使用二次回聲的傳感器陣列的擴展角分辨率的制作方法
【專利摘要】本發明涉及使用二次回聲的傳感器陣列的擴展角分辨率。提供了一種基于利用單個發送信號的第一次和第二次回聲能夠提高遠程感測回聲系統的角分辨能力的裝置和相關的方法。
【專利說明】使用二次回聲的傳感器陣列的擴展角分辨率
【背景技術】
[0001]傳統的遠程感測回聲系統的角分辨率依賴于回聲發送/接收孔的線性程度。單點發送/接收元件(具有相比較于發送波長較小的線性程度)基本上是全向的，因此并不用于確定目標的角方向。
[0002]使用空間布置成一個陣列的多個單點發送/接收元件來提供角分辨率。
【發明內容】
[0003]本發明的實施例提供利用所發送的傳感器信號從目標物的二次往返反射。在本發明的實施例中，二次回聲離開目標物的時間信息被解釋為與目標物相關的附加空間信息。本發明的某些實施例提供了否則不易獲得的空間信息(例如目標物的角位移)。本發明的其他實施例提供了增強的空間目標物分辨率。一個用于真實傳感器陣列的特定實施例例如提供了虛擬傳感器陣列，該虛擬傳感器陣列具有與雙倍大小的真實傳感器陣列相當的分辨率。
[0004]眾所周知，二次反射某些時候被稱為“虛”反射，并且通常會在當由目標物反射的信號的一部分經歷來自伴隨物體的附加反射時遭遇，伴隨物體例如是接近信號返回路徑的物體。當返回信號的一部分反射離開發送器/接收器，返回目標物，并且再次被反射到發射器/接收器時，特殊情況發生了。也就是說，在經歷三次而非一次反射的過程中，所發射的信號的一部分作了兩次往返。虛信號在這種情況下看起來在距離的兩倍處。目標物看起來以由初級反射信號表示的目標物體速度的兩倍速度移動。
[0005]本發明的實施例適用于電磁遠程感測回聲系統(例如雷達)以及聲學遠程感測回聲系統(例如有源聲納和激光雷達)。本發明的實施例在此處以汽車雷達的非限制性情況被示出，但是其他實施例也可以用于其他領域，包括但不限于:適當形式的雷達和電磁頻譜感測、激光傳感器，以及在頻譜的可視和非可視部分兩者中的光學傳感器；以及適當形式的聲學感測、聲納和超聲。
[0006]因此，根據本發明的實施例，提供了一種用于測量物體的角方向的方法和用于間距小的物體分開的方法，該方法包括發送信號；接收該信號從物體的第一回聲；使第一回聲改向返回朝向物體；接收來自物體的第二回聲；以及使用第一回聲和第二回聲的聯合測量值計算物體的角方向。
[0007]另外，根據本發明的另一實施例，提供了一種用于測量物體的角方向的裝置，該裝置包括:信號發送元件，用于向該裝置附近的物體發送信號；信號接收元件，用于接收信號從物體的第一回聲；信號重發設備，用于向物體返回第一回聲，使得信號接收器接收來自物體的第二回聲；以及處理器，用于基于第一回聲和第二回聲的測量值計算物體的角方向。
本發明提供如下技術方案。
技術方案1:一種用于測量物體的角方向的方法，該方法包括:
發送信號；
接收所述信號的來自所述物體的第一回聲； 向所述物體回傳第一回聲；
接收來自所述物體的第二回聲；并且
基于第一回聲和第二回聲的測量值計算所述物體的角方向。
技術方案2:根據技術方案I的方法，其中所述信號包括電磁信號或聲學信號。
技術方案3:根據技術方案I的方法，其中回傳第一回聲包括有源中繼第一回聲或者無源反射第一回聲。
技術方案4:根據技術方案I的方法，其中第一回聲或第二回聲的測量值包括時間測量值或頻率測量值。
技術方案5:根據技術方案I的方法，其中所述物體的角方向包括所述物體的位置矢量的角方向或者所述物體的速度矢量的角方向。
技術方案6:根據技術方案I的方法，其中所述物體的角方向的分量包括方位角分量或仰角分量。
技術方案1:一種用于測量物體的角方向的裝置，該裝置包括:
信號發送元件，其可用于向所述裝置附近的物體發送信號；
信號接收元件，其可用于接收所述信號的來自所述物體的第一回聲；
信號重發送設備，其可用于向所述物體回傳第一回聲，這樣信號接收器接收來自所述物體的第二回聲；以及
處理器，其可用于基于第一回聲和第二回聲的測量值計算所述物體的角方向。
技術方案8:根據技術方案7的裝置，其中所述信號包括電磁信號或者聲學信號。
技術方案9:根據技術方案7的裝置，其中所述信號重發送元件包括有源信號中繼器或者無源信號反射器。
