抑制雷達系統中雨滴雜波的方法和裝置的制作方法

專利名稱：抑制雷達系統中雨滴雜波的方法和裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及雷達系統，具體地說，涉及抑制雷達系統中雨滴雜波的裝置和方法，該雷達系統用于檢測在主車輛駕駛員難于觀察的區域中是否存在障礙物。
長期困擾車輛駕駛員的一個問題是難于觀察在車內駕駛員位置不易觀察到的位置或區域內接近車輛的障礙物或其它車輛。這種靠近車輛但卻不能由駕駛員位置直接觀察到的位置或區域通常稱為“盲區”。例如，相對于車輛的前進方向順時針測量，在角度90°～170°之間的區域(即，車輛右側、駕駛員位置稍稍靠后的區域)就是典型的盲區，特別是對于大型車輛尤為如此，例如公共汽車和卡車。駕駛員在右轉彎或并入右側車道時沒有注意到右側盲區中的物體(通常是其它車輛)是大量交通事故的根源。另一個常見的盲區是車輛的正后方區域。在車輛倒車時(即后退)，尤其應當注意該區域。因此，車輛駕駛員能夠檢測到位于駕駛員盲區中的障礙物(特別是其它車輛)對于安全駕駛車輛是非常重要的。
解決盲區障礙物檢測問題的一種現有技術方案是利用反光鏡幫助車輛駕駛員檢測是否存在可能帶來災難的障礙物。這類反射鏡具有各種外形和各種透鏡。除此之外，這類反射鏡還安裝在不同的位置以盡最大可能地幫助駕駛員檢測盲區中是否存在障礙物。例如凹面鏡通常安裝在車輛的右側，并對準右側的盲區。
反光鏡向駕駛員提供一些在車輛的特定盲區內是否存在障礙物的信息。然而，不利的是，反光鏡在夜間或惡劣天氣條件下毫無用處。即使在最好的條件下，使反射光畸變的反光鏡通常需要駕駛員觀察右后方的盲區。一些駕駛員發現很難恰當地理解反光鏡中(例如通常用作右側反光鏡的凸面鏡)出現的這種圖像。此外，反光鏡易于反射從后面接近的車輛前燈，由此使安裝反光鏡的車輛的駕駛員目眩。因此，需要更加完善、更加令人滿意的解決方法。
另一種利用反光鏡檢測車輛盲區中是否存在障礙物的眾知方法是在車輛上安裝攝像機，為駕駛員提供車輛盲區中的障礙物的可視圖像。然而，這種方法既復雜又昂貴，需要視頻攝像機和視頻監視器。此外，視頻監視器可以提供復雜的圖像，該圖像即使在無畸變的條件下也難于在繁重交通條件下出現的緊張狀態中快速地進行解讀。此外，監視器還容易分散駕駛員的注意力。此外，與反光鏡類似，這種攝像機系統在夜間或惡劣天氣條件下例如雨天、冰雹或雪天將失去效用。
另一種使用反光鏡的方法是將雷達波導向各個盲區。然后，檢測雷達波的反射波，確定每個盲區中是否存在障礙物。1994年6月28日授予Alan Packett的、并已轉讓給本發明所有人的美國專利5,325,096公開了一種這樣的系統，該系統在此引用作為參考。這些系統使用的是向車輛盲區發射射頻(RF)信號的通用雷達收發機。發射信號由盲區中的障礙物反射。比較發射信號的頻率和雷達系統接收的反射信號的頻率，確定反射信號中是否存在多普勒頻移。多普勒頻移通常意味著盲區中存在障礙物。
不利的是，這種多普勒盲區傳感器在惡劣天氣條件下常常會產生誤警(即檢測到錯誤目標)，特別是在雨天。產生誤警的主要原因有兩個1在雷達傳感器附近的雨滴降落產生雨滴雜波；2來自潮濕道路表面、潮濕“非道路”表面和道路兩側潮濕樹葉的反射。不利的是，現有技術車輛雷達系統有可能將雨滴雜波、潮濕道路表面和潮濕樹葉誤警為危險目標物體。結果，現有技術雷達系統將錯誤地警告駕駛員在駕駛員盲區內存在物體。這為駕駛員帶來了干擾。主車輛(即，裝有雷達系統的車輛)經過的雨滴雜波、潮濕道路表面和潮濕樹葉使雷達系統錯誤地指示在主車輛盲區內存在物體，即使沒有任何危險存在，這將使主車輛的駕駛員對雷達系統的可靠性失去信任，使系統不能有效地警告駕駛員存在真正的危險。另外，這種指示將分散駕駛員的注意力，干擾駕駛員。
因此，需要一種檢測車輛盲區中是否存在危險障礙物的廉價方案。這種方案還應當能夠在夜間和惡劣天氣條件下使用，并且不會在主車輛經過時因道路兩側的雨滴雜波、潮濕道路表面和潮濕樹葉而產生干擾條件。本發明提供了這樣一種方案。
本發明是一種檢測主車輛盲區中是否存在目標的新穎方法和裝置，并且只有在出現這種目標時才向主車輛的駕駛員提供指示。雷達系統即使工作在惡劣天氣條件下也能檢測目標，并不會因潮濕道路和其它潮濕環境產生的雨滴雜波而產生誤警。雷達系統利用測距技術抑制預定目標檢測區域之外的雨滴雜波產生的虛假目標。本發明是一種采用連續波(CW)發射、調頻(FM)操作采用頻率調制切換技術的多普勒雷達系統。雷達系統同時獨立地測量多個檢測目標的距離和接近速度。在一種優選實施方案中，頻率調制切換技術包括頻移鍵控(FSK)技術。固定波束天線收發機發射具有選定的中心頻率和至少兩種頻率漂移(f1和f2)的射頻(RF)信號。在一種優選實施方案中，發射RF信號的中心頻率是24.725GHz，頻率漂移在選定的中心頻率附近間隔大約1.25MHz。
