CN104251988A - 角度分辨的雷达传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种角度分辨的雷达传感器，其具有多个天线元件(10、12、14、16)和一个控制与分析处理装置(30)，所述多个天线元件在所述雷达传感器是角度分辨的方向上设置在不同的位置上，所述控制与分析处理装置设计用于以下运行方式：在所述运行方式中所述天线元件(10-16)中的多个天线元件发送信号，所述信号分别由所述天线元件中的多个天线元件接收，并且定位的对象的角度(θ)根据相应于进行发送的天线元件和进行接收的天线元件的不同配置的信号之间的振幅和/或相位关系确定，其特征在于，所述控制与分析处理装置(30)构造用于向所述进行发送的天线元件(10-16)中的多个天线元件同时通过以下方式馈给频率相同的信号，使得所述信号的共同的相位中心位于两个相邻的天线元件的位置之间。

Description

角度分辨的雷达传感器
技术领域
本发明涉及一种角度分辨()的雷达传感器，尤其用于机动车，其具有多个天线元件和一个控制与分析处理装置，所述多个天线元件在雷达传感器是角度分辨的方向上设置在不同的位置中，所述控制与分析处理装置设计用于以下运行方式：在所述运行方式中所述天线元件中的多个天线元件发送信号，所述信号分别由所述天线元件中的多个天线元件接收，并且根据相应于进行发送的天线元件和进行接收的天线元件的不同配置的信号之间的振幅关系和/或相位关系确定定位的对象的角度。
背景技术
雷达传感器在机动车中例如用于测量在自身车辆的前方区域中定位的车辆或其他对象的间距、相对速度和方位角。各个天线元件则例如彼此间隔开地设置在一个水平线上，从而定位的对象的不同方位角导致雷达信号从对象返回至相应的天线元件的传播长度方面的差。所述传播长度差导致由天线元件接收并且在所属的分析处理通道中分析处理的信号的相位方面的相应的差。通过在不同信道中接收的(复数)振幅与天线图中的相应振幅的均衡，则能够确定雷达信号的入射角并且因此能够确定定位的对象的方位角。
为了实现高角度分辨率，天线的孔径应尽可能大。然而，当相邻天线元件之间的间距过大时，在角度测量中可能出现多值性，因为对于相差波长λ的整数倍的传播长度差在所接收的信号之间得到相同的相位关系。单值的角度测量例如可以借助ULA结构(Uniform Linear Array：均匀线性阵列)实现，其中天线元件以λ/2的间距设置。然而，在这种情形中，随着孔径的增大天线元件的数量也增大并且所需的分析处理通道的数量也增大，从而产生相应较高的硬件成本。
在MIMO雷达(Multiple Input/Multiple Output：多输入/多输出)中通过以下方式实现更大的角度分辨率能力：不仅以多个进行接收的天线元件工作而且以多个进行发送的天线元件工作，其中分析处理进行发送的天线元件和进行接收的天线元件的不同组合，例如在时分复用中或可选择地也在频分复用中或码分复用中。进行发送的天线元件的变化的位置则导致附加的相位差并且因此导致等价于以具有单个的、进行发送的天线元件和附加的(虚拟的)、进行接收的天线元件的配置获得的信号的信号。以这种方式虚拟地增大孔径并且因此改善角度分辨。
在尽可能高的角度分辨率方面有利的是，虚拟的天线阵列是如此稀疏的，使得各个天线元件彼此具有相对较大的间距。然而，在这种情况下不再满足单值性，从而尤其在雷达回波受干扰的情况下发生多值性并且因此发生“跳跃的”角度测量，也就是说，在较长的时间区间上跟踪雷达目标时，偶尔发生所测量的方位角的跳跃式变化。
发明内容
本发明的任务是实现一种MIMO雷达，其在高分辨能力的情况下允许角度测量的改进的单值性。