技術方案10:根據技術方案7的裝置，其中第一回聲或第二回聲的測量值包括時間測量值或者頻率測量值。
技術方案11.根據技術方案7的裝置，其中所述物體的角方向包括所述物體的位置矢量的角方向或者所述物體的速度矢量的角方向。
技術方案12.根據技術方案7的裝置，其中所述物體的角方向的分量包括方位角分量或者仰角分量。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0008]當與附圖一起閱讀時，所公開的主題最好參考如下詳細說明進行理解，其中:
[0009]附圖1原理性地示出現有技術的汽車雷達圖形。
[0010]附圖2A到附圖2D原理性地示出了根據本發明一個實施例的利用反射器通過信號發送和接收的方位角的角方向測量。
[0011]附圖3示出了附圖2A到附圖2D中示出的示例的簡化幾何圖。
[0012]附圖4示出附圖2A到附圖2D中示出的示例的定時測量。
[0013]附圖5A原理性地示出了根據本發明實施例的傳感器陣列，且一重發元件與所述陣列垂直放置。
[0014]附圖5B原理性地表示了根據本發明的另一實施例的傳感器陣列中的一部分，且一重發元件置于該陣列中。[0015]附圖6為根據本發明實施例的角方向測量的方法的流程圖。
[0016]附圖7為根據本發明實施例的用于角方向測量的裝置的框圖。
[0017]為了簡要說明，附圖中所示出的元件無需按照尺寸畫出，并且某些元件的尺寸相對于其他元件來說是放大的。另外，在附圖中重復的附圖標記表示對應的或者相似的元件。
【具體實施方式】
[0018]附圖1原理性地示出現有技術的車輛雷達系統103發出的汽車雷達圖形101，其覆蓋車輛103前方的物體105。雷達圖形101是寬凸角形狀，使得雷達系統不能在有意義的角度精度內準確確定物體105的角方向。而且，當在一個小的角度范圍內出現兩個目標時，不能將他們區分或者分辨，這樣雷達圖形101限制了汽車雷達的角度分辨率。汽車雷達系統充其量能夠檢測物體105的距離以及相對于位于車輛103的后方或者側面，物體105在車輛103前方的大概位置。
[0019]附圖2A到2D原理性地示出，根據本發明的一個實施例，通過角方向傳感器系統201的信號發送和接收測量物體213的角方向，系統201利用發送元件203，接收元件205以及信號重發設備207。例如，角方向傳感器系統201的傳感器可包括雷達，聲納或者激光雷達接收器或者收發器。每個傳感器測量由陣列的發送器或者收發器發送并由傳感器接收的信號的飛行時間。
[0020]在本發明的相關實施例中，信號重發送設備207為無源反射器，例如角棱鏡。在另一個相關實施例中，信號發送設備207為有源中繼器。任何這樣的能夠回傳入射信號的反射器，中繼器或者其他設備在本文都被稱為重發送設備。入射信號的任何回傳，例如反射，中繼，或者以其他方式發送入射到重發送設備上的信號，在本文都可替換地稱為信號的重發送或者回傳。
[0021]附圖2A中，發送元件203在時間‘209發出信號211，這樣信號211能夠到達物體213。時間tQ209可以直接測量并且對于角方向傳感器系統201來說是已知的。
[0022]附圖2B中，信號211的回聲217在時間&215從物體213反射回，這樣回聲217能夠到達接收元件205和信號重發送設備207。回聲217在時間t2219到達接收元件205。時間t2219可以直接測量并且對于角方向傳感器系統201來說是已知的。
[0023]附圖2C中，信號211的回聲217在時間t3223到達重發送設備207，并且重發送設備207也在時間t3223發出回聲217的重發送221，這樣重發送221能夠達到物體213。
[0024]附圖2D中，重發送221的回聲227在時間t4225從物體213反射回來，這樣回聲227能夠到達接收元件205。回聲227在時間t5229到達接收元件205。時間t5229可以直接測量并且對于角方向傳感器系統201來說是已知的。