發射RF信號由天線視場中的物體反射。兩個發射頻率，f1和f2，在由目標反射時，產生對應于發射頻率的兩個多普勒信號。反射信號下變換為兩個不同的基帶信號，通道0信號和通道1信號分別對應f1和f2發射信號。基帶信號包含天線視場中物體的多普勒頻移。雷達系統對返回信號進行放大、濾波、信號分離和數字化處理，產生數字數據流。調整數字數據流，并將其保存在分別與不同的通道0信號和通道1信號對應的環形緩沖器中。每個緩沖器分為四個均由256個字構成的段。利用這種存儲方案，512樣本點段由兩個連續輸入的數據段構成。數字信號處理器(DSP)對512樣本點段進行快速復立葉變換(FFT)，將信號數據由時域變換到頻域。DSP利用變換后的數據計算天線視場中目標的存在與否、距離和接近速度。
因為天線發射信號的功率值是恒定的，所以DSP利用反射信號的功率變化檢測是否存在目標。如果接收功率在通道0數據和通道1數據中的同一多普勒頻率上超過預定功率值，那么就初步判定存在目標。DSP確定通道0信號和通道1信號之間的確切相位關系。通過分析兩個信號之間的相位差確定目標距離。相對天線的運動也由DSP計算。DSP利用從目標返回的信號的多普勒頻移計算相對天線的移動。DSP可以識別和跟蹤多個目標。
一旦確定了目標距離，本發明將抑制與選定的持續時間相對應的預定檢測區域之外的目標。根據本發明，如果目標的任何一部分處于檢測區域之內，并且1)目標位于天線前面的時間至少為TH1秒；2)目標距離在最小距離和最大距離之間；3)目標的移動速度高于相對天線的最小接近速度，那么雷達系統將指示檢測到目標。在一種優選實施方案中，最小距離和最大距離分別是2英尺和12英尺。抑制距天線小于2英尺的目標，可以顯著地降低雨滴雜波引起的誤警。同樣，抑制距天線大于12英尺的目標，雷達系統可以降低潮濕樹葉和其它潮濕的“非道路”背景產生的誤警。另外，通過抑制距天線大于12英尺的目標，雷達系統在目標距主車輛多于一個車道而不會產生與主車輛碰撞的危險時不會報警。此外，通過將方形NXN蓋板陣列天線調整為菱形結構，就可以有效地產生自然的線性幅度衰減，這有助于抑制潮濕道路目標產生的雜波。


圖1是本發明側視多普勒雷達系統的優選實施方案框圖。
圖2示出本發明側視雷達系統采用的典型目標檢測區。圖2a示出裝有圖1所示雷達系統的主車輛的頂視圖。圖2b示出圖2a主車輛的后垂直剖面圖。
圖3示出本發明天線接收機中使用的采樣電路的簡化框圖。
圖4是示出用于控制圖3采樣電路的開關定時控制信號的時序圖。
圖5是用于確定是否存在目標的方法的高級流程圖。
圖6示出圖1所示的雷達天線的一種實施方案，該天線具有配置為菱形的天線蓋板單元，以降低潮濕道路表面產生的雨滴雜波的影響。
相同的參考標號和標記在各種附圖中表示相同的單元。
在本發明中，所示的優選實施方案和實例應當認為是示例性的，而不是對本發明的限制。
本發明的優選實施方案是檢測主車輛盲區中的物體、并且只有在存在這種物體時才向主車輛駕駛員提供指示的方法和裝置。本發明即使工作在雨天或其它惡劣天氣條件下也不會向駕駛員產生誤警。概述根據本發明的一個實施方案，利用側視多普勒雷達系統檢測駕駛員盲區中的物體。圖1示出本發明側視多普勒雷達系統的優選實施方案框圖。如圖1所示，側視多普勒雷達系統100優選地包括天線102，處理模塊(“PM”)104和顯示單元106。在一個實施方案中，天線102和PM104包容在同一個優選地安裝在主車輛(圖2)側面的機械殼體內。在一個實施方案中，側視雷達系統100為應用而進行了改裝，并與前視雷達系統(未示出)一起工作。前視雷達系統用于檢測和警告主車輛駕駛員在主車輛行駛路線的前方(即，危險地靠近和處于主車輛前方的物體)可能出現危險物體。1994年4月12日授予Asbury等人，并已轉讓給本發明所有人的美國專利5,302,956描述了這樣一種示例性前視雷達系統。
本發明的側視多普勒雷達系統100將警告主車輛駕駛員在主車輛側面出現的潛在危險物體。雷達系統100優選地測量待檢測目標的距離。如果雷達系統100確認目標目標與主車輛處于同一車道內，那么它就向前視雷達系統發送“目標出現”信號。通常，前視雷達系統將通過點亮指示器或發出警報來產生適當的報警。在這個實施方案中，PM104通過前視雷達系統與顯示單元106通訊。或者，處理模塊通過顯示單元106直接與駕駛員通訊(即，側視雷達系統100獨立于前視雷達系統工作)。
顯示單元106可以安裝在駕駛室內部(例如，當主車輛是卡車時可以安裝在駕駛室內)或安置在便于駕駛員觀察的任意位置。如圖1所示，顯示單元106優選地包括至少兩個視覺報警指示器108和110，和一個聲音報警指示器(例如揚聲器)112。視覺報警指示器108和110是通常安裝在與天線102處于相同主車輛側的反光鏡上或在其附近的超高亮度的發光二極管(LED)。結果，在主車輛駕駛員觀察反光鏡時，駕駛員可以很容易地看到報警指示器108和110。將報警指示器108和110安裝在已有的反光鏡上使它們通過駕駛員頭部的正常移動就可以被看到。然而，駕駛員不應當受到在正常交通條件下頻繁出現的、對駕駛員毫無用處的障礙物指示的擾亂或干擾，除非要進行將要使車輛與障礙物相撞的操作。如圖1所示，除了報警指示器108和110之外，還安裝了強制聲音指示器112，它能夠在出現障礙物并且主車輛的轉向燈啟動時產生可聽到的音調、哨音或嗡嗡聲。