所述任务通过以下方式解决：控制与分析处理装置构造用于向进行发送的天线元件中的多个天线元件同时通过以下方式馈给频率相同的信号：这些信号的共同的相位中心位于两个相邻的天线元件的位置之间。
当向两个天线元件馈给频率相同的信号时，由所述两个天线元件发射的雷达波叠加成具有改变的相位位置的信号。所述信号等价于从位于所述两个天线元件之间的一个点发射的信号。所述点形成所述两个信号的相位中心。因为根据本发明所述相位中心位于不存在任何真实天线元件的位置处，所以通过共同激励两个或更多个天线元件获得附加的(虚拟的)、进行发送的天线元件，其可以与真实的、进行接收的天线元件进行组合并且因此可以导致虚拟的天线阵列的填充。通过这种方式，接近ULA结构的配置并且多值性的可能性减小。
此外，联接两个或更多个天线元件具有以下优点：实现更高的发送功率并且因此改进雷达传感器的有效距离。
本发明的有利的构型和扩展方案在从属权利要求中说明。
在一种有利的实施方式中，真实的天线元件以不均匀的间距设置，使得天线配置具有尽可能小的对称性，这有助于多值性的进一步抑制。此外由此能够避免通过不同的发送元件和接收元件的组合产生的虚拟的天线位置局部重合。
在一种有利的实施方式中，雷达传感器构造为单站式雷达传感器，也就是说，每一个天线元件既可以用作进行发送的元件也可以用作进行接收的元件。
当向两个或更多个天线元件馈给频率相同的信号时，向两个或更多个元件提供信号的相位和振幅不一定是相符的。由此，根据本发明的一种扩展方案产生波束成形的可能性。
附图说明
下面根据附图详细说明本发明的实施例。
附图示出：
图1：根据本发明的雷达传感器的框图；
图2：用于说明根据图1的雷达传感器的功能方式的简图；
图3：根据本发明的另一实施例的雷达传感器的框图。
具体实施方式
在图1中示出的雷达传感器具有四个天线元件10、12、14、16，它们共同形成一个平面阵列天线18。雷达传感器如此安装在机动车中，使得天线元件10-16并排位于相同的高度上，使得雷达传感器的角度分辨能力在水平上(在方位方面)实现。在图1中象征性地示出了雷达射束，其由天线元件在方位角θ下接收。
用于控制天线元件的高频部分20例如通过MMIC(MonolithicMicrowave Integrated Circuit：单片微波集成电路)构成并且包括开关网络22，通过所述开关网络22各个天线元件可选择性地与一个本地振荡器24连接，所述本地振荡器产生待发送的雷达信号。由天线元件10-16接收的雷达回波分别借助循环器26解耦合并且提供给混合器28，在那里所述雷达回波与由振荡器24提供的发送信号混频。以这种方式，对于天线元件中的每一个得到一个中间频率信号Z1、Z2、Z3、Z4，其被提供给电子控制与分析处理单元30。
控制与分析处理单元30包括控制部分32，其控制振荡器24的和开关网络32的功能。在所示示例中，雷达传感器涉及FMCW雷达(FrequencyModulated Continuous Wave：调频连续波)，也就是说，由振荡器24提供的发送信号的频率被周期地以上升频率斜坡和/或下降频率斜坡的序列的形式调制。
此外，控制与分析处理装置30包括分析处理部分，其具有四通道的模拟/数字变换器34，所述模拟/数字变换器将从四个天线元件获得的中间频率信号Z1-Z4数字化并且分别在一个单个频率斜坡的持续时间上记录。如此获得的时间信号然后通道式地在变换级36中通过快速傅里叶变换变换到相应的频谱中。在所述频谱中，每一个定位的对象以一个尖峰的形式呈现，其频率位置取决于从雷达传感器到对象以及返回雷达传感器的信号传播时间以及——由于多普勒效应——取决于对象的相对速度。对于同一对象获得的两个尖峰的频率位置(但在具有不同斜率的斜坡上，例如一个上升斜坡和一个下降斜坡)，能够以已知的方式计算相关的对象的距离D和相对速度V。
