CN104246534A - 用于借助雷达信号确定对象的间距和径向速度的方法和设备 - Google Patents

Abstract

在一种用于确定对象相对于测量位置的间距(R)和径向速度(v)的方法中，发射雷达信号并且在测量位置处的对象上反射之后再次接收所述雷达信号，其中在一个测量循环内将所发射的雷达信号划分成多个区段(10)，在所述多个区段中使所述雷达信号在其频率方面从初始值(f_A，f_B)变化到最终值，以及使所接收的反射信号在分别一个区段(10)上经受第一分析处理以识别频率尖峰，以及附加地对于所述测量循环的所有区段(10)的频率尖峰进行所述信号的随后的第二分析处理以确定多普勒频率分量作为所述径向速度(v)的度量，通过以下方式消除径向速度(v)的确定的多义性：将所述区段(10)划分成至少两个组(A，B)，它们的进行变化的频率的初始值(f_A，f_B)和/或最终值是不相同的，使每一个组(A，B)的区段(11，12)分别经受所述第二分析处理，通过在每一个组(A，B)的区段(11，12)的所述第二分析处理时产生的、相互相应的信号的相位差的确定进行所求取的速度的多义性的克服。

Description

用于借助雷达信号确定对象的间距和径向速度的方法和设备

技术领域

本发明涉及一种用于确定对象相对于测量位置的间距和径向速度的方法，其中从测量位置发射雷达信号并且在对象上反射之后再次接收雷达信号，其中在一个测量循环内将所发射的雷达信号划分成多个区段，在所述多个区段中使所发射的雷达信号在其频率方面从初始值变化到最终值并且在分别一个区段上使所接收的反射信号经受第一分析处理以识别频率尖峰以及附加地针对所述测量循环的所有区段的频率尖峰进行信号的随后的第二分析处理以确定多普勒频率分量作为径向速度的度量。

本发明还涉及一种用于确定对象相对于测量位置的间距和径向速度的设备，所述设备具有雷达发射器、设置在测量位置处的用于雷达发射器的由对象反射的雷达信号的接收器，其中在一个测量循环内雷达信号划分为多个区段，在所述多个区段中所述雷达信号在其频率方面从初始值变化到最终值，所述设备还具有与接收器连接的用于分别在所接收的信号的区段内识别频率尖峰的第一分析处理装置并且具有与第一分析处理装置连接的用于分析处理所求取的频率尖峰的相位差以确定多普勒频率分量作为径向速度的度量的第二分析处理装置。

背景技术

已知的是，借助适当调制的雷达信号借助一次测量不仅确定对象相对于测量位置的间距而且确定对象相对于测量位置的径向速度。

在EP 1 325 350B1中描述了雷达信号的适合的、已知的调制类型。在此，在例如65毫秒长(T_chirp)的一次测量循环期间调制两个相互交错的斜坡A和B。每个斜坡记录所反射的信号的512个采样值并且对于每一个斜坡分别分析处理所述采样值。通过具有总共2×512个采样点的FFT(FastFourier Transformation：快速傅立叶变换)进行所述分析处理。因此，采样周期为65ms/2×512＝63.48μs。因此，采样频率为15.75kHz，其中每个斜坡的有效采样频率是其一半——即7.88kHz。当载波频率为24.125GHz时，7.88kHz的多普勒频率范围相应于明确唯一的速度测量范围49m/s。相应于176.4km/h的明确唯一的速度测量范围对于道路交通中的应用通常是足够的，因为测量位置、即雷达发射器和雷达接收器通常位于车辆中并且在城市交通中实际上无论如何不会出现行驶车辆之间的>175km/h的径向速度。然而，当存在多个在频谱中都体现为尖峰的反射体时，所述方法存在不利。因此，所述频谱可能被严重覆盖。多个反射体可能相互“掩蔽”，从而在不利的情形中不能(持续地)检测到重要相关的对象。

还已知的是，以短的、快速的并且相同的斜坡来调制发射信号。在65ms的循环时间期间例如可以调制分别具有254μs长度T_chrip的256个斜坡。当以512个采样值采样每一个斜坡时，这相应于65ms/256×512＝496ns的有效采样周期，即2.01MHz的采样频率。