圖2示出本發明側視雷達系統100產生的典型目標檢測區域。圖2a示出在其中布置了圖1所示雷達系統100的主車輛200的頂視圖。圖2b示出圖1主車輛200的后垂直視圖。天線102和PM104優選地包容在同一機械殼體內，并安裝在主車輛200的適當側面。如圖2a所示，天線102和PM104安裝在主車輛200的右后側。因此，天線102以這種方式安裝可以檢測主駕駛員盲區中的目標。通常，目標是各種受監視的車輛，例如摩托車、乘客汽車和卡車。靜止物體，例如距天線102為預定距離的防護欄、隧道壁，和其它的分布物體均認為是有效目標，將由雷達系統100檢測。一旦完成檢測，雷達系統100就產生“目標出現”信號，并向前視雷達系統或顯示器106輸出。在一個實施方案中，目標出現信號從開始檢測到目標到檢測結束之后的1.5秒鐘之內始終保持激活狀態。
圖2示出本側視雷達系統100產生的典型覆蓋區域。通常，如果目標的任何一部分處于“檢測區”202(陰影區域)之內，并且1)在天線102前面的出現時間至少為TH1秒；2)距天線的(徑向)距離在最小距離和最大距離之間；3)移動速度高于相對天線的最小接近速度，那么雷達系統將檢測到目標。在一個優選實施方案中，TH1大約為0.3秒，最小距離大約為2英尺，最大距離大約為12英尺，最小接近速度大約為每小時0.07英里。因此，在優選實施方案中，如果目標的任何一部分處于檢測區202之內，并保持在天線102前面的時間至少為0.3秒，距離在2英尺和12英尺之間，相對天線102的移動速度高于0.07英里每小時，那么雷達系統100將檢測到目標。最小距離和最大距離閾值是由PM104(圖1)執行的軟件確定的。反射能量極低的目標(即，使非常少的能量反射回天線102的目標)將減小檢測區202。與此相反，具有高反射能量的目標將增大檢測區202。側視多普勒雷達系統-詳細描述再次參照圖1，PM104完成本發明側視雷達系統100的許多重要功能。例如，PM104為天線102產生定時信號，從天線102接收返回的模擬信號，調節模擬信號，并完成將模擬信號轉換到數字域的模數(“A/D”)轉換。PM104利用PM專用集成電路(ASIC)120和數字信號處理器(“DSP”)122處理數字化天線數據。PM104與顯示單元106通訊(或者與前視雷達系統通訊)，以指示警報和內部測試(“BIT”)失敗條件。PM104還包括非易失性隨機存取存儲器(“RAM”)和快閃RAM電路。
如圖1所示，PM104優選地包括天線驅動器114、天線接收器116、A/D轉換器、PM ASIC120、DSP122、RAM124、閃爍RAM126、和電源128。在一個優選實施方案中，DSP122包括德克薩斯儀器公司制造的TMS320C203數字信號處理器集成電路。電源128工作在6V和32V之間。天線驅動器114、天線102和天線接收器116共同協作構成微米波收發機。收發機發射并接收天線102的視場中的物體反射回來的射頻(RF)信號。反射信號返回天線102，并在天線處由天線接收器116“下轉換”為基帶信號。如雷達領域眾知的，由于“多普勒”效應，反射接收信號的頻率在其受到反射時將偏離發射信號的頻率。只要反射發射信號的物體存在相對于收發機的運動，就會出現多普勒效應。最終的頻率漂移稱為“多普勒頻移”。根據本發明，天線接收器116產生的基帶信號包括天線視場中的物體導致的多普勒頻移。
天線接收器116包括對基帶信號進行放大、濾波和解復用的模擬電路。解復用的信號輸入到A/D轉換器118的輸入端。在優選實施方案中，A/D轉換器118包括18比特的雙通道模擬-數字轉換器。PM ASIC120和DSP122調整并處理A/D轉換器118產生的數字化數據，以確定是否存在目標以及目標的距離。因為天線102發射的信號功率值是恒定的，所以輸入到A/D轉換器118的信號的功率變化可歸因于接收信號的功率變化。DSP122利用這一事實在天線的視場內檢測是否存在目標。如果A/D轉換器118的輸出信號功率值超過預定閾值(Pth)，那么DSP122就可以判定存在目標。此外，如果距離顯示出目標與主車輛處于同一車道(即如果距離處于預定的最小距離和最大距離之間)，那么“目標出現”信號就出現在輸出傳輸線130上。
有利的是，本發明側視多普勒雷達系統100即使工作在惡劣天氣條件下也可以精確地檢測與主車輛處于同一車道的目標。不僅僅是檢測天線視場中目標或物體的運動(現有技術的盲區傳感器就是這樣做的)，本發明還使用距離信息區分雨滴雜波和有效目標。根據本發明的方法和裝置，側視多普勒雷達系統100可以抑制處于天線102最小距離范圍內的所有目標。在一個實施方案中，最小距離大約為2英尺。發明人已經觀察到，雨滴雜波產生的大多數誤警是由距天線2英尺范圍內出現的雨滴雜波產生的。因此，通過抑制距天線2英尺范圍內檢測到的所有目標，本側視雷達系統100可以很好地消除雨滴雜波產生的誤警。結果，本側視雷達系統100在雨天的檢測效果遠遠優于現有技術的盲區傳感器。
本側視多普勒雷達系統100的收發機部分(即，天線102、天線驅動器114和天線接收器116)處理信號的過程類似于美國專利5,302,956中描述的前視測距多普勒雷達系統的收發機部分。例如，在一個優選實施方案中，收發機部分包括產生發射信號的振蕩器，例如鎵砷(GaAs)GUNN二極管振蕩器。GUNN二極管振蕩器耦合到微波集成電路(MIC)上的肖特基二極管混頻接收器和相關電路。