在另一种实施方式中，雷达传感器也可以根据线性调频脉冲序列调制(Chirp-Sequence-Modulation)的方法工作，其中发送信号由一系列相同类型的、频率调制的信号脉冲(线性调频脉冲)组成。调制模式则不由单个的调制斜坡组成而由一组完整的前后相继的线性调频脉冲的组成。涉及具有脉冲压缩的脉冲多普勒方法，其中首先根据其距离进行雷达对象的分离，接着根据各个信号脉冲的反射之间的相位的差求取位置变化并且因此求取雷达对象的相对速度。在一种典型的调制模式中，各个线性调频脉冲的中心频率从一个线性调频脉冲到另一个线性调频脉冲均匀地增加或减小，从而这些线性调频脉冲在其方面形成一个斜坡，其称为“慢斜坡”，而这些线性调频脉冲也称为“快斜坡”。因此，所述方法也称为“多速FMCW”(Multi-Speed-FMCW，MSFMCW)。
如在图1中根据雷达射束示意示出的那样，天线元件10-16的不同位置导致：由同一个天线元件发射的雷达射束在对象上反射并且然后由不同的天线元件接收、经历不同的传播长度并且因此具有取决于对象的方位角θ的相位差。所属的中间频率信号Z1-Z4也具有相应的相位差。所接收的信号的振幅(量值)从一个天线元件到另一个天线元件也是不同的，同样取决于方位角θ。所接收的信号的复数振幅、即绝对值和相位与方位角θ的相关性对于每一个天线元件可以以天线图的形式存放在控制与分析处理单元30中。对于每一个定位的对象(频谱中的每一个尖峰)，角度估计器38将在四个接收通道中获得的复数振幅与天线图进行比较，以便这样估计对象的方位角θ。在此，作为方位角的最可能的值采用以下值：在所述值的情况下所测量的振幅与在天线图中读取的值最相关。
然而，在这里描述的MIMO雷达中，四个通道中的复数振幅还取决于将四个天线元件10、12、14、16中的哪一个用作发送元件。例如，开关网络22允许借助天线元件10发送第一频率斜坡或频率斜坡序列，然后切换到天线元件12然后切换到天线元件14和16，此后开始一个新的循环。以这种方式得到4×4＝16个不同的配置，其可以通过下面的信号模型描述。
对于作为接收阵列的具有天线元件10、12、14、16的平面线性天线阵列(在理想化地假定各向同性的天线元件的情况下)，控制矢量arμ(θ)具有以下分量：
arμ(θ)＝exp(2πi·(drμ/λ)·sin(θ))，μ＝1，...，4。
所述控制矢量确定由四个天线元件接收的信号的复数振幅之间的相位关系。索引μ在此表示天线元件，参量drμ说明天线元件在水平上关于任何任意选择的原点的位置。
相应地，用于发送阵列的控制矢量atv(θ)具有分量：
atv(θ)＝exp(2πi·(dtv/λ)·sin(θ))，v＝1，...，4。
在图1中示出的具有四个天线元件的单站式阵列的示例中，可以将天线元件10的位置作为坐标原点，于是成立：
dr1＝dt1＝0，
dr2＝dt2＝d2，
dr3＝dt3＝d3，
dr4＝dt4＝d4。
对于角度估计，现在根据MIMO原理构成虚拟的阵列矢量，其方式是形成atv(θ)和arμ(θ)的Kronecker乘积：
a(θ)＝(at1(θ)·ar1(θ)，at1(θ)·ar2(θ)，at1(θ)·ar3(θ)，at1(θ)·ar4(θ)，
at2(θ)·ar1(θ)，at2(θ)·ar2(θ)，at2(θ)·ar3(θ)，at2(θ)·ar4(θ)，
