CN110431436B - 求取至少一个目标的径向相对加速度的方法和雷达设备 - Google Patents

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Abstract

公开一种用于借助雷达波求取目标或对象的加速度的方法。在第一步骤中，通过至少一个发送设备发送至少一个雷达发送信号。接收由目标所反射的至少一个雷达接收信号，并且随后将所述雷达接收信号传输给分析处理单元。分析处理单元将所述雷达接收信号转换为数字测量值并且用于进一步处理所述数字测量值。在另一步骤中，对所述数字测量值进行二维傅立叶变换。根据最终所得的幅度谱或距离‑速度谱，基于峰值探测至少一个目标反射。基于距离‑速度谱，求取目标与发送设备的至少一个距离、目标相对于所述发送设备的至少一个径向速度和至少一个横向速度。随后确定至少一个目标相对于所述发送设备的取向的至少一个角度。基于对距离、径向速度和角度的确定或计算，分离出对于估计而言分别重要相关的信号分量。对于实际目标或对象的至少一个目标反射，在执行傅里叶逆变换之后，由剩余的重新变换的测量值近似地计算至少一个径向加速度。此外还公开一种雷达设备。

Description

求取至少一个目标的径向相对加速度的方法和雷达设备
技术领域
本发明涉及一种用于借助雷达波求取目标的加速度的方法，本发明还涉及一种用于执行该方法的设备。
背景技术
可以在不同的车辆中使用雷达传感器或雷达设备来定位障碍物或其他车辆。由此，能够实现例如在有碰撞危险的情况下自动地触发制动过程。此外能够实现：受雷达支持地(例如通过自适应巡航控制)来辅助驾驶员保持车道或保持与前方行驶的车辆的距离。尤其在机动车领域中，雷达设备也可以用于识别视野死角中的对象并且例如警告驾驶员提防发生碰撞。
在雷达设备中通过至少一个发送设备发送经调制的发送信号。所述发送信号由位于发送范围内的对象反射。由接收设备记录并且随后分析处理所反射的信号或接收信号。例如对于FMCW(调频连续波)雷达设备而言，通过调制发送信号，可以除距离之外还确定对象的相对速度。在此，在发送信号与被分析处理的接收信号之间存在频率差或延迟。例如，在DE 10 2012 220 879 A1中描述一种用于确定相对速度的相应方法。
发明内容
本发明所基于的任务可以视为提供一种雷达设备和一种方法，该方法能够借助雷达波实现雷达设备与目标之间的距离的确定、目标的相对速度的确定以及目标的加速度的求取。
该任务借助独立权利要求的相应主题来解决。本发明的有利构型分别是从属权利要求的主题。
根据本发明的一方面，提供一种借助雷达波求取目标或对象的加速度的方法。在第一步骤中，通过至少一个发送设备发送至少一个雷达发送信号。接收由目标所反射的至少一个雷达接收信号，并且随后将所述至少一个雷达接收信号传输给分析处理单元。分析处理单元将雷达接收信号转换成数字测量值，并且该分析处理单元用于进一步处理该数字测量值。在另一步骤中，对数字测量值进行二维傅立叶变换。由最终所得的幅度谱或距离-速度谱，根据峰值探测或选择至少一个目标反射。基于距离-速度谱，求取目标与发送设备的至少一个距离以及目标相对于发送设备的至少一个径向速度。随后，确定至少一个目标相对于发送设备的取向的至少一个角度以及至少一个横向速度。基于距离、径向速度和角度的确定或计算，除了恰好应对其估计加速度的目标反射之外，排除所有其他的目标反射。对于实际目标或对象的至少一个目标反射，在执行傅里叶逆变换之后，由剩余的重新变换的测量值近似地计算出至少一个径向加速度。
因此，可以在附加地考虑至少一个目标相对于雷达设备的横向速度或速度的横向分量的情况下确定至少一个目标的径向加速度。因此，可以将目标的所求取的径向加速度作为附加信息提供用于随后的追踪、聚类、目标分类等。可以避免：在追踪时，从测量到测量的反射位置的错误分配对加速度估计产生影响。相对径向加速度的附加信息例如可以优化自动紧急制动功能。在此重要相关的例如是：目标加速远离还是减速远离具有雷达设备的车辆。与在同一方向上同时加速相比，由于前方行驶车辆的制动而可能将情况评估为更紧急的。通过附加地测量或估计目标相对于发送设备的角度，可以在使用数字测量数据时至少部分地排除假目标(Geisterziele)。也可以以单独的测量序列的形式或者通过附加的测量设备执行为此所需的测量。优选地，取决于该方法的应用，对距离-速度谱中的目标反射的至少一个峰值进行探测或选择。如果例如将该方法用于制动辅助***，则前方行驶的目标尤其是重要相关的。相反，当在自适应巡航控制中使用该方法时，横向定位的对象或车辆也是重要相关的。在此，峰值的选择不局限于提到的用于进行说明的示例。
