專利名稱：雷達(dá)系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及使用無線電波檢測目標(biāo)的系統(tǒng)。具體地說，涉及一種雷達(dá)系統(tǒng)，它根據(jù)由發(fā)射信號和接收信號產(chǎn)生的差頻信號頻譜，檢測目標(biāo)。
背景技術(shù)：
使用毫米無線電波的FM-CW(頻率調(diào)制連續(xù)波)雷達(dá)系統(tǒng)已被開發(fā)作為車載雷達(dá)系統(tǒng)。在FM-CW雷達(dá)系統(tǒng)中，對無線電波進(jìn)行圍繞預(yù)定頻率的預(yù)定頻率范圍內(nèi)的頻率調(diào)制，并由發(fā)射信號和接收信號產(chǎn)生差頻信號。識別差頻信號在升頻調(diào)制期間和在降頻調(diào)制期間的差頻頻率，以計(jì)算從天線到目標(biāo)的距離，以及目標(biāo)相對于天線的相對速度，其中，在升頻調(diào)制期間，發(fā)射信號的頻率在上升，而在降頻調(diào)制期間，發(fā)射信號的頻率在下降。
在升頻調(diào)制期間和降頻調(diào)制期間，以預(yù)定傾斜角度執(zhí)行所述頻率調(diào)制，將發(fā)射波調(diào)制成三角調(diào)制波。普通FM-CW雷達(dá)系統(tǒng)將壓控振蕩器(VCO)用于發(fā)射波的調(diào)制。但是，由于溫度特性或者由于老化，VCO的振蕩特性易于變化，從而引起調(diào)制波形失真。如果調(diào)制波形中發(fā)生任何失真，升頻調(diào)制期間的三角調(diào)制波的傾斜角度就會與降頻調(diào)制期間的三角調(diào)制波的傾斜角度不同。換言之，所述三角調(diào)制波變成非線性的。
即使按下述方式實(shí)行離散傅立葉變換，帶有任何失真的三角調(diào)制波也無法在頻譜中提供尖銳的波峰，從而很難進(jìn)行目標(biāo)檢測，或者造成嚴(yán)重的誤差。
如圖18所示，通常對差頻信號進(jìn)行采樣，將窗函數(shù)應(yīng)用于采樣數(shù)據(jù)，實(shí)行離散傅立葉變換，以產(chǎn)生頻譜(分析頻率)，并提取頻譜中包括的、由來自目標(biāo)的反射信號引起的任何波峰(以下簡稱“峰值提取”)。
圖16(A)示出無失真的三角調(diào)制波。圖16(B)表示圖16(A)所示的示例中，在升頻調(diào)制期間和降頻調(diào)制期間，差頻信號的頻率變化。圖16(C)示出有失真的三角調(diào)制波。圖16(D)表示圖16(C)所示的示例中，在升頻調(diào)制期間和降頻調(diào)制期間，差頻信號的頻率變化。
當(dāng)三角調(diào)制波以上述方式發(fā)生失真時(shí)，在升頻調(diào)制期間的差頻信號的頻率變得與在降頻調(diào)制期間的差頻信號的頻率不同。
圖17表示調(diào)制波發(fā)生失真和沒有失真時(shí)，各自的頻譜的圖。參考圖17，“a”表示當(dāng)調(diào)制波像圖16(A)所示的示例那樣，沒有發(fā)生失真時(shí)的結(jié)果，“b”表示當(dāng)調(diào)制波像圖16(C)所示的示例那樣，發(fā)生失真時(shí)的結(jié)果。當(dāng)沒有任何調(diào)制失真時(shí)，由于差頻信號的頻率在采樣周期沒有發(fā)生變化，所以會出現(xiàn)帶寬非常窄的的波峰。相反，在有任何調(diào)制失真的情況下，由于差頻信號的頻率在采樣周期持續(xù)地發(fā)生變化，所以會出現(xiàn)帶寬較寬的波峰。因此，就存在很難檢測目標(biāo)，并且無法以更高的精度來檢測距離等問題。
因此，專利文獻(xiàn)1到3中公開了將控制電壓應(yīng)用于VCO，以使時(shí)間頻率特性成為線性的方法，其中，控制電壓具有與VCO的電壓頻率特性相對的逆波形(反函數(shù))。另外，專利文獻(xiàn)4中公開了一種在差頻信號的采樣中，校正VCO的非線性的方法。此外，專利文獻(xiàn)5中還公開了一種將與VCO的溫度特性相對應(yīng)的頻率控制信號應(yīng)用于VCO的方法。
日本待審專利申請公開No.7-055924日本待審專利申請公開No.7-198833日本待審專利申請公開No.8-327728日本待審專利申請公開No.7-128439日本待審專利申請公開No.10-197625發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明要解決的問題是在專利文獻(xiàn)1到5公開的方法中，使用數(shù)模(DA)轉(zhuǎn)換器或數(shù)字信號處理器(DSP)產(chǎn)生校正偏置電壓，并將其應(yīng)用于VCO，以產(chǎn)生高度線性的三角波。但是，因此而要求DA轉(zhuǎn)換器或DSP(DSP中的算術(shù)處理器)，所以會使這種系統(tǒng)不合意地變得比較復(fù)雜，從而增加了系統(tǒng)成本。
此外，由于必須計(jì)算各個(gè)VCO的補(bǔ)償值，或者測量各VCO的溫度特性，以實(shí)行校正，所以就存在測量、調(diào)整和設(shè)定工作都要求大量時(shí)間和精力，從而增大制造成本的問題。另外，由于校正中沒有使用反饋環(huán)，所以校正可能包含由于老化所引起的偏移。如果在校正中使用比如鎖相環(huán)(PLL)等反饋環(huán)，雖然可以解決因老化引發(fā)的問題，但是會使電路配置變得復(fù)雜，從而明顯地加大制造成本。
