CN111065934A - 用于产生调制的连续波雷达信号的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于利用天线装置测量仰角(φE)和/或方位角(φA)的方法，其中，所述天线装置具有‑至少两个发射天线(Tx)，所述各发射天线彼此具有水平的和竖直的距离(dTx、dTy)；‑至少四个接收天线(Rx)，所述各接收天线彼此具有水平的距离(dR)；‑和单片微波电路，其中，通过天线装置的发射天线(Tx)以时分复用的方式发射相同的发射信号，所述发射信号包括相继的、线性频率调制的斜坡，所述时分复用通过交替地衰减由发射天线(Tx)发射的信号来实现，由所述接收天线(Rx)接收发射信号的回波，所述回波向下混合到基带中并且被采样，借助FFT将所述向下混合且被采样的回波变换为2D图像区域，其中，由图像数据确定相位差
Figure DDA0002391020270000011
并且为了补偿由于所述两个发射信号缺少分离而存在的***误差‑在测量相位差
Figure DDA0002391020270000012
之后或‑在测量相位差
Figure DDA0002391020270000013
并且由所测量的相位差计算由于发射信号缺少分离而存在的有误差的方位角(I)或仰角(II)之后，借助补偿确定经误差补偿的仰角和/或经误差补偿的方位角。

Description

用于产生调制的连续波雷达信号的方法和装置
技术领域
本发明涉及一种具有权利要求1的前序部分的特征的方法。
背景技术
从现代的机动车中，无法再放弃用于识别在近程和远程区域中的障碍物或其他交通参与者的雷达传感器。对于多种应用，如交叉路口辅助、车道转换辅助、后方交通警报等也必需的是，识别在交通空间中的对象、例如其他车辆、行人、建筑物、标志等。本领域技术人员谈到对象初始化、对象验证和输入到所谓的对象列表中的相关对象的选择。根据对象列表(相关的反射)发生对象初始化，借助合适的调制模式来探测所述反射。
由文献、例如论文“用于连续波雷达的波形设计(Waveform Design forContinuous Wave Radars)”，Matthias Kronauge,ISBN 978-3-95404-775-8,2014已知利用线性频率调制的连续波雷达(LFMCW)、即借助快速相继的斜坡信号(在所述文献中称为快速啁啾(fast chirps)、迅速啁啾(rapid chirps)、迅速啁啾序列(rapid chirpsequence))来确定要探测的对象的目标参数。所述目标参数基本上是相对速度、距离、方位角和仰角。
借助一些附图更详细地阐明现有技术。图中：
图1示出典型的线性频率调制的连续波雷达信号；
图2以示意图示出典型的天线装置，以及
图3示出在没有补偿的情况下仰角和方位角的***误差。
在按照利用线性频率调制的连续波雷达的方法确定对象或目标参数时，在持续时间T1的测量周期之内，依次发出持续时间
Figure BDA0002391020250000011
的数量为N的频率斜坡信号(参见图1)。在此，频率斜坡信号的发射频率在传输带宽B之内线性改变(线性的频率调制)。随后，在时间段T2-T1中对由在时间T1中同时接收的回波获得的数据进行处理，从而整个周期是持续时间T2。
如果借助雷达信号识别出要探测的目标，则创建目标列表并且将其传送给目标跟踪方法(追踪，Tracking)，所述目标跟踪方法基于该目标列表生成对象列表。
本申请人的77GHz-LFMCW雷达具有两个或三个发射天线和四个接收天线。在图2中示出77GHz-LFMCW雷达的框图。
所述各接收天线沿x方向等距地间隔开距离dR地设置。各发射天线不仅具有沿x方向的距离dTx而且具有沿y方向的距离dTy并且以时分复用(相同信号的交替的、时间错开的发射)的方式工作。
在接收天线中接收反射信号、亦即雷达回波。通过每个接收天线提供一个接收信号，所述接收信号首先在连接在接收天线下游的接收机中与发射信号向下混合到基带中并且对所述接收信号采样。每个向下混合的且经采样的接收信号在时刻T1存储在MxN矩阵中(M是每个斜坡信号的采样值，N是频率斜坡信号)。回波是相关目标的反射与非期望的目标的反射的叠加，所述非期望的目标的反射在雷达技术中也称为杂波(由于在地面、边缘建筑上的反射和由于下雨等引起的干扰回波)。
在下混合和存储之后，然后将这样存储的2D基带信号变换、通常快速傅立叶变换(FFT)到2D图像区域中，所述2D图像区域通常称作2D频率范围。
因此，在探测之后，对于相关目标得出包括f1(第1维度)和f2(第2维度)的两个基本频率的信号。频率f1仅与目标的距离R有关而频率f2仅与相对速度v有关。
此外，借助在要分析的频率元组的位置上的、配置给所述四个接收天线的2D图像区域的复数值的相位之间的差来确定反射信号的运行时间差并且由此确定方位角。
此外，在一个接收天线的地点上的在配置给所述两个发射天线的2D图像区域的复数值的相位之间的差能基于所述各发射天线的空间上错开的布置结构(dTx、dTy，参见图2)实现仰角的测量。