根据一种实施例，可以通过至少一个发送设备和/或通过附加的接收设备接收所反射的至少一个雷达接收信号。由此，发送设备既可以发送雷达发送信号形式的雷达波，也可以接收雷达接收信号形式的所反射的雷达波。由此，可以更紧凑地实施发送设备。
根据另一实施例，通过屏蔽或通过开窗(Fensterung)使至少一个目标反射与其他目标反射分离。在此，在距离-速度谱中，可以将不属于当前对其估计加速度的相应目标反射的峰值(或峰和值)置于0。以这种方式，还可以滤除不唯一明确的或有错误的干扰反射或假目标。因此，对数字测量值的进一步处理被限于实际目标的数字测量值。
根据另一实施例，通过估计至少一个峰值的位置和复值幅度来重构至少一个目标反射。由此，例如可以借助插值法对峰值进行近似，并且例如可以通过函数来模拟属于峰值的信号。因此，可以简化对数字测量值的进一步处理，并且基于所模拟的函数执行该进一步处理。
根据另一实施例，通过对至少一个雷达发送信号的传播时间测量来确定至少一个真实目标与发送设备的至少一个距离。在此，该方法例如可以具有***的测量序列，该测量序列仅仅用于距离测量。由此，可以简化地求取至目标的距离。这既可以借助雷达设备也可以借助附加的距离测量装置来实现。
根据另一实施例，通过由至少两个所反射的雷达接收信号的计算来确定至少一个目标相对于发送设备的至少一个速度。在此，可以使用附加的测量序列，根据多个按时间顺序进行的距离测量来求取径向和横向的相对速度。替代地，为此可以额外使用附加的雷达设备、视频测量设备或激光测量设备。
根据本发明的另一方面提供一种雷达设备，该雷达设备具有：用于发送至少一个雷达发送信号的至少一个发送设备、用于接收至少一个所反射的雷达接收信号的至少一个接收设备、用于将雷达接收信号转换成数字测量值并且用于处理该数字测量值的分析处理单元。在此，基于通过分析处理单元对如下值的确定或计算来排除除了当前对其估计加速度的目标反射之外的所有目标反射：发送设备与目标的距离、目标相对于发送设备的径向速度以及发送设备的取向与目标之间的角度。此外，分析处理单元可以基于针对真实目标的目标反射所处理的数据，在执行傅里叶逆变换之后由经变换的测量值近似地计算出径向加速度。由此，雷达设备尤其可以用于改善机动车领域中的辅助功能。这种雷达设备也可以作为激光雷达(光探测和测距)设备或者基于超声实现。
根据一种实施例，通过分析处理单元能够基于硬件地和/或基于软件地进一步处理数字测量值。在此，根据应用情况，分析处理单元可以以软件的形式(例如在数字信号处理器内或微控制器内)和/或以硬件的形式实施。基于硬件地，分析处理单元例如可以作为集成电路或现场可编程门阵列实现。
附图说明
以下基于高度简化的示意图详细阐释本发明的优选实施例。在此示出：
图1示出根据第一实施例的雷达设备的示意图；
图2示出根据第一实施例的方法的流程；
图3示出用于选择目标的峰值的流程；
图4示出根据第一实施例的方法的示意性距离-速度谱，该距离速度谱相应于图3中的细节A；
图5a-b示出一些重要相关的矢量和变量的概览；
图6示出作为根据第一实施例的方法的一个步骤的用于估计径向加速度的示意图。
在附图中，相同的结构元件分别具有相同的附图标记。
具体实施方式