發射信號的頻率隨著由PM ASIC120耦合到振蕩器的頻率控制電壓信號406變化(在下面將參照圖4詳細描述該信號)。電壓值由PMASIC120控制。提供給振蕩器的電壓值在兩個電壓值(F1/F2)之間變化，由此使發射頻率在兩個漂移頻率(f1和f2)之間變化。在優選實施方案中，天線102的發射信號中心頻率大約是24.725GHz。兩個漂移頻率(此后稱之為通道0發射頻率f1和通道1發射頻率f2)優選地間隔大約2.5MHz，并且時分復用為單路輸出。通道0發射頻率f1是24.725GHz-1.25MHz，或24.72375GHz。通道1發射頻率f2是24.725GHz+1.25MHz，或24.72625GHz。如下面將要詳細描述的，發射頻率f1和f2以大約為10kHz的時分切換速率發射。
在一個優選實施方案中，天線驅動器114包括電壓調節器。電壓調節器向振蕩器提供F1/F2調制的電壓值。在一個實施方案中，F1和F2電壓值均通過在PM104中執行的軟件控制。結果，就可以在不需要手工調整的條件下得到發射信號頻率。
在本發明優選實施方案中，天線102發射發射信號，同時接收天線102視場中的物體反射回來的信號。肖特基二極管混頻器(未示出)與發射信號和接收信號耦合在一起。因此，接收的RF信號和發射信號進行比較。混頻器的輸出是“差異”或“下轉換”信號，其頻率等于發射信號頻率和接收信號頻率之間的差值。信號開關將如圖3所描述的在時間上將下轉換差異信號解復用并對其進行采樣。
天線接收機116中采樣電路300的簡化框圖示于圖3。采樣電路300控制天線102接收的、并由混頻器產生的差異信號解復用。如圖3所示，采樣電路包括前置放大器(“pre-amp”)302，兩個模擬信號開關304a和304b，兩個低通濾波電容306和308，和兩個輸出放大器310和312。差異信號輸入到采樣電路300的輸入線301，并作為輸入信號提供給前置放大器302。前置放大器302的輸出提供給信號開關304a和304b。在一個優選實施方案中，信號開關304a和304b包括摩托羅拉公司提供的MC14053BD模擬開關。信號開關304a和304b用于在時間上解復用天線接收器116中的混頻器產生的差異信號。
前置放大器302對混頻器耦合過來的差異信號進行放大。提供給前置放大器302的信號包括接收到的、并且和發射信號混頻的各種信號。通常，在發射信號時，多個目標將信號的一部分反射回天線102。這些目標中的一部分是相對于天線102靜止的，而另一部分相對于天線102是運動的。利用無線電波在受到相對于發射機或接收機運動的目標反射時而產生的多普勒頻移，發射信號和接收信號之間的頻率差異可以用來確定目標的相對速度，并且在假定不同目標的相對速度存在差異的條件下，還可以辨別不同的目標。
如圖3所示，前置放大器302的輸出耦合到信號開關304a和304b。信號開關304a和304b通過分別將前置放大器302或者耦合到通道0音頻放大器310和低通濾波電容器306、或者耦合到通道1音頻放大器312和低通濾波電容器308，從而在時間上將來自前置放大器302的信號解復用。
分別與來自PM ASIC120的開關定時控制線322和324的成對信號開關304a和304b耦合在一起的成對開關定時控制信號CH0DM402和CH1DM404確定前置放大器302的輸出耦合到通道1低通濾波電容器306和308中的哪一個，以及這種耦合的時序。圖4是顯示了開關定時控制信號CH0DM402、CH1DM404和頻率控制電壓信號406之間的時間關系的時序圖，其中頻率控制電壓信號由PM ASIC120耦合到振蕩器的頻率控制電壓信號線。在本發明優選實施方案中，頻率控制電壓信號406以51.2
s的間隔在相對高壓和相對低壓之間切換。頻率控制電壓信號406的一個周期等于102.4
s，或者頻率近似為9.7656kHz。因此，發射振蕩器的輸出頻率以51.2
s的間隔、隨著頻率控制電壓F1/F2 406的變化而在相對低頻(f1，通道0發射頻率)和相對高頻(f2，通道1發射頻率)切換。
現同時參考圖3和圖4，處于高狀態的通道0選擇信號CH0DM 402使得前置放大器302的輸出通過信號開關304a耦合到低通濾波電容器306。處于高狀態的通道1選擇信號CH1DM404使得前置放大器302的輸出通過信號開關304b耦合到低通濾波電容器308。因為PM ASIC120控制頻率控制電壓信號(F1/F2)406和通道選擇信號(CH0DM402和CH1DM404)，所以信號開關304a和304b與頻率控制電壓信號F1/F2是時間同步的。因此，信號開關304a將前置放大器302連接到通道0低通濾波電容器306的時間稍稍長于1/3周期(38.4
s)，與發射信號處于通道0頻率f1的時間同步(因為頻率控制電壓信號406在這段時間內是高電平)。與此類似，信號開關304b將前置放大器302連接到通道1低通濾波電容器308的時間稍稍長于1/3周期(38.4