借助所述2.01MHz的采样频率以第一FFT的形式实施第一分析处理。从斜坡到斜坡地进行第二FFT，即具有65ms/256＝254μs的有效采样周期，相应于3.94kHz的采样频率。

当用于第一FFT的采样频率为2.01MHz时，对于每个斜坡存在所反射的信号的一个频率尖峰，所述频率尖峰主要由基于距离的频率分量得到。对于如在道路交通中出现的通常速度而言，多普勒频率分量是微不足道的，从而在每一个斜坡的第一FFT中用于距离的信号已经可供使用。可以相互组合采样周期的所有的(例如256个)斜坡的相应信号，从而对于距离确定得到非常大的信噪比。通过这种方式，例如在静止的监视雷达中实现在大于7km的间距上可靠地探测人或更大动物大小的对象。在对于每个斜坡实施第一FFT(距离FFT)期间(从而在256个斜坡时也存在第一FFT的256个频谱)，优选对于每一个距离值(“距离门”)实施第二FFT(多普勒FFT)。但也能够实现仅仅对于所选择的距离值实施第二FFT。例如可以选择以下距离门：对于所述距离门探测到了反射。可以以距离多普勒矩阵(RDM)显示两个FFT的结果，如其在图1中示出的那样。因此，在具有多个反射体的情形中，所述多个反射体分布在二维的距离多普勒矩阵(RDM)中，从而相互掩蔽的可能性显著降低。用于第二FFT的3.94kHz的采样频率相应于明确唯一的速度测量范围24.5m/s，相应于88.2km/h。所述明确唯一范围对于很多应用情形而言是不够的。在现有技术中已知的信号调制的在图1中示出的实施例中，每个斜坡的频率幅度为100MHz。在图1中可以看到在反射之后接收的信号(接收信号)相对于所发射的信号(发射信号)时间推移了信号的传播时间。在图1中示出2L个斜坡(例如2L＝256)。对于每个斜坡，以距离频率(f_Beat)的识别得到距离FFT。将对于所探测的频率f_Beat得到的信号输送给第二多普勒FFT，由此得到距离多普勒矩阵。

所述方法的数学描述使用以下事实：由通过目标距离R的频率分量f_R和分量f_D得到所测量的频率f_Beat(由多普勒效应引起)：

$f_{\mathrm{Beat}}=f_R-f_D=-\frac{f_{\mathrm{SW}}}{T_{\mathrm{chirp}}}\frac{2}{c}\·R+f_0\frac{2}{c}\·v_r---\left(1\right)$

在此，f_SW表示带宽，而T_chirp表示一个唯一的频率斜坡的持续时间；c是光速，f₀是发射信号的下载波频率，v_r是径向速度。

接收信号与发射信号下混频到基带中。得到所述下混频的接收信号：

$s\left(t\right)=e^{\left(j2\mathrm{\π}({\mathrm{tf}}_{\mathrm{Beat}}t+f_0\frac{2R}{c})\right)---\left(\text{2}\right)}$

如果观察总共2L个斜坡的信号的相干序列(即一个测量循环，相应地在此2L＝256个斜坡)，其中l表示斜坡的当前索引，则如下给出在以上方程中描述的(二维的)时间连续信号。参数f_D,md描述多普勒频率，其完全可以多义地测量。

$s(t,l)=e^{\left(j2\mathrm{\π}({\mathrm{tf}}_{\mathrm{Beat}}t-f_{D,\mathrm{md}}{T}_{\mathrm{chirp}}l+f_0\frac{2R}{c})\right)}---\left(3\right)$

然后是借助采样频率f_sa得到的二维的时间离散信号(k表示一个斜坡内时间离散信号的当前索引，从零至k-1；K相应于一个斜坡中的采样值的数量，在此等于512)：

$s(k,l)=e^{\left(j2\mathrm{\π}(f_{\mathrm{Beat}}\frac{k}{f_{\mathrm{sa}}}-f_{D,\mathrm{md}}{T}_{\mathrm{chirp}}l+f_0\frac{2R}{c})\right)}---\left(4\right)$

