使用二进制移相器的慢时频分复用
阅读说明：本技术 使用二进制移相器的慢时频分复用 (Slow time frequency division multiplexing using binary phase shifters ) 是由 李正征 K·J·奥斯特 于 2019-07-17 设计创作，主要内容包括：检测器设备(22)的说明性示例实施例包括多个发射器(26)以及控制器(30),该控制器控制该发射器(26)在周期内发射至少部分地由2N个脉冲的序列定义的相应信号。N是大于1的整数。发射器(26)中的第一个在周期内发射2N个第一信号脉冲。该2N个第一信号脉冲中的每一个具有第一相位。发射器(26)中的第二个在周期内发射2N个第二信号脉冲。2N个第一信号脉冲中的每一个与2N个第二信号脉冲中的一个是同时的。N个第二信号脉冲具有相对于第一相位的180°相移。其他第二信号脉冲具有第一相位。具有相移的N个第二信号脉冲在序列中彼此紧密相邻。(An illustrative example embodiment of a detector device (22) includes a plurality of emitters (26) and a controller (30) that controls the emitters (26) to emit respective signals defined at least in part by a sequence of 2N pulses within a period. N is an integer greater than 1. A first one of the transmitters (26) transmits 2N first signal pulses within a period. Each of the 2N first signal pulses has a first phase. A second one of the transmitters (26) transmits 2N second signal pulses within the period. Each of the 2N first signal pulses is simultaneous with one of the 2N second signal pulses. The N second signal pulses have a phase shift of 180 ° with respect to the first phase. The other second signal pulses have a first phase. The N second signal pulses with phase shifts are closely adjacent to each other in the sequence.)
背景技术
机动车雷达传感器在高级驾驶辅助系统(ADAS)中起到关键作用，因为它们提供有关主车辆周围环境的信息。高度自动化驾驶需求范围、多普勒以及角度的高分辨率，尤其是区分具有相同范围和多普勒的多个目标的能力，该能力要求更多的天线信道。
MIMO(多输入多输出)方式被普遍用于雷达系统以实现大量的天线信道。例如，具有三个发射(TX)信道和四个接收(RX)信道的典型MIMO雷达系统可形成12个信道的虚拟阵列。由于虚拟阵列位置是TX天线位置和RX天线位置的空间卷积，因此通过以不同的方式放置TX天线和RX天线，可形成不同的虚拟阵列以实现更好的角度区分性能、减少角度不确定性、或实现该二者。