s)，與發射信號處于通道1頻率f2的時間同步(因為頻率控制電壓信號406在這段時間內是低電平)。因此，信號開關304a和304b在時間上將下轉換的通道0和通道1差異信號解復用。通道0和通道1選擇信號402和404的脈沖或長一些、或短一些的其它實施方案也屬于本發明范圍。
圖4的時序圖示出通道0選擇信號402脈沖和通道1選擇信號404脈沖偏離頻率控制信號406的各個邊緣，以便使發射信號定時穩定，確保在通道0和通道1選擇信號402和404有效時接收信號和發射信號處于同一載波頻率(機接收和發射信號或者處于通道0頻率或者處于通道1頻率)。然而，應當理解的是，在本發明的其它實施方案中，這些信號402和404可以出現在任何位置，例如頻率控制電壓信號406的上升沿或下降沿、或在其中間。
低通濾波器306和308如同包絡檢測器一樣保持信號開關304a和304b的輸出。通道0低通濾波器306保持(或“平滑”)時間解復用的下轉換通道0差異信號，通道1低通濾波器308保持(或“平滑”)時間解復用的下轉換通道1差異信號。每個濾波器306和308的輸出是頻率分量等于發射信號和接收信號之間的頻率差的平滑信號，其中發射信號與連接到濾波器的通道對應，接收信號是在通道進行發射的時間內接收的。例如，通道0低通濾波器306輸出頻率等于通道0發射頻率和數個目標反射回來的通道0接收頻率之差的平滑信號，如同通道0發射頻率是以連續波的形式發射的一樣。
采樣電路300的輸出連接到雙A/D轉換器118(圖1)。A/D轉換器118包括兩個分別與采樣電路300在輸出信號線328和330上輸出的通道0和通道1信號相對應的獨立通道。A/D轉換器118的每個通道將來自相應下轉換頻率通道的模擬輸入信號轉換為數字化數據字流。在優選實施方案中，A/D轉換器118包括由Crystal Logic公司得到的器件編號為CS5330A的sigma-delta A/D轉換器。A/D轉換器118優選地輸出一系列18比特的數據字。頭16個比特表示在特定時間間隔內的模擬信號幅度(即16比特的分辨率)。
因此，潛在目標反射回來、并由天線102接收的信號經過采樣、時間解復用和數字化處理之后成為數字化數據流。數字化數據流表示隨著發射信號的時間解復用函數而變化的接收信號。數字化數據耦合到PM ASIC120。PM ASIC120提供定時信息，采集A/D轉換器118產生的數字化數據流，并調整數據，使其可以由DSP 122處理。具體地講，PM ASIC120由A/D轉換器118讀取數據，并將數據寫入與適當通道相連的、RAM124中的存儲區域(即，通道0數據寫入與通道0差異信號相關的存儲區，通道1數據寫入與通道1差異信號相關的存儲區)。在優選實施方案中，寫入RAM124的每個數據樣本都是16比特寬的(利用硬件由18比特的A/D轉換器118截取)。通道0數據和通道1數據(分別對應于f1和f2發射頻率)優選地分別存儲在RAM124中的兩個圓形緩沖器中，每個緩沖器可以存儲1024個數據字。每個緩沖器又分為四個分別由256個字構成的區。利用這種存儲方案，512個樣本點的區可以由連續填充的兩個數據區形成(包括256個來自通道0的樣本點和256個來自通道1的樣本點)。
DSP122耦合到PM ASIC120、RAM124和快閃RAM126。DSP122利用存儲在RAM124中的數據計算檢測目標的距離。DSP122利用類似于美國專利5,302,956中描述的技術完成這一計算。因為天線102發射的信號功率值是恒定的，所以A/D轉換器118產生的信號的功率變化可以歸因于接收信號的功率變化。如果信號功率在通道0和通道1的信號中的同一多普勒頻率上超過預定功率值，那么就假定存在目標。DSP122還確定通道0和通道1信號之間的精確相位關系。DSP122根據兩個信號之間的相位差確定目標的距離。利用DSP122還可以計算相對于天線102的運動。DSP122利用由目標反射回來的信號中的多普勒頻移計算相對于天線102的運動。在一個實施方案中，DSP122可以識別和跟蹤多個目標。目標由它們的頻率區分(即多普勒頻移量)。
在對存儲在RAM124中的512個樣本點進行加窗和快速復立葉(FFT)變換操作之前，優選地調整最大樣本點值與存儲表示容量的標度，使FFT運算的定點精度最大。然后，將512點的“Blackman”窗函數作用在標度調整后的數據緩沖器上。當RAM124中存在足夠的數據時，DSP122就執行512點的復FFT運算，從而將時分接收信號的數字化表示由時域映射到頻域。這樣，DSP122對存儲在RAM124中的數據進行譜分析，并確定頻率、相位關系和每個頻率上的相對功率。利用數字化信號處理器，例如本發明優選實施方案中使用的TMS320C203 DSP進行FFT運算在本領域是眾知的。因此，FFT運算的結果是一系列頻率值和與每個頻率值對應的功率值。當特定頻率上的功率高于選定的閾值Pth時，DSP122可就確定存在目標。