因此，本發(fā)明的目的在于提供一種雷達(dá)系統(tǒng)，這種雷達(dá)系統(tǒng)能夠解決由調(diào)制波中的任何失真所引出的問題，卻不使系統(tǒng)變得復(fù)雜和增大系統(tǒng)成本，從而易于以更高精度檢測目標(biāo)。
為解決上述問題，本發(fā)明提供的裝置為(1)本發(fā)明一種實(shí)施例的雷達(dá)系統(tǒng)，它包括用于發(fā)射經(jīng)頻率調(diào)制的發(fā)射信號，并產(chǎn)生包含與頻率差對應(yīng)的頻率分量的差頻信號的裝置，其中所述頻率差是發(fā)射信號與來自目標(biāo)的反射信號間的頻率差，并向該目標(biāo)發(fā)射發(fā)射信號；頻率分析裝置，對差頻信號進(jìn)行采樣，并將窗函數(shù)應(yīng)用于采樣數(shù)據(jù)，以產(chǎn)生離散頻譜；用于產(chǎn)生在頻譜中出現(xiàn)的波峰的峰值頻率的裝置，其中，所述波峰的出現(xiàn)是由反射信號引起的；以及目標(biāo)檢測裝置，它根據(jù)峰值頻率檢測目標(biāo)。所述頻率分析裝置以選擇性的方式應(yīng)用多個(gè)窗函數(shù)(多種類型的窗函數(shù))，這些窗函數(shù)的幅值(加權(quán))以不同方式，從采樣周期中心向兩側(cè)衰減。將具有從采樣周期中心向兩側(cè)緩慢衰減之幅值的窗函數(shù)應(yīng)用于頻譜中的低頻帶，以產(chǎn)生頻譜，并將具有從采樣周期中心向兩側(cè)急劇衰減之幅值的窗函數(shù)應(yīng)用于頻譜中的高頻帶，以產(chǎn)生頻譜。
(2)據(jù)本發(fā)明另一種實(shí)施例的雷達(dá)系統(tǒng)，它包括發(fā)射經(jīng)過頻率調(diào)制的發(fā)射信號，并產(chǎn)生包括與頻率差相對應(yīng)的頻率分量的差頻信號的裝置，其中，所述頻率差是發(fā)射信號與來自目標(biāo)的反射信號之間的頻率差，并向該目標(biāo)發(fā)射發(fā)射信號；頻率分析裝置，對所述差頻信號進(jìn)行采樣，并將窗函數(shù)應(yīng)用于采樣數(shù)據(jù)，以產(chǎn)生離散頻譜；產(chǎn)生在頻譜中出現(xiàn)的波峰的峰值頻率的裝置，其中，所述波峰的出現(xiàn)是由反射信號引起的；以及目標(biāo)檢測裝置，它根據(jù)峰值頻率檢測目標(biāo)。頻率分析裝置以選擇的方式應(yīng)用多個(gè)窗函數(shù)(多種類型的窗函數(shù))，這些窗函數(shù)的幅值(加權(quán))以不同方式，自采樣周期中心向兩側(cè)衰減。當(dāng)預(yù)測波峰出現(xiàn)在由頻率分析產(chǎn)生的頻譜中的低頻帶時(shí)，應(yīng)用具有從采樣周期中心向兩側(cè)緩慢衰減的振幅的窗函數(shù)，當(dāng)預(yù)測波峰出現(xiàn)在由頻率分析產(chǎn)生的頻譜中的高頻帶時(shí)，應(yīng)用具有從采樣周期中心向兩側(cè)急劇衰減的振幅的窗函數(shù)。
(3)在(2)所述的雷達(dá)系統(tǒng)中，重復(fù)由所述目標(biāo)檢測裝置所實(shí)行的目標(biāo)檢測，并根據(jù)在最后檢測，或者最后檢測的前一檢測中計(jì)算的到目標(biāo)的距離，選擇性地應(yīng)用窗函數(shù)，這些窗函數(shù)的幅值以不同方式，從采樣周期中心向兩側(cè)衰減。
(4)本發(fā)明又一實(shí)施例的車輛上安裝的車載雷達(dá)系統(tǒng)，它包括發(fā)射經(jīng)過頻率調(diào)制的發(fā)射信號，并產(chǎn)生包括與頻率差相對應(yīng)的頻率分量的差頻信號的裝置，其中，所述頻率差是發(fā)射信號與來自目標(biāo)的反射信號之間的頻率差，并向該目標(biāo)發(fā)射發(fā)射信號；頻率分析裝置，對所述差頻信號采樣，并將窗函數(shù)應(yīng)用于采樣數(shù)據(jù)，以產(chǎn)生離散頻譜；產(chǎn)生在頻譜中出現(xiàn)的波峰的峰值頻率的裝置，其中，所述波峰的出現(xiàn)是由反射信號引起的；以及目標(biāo)檢測裝置，它根據(jù)所述峰值頻率檢測目標(biāo)。所述頻率分析裝置以選擇的方式應(yīng)用多個(gè)窗函數(shù)(多種類型的窗函數(shù))，這些窗函數(shù)的幅值(加權(quán))以不同方式，自采樣周期中心向兩側(cè)衰減。當(dāng)所屬車輛低速行駛時(shí)，應(yīng)用具有從采樣周期中心向兩側(cè)緩慢衰減的振幅的窗函數(shù)，當(dāng)所屬車輛高速行駛時(shí)，應(yīng)用具有從采樣周期的中心向兩側(cè)急劇衰減的振幅的窗函數(shù)。