图1示出根据第一实施例的雷达设备1。通过发送设备2发射作为斜坡形调频的雷达发送信号的多个雷达波。发送设备2由发送器3和发送天线7构成。发送器3操控发送天线7。根据该实施例，使用快速线性调频调制。在未示出的测量区间T测量期间，发送M个短波调频的斜坡形雷达发送信号。在此，雷达发送信号彼此具有时间间隔Trr并且具有相应的持续时间T调制。斜坡彼此间的时间间隔Trr与斜坡的或斜坡形调频的雷达发送信号的持续时间具有相同的数量级。这种时间间隔Trr可以稍微大于或小于斜坡持续时间。斜坡也可以是在时间上不等距布置的。雷达波或雷达发送信号在目标4处被反射。例如，存在于雷达设备1的探测区域中的目标4可以是机动车、人员、立柱、护栏、不同材料之间的过渡部以及类似物。雷达发送信号在反射过程之后变为雷达接收信号。随后，可以由接收设备6接收雷达接收信号。在此，雷达接收设备6由接收器模块5和接收天线9构成。接收器模块5处理由接收天线9所接收的反射雷达波或信号。雷达接收信号在延迟时间τ之后才到达接收设备6。将由接收设备6所测量的并随后预处理(例如解调、放大、滤波)的信号传输给分析处理单元8，在该分析处理单元中可以进一步处理雷达接收信号。箭头说明雷达波从发送设备2经由目标4处的反射而到达接收设备6的过程。
在图2中示出根据第一实施例的方法10的简化流程。在接收到雷达接收信号之后，将雷达接收信号传输给分析处理单元8。除发送设备2和接收设备6之外，主要通过分析处理单元8执行方法10。在分析处理单元8中，将所接收的反射雷达接收信号转换成数字测量值11。在下一步骤12中，通过二维离散傅里叶变换将测量值变换为距离-速度谱。为此，此外还在多普勒方向或速度方向上沿着单个斜坡的对应值执行傅里叶变换。图4示例性地示出距离-速度谱。在另一步骤13中，探测距离-速度谱中的峰值。在此，所述峰值对应于实际的或真实的目标4或者表示假目标或干扰，这些假目标或干扰无法被分配给真实的目标或对象。物理目标4还可能具有多个单个目标反射或峰值。随后，在另一步骤14中，求取接收设备(6)与发送设备2的至少一个距离r以及接收设备相对于至少一个目标4的至少一个相对径向速度。在此，还求取目标4相对于接收设备(6)和发送设备2的横向速度vq。随后，确定15目标4相对于接收设备(6)和发送设备2的取向的至少一个角度α。如果雷达设备1具有带有多个发送信道2和/或接收信道6的天线，则可以在目标反射4的方位角方向或仰角方向上执行角度估计，并且因此可以在空间中执行3D目标位置的确定。为此，在探测13之前，针对发送信道与接收信道的每个组合单独地实施第一信号处理步骤11、12。根据各个信道的组合谱，随后执行探测13、参数估计14和角度估计15。基于对距离14、径向速度14和角度15的估计，可以排除目标并且选择或分离16用于加速度估计的实际目标4的目标反射。在下一步骤17中，对分别选择的目标反射或峰值的分离出的测量信号进行傅立叶逆变换，并且随后由经变换的测量值近似地计算18径向加速度ar。可以针对其他的目标反射以相同的方式重复对加速度的所述分离和计算。在最后的步骤19中，所选的目标反射的径向加速度ar的近似计算的值例如能够用于后续的追踪、聚类、目标分类等。替代地，可以将所求取的数据传输给计算单元，以便能够在相应的辅助功能中将这些所求取的数据考虑在内。
在图3中说明根据步骤16选择实际的或重要相关的目标的峰值的流程。在此，强调在图2中示出的步骤12、16和17。在进行二维离散傅里叶变换之后，在多个接收信道12中针对每个接收信道由数字测量值产生距离-速度谱，该距离-速度谱在图4中放大地示出。在下一步骤中，借助距离r和/或径向速度vr和/或角度α的所估计或所确定的值，选择并分离出16至少一个目标反射。可以得到信号矢量X或者在进行逆DFT(从斜坡至斜坡的值)之后在多普勒方向上得到信号矢量x＝IDFT(X)。基于所选择的目标反射进行随后的步骤17至19。
在下文中详细描述径向加速度ar的一种可能的近似计算。雷达发送信号与雷达接收信号之间的在相应的第m个斜坡时刻的随时间t变化的相位差可以作为径向加速度ar的函数通过以下简化的模型表示：
其中，fc是平均斜坡频率，m是斜坡编号，M是在测量区间T测量内的总斜坡数量，c是光速。在测量区间T测量期间发送M个短波调频的斜坡形雷达发送信号。在此，雷达发送信号彼此具有时间间隔Trr。
借助接收信道对ar和vq的同时估计导致模糊性。因此，横向速度分量vq必须是事先已知的，或者事先以其他方式(例如例如通过追踪方法)估计出该横向速度分量vq。为此，在图5a和图5b中示出矢量关系。在此，目标4在时刻t具有距离r(t)，或者说在发送设备2的第m个斜坡形雷达发送信号期间具有距离rm。当角度是α＝0°时，目标4与发送设备2之间具有最短距离r0。在此，可以将角度α考虑作为方位角或仰角、或者这两者的线性组合。