波形正交在MIMO雷达系统中被用于发射和接收独立的正交RF信号且能够在相同的RX信道中标识或分隔不同的TX信道。存在用于实现正交波形的各种方法，包括时分复用(TDM)、频分复用(FDM)以及码复用(CM)。这三种方式中的每一种各有与其相关联的优缺点。
FDM通过向发射信号添加频率偏移，从而将来自不同TX信道的信号放置在不同的频带。其通常在快时(范围)域中实现。除了在各信道之间引入的范围依赖的相位偏移以及减少的明确范围覆盖，主要缺陷在于其由于增加的IF带宽而需要更高的采样率。
FDM和CM方法均能使得能够同时发射且两种方法均可在快时(一个啁啾内，范围域)以及慢时(啁啾到啁啾，多普勒域)中实现。CM通过抑制来自其他编码信号的能量来尝试恢复与当前码匹配的信号。被抑制信号留下的被分配能量通常被称为残余，该残余限制系统的动态范围。被限制的动态范围限制了在存在大对象时检测小对象的能力。
美国专利号7,474,262描述了使用不具有同时发射的TDM的MIMO雷达系统概念。相反地，个体发射器顺序地发射，这导致TX信道之间没有干扰以及TX信道之间最大程度的正交。然而，该技术并不提供因同时发射实现的信噪比收益并会导致其他问题，诸如TX信道之间的多普勒不确定性。
Searcy等人的美国专利号9,952,319描述了降低残余水平的技术。尽管该方式效果良好，但其包括计算复杂度且可能难以实时地实现。CM通常在慢时多普勒域中实现，因为其需要特定的发射器和接收器设计以及更高的IF带宽以用于快时实现。
由C.Sturm、Y.L.Sit、G.Li、H.A.Vayghan以及U.Lübbert出版的题为“利用多普勒复用中的同时发射的机动车快啁啾MIMO雷达(Automotive Fast-Chirp MIMO Radar withSimultaneous Transmission in a Doppler-Multiplex)”(Proc.IRS大会，2018)描述了对于具有两个TX信道的雷达系统的具有二进制移相器的ST-FDM的实现。
美国专利号9,182,476描述了一种雷达系统，该雷达系统具有用于对发射信号和接收信号去耦合以及用于抑制干扰辐射的布置和方法。
美国已公开申请号2017/0160380建议伪随机相位调制(PRPM)方案，用于实现来自PRPM方案的高残余水平的MIMO、残余消除以及从改进的动态范围。
尽管利用此类技术的进步，也存在改进的需求。例如，对机动车辆上进行的对象检测的增加的依赖使得对于更好的检测的需求增加。先前提出的方式通常受到至少一种缺陷的影响，诸如无法提供信号之间足够的区分，或者无法提供导致更小信噪比的同时发射。
发明内容
检测器设备的说明性示例实施例包括多个发射器以及控制器，该控制器控制该发射器在周期内发射至少部分地由2N个脉冲的序列定义的相应信号。N是大于1的整数。发射器中的第一个在周期内发射2N个第一信号脉冲。该2N个第一信号脉冲中的每一个具有第一相位。发射器中的第二个在周期内发射2N个第二信号脉冲。2N个第一信号脉冲中的每一个与2N个第二信号脉冲中的一个是同时的。N个第二信号脉冲具有相对于第一相位的180°相移。其他第二信号脉冲具有第一相位。具有相移的N个第二信号脉冲在序列中彼此紧密相邻。
具有前一段落中的检测器设备的一个或多个特征的示例实施例包括引入具有相移的N个第二信号脉冲的相移的二进制移相器。
在具有前文段落中任意段落的检测器设备的一个或多个特征的示例实施例中，发射器中的第三个在周期内发射2N个第三信号脉冲，2N个第一信号脉冲中的每一个与2N个第三信号脉冲中的一个是同时的，N个第三信号脉冲具有相对于第一相位的180°相移，其他第三信号脉冲具有第一相位，具有相移的N个第三信号脉冲在序列中彼此紧密相连，且具有相移的N个第三信号脉冲中的至少一个与具有第一相位的第二信号脉冲中的一个是同时的。