[0025]附圖3表示附圖2A到附圖2D中所示示例的簡化幾何圖。在該簡化的幾何圖中，發送元件203和接收元件205被示出為處于相同的點，即三角形301的頂點306處。在本發明的某些實施例中，發送元件203和接收元件205合并成為單個設備(例如，收發器)。物體213位于三角形301的上頂點，并且重發送設備207在三角形301的頂點308處。三角形301的底邊303的長度與發送元件203 /接收元件205和重發送設備207之間的預定的固定物理距離相對應，其中距離標記為h。在本發明的各種實施例中，重發送設備207在空間上相對于發送元件203 /接收元件205移位預定距離，例如h。本發明的其他實施例中，接收元件205的空間延伸范圍比移位距離h要大(例如，包括在空間上相互分離的獨立的接收器的陣列)。例如，如果接收元件205包括N個元件，元件之間間距為d，則它的孔隙為d.Ν > h。因此，通常來說，具有重發送設備207的角方向傳感器系統201無需相比缺少重發送設備的現有技術中裝置更大的孔隙。因此，本發明的實施例可用于在無需增加系統孔隙的情況下增加方向傳感系統的角度分辨率。
[0026]角方向α 309表示物體213相對于發送元件203 /接收元件205的方位角方向，即三角形301的斜邊305的角方向。本發明的另一實施例中，計算得到的角方向與三角形301的斜邊307的角方向相對應。本發明的某些其他實施例中，實施多普勒變換測量從而計算物體213相對于角方向傳感器系統201的速度，物體213的角方向為物體213的矢量速度P 311的角度分量。
[0027]附圖4表示附圖2Α到附圖2D中所示示例的時序圖。時間軸405上表示的是可以直接測量并對于角方向傳感器系統201已知的時間，即時間tQ209，時間t2219，時間t5229。幅度軸403概念性地表示所涉及信號的幅值。在時間^209(附圖2A)發出的信號211所示為幅值407。在時間t2219(附圖2B)接收的回聲217為較小幅值409。在時間t5229 (附圖2D)接收的回聲227為更小幅值411。
[0028]時間‘209和時間t2219之間的時間間隔413 (t2-t0)與信號211到達物體213 (附
圖2A)以及之后回聲217返回(附圖2B)的時間相對應。在附圖4的簡化幾何圖中，為斜
邊305的長度乘以2，標記為2屯。在本發明使用電磁信號(例如雷達或者激光雷達系統)
的實施例中，則時間-距離關系可以表示為G2 -/。)= &，其中c是光速。在其他使用聲學
信號(例如聲納系統)的實施例中，保持類似的關系，其中將光速替換為聲速。
[0029]如果由對應于三角形301的頂點306的發送元件203執行重發送211，那么時間間隔(t5_t2)將對應于三角形301的斜邊305的第二次往返，并且與時間間隔(tftj相等，如圖4中由時間軸405上的時間417所示。如圖2C所示，但是由重發送設備207執行重發送221，該重發設備在空間上相對于發送元件203移位至三角形301的頂點308。因此，通常由于重發送設備207相對于傳送元件203的空間移位，時間t5229臨時移位一時間增量/減量At418而變成時間(t5-t2)416。實際上，t5229為三角形301的斜邊305的一次往返
時間加上三角形301的斜邊307的一次往返時間。也就是說，(?, -12) = 2(-] +-2)-。在不喪
失通用性的情況下，設定tfO，因此三角形301的側邊:
[0030]側邊303-h (來自直接的物理測量)；
[0031]偵_305-咚;并且
[0032]側邊307_4=令-4 二 |(,5-,2)
[0033]因此，給定t2和t5的時間測量值，三角形301的三個邊就知道了，因此能對三角形301求解(例如采用余弦定律)從而獲得角方向α 309。本發明的其他實施例中，相對于不同點測量角方向。例如，在一個實施例中，從三角形301的底邊303的中點測量角方向。使用標準方法可以簡單地將角方向α 309轉換為相對于其他期望參考點的角方向。
[0034]上述說明和方程式與涉及脈沖信號的時間測量相關。本發明中使用相位差測量值的實施例在下面進行展示和討論。
[0035]附圖4中，示出時間(&-、)417以及時間增量/減量At418從而強調在某些應用(例如汽車雷達)中，通常Cl1和d2兩者均比h要大得多，這樣d2~屯，并且因此增量/減量Δ t418通常很小。因此，回聲227能有望在時間間隔419期間到達接收元件205。相應地，當測量t5時，信號處理器使用矩形濾波器來離析時間間隔419從而改善對回聲227的識別，回聲227比回聲217要弱，特別是當重發送設備207為無源反射器時。