可以基于以下数学公式确定距离变化的时间平均值
然而这仅适用于横向速度vq≠0m/s的情况。
在横向速度vq＝0m/s时得出
为了估计径向加速度，现在使用在相应斜坡m时刻的雷达接收信号的理论相位位置来计算绝对值的平方|Y(ar)|2，该理论相位位置/>取决于径向加速度ar并且取决于针对当前的反射分离出的并且在多普勒方向上(从斜坡到斜坡的值)经傅里叶逆变换的测量信号矢量x＝IDFT(X)，绝对值的平方|Y(ar)|2的最大值为：
其中，|Y(ar)|是在等距斜坡间隔Trr情况下的归一化傅立叶变换的结果。
为了说明情况，在图6中示出绝对值的平方|Y(ar)|2。在此，绝对值的平方|Y(ar)|2的最大值的位置相应于目标4的径向加速度和径向速度/>的估计值。
在非等距的斜坡间隔的情况下，由巴特利特估计器代替FFT，即，使用斜坡的非等距时刻。
为了提高准确度，可以附加地考虑横向速度vq。于是|Y(ar)|的值为
其中，由相位位置构成的矢量是
存在矢量
以及
在此，rm是在时序m＝0,1,2…M-1至目标的距离；k是波数；是平均目标距离；vq,a是方位角方向上的横向速度，vq,e是仰角方向上的横向速度。
根据所示的数学关系，可以近似地计算或估计径向加速度ar。

Claims (8)

1.一种用于借助雷达波求取目标(4)的加速度的方法(10)，所述方法具有以下步骤：
在测量区间期间，通过至少一个发送设备(2)发送斜坡形调频的雷达发送信号，并且接收由至少一个目标反射的至少一个雷达接收信号，
将所述雷达接收信号传输给分析处理单元(8)，并且将所接收的至少一个雷达接收信号转换(11)成数字测量值，
由所述数字测量值的幅度谱执行二维傅里叶变换(12)，
在幅度谱中，根据峰值探测(13)目标(4)的至少一个目标反射，
确定(14)目标(4)与所述发送设备(2)的至少一个距离、目标(4)相对于所述发送设备(2)的至少一个径向速度和至少一个横向速度，
确定所述至少一个目标(4)相对于所述发送设备(2)的取向的至少一个角度，
其特征在于，
基于对所述距离、相对径向速度和所述角度的确定，对除了应对其估计加速度的、目标(4)的相应目标反射之外的所有其他目标反射和干扰进行抑制，并且针对物理目标(4)的目标反射，在执行傅里叶逆变换(17)之后，由经变换的测量值近似地计算(18)径向加速度。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，通过所述至少一个发送设备(2)和/或通过附加的接收设备(6)接收所反射的雷达接收信号。
3.根据权利要求1至2中任一项所述的方法，其中，通过屏蔽使对其估计加速度的目标反射与所有其他目标反射的以及干扰信号的峰值分离。
4.根据权利要求1至2中任一项所述的方法，其中，通过重构或确定至少一个峰值来对对其估计加速度的目标反射进行近似(13)。
5.根据权利要求1至2中任一项所述的方法，其中，通过所述至少一个雷达发送信号的传播时间测量和相对于至少一个目标(4)的至少一个相对径向速度来求取至少一个真实目标(4)与所述发送设备(2)的至少一个距离。
6.根据权利要求1至2中任一项所述的方法，其中，通过由至少两个所反射的雷达接收信号的计算来确定真实目标(4)相对于所述发送设备(2)的至少一个相对横向速度。
7.一种雷达设备(1)，所述雷达设备用于执行根据以上权利要求中任一项所述的方法(10)，所述雷达设备具有用于发送雷达发送信号的至少一个发送设备(2)、用于接收所反射的雷达接收信号的至少一个接收设备(6)、用于将所述雷达接收信号转换(11)成数字测量值并且用于处理所述数字测量值的分析处理单元(8)。
8.根据权利要求7所述的雷达设备，其中，通过所述分析处理单元(8)能够基于硬件地和/或基于软件地进一步处理所述数字测量值。
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