具有前文段落中任意段落的检测器设备的一个或多个特征的示例实施例包括多个接收器。接收器接收反射信号，该反射信号包括由位于检测器设备附近范围内的对象反射的相应信号，该反射信号包括与2N个第一信号脉冲相对应的第一部分以及与2N个第二信号脉冲相对应的第二部分，第一部分具有单峰，该单峰具有第一频率下的第一幅度，第二部分具有由第二频率分隔的两个峰，且控制器基于第二频率区分第一部分和第二部分。
在具有前文段落中任意段落的检测器设备的一个或多个特征的示例实施例中，两个峰中的每一个具有比第一幅度低的幅度。
在具有前文段落中任意段落的检测器设备的一个或多个特征的示例实施例中，两个峰中一个峰的幅度大于两个峰中另一个峰的幅度。
在具有前述任意段落的检测器设备的一个或多个特征的示例实施例中，第二频谱与180°相移相对应。
在具有前文段落中任意段落的检测器设备的一个或多个特征的示例实施例中，控制器控制发射器在多个周期内重复地发射相应信号且第二频率在该多个周期内保持恒定。
在具有前文段落中任意段落的检测器设备的一个或多个特征的示例实施例中，单峰总是不同于两个峰。
用于检测至少一个对象的说明性示例方法包括：在周期内从第一发射器发射2N个第一脉冲信号的序列，该2N个第一脉冲信号中的每一个具有第一相位；以及在周期内从第二发射器发射2N个第二信号脉冲的序列。2N个第一信号脉冲中的每一个与2N个第二信号脉冲中的一个是同时的，N个第二信号脉冲具有相对于第一相位的180°相移，其他第二信号脉冲具有第一相位，具有相移的N个第二信号脉冲在序列中彼此紧密相邻，且N是大于1的整数。
具有前文段落的方法的一个或多个特征的示例实施例包括使用二进制移相器以引入具有相移的N个第二信号脉冲的相移。
具有前文段落中任意段落的方法的一个或多个特征的示例实施例包括在周期内从第三发射器发射2N个第三信号脉冲的序列。2N个第一信号脉冲中的每一个与2N个第三信号脉冲中的一个是同时的，N个第三信号脉冲具有相对于第一相位的180°相移，其他第三信号脉冲具有第一相位，具有相移的N个第三信号脉冲在序列中彼此紧密相邻，且具有相移的N个第三信号脉冲中的至少一个与具有第一相位的第二信号脉冲中的一个是同时的。
具有前文段落中任意段落的方法的一个或多个特征的示例实施例包括：接收反射信号，该反射信号包括由对象反射的第一信号脉冲和第二信号脉冲，其中，该反射信号包括与2N个第一信号脉冲相对应的第一部分以及与2N个第二信号脉冲相对应的第二部分，第一部分具有单峰，该单峰具有第一频率下的第一幅度，第二部分具有由第二频率分隔的两个峰；以及基于该第二频率区分该第一部分和第二部分。
在具有前文段落中任意段落的方法的一个或多个特征的示例实施例中，两个峰中的每一个具有比第一幅度低的幅度。
在具有前文段落中任意段落的方法的一个或多个特征的示例实施例中，两个峰中一个峰的幅度大于两个峰中另一个峰的幅度。
在具有前述任意段落的方法的一个或多个特征的示例实施例中，第二频谱与180°相移相对应。
具有前文段落中任意段落的方法的一个或多个特征的示例实施例包括在多个周期内重复地发射相应信号的序列且其中第二频率在该多个周期内保持恒定。
在具有前述任意段落的方法的一个或多个特征的示例实施例中，单峰总是不同于两个峰。
检测器设备的说明性示例实施例包括多个发射装置以及控制装置，该控制装置控制该发射装置在周期内发射至少部分地由2N个脉冲的序列定义的相应信号。N是大于1的整数，发射装置中的第一个在周期内发射2N个第一信号脉冲，该2N个第一信号脉冲中的每一个具有第一相位，发射装置中的第二个在周期内发射2N个第二信号脉冲，该2N个第一信号脉冲中的每一个与该2N个第二信号脉冲中的一个是同时的，N个第二信号脉冲具有相对于第一相位的180°相移，其他第二信号脉冲具有第一相位，且具有相移的N个第二信号脉冲在序列中彼此紧密相邻。