对于每个斜坡借助FFT(每一个斜坡的K个采样值上的距离FFT)变换所述信号并且得到一个新的二维信号(m表示距离FFT的谱线的当前索引，从0到K-1)：

$S(m,l)={\underset{k=0}{\overset{K-1}{\mathrm{\Σ}}}e}^{\left(j2\mathrm{\π}(f_{\mathrm{Beat}}\frac{k}{f_{\mathrm{sa}}}-f_{D,\mathrm{md}}{T}_{\mathrm{chirp}}l+f_0\frac{2R}{c})\right)}\·e^{-j2\mathrm{\π}\frac{k\·m}{K}}---\left(5\right)$

对于具有FFT长度2L的每一个k并且对于多普勒FFT的每n个谱线计算的每两个FFT(多普勒FFT)具有以下频谱：

$S(m,n)=\underset{l=0}{\overset{2L-1}{\mathrm{\Σ}}}{\underset{k=0}{\overset{K-1}{\mathrm{\Σ}}}e}^{\left(j2\mathrm{\π}(f_{\mathrm{Beat}}\frac{k}{f_{\mathrm{sa}}}-f_{D,\mathrm{md}}{T}_{\mathrm{chirp}}l+f_0\frac{2R}{c})\right)}\·e^{-j2\mathrm{\π}\frac{k\·m}{K}}{e}^{-j2\mathrm{\π}\frac{l\·n}{2L}}---\left(6\right)$

所述信号S(m,n)在距离多普勒矩阵(RDM)中示出并且包含多普勒频率测量中的上述多义性，对此首先不存在所述发射信号的解。因此，为了所述方法在实际中的应用，必须往往使用更大的开销来消除多普勒频率测量中的多义性。由此，作为2D FFT方法(二维的FFT方法)已知的方法具有实际缺点。

发明内容

本发明所基于的任务一方面在于借助随后的二维分析处理应用发射信号的快速斜坡调制的原理并且实现其优点而另一方面以简单的方式避免速度测量的多义性的缺点。

根据本发明，为了解决所述任务，开始提及类型的方法的特征在于，将区段划分为至少两个组，它们的进行变化的频率的初始值和/或最终值是不相同的，使每一个组的区段分别经受第二分析处理并且通过在每一个组的区段的第二分析处理时产生的、相互相应的信号的相位差的确定来进行所求取的速度的多义性的克服。

以相应的方式，开始提及类型的设备根据本发明的特征在于，为了分析处理装置中的分析处理，使用至少两个组的区段，它们的进行变化的频率的初始值和/或最终值是不相同的，第二分析处理装置具有用于至少两个组的信号的单独分析处理的至少两个分析处理级，并且至少一个相位差探测器与所述至少两个分析处理级连接，其输出信号可用于径向速度的明确唯一的确定。

因此，根据本发明的方法使用雷达信号的构造为频率斜坡的区段，其中构造所述区段的至少两个、优选恰好两个组，它们相互交错，从而一个组的斜坡与另一个组的相应斜坡连接。两个或更多个组的斜坡在其进行变化的频率的初始值和/或最终值方面存在区别，从而在频率/时间图中使用分别在频率方向上错开的斜坡，它们此外优选相同地构型，即具有相同的频率幅度和相同的斜率。在此，频率的偏移应非常小并且具有例如小于频率斜坡的调制幅度的10^-3、优选约10^-4或更小。令人吃惊地，在求取距离多普勒矩阵的频率尖峰的相位差时，在发射信号的调制的所述构型时得到距离测量和多普勒频率测量的同时且明确唯一的陈述，借助实施例更进一步阐述距离多普勒矩阵。

为了建立两个(或更多个)组的不同频率斜坡，借助相应的发生器对于两个组同时产生并且在物理上发射频率斜坡，其中然而对于两个组使用频率斜坡的稍微偏移的区段进行分析处理。在真实调制的频率幅度f_SW时，所使用的频率幅度为f_SW-(f_B-f_A)，其中f_A是区段的第一组A的初始频率值，而f_B是区段的第二组B的初始频率值。