(5)本發(fā)明再一實(shí)施例的車輛上安裝的車載雷達(dá)系統(tǒng)，它包括發(fā)射經(jīng)過頻率調(diào)制的發(fā)射信號，并產(chǎn)生包括與頻率差相對應(yīng)的頻率分量的差頻信號的裝置，其中，所述頻率差是發(fā)射信號與來自目標(biāo)的反射信號之間的頻率差，并向該目標(biāo)發(fā)射發(fā)射信號；頻率分析裝置，對所述差頻信號采樣，并將窗函數(shù)應(yīng)用于采樣數(shù)據(jù)，以產(chǎn)生離散頻譜；產(chǎn)生在頻譜中出現(xiàn)的波峰的峰值頻率的裝置，其中，所述波峰的出現(xiàn)是由反射信號引起的；以及目標(biāo)檢測裝置，根據(jù)所述峰值頻率檢測目標(biāo)。所述頻率分析裝置以選擇的方式應(yīng)用多個(gè)窗函數(shù)(多種類型的窗函數(shù))，這些窗函數(shù)的幅值(加權(quán))以不同方式，從采樣周期中心向兩側(cè)衰減。該雷達(dá)系統(tǒng)具有將掃描波束定向到車輛前方的水平角度的功能，在具有相對于所屬車輛前方的較大掃描角度的范圍中，應(yīng)用具有從采樣周期中心向兩側(cè)緩慢衰減的振幅的窗函數(shù)，在具有相對于所屬車輛前方的較小掃描角度的范圍中，應(yīng)用具有從采樣周期的中心向兩側(cè)急劇衰減的振幅的窗函數(shù)。
采用本發(fā)明可有如下之優(yōu)點(diǎn)。(1)按照本發(fā)明的實(shí)施例，選擇性地應(yīng)用多種窗函數(shù)，作為在離散頻譜的產(chǎn)生中，應(yīng)用于采樣數(shù)據(jù)的窗函數(shù)，其中這些窗函數(shù)的幅值(加權(quán))以不同方式，從采樣周期中心向兩側(cè)衰減?？梢赃x擇其頻譜中具有更為尖銳之波峰的窗函數(shù)，以在頻譜中產(chǎn)生尖銳波峰，其中，頻譜中的更為尖銳的波峰是由來自目標(biāo)的反射信號引起的。作為另一種供選擇的方式，可以從由多個(gè)窗函數(shù)的應(yīng)用所產(chǎn)生的頻譜中選擇波峰，以使用頻譜中的尖銳波峰。因此，雷達(dá)系統(tǒng)不會受到調(diào)制波形中任何失真的較大影響，從而實(shí)現(xiàn)容易且精確的目標(biāo)檢測。具體地說，將具有從采樣周期中心向兩側(cè)緩慢衰減的振幅的窗函數(shù)應(yīng)用于頻譜中的低頻帶，并將具有從采樣周期中心向兩側(cè)急劇衰減的振幅的窗函數(shù)應(yīng)用于頻譜中的高頻帶，藉以產(chǎn)生頻譜。由此，可以在頻譜中從低頻帶到高頻帶的范圍上，產(chǎn)生尖銳波峰，從而可以在更寬范圍上，實(shí)現(xiàn)可靠的和精確的目標(biāo)檢測。
(2)按照本發(fā)明發(fā)明的實(shí)施例，當(dāng)在頻譜中的低頻帶中出現(xiàn)預(yù)測波峰時(shí)，應(yīng)用具有從采樣周期中心向兩側(cè)緩慢衰減的振幅的窗函數(shù)，當(dāng)在頻譜中的高頻帶中出現(xiàn)預(yù)測波峰時(shí)，應(yīng)用具有從采樣周期中心向兩側(cè)急劇衰減的振幅的窗函數(shù)。因此，無論波峰出現(xiàn)在頻譜中的哪個(gè)頻率上，都可以產(chǎn)生尖銳的波峰，從而在更寬范圍上，實(shí)現(xiàn)可靠的和精確的目標(biāo)檢測。
(3)按照本發(fā)明的實(shí)施例，重復(fù)由目標(biāo)檢測裝置所進(jìn)行的目標(biāo)檢測，并根據(jù)在最后檢測，或者最后檢測的前一檢測中計(jì)算的到目標(biāo)的距離，選擇地應(yīng)用窗函數(shù)，這些窗函數(shù)的幅值以不同方式，從采樣周期中心向兩側(cè)衰減。因此，可以根據(jù)要檢測的目標(biāo)，在頻譜中產(chǎn)生由目標(biāo)引起的尖銳頻譜，并因此而能夠用具有低信噪(SN)比的信號，可靠地跟蹤目標(biāo)。
(4)按照本發(fā)明的實(shí)施例，當(dāng)所屬車輛低速行駛時(shí)，應(yīng)用具有從采樣周期中心向兩側(cè)緩慢衰減的振幅的窗函數(shù)，當(dāng)所屬車輛高速行駛時(shí)，應(yīng)用具有從采樣周期中心向兩側(cè)急劇衰減的振幅的窗函數(shù)。因此，當(dāng)所述車輛低速行駛時(shí)，對于可能位于較近范圍中的目標(biāo)，可以更高精度，精確檢測到該目標(biāo)的距離，并且，當(dāng)所屬車輛高速行駛時(shí)，可以可靠地檢測可能位于較遠(yuǎn)范圍中的目標(biāo)。
(5)按照本發(fā)明的實(shí)施例，在具有相對于所屬車輛前方的較大掃描角度的范圍中，應(yīng)用具有從采樣周期中心向兩側(cè)緩慢衰減的振幅的窗函數(shù)，在具有相對于所屬車輛前方的較小掃描角度的范圍中，應(yīng)用具有從采樣周期中心向兩側(cè)急劇衰減的振幅的窗函數(shù)。因此，可以提高對于在所屬車輛前方的較遠(yuǎn)范圍中的目標(biāo)(另一車輛)的檢測精度，并可以提高在所屬車輛前方左側(cè)和右側(cè)的對角線方向上的較近范圍中的檢測精度。


圖1是第一實(shí)施例雷達(dá)系統(tǒng)的方框圖；圖2示出發(fā)射信號的頻率與接收信號的頻率之間漂移(shift)的示例，所述漂移乃由雷達(dá)系統(tǒng)到目標(biāo)的距離和目標(biāo)相對于雷達(dá)系統(tǒng)的相對速度所引起的；圖3是表示信號及數(shù)據(jù)處理的流程圖；圖4包括的曲線表示窗函數(shù)頻譜與峰底的擴(kuò)展之間的關(guān)系；圖5是表示第一和第二窗函數(shù)的形狀示例的示意圖；圖6包括表示波峰形狀的曲線，其中，在根據(jù)目標(biāo)是接近雷達(dá)系統(tǒng)抑或是遠(yuǎn)離雷達(dá)系統(tǒng)，選擇地應(yīng)用第一和第二窗函數(shù)時(shí)，這些波峰出現(xiàn)在頻譜中；圖7包括的曲線表示在采樣期間頻率變化的示例，其中，頻率變化是在發(fā)生調(diào)制失真時(shí)，根據(jù)到目標(biāo)的距離所發(fā)生的；