at3(θ)·ar1(θ)，at3(θ)·ar2(θ)，at3(θ)·ar3(θ)，at3(θ)·ar4(θ)，
at4(θ)·ar1(θ)，at4(θ)·ar2(θ)，at4(θ)·ar3(θ)，at4(θ)·ar4(θ))
所述积矢量具有16个分量，相应于虚拟天线元件的16个位置。所述矢量的分量具有形式
atv(θ)·arμ(θ)＝exp(2πi·((dtv+drμ)/λ)·sin(θ))；v＝1，...，4；μ＝1，...，4
因此，虚拟的天线位置相应于可以由参量d1-d4形成的和。由此，虚拟阵列在水平上在一个大得多的区间上延伸，也就是说其具有更大的孔径并其因此导致更高的角度分辨率，因为在方位角θ中没有任何变化已经导致更大的相位差。
然而，如果为了获得尽可能大的孔径而选择比λ/2大得多的值d1-d4，则可能由于因子sin(θ)的周期性在阵列矢量的分量中在个别情形中出现以下方位角：在所述方位角时所有虚拟天线元件的天线图都具有相似的复数振幅，从而不能单值地确定对象的真实方位角。
因此，根据本发明通过附加的虚拟元件填充虚拟阵列。为此目的，在确定的运行阶段中如此控制开关网络22，使得两个开关同时闭合，即向两个所属的天线元件10、12、14、16同时馈给同一个信号。所发送的信号然后叠加成一个信号，其波模式例如具有以下形式：仿佛它从相关的天线元件中间的一个点出发。
如果例如共同馈给天线元件10和12，则在发送阵列的控制矢量中得到附加的分量exp(2πi.(d2/2λ).sin(θ))，相应于在位置d2/2中的一个附加的天线元件。在虚拟阵列的矢量中产生四个附加的分量，相应于位置d2/2、d2/2+d2、d2/2+d3和d2/2+d4处的虚拟元件。对于对象的真实方位角，属于这些虚拟元件的天线图也必须提供中间频率信号Z1-Z4的针对所述对象的尖峰测量的复数振幅。以这种方式，这些附加的元件有助于避免可能的多值性。
在图2中以简图示出了在图1中示出的雷达传感器的一种可能的运行方式。在所述简图的上部中作为时间t的函数绘出由天线元件10-16发送的信号的频率f1-f4。在此，虚线表示相关的天线元件与振荡器24分开并且因此不发送信号的时间区间。在第一周期1中仅仅天线元件10是激活的并且其首先发送由一个上升频率斜坡40组成的信号(频率f1)。在所述简图的下部中，对于每一个周期示意性地示出真实的天线元件10-16的位置d(左列中的角)以及相应的虚拟天线元件的位置(右列中的较细的角)。在第一周期中，虚拟位置与真实位置相符。
在随后的周期2中，对于天线元件10重复频率斜坡40，但同一个信号现在附加地通过天线元件12(频率f2)发射。在所述简图的下部中加粗地示出激活的天线元件的符号。虚拟的天线元件的符号在此偏移量值d2/2。
然后，在周期3中，仅仅第二天线元件12是激活的。在随后的周期4中，向第二和第三天线元件10、14共同馈给振荡器24的信号，由此再次产生位于天线元件的真实位置之间的虚拟位置。
在周期5中仅仅第三天线元件14是激活的，在随后的周期6中共同馈给第三和第四天线元件14、16以及在周期7中仅仅第四天线元件16是激活的。此后重复所述模式，不过现在具有下降的频率斜坡42。图2中的周期8和9在不考虑所述差别的情况下相应于周期1和2，接着是相应于周期3到7的周期10到14(未示出)。
此后可以跟随另外七个周期，在这些周期中又以上升的频率斜坡来调制信号，然而所述上升的频率斜坡具有与周期1到7中的频率斜坡40不同的斜率，最后跟随具有下降的频率斜坡的另外七个周期，所述下降的频率斜坡的斜率和频率斜坡42的斜率是不同的。然后周期地重复在所述示例中28个周期的序列。