具有前文任意段落的检测器设备的一个或多个特征的示例实施例包括多个接收装置。接收装置接收反射信号，该反射信号包括由位于检测器设备附近范围内的对象反射的相应信号，该反射信号包括与2N个第一信号脉冲相对应的第一部分以及与2N个第二信号脉冲相对应的第二部分，第一部分具有单峰，该单峰具有第一频率下的第一幅度，第二部分具有由第二频率分隔的两个峰，且控制装置基于第二频率区分第一部分和第二部分。
根据以下
具体实施方式
，至少一个公开实施例的各种特征和优点对于本领域的技术人员而言将变得显而易见。伴随具体实施方式的附图可以被简要描述如下。
附图说明
图1示意性地图示了包括多个检测器设备的车辆。
图2示意性地图示了检测器设备的示例实施例。
图3图示了两个发射器的TX信号之间的示例关系。
图4示意性地图示了与图3一致的同时发射的信号脉冲。
图5图形地图示了多普勒频率面元表示的接收信号。
图6图示了三个发射器的TX信号之间的示例关系。
图7示意性地图示了与图6一致的同时发射的信号脉冲。
图8图示了任意数量发射器的信号脉冲序列之间的关系。
具体实施方式
本发明的实施例有助于实现具有二进制移相器的MIMO检测器系统的多TX信道的同时发射。公开的示例实施例支持多个发射器在具有准确恢复且不存在不确定性的情况下同时发射。准确恢复是可能的，因为TX信道之间不存在干扰。不确定性也不是问题，因为所公开的方案使得在没有附加信息的情况下标识接收信号中每一个信道成为可能。
图1图示了车辆20，该车辆包括多个检测器22，该检测器能够检测位于视场24中的任何对象。出于讨论目的，所公开的示例实施例的检测器22被配置成使用无线电检测和测距(RADAR)技术。其他检测技术在一些实施例中是有用的，诸如声呐和光检测和测距(LIDAR)。
多个发射器26，该多个发射器26在本示例中为天线，被配置成用于发射对于检测位于车辆20附近且处于检测器22视场内的任何对象有用的相应信号。多个接收器28被配置成用于接收反射信号，该反射信号是所发射信号被对象反射后的反射信号。
控制器30包括处理器32和存储器34。至少处理器32包括编程或以其他方式被配置成用于控制发射器26的操作。在所示的示例实施例中，控制器30包括压控振荡器38，该压控振荡器提供由发射器26发送的信号的基础。二进制移相器40分别与发射器26相关联，以控制应用在由发射器26发射的一个或多个信号脉冲上的移相。每一个二进制移相器40具有两个输出级：0°(直通)以及180°(翻转符号或反转相位)本示例中的二进制移相器40引入了π移相。在本示例中，控制器30被示意性地示为包括二进制移相器40，但它们可能是不同的部件。
接收器28接收反射信号且控制器30处理此类接收信号以进行涉及位于检测器设备22的视场24(图1)内的任何对象的一个或多个判定。压控振荡器30的输出作为参照，该输出与接收信号在42处组合。接收信号随后由带通滤波器44、低噪放大器46以及模数转换器48处理，然后由数字信号处理器50分析，以进行有关反射接收信号的任何对象的一个或多个判定。尽管图示为独立的处理器32和50，但一些实施例包括单个处理器，该单个处理器控制发射且依据检测器设备22的信号接收进行判定。
图3和图4示意地图示了用于控制两个发射器26的示例控制策略52。基于压控振荡器38的操作，发射器26中的第一个在周期内发射2N个第一信号脉冲54、56、58和60的序列。第一信号脉冲中的每一个均具有第一相位，在本示例中该第一相位与0°相对应。第一相位可被考虑为基准或参考相位。在本示例中，N＝2且每一个周期有四个脉冲。图3中示出了第二个周期。