圖8的曲線表示應(yīng)用第一和第二窗函數(shù)時(shí)，頻譜中出現(xiàn)的每個(gè)波峰的帶寬與頻率間的關(guān)系；圖9包括的曲線表示多種窗函數(shù)中帶寬變化的示例；圖10包括比曲線表示應(yīng)用第一和第二窗函數(shù)的頻率分析結(jié)果；圖11包括表示目標(biāo)檢測過程的流程圖；圖12是表示第二實(shí)施例雷達(dá)系統(tǒng)中信號和數(shù)據(jù)處理的流程圖；圖13是表示第三實(shí)施例雷達(dá)系統(tǒng)中信號和數(shù)據(jù)處理的流程圖；圖14是表示第四實(shí)施例雷達(dá)系統(tǒng)中窗函數(shù)應(yīng)用的示例；圖15是表示第五實(shí)施例雷達(dá)系統(tǒng)中窗函數(shù)應(yīng)用的示例；圖16包括的曲線表示具有或者沒有調(diào)制失真的差頻信號的頻率變化示例；圖17是表示調(diào)制失真如何影響頻譜中出現(xiàn)的波峰的曲線；圖18是表示公知雷達(dá)系統(tǒng)中信號和數(shù)據(jù)處理的流程圖。
參考數(shù)字1RF模塊2信號處理器模塊3介電透鏡4主發(fā)射器16掃描單元具體實(shí)施方式
圖1是表示本發(fā)明一種實(shí)施例雷達(dá)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)方框圖。
參照圖1，參考數(shù)字1表示射頻(RF)模塊，參考數(shù)字2表示信號處理器模塊。RF模塊1發(fā)射以及接收無線電，用于采用雷達(dá)系統(tǒng)測量，并將從發(fā)射波和接收波產(chǎn)生的差頻信號提供給信號處理器模塊2。信號處理器模塊2中的調(diào)制計(jì)數(shù)器11執(zhí)行計(jì)數(shù)，并將計(jì)數(shù)值提供給數(shù)模(DA)轉(zhuǎn)換器10，使DA轉(zhuǎn)換器10產(chǎn)生三角波信號。DA轉(zhuǎn)換器10將所提供的值轉(zhuǎn)換成模擬電壓信號，并將該模擬電壓信號提供給RF模塊中的壓控振蕩器(VCO)8，以對發(fā)射波實(shí)行頻率調(diào)制。將來自VCO8的振蕩信號通過隔離器7、耦合器6和循環(huán)器5提供給主發(fā)射器4。將主發(fā)射器4布置在介質(zhì)透鏡3的焦平面上，或者在所述焦平面附近。介質(zhì)透鏡3發(fā)射從主發(fā)射器4發(fā)出的毫米波信號，作為尖銳波束。當(dāng)從目標(biāo)(比如車輛)來的反射信號通過介質(zhì)透鏡3入射到主發(fā)射器4上時(shí)，將接收信號通過循環(huán)器5提供給混合器9?；旌掀?收到接收信號和本地信號，其中本地信號是從耦合器6來的發(fā)射信號的一部分。接著，混合器9向信號處理器模塊2中包含采樣和保持電路的模數(shù)(AD)轉(zhuǎn)換器12提供差頻信號，作為中頻信號，該差頻信號的頻率與接收信號和本地信號之間頻率差相等。AD轉(zhuǎn)換器12將差頻信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信息。數(shù)字信號處理器(DSP)13對AD轉(zhuǎn)換器12提供的信息實(shí)行快速傅立葉變換(FFT)，以計(jì)算到目標(biāo)的相對距離和目標(biāo)的相對速度。
RF模塊1中的參考數(shù)字16表示掃描單元，該掃描單元在介質(zhì)透鏡3的焦平面上，或者在平行于該焦平面的平面上水平移動主發(fā)射器4。在放置主發(fā)射器4的可移動部分與固定部分之間設(shè)置0dB耦合器。參考字母M表示驅(qū)動電動機(jī)，該驅(qū)動電動機(jī)比如在-10°到+10°范圍內(nèi)，以100ms為周期，執(zhí)行波束掃描。
信號處理器塊2中的微處理器單元4控制調(diào)制計(jì)數(shù)器11和掃描單元16。微處理器單元14以預(yù)定角度將波束導(dǎo)向掃描單元16，并設(shè)定計(jì)數(shù)周期，從而在掃描單元16保持靜止時(shí)，使用與包含升頻調(diào)制期間和降頻調(diào)制期間的一個(gè)峰頂相對應(yīng)的三角波來調(diào)制VCO 8。微處理器單元14提取由DSP 13計(jì)算并在升頻調(diào)制期間出現(xiàn)在頻譜中的波峰以及在降頻調(diào)制期間出現(xiàn)在頻譜中的波峰的波峰對。這種波峰對的提取稱作配對。
圖2示出發(fā)射信號的頻率與接收信號的頻率之間漂移的示例，所述漂移是由到目標(biāo)的距離和目標(biāo)的相對速度所引起的。在發(fā)射信號的升頻調(diào)制期間，發(fā)射信號與接收信號之間的頻率差稱作上差拍(up-beat)頻率fBU；在發(fā)射信號的降頻調(diào)制期間，發(fā)射信號與接收信號之間的頻率差稱作下差拍(down-beat)頻率fBD。發(fā)射信號的三角波與接收信號的三角波之間的時(shí)間軸上的漂移(時(shí)間差)，與從天線到目標(biāo)的無線電波的往返時(shí)間相對應(yīng)。發(fā)射信號的三角波與接收信號的三角波之間的頻率軸上的漂移，與由相對于天線的目標(biāo)相對速度引起的多普勒漂移量相對應(yīng)。上差拍頻率fBU和下差拍fBD的值根據(jù)時(shí)間差和多普勒漂移量而變化。相反地，確定上差拍頻率fBU和下差拍fBD，以計(jì)算從雷達(dá)系統(tǒng)到目標(biāo)的距離和相對于雷達(dá)系統(tǒng)的目標(biāo)相對速度。