附图说明

可以以类似的方式“削掉”两个组的所接收的信号的开始区段或者最终区段，其方式是，丢弃、即不分析处理采样的开始处的相应采样值或者最终处的相应采样值。实施例的示图用于阐述本发明。附图示出：

图1：根据现有技术用于通过二维FFT形成距离多普勒矩阵的曲线变化和示意性的分析处理信号；

图2：根据本发明的具有两个分析处理距离多普勒矩阵的实施例的根据本发明的曲线变化；

图3：用于构造发射信号的根据本发明的调制的第一变型方案；

图4：用于构造根据本发明的经调制的信号的第二变型方案。

具体实施方式

图2包含发射信号的变化曲线的图形表示，其中在时间t上绘制了发射信号的频率f(t)。发射信号由2L个区段10组成，所述2L个区段构成频率斜坡的两个组A、B。第一组A的区段11从初始值f_A起在调制幅度(Modulationshub)f_SW上延伸，而第二组B的区段12从初始值f_B起以相同的调制幅度(带宽)f_SW延伸。组A、B的区段11、12彼此交替，从而所有偶数区段属于组A，而所有奇数区段属于组B。

如在现有技术中的那样，对于每一个区段10优选以FFT的形式分别进行分析处理。借助第二分析处理、尤其第二FFT，一方面形成用于第一组的区段11的距离多普勒矩阵，而另一方面形成用于第二组B的区段12的距离多普勒矩阵。因此，对于两个矩阵产生不同地测量的拍频f_BeatA和f_BeaB。

根据本发明的发射信号首先由典型的发射信号组成，即由短的、快速的、具有固定地预给定的斜坡持续时间T_chirp的斜坡组成。然而，以相互交错的“缠绕的(intertwined)”的模式发射两个斜坡组A和B。在第一区段(斜坡)11和第二区段(斜坡)12之间调节仅仅非常小地改变的下载波频率，例如相差10kHz。因此在所述实施例中，在第一组A中从f₀至f₀+100.000MHz调制发射信号，而在另一个斜坡组B中从f₀+10kHz至f₀+100.010MHz调制发射信号。

将回波信号与当前的发射频率下混频到基带中。对于两个斜坡组A和B建立距离多普勒矩阵。相应地在两个斜坡组A和B中，在两个距离多普勒矩阵(RDM)的完全相同的单元中观察并且探测目标或者对象。

因为对于每个斜坡组A进行多普勒频率分析(第二FFT)，即分别超出两个斜坡间距，所以使多普勒频率的在现有技术中已经很小的明确唯一范围再次减半。

但是，由于根据本发明的措施，这不导致不利。借助根据本发明的发射信号和两个下载波频率f_A＝f₀和f_B＝f₀+10kHz产生用于两个相互交错的信号的两个距离多普勒矩阵，所述两个相互交错的信号根据二维FFT具有以下频谱：

$S_A(m,n)=\underset{l=0}{\overset{L-1}{\mathrm{\Σ}}}{\underset{k=0}{\overset{K-1}{\mathrm{\Σ}}}e}^{\left(j2\mathrm{\π}(f_{\mathrm{Beat}}\frac{k}{f_{\mathrm{sa}}}-f_{D,\mathrm{md}}{T}_{\mathrm{chirp}}2l+f_A\frac{2R}{c})\right)}\·e^{-j2\mathrm{\π}\frac{k\·m}{K}}{e}^{-j2\mathrm{\π}\frac{l\·n}{L}}---\left(7\right)$

$S_B(m,n)=\underset{l=0}{\overset{L-1}{\mathrm{\Σ}}}{\underset{k=0}{\overset{K-1}{\mathrm{\Σ}}}e}^{\left(j2\mathrm{\π}(f_{\mathrm{Beat}}\frac{k}{f_{\mathrm{sa}}}-f_{D,\mathrm{md}}{T}_{\mathrm{chirp}}(2l+1)+f_B\frac{2R}{c})\right)}\·e^{-j2\mathrm{\π}\frac{k\·m}{K}}{e}^{-j2\mathrm{\π}\frac{l\·n}{L}}---\left(8\right)$