在頻譜數據產生之后，需要考慮的只是譜的正頻率部分。對8個寬度可變、且覆蓋正頻率譜中大多數數據點的條帶計算噪聲估計值。DSP122(在給定的噪聲帶范圍內)掃描頻譜，搜索獨立的最高頻率峰。如果該峰值對于給定的噪聲帶超過計算出的“檢測閾值”，那么該峰值就認為是潛在的目標。在本發明的一個優選實施方案中，DSP122檢測是否只存在一個目標(即，不需要掃描多個峰值)。然而，在其它實施方案中，需要檢測多個峰。通過計算其功率超過選定閾值Pth的頻率峰的個數，DSP122可以確定存在多少個目標(即存在多少個以不同的速度相對于天線102運動的目標)。以同樣的相對速度運動的目標反射的信號具有相同的頻率。
DSP122還確定通道0信號數據與通道1信號數據的相位關系。根據這種信息，DSP可以計算目標的距離和相對速度。通過將頻率和相位差乘以一個固定因子就可以直接確定距離和相對速度，這是因為根據公式R＝C×(～1-～2)/)(4
(f1-f2))可以得出相位與目標距離的線性比例關系，根據公式fd＝72(赫茲小時/英里)×V(英里/小時)可以得出頻率與目標相對速度的線性比例關系。在距離公式中，R是以英尺為單位的到目標的距離，C是以英尺/秒為單位的光速，f1是發射通道0信號的頻率，f2是發射通道1信號的頻率。在相對速度公式中，fd是多普勒現象產生的頻移，V是目標相對收發機的相對速度。然而，在其它實施方案中，可以使用其它將頻率映射為相對速度、將相位關系映射為距離的方法。例如，可以利用表來交叉查找分別與頻率和相位對應的速度和距離。
如果數據在選定的預定范圍之外，那么就認為該數據是無效的，并舍棄它。如果數據處于預定范圍之內，DSP122就利用跟蹤軟件模塊產生目標距離和相對速度信息的濾波時間軌跡或記錄。DSP122將新的目標距離和相對速度與以前記錄的記錄和相對速度進行比較。如果目標距離和相對速度與先前記錄的距離和相對速度一致(即，如果新目標距離和速度與先前記錄的目標距離和速度之間的差異在預定范圍之內)，那么DSP122就利用新接收的距離和相對速度替換先前記錄的距離和相對速度。如果新目標與已有的目標不相符，那么就存儲該距離和相對速度，由此定義了一個新目標。當DSP122沒有接收到與先前記錄的目標十分匹配的數據時，那么就假定先前記錄的目標已經離開檢測區域，并將其距離和相對速度從記錄中去除。因此，在另一種實施方案中，系統可以同時識別和跟蹤多個目標。
DSP122在每次處理循環結束時產生警報。本雷達系統產生的報警信號包括“無目標”(沒有跟蹤的目標)；“目標處于檢測區”202(圖2)；“系統故障”(在加電或在線測試過程中檢測到硬件失效)；和“存在無法工作的條件”(例如，使噪聲值超過特定閾值的大雨，覆蓋天線102的冰或泥巴，信噪比過低，或在超過預定閾值的時間周期內沒有檢測到峰)。DSP122產生的報警信號通過輸出傳輸線130產生。
圖5是DSP122確定是否存在目標所采用的方法的高級流程圖。開始，DSP122在對存儲在RAM124中的數據(通道0數據的256個樣本點和通道1數據的256個樣本點)進行512點的FFT運算之后進入步驟500。根據優選實施方案，對于每256個新樣本點進行新FFT，由此在新的和先前計算的樣本點上產生50％疊蓋FFT。方法進行到步驟502確定在天線102的前方(圖1)是否存在潛在的目標。如上所述，因為發射信號的功率是恒定的，可以利用反射信號的功率變化檢測是否存在目標。在步驟502，其方法是確定A/D轉換器118的輸出信號功率值(“Pwr”)是否超過預定閾值(Pth)。如果超過，該方法就執行到步驟504，以確定目標距天線102的距離。如果沒有，該方法執行到步驟512，以獲得進行后續FFT運算的下一組256樣本點。
在步驟504，DSP122確定目標處于天線102前方的時間是否超過預定周期。如上所述，為了使DSP122確定存在目標，目標在天線102前方存在的時間至少要等于TH1秒。在優選實施方案中，TH1大約是0.3秒。在其它實施方案中，根據系統參數確定的靈敏性，TH1可以具有不同的值。如圖5所示，如果目標在天線102前方存在的時間至少為TH1秒，那么該方法就執行到步驟506，以確定目標是否處于檢測區之內。否則，該方法進行到步驟512。
如上面參考圖2進行的描述，本發明側視多普勒雷達系統100在且只有在目標在預定檢測區之內保留預定時間周期的條件下報告目標的存在。根據本發明方法和裝置，側視多普勒雷達系統100抑制所有處于天線102的最小距離之內的目標。在一個實施方案中，最小距離大約為2英尺。因為雨天產生的大多數誤警是由距天線2英尺之內的雨滴雜波產生的，所以本方法在步驟506中抑制距天線2英尺之內的任何目標。通過抑制天線102的特定距離“最小距離”之內的所有目標，本發明的檢測方法可以顯著地降低雨滴雜波產生的誤警。另外，通過抑制天線102的特定距離“最大距離”之外的目標，本檢測方法可以降低由潮濕樹葉和其它環繞天線102的潮濕環境引起的雜波造成的誤警。如圖5所示，如果目標處于檢測區之外，那么該方法就執行到步驟512，采集下一組樣本點。然而，如果目標處于最小距離和最大距離之間(即處于檢測區之內)，那么該方法就執行到步驟508。