圖3是表示圖1所示DSP 13中的信號處理系統(tǒng)的方框圖。按照第一實(shí)施例，對差頻信號進(jìn)行采樣，將第一窗函數(shù)應(yīng)用于采樣的數(shù)據(jù)序列，并實(shí)行離散傅立葉變換，執(zhí)行第一頻率分析。同樣地，將第二窗函數(shù)應(yīng)用于采樣的數(shù)據(jù)序列，并實(shí)行離散傅立葉變換，執(zhí)行第二頻率分析。最后，從第一和第二頻譜中提取頻譜峰值。
當(dāng)要由FFT等產(chǎn)生差頻信號的離散頻譜時(shí)，將窗函數(shù)應(yīng)用于采樣的信號，以抑止信號不連續(xù)性的影響。
圖4包括表示應(yīng)用了窗函數(shù)的信號處理和該信號處理所產(chǎn)生的頻譜示例曲線。圖4(A)表示差頻信號的時(shí)間波形。將圖4(B)所示的預(yù)定窗函數(shù)應(yīng)用于差頻信號的數(shù)據(jù)序列，產(chǎn)生如圖4(C)所示的包含預(yù)定數(shù)量的數(shù)據(jù)(比如1024個(gè)數(shù)據(jù))的數(shù)據(jù)序列。對應(yīng)用了窗函數(shù)的數(shù)據(jù)序列執(zhí)行FFT，產(chǎn)生有如圖4(D)所示的離散頻譜。
參照圖4(D)，白色圓圈代表離散頻率上的信號強(qiáng)度(功率)。實(shí)線代表圖4(B)所示的窗函數(shù)的連續(xù)譜。由于應(yīng)用了窗函數(shù)的差頻信號的頻譜是由差頻信號與窗函數(shù)的卷積產(chǎn)生的，所以頻譜根據(jù)窗函數(shù)的譜沿頻率軸的方向擴(kuò)展，形成較寬的峰底。
圖5表示第一實(shí)施例中所用兩個(gè)窗函數(shù)的形狀。第一窗函數(shù)具有海明窗(Hamming window)或漢寧窗(Hanning window)的形狀，其中海明窗或漢寧窗具有從采樣周期中心向兩側(cè)緩慢衰減的振幅。第二窗函數(shù)具有布萊克曼-哈里斯窗(Blackman-Harris window)或凱塞窗(Kaiser window)(β＝20-100)的形狀，其中布萊克曼-哈里斯窗或凱塞窗具有急劇衰減的振幅。
使用幅值以不同方式從采樣周期中心向兩側(cè)緩慢衰減的兩種窗函數(shù)，對具有調(diào)制失真的差頻信號的頻率分析產(chǎn)生有如圖6所示的頻譜。圖6(A)示出目標(biāo)接近雷達(dá)系統(tǒng)時(shí)的頻譜。圖6(B)示出目標(biāo)遠(yuǎn)離雷達(dá)系統(tǒng)時(shí)的頻譜。橫軸代表頻率(FFT bin)，縱軸代表信號強(qiáng)度。在圖6(A)和6(B)所示的圖中，(1)示出在應(yīng)用第一窗函數(shù)時(shí)，頻譜中出現(xiàn)的波峰形狀，(2)示出在應(yīng)用第二窗函數(shù)時(shí)，頻譜中出現(xiàn)的波峰形狀。
當(dāng)目標(biāo)接近雷達(dá)系統(tǒng)時(shí)，使用具有從采樣周期中心向兩側(cè)緩慢衰減之幅值的第一窗函數(shù)，給出具有較窄帶寬的波峰。相反，當(dāng)目標(biāo)遠(yuǎn)離雷達(dá)系統(tǒng)時(shí)，使用具有從采樣周期中心向兩側(cè)急劇衰減之幅值的第二窗函數(shù)，給出具有較寬帶寬的波峰。
由于在帶有調(diào)制失真時(shí)，在升頻調(diào)制期間與降頻調(diào)制期間的差頻信號的變化量增加，所以帶寬在目標(biāo)遠(yuǎn)離雷達(dá)系統(tǒng)時(shí)變寬。
將要參照圖7描述在上述情況下增加的變化量。圖7(A)示出在三角調(diào)制波發(fā)生失真，并且目標(biāo)接近雷達(dá)系統(tǒng)時(shí)，發(fā)射信號與接收信號的頻率變化。圖7(B)示出在升頻調(diào)制期間與降頻調(diào)制期間，圖7(A)示例中的差頻信號的頻率變化。圖7(C)示出在目標(biāo)遠(yuǎn)離雷達(dá)系統(tǒng)時(shí)，發(fā)射信號與接收信號的頻率變化。圖7(D)示出在升頻調(diào)制期間與降頻調(diào)制期間，圖7(C)示例中的差頻信號的頻率變化。參照圖7(A)到7(D)，SS表示采樣周期。
當(dāng)在采樣周期SS期間，差頻信號的頻率顯著變化時(shí)，具有從采樣周期SS的中心向兩側(cè)急劇衰減之幅值的第二窗函數(shù)，更加強(qiáng)調(diào)在采樣周期中心的數(shù)據(jù)，而忽視在采樣周期的兩端附加的數(shù)據(jù)。因此，削弱了采樣周期的差頻信號的頻率變化的影響，從而抑止頻譜中出現(xiàn)的波峰帶寬的擴(kuò)展。