在此，总共发射2L个斜坡信号11、12。给信号S_A分配所有偶数斜坡(组A)，而信号S_B由奇数斜坡(组B)(2l+1)组成。相对于已知的设置，两个组A、B中的载波频率的初始值f_A和f_B略微相互偏移。由于交错的设置，组A、B的待处理的区段(斜坡)相互间隔斜坡长度T_chirp。

在所述情形中，产生两个距离多普勒矩阵，单元特定地分析处理所述两个距离多普勒矩阵。为探测的目的，对于每个单元使信号简单非相干地按照量值相加。对于所探测的每一个目标，可以直接由距离多普勒矩阵直接读取或者为了更高的精确度通过内插技术计算频率f_Beat和多义的多普勒频率f_D,md。就此而言，存在两个具有相同量值信息(但不同的相位信息)的距离多普勒矩阵。

现在，根据本发明分析处理距离多普勒矩阵中每个单元的相位差，符合目的地仅仅针对探测到目标的那些单元。

在数学上得到：

$\begin{array}{c}\mathrm{\Δ\Φ}=\left[(\arg \left(\frac{S_A(m,n)}{S_B(m,n)}\right)-2\mathrm{\π}\·f_{D,\mathrm{md}}{T}_{\mathrm{chirp}})\mathrm{mod}\mathrm{\π}\right]\\ =2\mathrm{\π}\left((f_A-f_B)\frac{2R}{c}\right)\end{array}---\left(9\right)$

f_D,mdT_chirp是相位校正因数，其通过(可能多义地)测量的多普勒频率f_D,md从斜坡到斜坡产生。相位从斜坡到斜坡转动所述值。为了分析处理所接收的交错的信号设置，这必须予以考虑。现在，可以由以上方程和相位差测量如下计算目标距离R并且因此计算f_R：

$R=\frac{\mathrm{\Δ\Φ}}{2\mathrm{\π}}\·\frac{c}{2}\frac{1}{(f_A-f_B)}---\left(10\right)$

$f_R=-\frac{T_R}{T_{\mathrm{chirp}}}\·f_{\mathrm{SW}}=-\frac{2R}{c}\·\frac{f_{\mathrm{SW}}}{T_{\mathrm{chirp}}}=-\frac{\mathrm{\Δ\Φ}}{2\mathrm{\π}}\·\frac{1}{(f_A-f_B)}\frac{f_{\mathrm{SW}}}{T_{\mathrm{chirp}}}---\left(\text{11}\right)$

最终，在考虑所测量的拍频f_beat和所测量的相位差的情况下由以上方程得到明确唯一的多普勒频率f_D：

f_D＝f_R-f_Beat   (12)

$=-\frac{\mathrm{\Δ\Φ}}{2\mathrm{\π}}\·\frac{1}{(f_A-f_B)}\frac{f_{\mathrm{SW}}}{T_{\mathrm{chirp}}}-f_{\mathrm{Beat}}---\left(13\right)$

所测量的相位差的分析处理导致可明确唯一测量的最大距离：

$R_{\max }=\frac{1}{2}\·\frac{c}{2}\frac{1}{(f_A-f_B)}---\left(14\right)$

对于10kHz的频率差(f_A-f_B)产生可明确唯一测量的最大距离R_max＝7.5km。在4kHz的频率差(f_A-f_B)时产生可明确唯一测量的最大距离R_max＝18.75km。

因此，方程11导致属于间距R的频率的不仅大概的而且准确的确定，其根据方程12和13能够以明确唯一的方式实现多普勒频率f_D的准确确定。

因此，具有相互错开的频率幅度的区段11、12的两个组A、B的根据本发明的使用允许间距和径向速度通过多普勒频率确定的明确唯一且准确的确定。可以通过相应控制的频率发生器以所需的方式生成所描述的发射信号。但也可能的是，真实中以相同的方式生成区段10、11，然而使用虚拟上不同的调制。对此，根据图3使用所谓的“填零(Zero Filling)”。在此，真实调制的频率幅度为f_SW，然而没有完全充分利用。用于区段11、12的分别使用的频率幅度是f_SW-(f_B-f_A)。

图3示出，对于区段10总是使用真实调制，所述真实调制从初始值f_A出发并且在整个带宽f_SW上延伸。将以f_A开始的区段11用于第一组A的区段11，而在上端不使用宽度f_B-f_A中的区段。

