围的方法400的本文提出的方式的实施例的流程图。方法400包括读取多个时间上连续的接收信号的至少一个同相分量和一个正交分量的步骤410，所述接收信号各自表示从对象上反射到接收器并且按照预定发射频率发射的信号。另外，方法400包括使用接收信号中的第一接收信号的同相分量和正交分量形成第一检测值x_vr的步骤420，其中，第一检测值对应于对象的预先确定的参考速度和距离接收器的预先确定的参考范围。方法400还包括使用接收信号中的第二接收信号的同相分量和正交分量获取第二检测值的步骤430，其中，第二检测值对应于对象的预先确定的参考速度和距离接收器的预先确定的参考范围。最终，方法400包括使用第一和第二检测值确定对象相对于接收器的对应于参考速度的速度并且确定参考范围作为对象相对于接收器的范围的步骤440。

本发明相比于根据现有技术的已知方式提供了一些优点。在本上下文中，首先可以引用能够对具有相同范围和相同相对速度的多个对象进行分辨的选项，当前方式仅能够基于相对速度进行分辨。另外，还可以测量静态对象，并且可以基于由根据本文描述的示例性实施例的装置发射的信号的发射信号的伪随机调制在相同的频带内执行多个雷达操作。同样，通过伪随机调制进行随机采样意味着不会因为重叠而出现系统错误(例如，未处理目标漫游、取消等等)。最终，本文的方式使得可以阻止所使用的发射信号的超范围对同样被提供用于检测对象的速度和范围的其他装置的干扰。

总而言之，因此应当说明的是，相比于迄今为止存在的方法，本文的方式允许对在相同的范围开始并且在不同的速度行进的车辆以及在相同的速度但是在不同的范围行进的对象实现很好的速度和范围分辨。另外，如果必要的话并且如果存在至少两个接收天线或接收单元，还可以基于对象角度实现分离。因此，还可以分辨以相同的速度和相同的范围存在于测量区域中的对象。本文的方式因此优于迄今为止所使用的常规调制技术方法。常规的FSK和FMCW调制技术使用确定性频率轮廓，这就是同时使用多个雷达结果进行相互干扰或减少带宽的原因。例如所提出的使用所选频带内的伪随机频率允许同时并行地操作许多雷达而不会显著地干扰彼此。在这种情况下，随机数发生器的变量种子值可以最小化不同的雷达同时出现相同频率的概率。使用伪随机频率的另一个极大的优点是消除了由于混叠和干扰效应所产生的并且会显著地干扰雷达测量的被称为随机采样的系统性测量错误。

本文的方式还可以用于除道路安全之外的测量。具体地，本方法允许在检查普通的3维对象时提高空间分辨率。

仅通过举例选择在附图中描述并示出的示例性实施例。不同的示例性实施例可以充分地或者针对单独的特征进行组合。还可以通过来自一个示例性实施例的特征来增强另一个示例性实施例。

另外，可以重复地并且按照除本文描述的顺序之外的顺序执行根据本发明的方法步骤。

当示例性实施例包括第一特征和第二特征之间的“和/或”连接词时，这旨在意味着所述示例性实施例根据一个实施例同时具有第一特征和第二特征以及根据另一个实施例仅具有第一特征或仅具有第二特征。

参考符号列表

100交通监控系统

105a、105b对象

110a、110b接收天线、接收单元

120接收信号

125(发射)信号

130(雷达)发射天线、发射单元

135对象信号

140天线信号

145VCO

150数模转换器

155伪噪声发生器

157IQ混合器

160处理单元、微控制器

165模数转换器

170目标

200检测装置

210读取接口

220形成单元

230获取单元

240确定单元

400检测方法

410读取步骤

420形成步骤

430获取步骤

440确定步骤