圖8是示出在應(yīng)用第一和第二窗函數(shù)時(shí)，在頻譜中的各頻率下各個(gè)波峰帶寬的圖。橫軸代表頻率(FFT bin)，縱軸代表3dB帶寬(FFTbin)。當(dāng)應(yīng)用第一窗函數(shù)時(shí)，波峰帶寬與頻率成比例地?cái)U(kuò)展，即與從雷達(dá)系統(tǒng)到目標(biāo)的距離成比例地?cái)U(kuò)展。相反，當(dāng)應(yīng)用第二窗函數(shù)時(shí)，無論頻率大小，帶寬的擴(kuò)展幾乎保持恒定。
在圖8所示的示例中，使用第一窗函數(shù)，使在比39FFT bin更低頻率下的帶寬變窄，使用第二窗函數(shù)，使在比39FFT bin更高頻率下的帶寬變窄。
因此，當(dāng)使用以上兩種窗函數(shù)時(shí)，通過應(yīng)用第一窗函數(shù)所產(chǎn)生的頻譜適用于低于39FFT bin的頻帶，而通過應(yīng)用第二窗函數(shù)所產(chǎn)生的頻譜適用于高于39FFT bin的頻帶。
帶寬如何隨著頻率的增大而增加，取決于所用的窗函數(shù)。例如圖9所示，當(dāng)使用β值為20或更大的凱塞窗時(shí)，與使用漢寧窗的情況相比，帶寬隨著頻率增大的變化變得較小。隨著凱塞窗的β值升高，帶寬隨著頻率增大的變化變得更小。
圖10包括表示通過執(zhí)行以上參考圖3所述的第一和第二頻率分析所產(chǎn)生的頻譜的示例曲線，其中，所說的頻率分析是對于包含從離雷達(dá)系統(tǒng)的距離不同的三個(gè)目標(biāo)來的反射信號的差頻信號的分析。圖10(A)示出在應(yīng)用第一窗函數(shù)時(shí)，離散傅立葉變換的結(jié)果；圖10(B)示出在應(yīng)用第二窗函數(shù)時(shí)，離散傅立葉變換的結(jié)果。有如上面參照圖8所描述的，在應(yīng)用第一窗函數(shù)時(shí)，隨著減小到目標(biāo)的距離，使波峰的帶寬變窄；而在應(yīng)用第二窗函數(shù)時(shí)，無論距離如何變化，波峰的帶寬幾乎保持恒定。圖10(A)所示頻譜的數(shù)據(jù)適用于低于39FFT bin的頻帶，而圖10(B)所示頻譜的數(shù)據(jù)適用于高于39FFT bin的頻帶。在圖10(A)和10(B)所示的示例中，由于在較近范圍上出現(xiàn)的波峰P1具有更窄的帶寬，并且比較尖銳，所以能夠以更高的精度測量距離和速度。由于在中間范圍和較遠(yuǎn)范圍上出現(xiàn)的波峰P2和P3分別具有相對較窄的頻帶，所以也能實(shí)現(xiàn)精確的測量。此外，第二窗函數(shù)的應(yīng)用使頻譜峰值尖銳，并保持在波峰兩側(cè)出現(xiàn)的旁瓣電平較低，其中所說的第二窗函數(shù)具有從采樣周期中心向兩側(cè)急劇衰減的幅值，并且具有更小功率的信號通過第二窗函數(shù)。因此，能夠以更高的信噪比檢測波峰，甚至可以容易地檢測在較遠(yuǎn)范圍上的弱反射信號。
以下將參照圖11描述目標(biāo)檢測的過程。
圖11(A)示出實(shí)行波束掃描和頻率分析的過程。首先，初始化波束的方位角，對差頻信號進(jìn)行采樣，并將預(yù)先確定的窗函數(shù)應(yīng)用于采樣的數(shù)據(jù)序列，以通過FFT產(chǎn)生離散頻譜。在波束的方位角改變的同時(shí)，重復(fù)采樣和頻率分析，直到波束的方位角達(dá)到結(jié)束值。
圖11(B)示出根據(jù)頻譜檢測目標(biāo)的過程。首先，從以上述方式產(chǎn)生的頻譜中提取任一波峰，以產(chǎn)生峰值頻率。使升頻調(diào)制期間的波峰與降頻調(diào)制期間的波峰組合(配對)，其中，波峰是由相同的目標(biāo)引起的。根據(jù)升頻調(diào)制期間和降頻調(diào)制期間的峰值頻率，計(jì)算到目標(biāo)的距離和目標(biāo)的相對速度。方位角指示在采樣數(shù)據(jù)時(shí)波束的方位。
最后，將以上述方式計(jì)算而與目標(biāo)的位置和速度相關(guān)的信息輸出到外部(到主系統(tǒng))，并將其臨時(shí)存儲，以用作后續(xù)配對的參考信息。
現(xiàn)在將參照圖12描述按照第二實(shí)施例的雷達(dá)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。
按照第一實(shí)施例，有如圖3所示那樣，在采樣周期對差頻信號進(jìn)行采樣，以產(chǎn)生預(yù)定數(shù)量的數(shù)據(jù)，并對采樣的數(shù)據(jù)實(shí)行第一和第二頻率分析。相反，在圖12所示的示例中，對已采樣的數(shù)據(jù)間隔抽取，并對間隔抽取的數(shù)據(jù)實(shí)行第一頻率分析。具體地說，所述第一頻率分析使用的采樣數(shù)據(jù)的區(qū)段比所述第二頻率分析中使用的采樣數(shù)據(jù)的區(qū)段小。
如圖10(A)和10(B)所示，由于應(yīng)用第一窗函數(shù)時(shí)所產(chǎn)生的頻譜使用較近范圍(低頻范圍)，所以對更小區(qū)段數(shù)量的采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行采樣就是足夠的。因此，對于間隔抽取的數(shù)據(jù)實(shí)行頻譜分析，就使得能夠減小所需的處理能力，從而實(shí)現(xiàn)用具有有限處理能力的DSP進(jìn)行高速檢測。
下面參照圖13描述第三實(shí)施例的雷達(dá)系統(tǒng)。