[0036]附圖5A示例性地說明了根據本發明的一個實施例，具有重發送元件503的傳感器陣列501。傳感器陣列501包括水平放置的傳感器501a，501b，501c，501d，501e，501f?和501g,這樣傳感器陣列501能夠通過已知的相位陣列技術確定目標物體的方位角方向。附圖5A中，實施例中所示的重發送元件503相對于傳感器陣列501垂直放置。下面討論的附圖5B示出了與傳感器陣列共線插入的重發送元件，例如在一對相鄰的傳感器之間。
[0037]根據本發明的實施例，重發送元件503包括后向反射器(例如，角形反射器)。根據本發明的另一個實施例，重發送元件503包括有源中繼器。有源中繼器比無源反射器的硬件成本更高，但是會產生更強的重發送信號，并且因此會引起更強的接收回聲。
[0038]在本發明的不同實施例中，發送的傳感器信號為脈沖。在另外的實施例中，發送的信號為連續波。在其他實施例中，發送的信號的頻率為掃頻，從而導致“啁啾聲”。本發明的其他實施例特征在于不同的波形。因此，根據所發送的波形，本發明的實施例采用包括時間鑒別，頻率鑒別或者時間和頻率鑒別的技術對接收的信號執行處理。
[0039]附圖5B概念性地表示出本發明使用微分相位測量的實施例。陣列505的一部份包括水平放置的傳 感器505a，505b和505c，這樣傳感器陣列505能夠通過已知的相位陣列技術確定目標物體的方位角方向。傳感器505a為陣列505的兀件k_l,傳感器505b為陣列505的元件k，傳感器505c為陣列505的元件k+Ι。陣列505的元件具有固定的線性間隔519，記為ΛΧ。插入到陣列505中的為重發送元件507，放置在與元件k(傳感器505b)相隔距離521的位置處。距離521記為Ay。目標物513放置在距離517處，記為R，在角位移515處，記為角度Θ。距離R517相比于陣列505的尺寸要大，這樣角度Θ 515和距離R517橫過陣列505的所有傳感器元件大致為常量。對于波長λ而言，示出了相對于元件k(傳感器505b)的波前相位延遲523。
[0040]傳感器k505b處的第一回聲相位延遲Φ lk由下式給出:
【權利要求】
1.一種用于測量物體的角方向的方法，該方法包括: 發送信號； 接收所述信號的來自所述物體的第一回聲； 向所述物體回傳第一回聲； 接收來自所述物體的第二回聲；并且 基于第一回聲和第二回聲的測量值計算所述物體的角方向。
2.根據權利要求1的方法，其中所述信號包括電磁信號或聲學信號。
3.根據權利要求1的方法，其中回傳第一回聲包括有源中繼第一回聲或者無源反射第一回聲。
4.根據權利要求1的方法，其中第一回聲或第二回聲的測量值包括時間測量值或頻率測量值。
5.根據權利要求1的方法，其中所述物體的角方向包括所述物體的位置矢量的角方向或者所述物體的速度矢量的角方向。
6.根據權利要求1的方法，其中所述物體的角方向的分量包括方位角分量或仰角分量。
7.一種用于測量物體的角方向的裝置，該裝置包括: 信號發送元件，其可用于向所述裝置附近的物體發送信號； 信號接收元件，其可用于接收所述信號的來自所述物體的第一回聲； 信號重發送設備，其可用于向所述物體回傳第一回聲，這樣信號接收器接收來自所述物體的第二回聲；以及 處理器，其可用于基于第一回聲和第二回聲的測量值計算所述物體的角方向。
8.根據權利要求7的裝置，其中所述信號包括電磁信號或者聲學信號。
9.根據權利要求7的裝置，其中所述信號重發送元件包括有源信號中繼器或者無源信號反射器。
10.根據權利要求7的裝置，其中第一回聲或第二回聲的測量值包括時間測量值或者頻率測量值。
【文檔編號】G01S3/802GK103837856SQ201310463633
【公開日】2014年6月4日 申請日期:2013年7月12日 優先權日:2012年7月12日
【發明者】I·比利克, G·拉斯 申請人:通用汽車環球科技運作有限責任公司
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