发射器26中的第二个在相同周期内与第一信号脉冲54、56、58和60同时发射第二信号脉冲62、64、66和68。示例检测器设备22的一个方面为第一信号脉冲中的每一个都与第二信号脉冲的一个同时发射。控制器30使得与发射器26中的第二个相关联的二进制移相器40为第二信号脉冲中的N个引入180°相移。在本示例中，由于N＝2，因此在每一个周期内，第二信号脉冲中仅有两个包括相移。包括相移的第二信号脉冲彼此紧邻地依次发射，且它们之间不存在任何具有不同相位的脉冲。换言之，包括180°相移的第二信号脉冲被一个紧接着一个地发射，直至它们中的N个在每一个周期内全部被发射。相同的脉冲模式或序列在后续每一个周期中被重复。
第一信号脉冲和第二信号脉冲始终同时发射且包括在每一个周期内针对2N个脉冲中的N个脉冲的相移使得在不存在不确定性的情况下准确地恢复接收信号成为可能。MIMO特征减少或消除信噪损失。示例接收信号的多普勒面元表示在图5中的70处示意地示出。接收信号的第一部分与第一信号脉冲相对应且包括单峰72。接收信号的第二部分与第二信号脉冲相对应且包括两个峰74和76。峰72具有第一幅度且以第一频率为中心，该第一频率取决于第一信号脉冲的基准频率，诸如0°。两个峰74和76具有第二幅度且被由80表示的第二频率分隔。包括在第二信号脉冲中的N个第二信号脉冲中的相移和这些脉冲在周期内发射的顺序方式(即，一个紧接着一个发射)建立两个峰74和76以及分隔该两个峰的第二频率80。控制器30基于第二频率80区分接收信号中与第一信号脉冲对应的部分以及与第二信号脉冲对应的部分。
两个峰74和76之间的一致分隔使得始终能够辨别接收信号中与第二信号脉冲对应的部分，这最小化或消除该接收信号的第一部分和第二部分之间的不确定性。与其他仅在部分时间内发射来自第二发射器的脉冲的技术相比较，始终同时发射来自每一个主动发射的发射器的脉冲增加了可用的信令信息量。所公开的信令技术与之前的MIMO技术相比较，提供了更好的检测。
基于反射信号中的多普勒频移原理以及包括2N个发射脉冲的序列的信令技术、同时发射来自多个发射器的所有脉冲以及针对2N个脉冲中的N个脉冲的二元相移，控制器30使用接收信号的第一和第二部分以用于检测和分析。移动对象导致脉冲之间的渐进式相位差，该相位差在接收信号中引入多普勒频移。这可通过以下方程表示
其中x表示接受信号，k表示脉冲，Δt是脉冲重复时间，n(k)表示噪音且ωd是多普勒频率。
在每一个周期内重复2N个的相位项的本公开的示例相位调制方案的、由二元相位调制器40引入的相位调制C(k)可由下述方程表示
其中第m个码的第n个峰由下式描述
第m个码的第n个峰处的幅度为
其可进一步简化为
转至图3-图5中的示例，相位调制被描述为
其中ejk(π/2)对应于
使用S表示慢时快速傅里叶变换，控制器30(或DSP50)基于S(ωd)确定单峰72。双峰74和76由控制器30基于
尽管两个发射器26被包括在上述示例中，但所公开的方式支持使用同时脉冲发射的任意数量的发射器，其中对于除了其中一个发射器以外的所有发射器，其2N个脉冲中的N个脉冲具有相移。图6和图7示意地图示了使用四脉冲的周期且N＝2的发射方案。发射器26中的第一个发射不带有任何相移的第一信号脉冲92、94、96和98的序列。发射器26中的第二个发射第二信号脉冲100、102、104和106的序列。第二信号脉冲序列中的两个脉冲104和106包括相对于第一信号脉冲92-98的第一相位的相移，该相移由与第二发射器26相关联的二进制移相器40引入。在同一周期内，第三发射器26发射包含四个脉冲108、110、112和114的第三信号脉冲序列。两个脉冲110和112包括相对于脉冲92-98的第一相位的相移。
从图6和图7可以理解，第一发射器26每一次发送第一信号脉冲92-98中的一个时，第二和第三发射器即发射相应信号脉冲中的一个。