在步驟508，本目標檢測方法確定目標的接近速度是否超過預定值。如上所述，本發明不會指示目標的存在，除非它們的移動速度超過相對于天線102的最小接近速度閾值(最小接近速度)。在優選實施方案中，不會指示目標的存在，除非它們相對天線102的移動速度至少為0.07mph。在其它實施方案中，這種速度分辨率可以隨著系統的需求而改變。如果目標速度小于最小接近速度，那么該方法執行到步驟512，以采集下一組樣本點。然而，如果目標的移動速度超過最小接近速度，那么本方法將在步驟510中產生警告，即目標處于檢測區。
圖5所示的目標檢測方法優選地包括PM104中的DSP122運行的軟件。另外，本發明的方法和裝置可以用任何適宜的或期望的程序化設備實現，例如狀態機、本狀態獨立邏輯電路、或字段可編程門陣列器件。圖5所示的目標檢測方法可以在硬件中實現(即“硬接線的”)，或者利用其它類型的可編程器件實現。天線外形和天線波束寬度對降低雨滴雜波產生的誤警的影響發明人通過實驗觀察到雨滴誤警的主要根源是環繞在天線102四周的潮濕樹葉和其它潮濕的“非道路”環境。潮濕環境使正常的良性雜波“變強”，從而使現有技術的雷達系統失效。參照圖1-5描述的測距方法和裝置可以抑制系統100在雨天使用時產生的大多數雜波。然而，發明人已經觀察到通過壓縮天線波束寬度和優化天線外形可以進一步提高雨滴雜波抑制能力。壓縮天線波束寬度減少了潮濕道路表面和潮濕非道路表面產生的反射。根據天線尺寸和檢測區的覆蓋需求，天線波束寬度應當盡可能地窄。例如，在優選實施方案中，天線波束寬度在垂直向和水平向都為+/-7.5度。
制作窄波束寬度天線和降低天線輻射信號的旁瓣的有效途徑是利用斜對道路表面安裝的方形蓋板天線陣列(即，使用菱形天線陣列)。圖6示出天線102的一個實施方案，其中天線具有菱形配置的天線蓋板單元(例如單元606和608)，以降低雨滴雜波的影響。圖6所示的天線102包括相對于對角軸線602傾斜放置的6×6矩形單元陣列。天線102安裝在主車輛上，使方形陣列的另一條對角軸線604平行于道路表面。注意，對角軸線602即是方形陣列的“對角”軸線，并且在天線102安裝到主車輛上之后又是“垂直”軸線。類似，對角軸線604即是方形陣列的“對角”軸線，并且在天線102安裝到主車輛上之后又是“水平”軸線。因此，天線的主平面相對于垂直和水平軸線旋轉45度角。
天線102的這種對角取向不會對雷達系統100的目標檢測能力產生負面影響。然而，對角取向確實有助于降低潮濕道路和非道路環境產生的誤警。對角取向能夠有效地在垂直平面內產生自然的線性幅度衰減，因為在水平行中的蓋板單元數目(例如單元606和608)隨著沿垂直軸線602方向由天線陣列中心向外的偏離而線性地降低。在圖6所示的實例中，因為沿水平軸線604的蓋板單元數目沿著垂直軸線602由六個(在陣列的中心)減少到一個(在陣列的底部)，所以天線102輻射信號的旁瓣也相應地降低。在一個實例中，第一旁瓣與方形天線輻射圖(即沒有相對于道路表面傾斜45度角的天線)的第一旁瓣相比大約降低了13dB。所有其它旁瓣也降低到相當低的幅度。降低旁瓣有助于本雷達系統100抑制由潮濕道路和其它潮濕環境反射回天線的能量。
除了降低輻射信號的旁瓣，對角取向還產生交叉極化的回波信號。通過將天線102傾斜到圖6所示的方位，潮濕道路表面反射的回波電場矢量與天線102發射的電場矢量正交。回波矢量的正交性可以十分有效地抑制潮濕道路環境產生的雨滴雜波。
幾種其它類型的天線結構也是可行的。例如，不需要轉向就可以產生對角極化效應的天線單元。蓋板單元可以以任意期望的方式相對于垂直軸602轉動。整個陣列的輪廓決定了旁瓣的降低效果(即，在按照圖6所示進行配置時蓋板單元的輪廓可以產生自然幅度衰減，然而，各蓋板單元自身的取向沒有任何影響)。在其它實施方案中，天線陣列包括配置成菱形結構的16行×16列的蓋板單元，以降低雨滴雜波。這種結構的幾種變形也屬于本發明范圍。
總之，本發明方法和裝置包括精確、可靠地檢測主車輛駕駛員盲區中的物體的裝置。本發明方法和裝置優選地使用安裝在主車輛側面的多普勒雷達系統。根據本發明，天線收發機發射RF信號，接收潛在目標反射的信號。利用數字信號處理技術，雷達系統可以確定是否存在潛在目標以及其距離和接近速度。本方法確定檢測到的目標是否在預定檢測區內存在的時間達到預定周期。只將那些處于檢測區內的目標報告給駕駛員。有利的是，本方法抑制所有處于天線特定距離之內的目標，由此降低了雨滴雜波引起的誤警。本發明利用距離信息抑制距天線的距離大于一條車道的目標，由此降低潮濕樹葉引起的誤警。轉動天線使之呈菱形結構可以進一步降低潮濕道路環境引起的雜波。
已經討論了本發明的多個實施方案。然而，應當理解的是，在不偏離發明宗旨和范圍的條件下可以進行各種修改。例如，通道0發射信號和通道1發射信號之間的關系可以是這樣的，它們的頻差可以大于或小于2.5MHz。此外，頻率控制電壓406(圖4)的持續時間可以長于或短于102.4
s，占空比可以大于或小于50％。作為另一個實例，頻率調制方案可以是FSK之外的其它方案。同樣，本發明不受限于使用512樣本點的FFT運算。實際上可以使用任何長度的FFT實現本發明。另外，發射信號的中心頻率可以高于或低于24.725GHz。例如，在一個實施方案中，正在考慮的發射信號中心頻率大約為76.5GHz。此外，如參照圖6描述的，本發明可以使用幾種其它類型的蓋板陣列天線。