在第一和第二實(shí)施例中雖然同時(shí)實(shí)行第一和第二頻率分析，但是也可以按照分時(shí)的方式實(shí)行所述第一和第二頻率分析。例如圖13所示，可以在不同的時(shí)間，將第一窗函數(shù)應(yīng)用于與采樣的差頻信號有關(guān)的數(shù)據(jù)，以實(shí)行離散傅立葉變換，其中，所述不同的時(shí)間是與將第二窗函數(shù)應(yīng)用于與采樣的差頻信號有關(guān)的數(shù)據(jù)，以執(zhí)行離散傅立葉變換的時(shí)間不同的時(shí)間。此外，只要將第一窗函數(shù)應(yīng)用于頻譜中的低頻范圍(較近范圍)，而將第二窗函數(shù)應(yīng)用于頻譜中的高頻范圍(較遠(yuǎn)范圍)，就可以根據(jù)所需頻帶選擇地應(yīng)用第一或第二窗函數(shù)。
換言之，以圖11(A)所示的方式，通過按波束的方位角實(shí)行波束掃描，并在每一次改變波束方位角時(shí)檢測目標(biāo)，就能夠充分地預(yù)測每一個(gè)目標(biāo)的當(dāng)前位置。因此，可以根據(jù)由最后檢測或最后檢測的前一檢測產(chǎn)生的到目標(biāo)的距離選擇窗函數(shù)。例如，當(dāng)預(yù)測到目標(biāo)的距離比預(yù)定值短時(shí)，也就是在頻譜中波峰出現(xiàn)在比預(yù)定頻率低的頻率范圍中的情況下，應(yīng)該應(yīng)用具有從采樣周期中心向兩側(cè)緩慢衰減的振幅的第一窗函數(shù)。相反，當(dāng)預(yù)測到目標(biāo)的距離比預(yù)定值長時(shí)，也就是在頻譜中波峰出現(xiàn)在比預(yù)定頻率高的頻率范圍中時(shí)，應(yīng)該應(yīng)用具有從采樣周期中心向兩側(cè)急劇衰減的振幅的第二窗函數(shù)。
以下參照圖14描述在第四實(shí)施例的雷達(dá)系統(tǒng)中設(shè)定窗函數(shù)的過程。
將第四實(shí)施例應(yīng)用于車載雷達(dá)系統(tǒng)，其中根據(jù)所屬車輛的行駛速度切換窗函數(shù)。首先，輸入與所屬車輛的速度VS有關(guān)的數(shù)據(jù)。該數(shù)據(jù)是由車輛中設(shè)定的速度計(jì)產(chǎn)生的。如果所屬車輛的速度VS低于預(yù)定閾值TVs，則應(yīng)用具有從采樣周期中心向兩側(cè)緩慢衰減的振幅的第一窗函數(shù)。如果所屬車輛的速度VS高于預(yù)定閾值TVs，則應(yīng)用具有從采樣周期中心向兩側(cè)急劇衰減的振幅的第二窗函數(shù)。
當(dāng)所屬車輛低速行駛時(shí)，應(yīng)用第一窗函數(shù)，這改善了頻譜中低頻上的，也就是較近范圍上的檢測精度(距離和速度的分辨率)。相反，當(dāng)所屬車輛高速行駛時(shí)應(yīng)用第二窗函數(shù)，這改善了頻譜中高頻上的，也就是較遠(yuǎn)范圍上的檢測精度。按照上述方式，可以將波束聚焦在根據(jù)實(shí)際行駛環(huán)境而設(shè)定的預(yù)定距離范圍上，以在預(yù)定距離范圍內(nèi)檢測目標(biāo)。
現(xiàn)在將參照圖15描述第五實(shí)施例的雷達(dá)系統(tǒng)中的窗函數(shù)的應(yīng)用。
在第五實(shí)施例中，以一定的水平角度，將掃描波束定向在所屬車輛前方，并根據(jù)波束的方位角是在相對于所屬車輛前方的狹窄方位角范圍S內(nèi)，還是在方位角范圍S的左或右側(cè)的方位角范圍L或R內(nèi)，選擇性地應(yīng)用不同的窗函數(shù)。當(dāng)波束的方位角在方位角范圍S之內(nèi)時(shí)，應(yīng)用具有從采樣周期中心向兩側(cè)急劇衰減的振幅的第二窗函數(shù)。相反，當(dāng)波束的方位角在方位角范圍L或R之內(nèi)時(shí)，應(yīng)用具有從采樣周期中心向兩側(cè)緩慢衰減的振幅的第一窗函數(shù)。
按照上述方式，在所屬車輛前方，改善了較遠(yuǎn)范圍處的目標(biāo)(另一車輛)的檢測精度，而在所屬車輛前方的左或右側(cè)的對角線方向上，改善了較近范圍上的目標(biāo)的檢測精度。因此，譬如，能夠可靠地檢測改變車道，從側(cè)方向插入到所屬車輛前方的車輛。
權(quán)利要求
1.一種雷達(dá)系統(tǒng)，包括用以發(fā)射經(jīng)頻率調(diào)制的發(fā)射信號，并產(chǎn)生包含與頻率差相對應(yīng)的頻率分量的差頻信號的裝置，所述頻率差是發(fā)射信號與來自目標(biāo)的反射信號之間的頻率差，而且所述發(fā)射信號是向該目標(biāo)發(fā)射的；頻率分析裝置，對所述差頻信號實(shí)行采樣，并將窗函數(shù)應(yīng)用于所述采樣數(shù)據(jù)，以產(chǎn)生離散頻譜；用以產(chǎn)生在頻譜中出現(xiàn)波峰的峰值頻率的裝置，所述波峰的出現(xiàn)是由反射信號引起的；以及目標(biāo)檢測裝置，根據(jù)所述峰值頻率檢測目標(biāo)，其中，所述頻率分析裝置選擇性地應(yīng)用多種窗函數(shù)作為窗函數(shù)，這些窗函數(shù)的幅值按不同方式從采樣周期中心向兩側(cè)衰減，以及將具有從采樣周期中心向兩側(cè)緩慢衰減之幅值的窗函數(shù)應(yīng)用于頻譜中的低頻帶，以產(chǎn)生頻譜，并將具有從采樣周期的中心向兩側(cè)急劇衰減的振幅的窗函數(shù)應(yīng)用于頻譜中的高頻帶，以產(chǎn)生頻譜。