与此相反，对于组B的区段12不使用下方的区段f_B-f_A，从而对于两个区段11、12得到相同的频率幅度f_SW-(f_B-f_A)。

根据在图4中示出的变型方案，真实中相同地生成用于两个组A、B的区段10。在此，所述区段的长度为f_SW+(f_B-f_A)。因此，真实调制的范围增大了f_B-f_A。丢弃组A的区段11的上端的没有使用的采样值和组B的区段12的下端的没有使用的采样值。

在所描述的所有情形中，区段10、11具有相同的频率幅度和相同的斜率。这不是强制必须的。在此描述的方法中同样可以使用不同的频率幅度和不同的斜率。然而，对此数学的分析处理更加复杂。

Claims (10)

1.一种用于确定对象相对于测量位置的间距(R)和径向速度(v)的方法，其中，发射雷达信号并且在测量位置处的对象上反射之后再次接收所述雷达信号，其中，在一个测量循环内将所发射的雷达信号划分成多个区段(10)，在所述多个区段中使所述雷达信号在其频率方面从初始值(f_A，f_B)变化到最终值，以及使所接收的反射信号在分别一个区段(10)上经受第一分析处理以识别频率尖峰，以及附加地对于所述测量循环的所有区段(10)的频率尖峰进行所述信号的随后的第二分析处理以确定多普勒频率分量作为所述径向速度(v)的度量，其特征在于，将所述区段(10)划分成至少两个组(A，B)，它们的进行变化的频率的初始值(f_A，f_B)和/或最终值是不相同的，使每一个组(A，B)的区段(11，12)分别经受所述第二分析处理，通过在每一个组(A，B)的区段(11，12)的所述第二分析处理时产生的、相互相应的信号的相位差的确定进行所求取的速度的多义性的克服。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，作为一个区段(10)内的采样信号上的第一FFT进行所述第一分析处理以确定所述频率尖峰。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，作为所述测量循环的所述区段(10)的相互相应的频率尖峰上的第二FFT进行所述第二分析处理。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，对于至少两个组(A，B)后的多普勒频率进行在所述第二FFT时产生的频率尖峰的相位差的确定。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其特征在于，以相同的真实的频率变化生成所述两个组(A，B)的区段(11，12)，然而对于所述测量而言对于第一组(A)从第一初始值(f_A)至第一最终值使用所述区段，而对于所述第二组(B)从第二初始值(f_B)至第二最终值使用所述区段，其中，所述初始值f_A，f_B与最终值互不相同。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其特征在于，所述至少两个组(A，B)的区段(11，12)都具有相同的频率幅度。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的方法，其特征在于，所述组(A，B)中的区段(10，11)的频率变化是恒定并且是大小相同的。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的方法，其特征在于，分析处理所求取的相位差以准确地确定对象的间距(R)。

9.一种用于确定对象相对于测量位置的间距和径向速度的设备，所述设备具有雷达发射器、设置在所述测量位置处的用于所述雷达发射器的由所述对象反射的雷达信号的接收器，其中，在一个测量循环内所述雷达信号划分为多个区段(10)，在所述多个区段中所述雷达信号在其频率方面从初始值(f_A，f_B)变化到最终值，所述设备还具有与所述接收器连接的用于识别分别在所接收的信号的区段(10)内的频率尖峰的第一分析处理装置以及具有与所述第一分析处理装置连接的用于分析处理所求取的频率尖峰的相位差以确定多普勒频率分量作为所述径向速度(v)的度量的第二分析处理装置，其特征在于，对于所述分析处理装置中的分析处理使用至少两个组(A，B)的区段(11，12)，其进行变化的频率的初始值(f_A，f_B)和/或最终值是不相同的，所述第二分析处理装置具有用于所述至少两个组(A，B)的信号的单独分析处理的至少两个分析处理级，至少一个相位差探测器与所述至少两个分析处理级连接，所述相位差探测器的输出信号能够用于径向速度的明确唯一的确定。

10.根据权利要求9所述的设备，其特征在于，分析处理所述相位差探测器的输出信号以确定所述间距(R)。