在图2中的简图的下部中的最右侧的列中，共同示出了天线元件的以这种方式得到的全部虚拟位置。可以看出，虚拟阵列在很大程度上以附加的虚拟元件填充，从而不仅得到高的角度分辨能力(相应于大的孔径)而且得到高度的单值性(由于阵列内的虚拟元件的密度)。
如果天线元件10-16以均匀的间距设置，则虚拟天线元件中的一些的位置会重合。例如则在周期3中第二和第三虚拟天线元件的位置与天线元件12和14的位置是相同的，然而这在所示实施方式中通过以下方式来避免：这些天线元件之间的间距是不相同的：d4-d3＞d3-d2＞d2。
图3示出本发明的一种可能的扩展方案，其中开关网络22包括MMIC电路44，它们不仅允许或者向相关的天线元件传送振荡器24的信号(状态“1”)或者截止振荡器24的信号(状态“0”)而且还具有至少一个状态( )，在所述状态中振荡器的信号以确定的相移传送给相关的天线元件10、12、14、16。
因此，除相应于在图2中示出的周期2并且在其中以同一个振荡器信号馈给两个天线元件10、12的状态以外，例如以下状态也是可能的：在所述状态中振荡器24的信号不变地传送给天线元件10然而以相移传送给天线元件12。由所述两个天线元件发射的信号随后叠加成一个信号，其主辐射方向不同于方位角θ＝0°。因此，根据相位角的选择，分别在至少两个天线元件同时激活的周期中能够实现波束成形。由此能够在方位方面显著地改变和扩宽雷达传感器的“视野”。
应理解，能够以多种方式修改在此描述的实施例。例如替代四个天线元件，雷达传感器也可以具有其他数量的天线元件。除单站的结构方式以外也可以实现双站的结构方式，其中至少一个天线元件仅仅用于发送和至少一个另外的天线元件仅仅用于接收。
对于进行发送的天线元件的控制也可以使用与在图2中示出的不同的激活模式。例如可以同时激活三个或更多个天线元件，以便产生附加的相位中心并且因此产生附加的虚拟的天线元件。天线元件的数量和不同的激活状态的顺序也可以与在图2中示出的模式不同。特别地，当在信号分析处理时得出出现多值性时，也能够仅仅“根据需要”***至少两个天线元件同时激活的周期。

Claims (6)

1.一种角度分辨的雷达传感器，其具有多个天线元件(10、12、14、16)和一个控制与分析处理装置(30)，所述多个天线元件在所述雷达传感器是角度分辨的方向上设置在不同的位置上，所述控制与分析处理装置设计用于以下运行方式：在所述运行方式中所述天线元件(10-16)中的多个天线元件发送信号，所述信号分别由所述天线元件中的多个天线元件接收，并且定位的对象的角度(θ)根据相应于进行发送的天线元件和进行接收的天线元件的不同配置的信号之间的振幅和/或相位关系确定，其特征在于，所述控制与分析处理装置(30)构造用于向所述进行发送的天线元件(10-16)中的多个天线元件同时通过以下方式馈给频率相同的信号(f1-f4)，使得所述信号的共同的相位中心位于两个相邻的天线元件的位置之间。
2.根据权利要求1所述的雷达传感器，其具有单站式的结构方式。
3.根据权利要求1或2所述的FMCW雷达传感器。
4.根据以上权利要求中任一项所述的雷达传感器，其中，相邻的进行发送的天线元件对的间距是彼此不同的。
5.根据以上权利要求中任一项所述的雷达传感器，其中，所述控制与分析处理装置(30)构造用于向所述多个天线元件同时馈给不仅频率相同而且相位相同的信号。
6.根据权利要求1到4中任一项所述的雷达传感器，其中，所述控制与分析处理装置(30)构造用于向所述多个天线元件馈给频率相同的、具有不同相位()的信号，以便如此实现波束成形。
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