2.一種雷達(dá)系統(tǒng)，包括用以發(fā)射經(jīng)頻率調(diào)制的發(fā)射信號，并產(chǎn)生包含與頻率差相對應(yīng)之頻率分量的差頻信號的裝置，所述頻率差是發(fā)射信號與來自目標(biāo)的反射信號之間的頻率差，而且所述發(fā)射信號是向該目標(biāo)發(fā)射的；頻率分析裝置，對所述差頻信號進(jìn)行采樣，并將窗函數(shù)應(yīng)用于所述采樣數(shù)據(jù)，以產(chǎn)生離散頻譜；用以產(chǎn)生在頻譜中出現(xiàn)的波峰的峰值頻率的裝置，所述波峰的出現(xiàn)是由反射信號引起的；以及目標(biāo)檢測裝置，根據(jù)所述峰值頻率檢測目標(biāo)，其中，所述頻率分析裝置選擇性地應(yīng)用多種窗函數(shù)作為窗函數(shù)，這些窗函數(shù)的幅值以不同方式從采樣周期中心向兩側(cè)衰減，以及當(dāng)預(yù)測波峰出現(xiàn)在由頻率分析所產(chǎn)生的頻譜中的低頻帶時(shí)，應(yīng)用具有從采樣周期中心向兩側(cè)緩慢衰減之幅值的窗函數(shù)，而當(dāng)預(yù)測波峰出現(xiàn)在由頻率分析產(chǎn)生的頻譜中的高頻帶時(shí)，應(yīng)用具有從采樣周期中心向兩側(cè)急劇衰減之幅值的窗函數(shù)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的雷達(dá)系統(tǒng)，其中，重復(fù)由所述目標(biāo)檢測裝置進(jìn)行的目標(biāo)檢測，并根據(jù)在最后檢測，或者最后檢測的前一檢測中計(jì)算的到目標(biāo)的距離，選擇性地應(yīng)用窗函數(shù)，這些窗函數(shù)的值幅以不同方式從采樣周期中心向兩側(cè)衰減。
4.一種安裝在車輛內(nèi)的車載雷達(dá)系統(tǒng)，包括用以發(fā)射經(jīng)頻率調(diào)制的發(fā)射信號，并產(chǎn)生包含與頻率差相對應(yīng)之頻率分量的差頻信號的裝置，所述頻率差是發(fā)射信號與來自目標(biāo)的反射信號之間的頻率差，而且所述發(fā)射信號是向該目標(biāo)發(fā)射的；頻率分析裝置，對所述差頻信號進(jìn)行采樣，并將窗函數(shù)應(yīng)用于所述采樣數(shù)據(jù)，以產(chǎn)生離散頻譜；用以產(chǎn)生在頻譜中出現(xiàn)的波峰的峰值頻率的裝置，所述波峰的出現(xiàn)是由反射信號引起的；以及目標(biāo)檢測裝置，根據(jù)所述峰值頻率檢測目標(biāo)；其中，所述頻率分析裝置選擇性地應(yīng)用多種窗函數(shù)作為窗函數(shù)，這些窗函數(shù)的幅值以不同方式從采樣周期中心向兩側(cè)衰減，以及當(dāng)所屬車輛低速行駛時(shí)，應(yīng)用具有從采樣周期中心向兩側(cè)緩慢衰減的振幅的窗函數(shù)；而當(dāng)所屬車輛高速行駛時(shí)，應(yīng)用具有從采樣周期中心向兩側(cè)急劇衰減的振幅的窗函數(shù)。
5.一種安裝在車輛內(nèi)的車載雷達(dá)系統(tǒng)，包括用以發(fā)射經(jīng)頻率調(diào)制的發(fā)射信號，并產(chǎn)生包含與頻率差相對應(yīng)之頻率分量的差頻信號的裝置，所述頻率差是發(fā)射信號與來自目標(biāo)的反射信號之間的頻率差，而且所述發(fā)射信號是向該目標(biāo)發(fā)射的；頻率分析裝置，對所述差頻信號進(jìn)行采樣，并將窗函數(shù)應(yīng)用于所述采樣數(shù)據(jù)，以產(chǎn)生離散頻譜；用以產(chǎn)生在頻譜中出現(xiàn)的波峰的峰值頻率，所述波峰的出現(xiàn)是由反射信號引起的裝置，；以及目標(biāo)檢測裝置，根據(jù)所述峰值頻率檢測目標(biāo)；其中，所述頻率分析裝置選擇性地應(yīng)用多種窗函數(shù)作為窗函數(shù)，這些窗函數(shù)的幅值以不同方式從采樣周期中心向兩側(cè)衰減，以及所述雷達(dá)系統(tǒng)具有將掃描波束定向到車輛前方的水平角度的能力，在具有相對于所屬車輛前方的較大掃描角度的范圍中，應(yīng)用具有從采樣周期中心向兩側(cè)緩慢衰減之幅值的窗函數(shù)，在具有相對于所屬車輛前方的較小掃描角度的范圍中，應(yīng)用具有從采樣周期中心向兩側(cè)急劇衰減之幅值的窗函數(shù)。
全文摘要
通過將三角波形的頻率調(diào)制發(fā)射給目標(biāo)并接收從目標(biāo)反射的信號產(chǎn)生差拍信號。對該差拍信號采樣，并由窗函數(shù)使其倍增。在要確定離散頻譜時(shí)，把從采樣區(qū)段中心向兩端幅值緩慢衰減的第一窗函數(shù)應(yīng)用于頻譜的低頻區(qū)域(或距離區(qū)域)，并將從采樣區(qū)段中心向兩端幅值急劇衰減的第二窗函數(shù)應(yīng)用于頻譜的高頻區(qū)域(或長距離區(qū)域)。
文檔編號G01S13/00GK1942781SQ20058001136
公開日2007年4月4日 申請日期2005年4月27日 優(yōu)先權(quán)日2004年5月11日
發(fā)明者西村哲, 石井徹 申請人:株式會社村田制作所