相應地，應當理解的是，本發明不受限于具體說明的實施方案，而受限于附屬權利要求的范圍。
權利要求
1.一種檢測在安裝了雷達系統的主車輛盲區中是否存在物體的側視雷達系統，包括a)發射雷達信號、并檢測發射雷達信號由物體反射回來的反射信號的雷達收發機；b)處理器模塊，連接到收發機以控制收發機發射信號的定時和處理收發機接收的反射信號，其中處理器模塊確定產生反射信號的物體是否存在及其距離和接近速度，處理器模塊還確定物體是否處于預定檢測區；c)連接到處理器模塊的指示器，接收處理器模塊發出的物體處于檢測區的指示信號，其中指示器警告主車輛駕駛員物體處于檢測區之內。
2.權利要求1的側視雷達系統，其中雷達收發機包括a)天線；b)天線驅動器，耦接到天線以控制天線的發射；和c)天線接收器，耦接到天線以處理反射信號，其中天線接收器將反射信號下轉換為基帶信號，以便處理器模塊進一步處理。
3.權利要求1的側視雷達系統，其中處理器模塊包括a)耦接到雷達收發機的模-數(A/D)轉換器，能夠將雷達收發機接收的反射信號轉換為數字化數據流；b)處理器模塊專用集成電路(PM ASIC)，耦接到A/D轉換器和雷達收發機，能夠向收發機提供定時信息，其中PM ASIC調整數字化數據流以產生樣本點；c)隨機存取存儲器(RAM)，耦接到PM ASIC，用于存儲來自PM ASIC的樣本點；和d)數字信號處理器(DSP)，耦接到PM ASIC和RAM，用于對存儲在RAM中的樣本點進行數字信號處理操作。
4.權利要求3的側視雷達系統，其中A/D轉換器包括18比特雙通道A/D轉換器集成電路。
5.權利要求3的側視雷達系統，其中PM ASIC調制發射的雷達信號，使其發射頻率分別為f1和f2。
6.權利要求3的側視雷達系統，其中PM ASIC通過將第一樣本點段與發射雷達信號頻率f1聯系在一起來調整數字化數據流，PM ASIC將第二樣本點段與發射雷達信號頻率f2聯系在一起。
7.權利要求6的側視雷達系統，其中PM ASIC在RAM的第一環形緩沖器中存儲第一樣本點段，PM ASIC在RAM的第二環形緩沖器中存儲第二樣本點段。
8.權利要求7的側視雷達系統，其中DSP對存儲在RAM中的第一和第二樣本點段進行快速傅立葉變換(FFT)運算，由此將樣本點數據由時域轉換到頻移。
9.一種檢測在安裝了側視雷達系統的主車輛盲區中是否存在物體的側視雷達系統，包括a)多普勒雷達電路用于1)發射具有第一和第二發射頻率的調制雷達信號；2)接收發射雷達信號由主車輛附近物體反射回的反射信號；3)檢測出現在發射雷達信號和反射雷達信號之間的多普勒頻移；和4)確定接收得到反射波的每個多普勒頻率上的功率值；和b)耦接到多普勒雷達電路的控制器，用于1)確定使反射波發射回來的物體是否處于主車輛附近的預定檢測區；2)只有在物體處于檢測區之內時才向主車輛駕駛員報警。
10.權利要求9的側視雷達系統，其中控制器通過測量物體的距離來確定物體是否處于檢測區，并確定物體是否處于距主車輛的最小預定距離和最大預定距離之間。
11.一種確定側視雷達系統檢測到的物體是否處在安裝了雷達系統的主車輛盲區中的預定檢測區內的方法，包括a)發射具有第一和第二發射頻率的調制雷達信號；b)接收發射雷達信號由主車輛附近物體反射回來的反射信號；c)根據步驟b中接收到的反射雷達信號的頻率特性確定物體的距離；d)確定物體是否處于主車輛附近的預定檢測區；和e)只有在物體處于檢測區時才向主車輛駕駛員報警。
12.權利要求11的方法，其中確定物體是否處于檢測區的步驟(d)包括a)確定反射信號在選定頻率上的功率值是否超過預定功率閾值；b)確定檢測到物體的持續時間是否超過預定時間周期；c)確定物體是否處于距主車輛的最小預定距離和最大預定距離之間；和d)確定物體相對于主車輛的運動速度是否超過預定的最小接近速度。
13.在通用計算設備上運行的計算程序，其中程序能夠確定側視雷達系統檢測到的物體是否處在安裝了本雷達系統的主車輛盲區中的預定檢測區之內，包括a)發射具有第一和第二發射頻率的調制雷達信號的第一組指令；b)接收發射雷達信號由主車輛附近物體反射回來的反射信號的第二組指令；c)根據反射雷達信號的頻率特性確定目標距離的第三組指令；d)確定物體是否處于主車輛附近的預定檢測區之內的第四組指令；e)只有在物體處于檢測區之內時才向主車輛駕駛員報警的第五組指令。
全文摘要
檢測處理駕駛員盲區中是否存在物體的方法和裝置。裝置包括側視多普勒雷達系統,該系統利用了源自頻率調制切換技術的、具有調頻(FM)操作的連續波(CW)發射。雷達系統確定檢測目標是否存在及其距離和接近速度。雷達系統檢測即使工作在惡劣天氣條件下也能檢測目標,并不會因潮濕道路和其它潮濕環境產生的雨滴雜波而產生誤警。在一種實施方案中,雷達系統使用取向為菱形結構的蓋板陣列天線,以有效地產生有助于抑制潮濕道路表面引起的雜波的自然線性幅度衰減。
文檔編號G01S13/34GK1259675SQ9911064
公開日2000年7月12日 申請日期1999年7月23日 優先權日1998年7月23日
發明者J·C·麥達德, R·E·斯通, E·P·波萊, R·J·施利希蒂格 申請人:易通－沃拉德技術有限公司