第二信号脉冲104和106包括相移，且相对于第三信号脉冲来定时，使得第三信号脉冲110和112中包括该相移的至少一个第三信号脉冲与第二信号脉冲中不包含相对于第一信号脉冲的第一相位的任何相移的一个第二信号脉冲同时发射。在本图示中，包括相移的脉冲110与不包括相移的脉冲102是同时的。在周期内错开第二和第三发射器的相移脉冲，同时保持相移脉冲的模式(即，保持它们在序列中彼此紧密相邻)，使得能够区分接收信号中与第二信号脉冲相对应的部分以及接收信号中第三信号脉冲相对应的部分。
图5也是由信号脉冲反射生成的接收信号的多普勒面元表示，该信号脉冲的反射在图6和图7的图示中表示。在这种情况下，接收信号的TX1(例如，第一部分)由DSP50从S(ωd)获得，且TX2和TX3可从下述线性方程获得：
其中峰74的幅度由
对于至多3个TX信道，所公开的相位调制方案是基于每一个周期内4个(即，N＝2)重复的相位项的序列。该方案支持包含数量为4的倍数(诸如64或512)的脉冲的任意周期。当N＝2时，仅有三个独立码是可用的，这意味着使用总共四个码组合支持至多三个TX。这是因为能量在慢时频谱中被分为三个峰。通过将TX2和TX3的初始相位从0°变为180°，可以获得不同的组合。
额外的正交码可通过将重复的相位项扩展至6(即，N＝3)、8(即，N＝4)或甚至更多个项来使用。随着周期变长，频谱会由于更多的峰和信道而变得更加拥塞，但信道的包括相移脉冲的多个峰的方式还是仍然允许在接收信号的对应于每一个信道的部分之间区分。
例如当N＝3的时候，能量被分为三个峰且检测器设备22支持四个独立TX信道，其中每一个信道具有其自己的信号脉冲序列。如果将具有4个重复相位项和6个重复相位项的码组合，所公开的相位调制方案可支持总共6个TX且相位长(即，2N)被设为12的倍数，诸如60。对于8个重复的相位项，能源被分为四个峰，故检测器设备22可支持四个独立的TX信道。应注意，来自8个重复相位项的峰中的两个峰将与来自4个重复相位项的峰中的两个峰重叠，所以最好是与6个重复的相位项组合以便通过支持总共8个TX信道来获得最佳性能。
图8图示了所公开的技术可如何应用到任意数量m的发射器26以及发射信道TX，其中m＝N+1。位于120的第一信号脉冲在2N个脉冲的整个序列中均具有第一相位0°。其他TX的每一个信号脉冲序列在每一个周期内包括2N个项，其中N个项包括由对应的二进制移相器40引入的相移。具有相移的N个脉冲在序列中保持彼此紧密相邻，即便没有任何相移的脉冲的数量可以在序列的末尾和具有相移的N个脉冲之间变化。例如，TX2在N个具有相移的脉冲之前包括了N个具有具有第一频率0°的脉冲。TXm在包括相移的N个脉冲之前仅具有一个第一频率的脉冲。如所示那样在相应序列内错开包括相移的N个脉冲的位置允许在每一个TX之间彼此区分。每一个序列内的顺序可被考虑为不同的码且每一个TX都具有一个唯一的码。
尽管上述示例中TX1的第一个信号脉冲的第一相位为0°，但也可能出于干扰缓解目的向TX1添加随机码。通过任意TXm的TX2的码可被相应地修改，使得信道之间的相位差被保持与上文描述的技术一致。
在所公开的实施例中使用的改进的MIMO方法支持多个TX同时发射且在没有不确定性的情况下从接收信号生成可靠的TX信道恢复。所公开的示例实施例提供了一种技术，该技术使得能够使用二进制相位调制在慢时(多普勒)频谱中同步发射并且恢复多个TX信道。所公开的ST-FDM方案在慢时多普勒频率频谱中将能量从不同的TX转移至不同的频率面元。其也改进了检测动态范围、信杂比以及处理效率。
前述描述本质上是示例性的，而不是限制性的。对所公开的示例的不一定背离本发明的实质的变化和修改对于本领域技术人员而言可变得显而易见。赋予本发明的法律保护范围仅能通过研究所附权利要求书来确定。
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