这样查明的原始目标参数(与附加信息、例如信号电平和所生成的值的可靠性一起)形成所谓的原始目标，由所述原始目标在另一个处理阶段中借助追踪算法可以形成对象或目标。
本申请人的将来的77GHz雷达传感器的组件实现仰角测量。此外，这样的测量的优点在于，将各对象在仰角方向上分开(例如在桥下的汽车)、通过投影到x-z平面上来校正距离测量(例如更准确的边缘建筑探测)、以及在侧向区域中更精确地测量方位角(尤其是对于后方交叉交通警报(RCTA)、亦即对后面的横向交通的探测是需要的)。
利用第一发射天线Tx1的测量对于在一个测量周期之内的每个探测出的原始目标提供在各接收天线之间的(平均的)相位差
Figure BDA0002391020250000035
所述相位差不仅与目标/对象的方位角、而且与其仰角有关。因此，在包括发射天线的***中，在方位角测量中、尤其是在检测区域的边缘上(RCTA区域)产生误差。
利用第二发射天线Tx2的测量对于在一个测量周期之内的每个探测出的原始目标提供在一个接收天线的地点上的在所述两个发射天线之间的相位差
Figure BDA0002391020250000031
所述相位差由目标/对象位置和发射天线的几何布置结构得出。
在使用这些测量
Figure BDA0002391020250000032
的情况下能够如下计算仰角(值dTx、dTy、dR通过天线装置给出，值k是电磁波的波数)：
Figure BDA0002391020250000033
其中，k表示电磁波的波数。
接着，由利用仰角φE校正的相位得出方位角：
Figure BDA0002391020250000034
为了改善信号噪声比，可以在按照等式(1)分析之前对在四个接收天线上测量的、在各发射天线之间的相位差取平均(6dB SNR增益)以用于估算仰角。
通过等式(1)和(2)对仰角和方位角的准确的计算要求精确地分离各发射信号。如已经提到的那样，在本申请人的77GHz雷达传感器中通过以时分复用的方式发射来进行所述分离。
然而，所使用的单片微波电路(MMIC)不允许发射天线的直接切换，而是仅允许“非期望地”将发射信号衰减大约20dB。所述期望的和所述一个或多个非期望的发射信号的相干叠加导致相位失真并且因此导致所述两个角度的有误差的测量(参见图3)。
除了仰角测量，借助所述两个发射天线也应该实现不仅在方位角方向上、而且在仰角方向上的数字波束成形，以便取得与情况相关的定向作用。在运行时间期间改变传感器的辐照区域能够实现主波瓣的与应用相关的聚束、例如在远场中在仰角方向上的强烈聚束(例如以便在行驶时发现在道路或高速公路上迎面来的或在前行驶的车辆)，或在近场中的微弱聚束(例如以便在停入或退出停车位时在不同的方向上发现障碍物)。
聚束的强度可以借助衰减系数来控制，所述衰减系数相对于第一发射天线的发射信号的幅值衰减第二发射天线的发射信号的幅值。因此，发射天线的直接切换(这利用所使用的MMIC无法进行)在数字波束成形中甚至是非期望的。
即使在借助所述发射天线中的一个发射天线的发射信号的衰减来进行数字波束成形的情况下，由于所述两个发射信号缺少精确的在接收侧的分离而无法通过等式(1)和(2)准确地计算仰角和方位角。因此，基于各发射天线的通过波束成形引起的耦合无法进行所述分离。因此，即使在波束成形的情况下，两个发射信号的相干叠加也导致相位失真并且因此导致两个角度的有误差的测量。
图3中示例性地对于天线距离
Figure BDA0002391020250000041
和衰减20dB示出可预料的角度误差。因为在该仿真中忽略了噪声过程，所以放弃对相位取平均。误差的准确的变化曲线与衰减和各发射天线的几何布置结构有关。
根据目标的位置，不仅在仰角方向上、而且在方位角方向上可能出现直至15°的测量误差。探测到±60°的反射具有大约4°的误差。基于这样的测量误差，按意义几乎不可能的是，开头所描述的在仰角方向上的目标的分离和距离校正。
发明内容
因此，本发明的问题在于，这样改善用于查明方位角和仰角的方法，使得所述方法即使在由于所选择的MMIC或在波束成形时存在对所述两个发射信号缺少的精确的分离的情况下，也提供关于方位角和仰角的足够可靠的消息。
该问题通过按照权利要求1所述的方法解决。根据按照本发明的方法，为了补偿由于所述两个发射信号缺少精确的分离而存在的***误差，
—在测量相位差之后或
—在测量相位差并且由所测量的相位差来计算由于发射信号缺少分离而存在的有误差的方位角或仰角之后，
借助补偿来确定经误差补偿的仰角和/或经误差补偿的方位角。
借助先验知识来实施所述补偿。所述先验知识可以按照不同的方式实施，以便可以实施按照本发明的方法。
先验知识例如可以以保存在存储器中的值的形式来实现。所述值可以形成查找表。
也可能的是，所述先验知识以一个等式或多个等式的形式实现，所述等式用于计算经补偿的仰角和/或方位角。此外，所述先验知识可以包含在所述等式的系数中。
可能的是，所述相位差是一个或多个补偿等式的变量。也可能的是，所述相位差是用于在查找表中查询补偿值的输入参量。
同样可能的是，所述相位差首先被考虑用于例如借助等式(1)和(2)来计算有误差的仰角和/或有误差的方位角。于是，所述一个或多个有误差的角度可以是用于计算一个或多个补偿值的等式的变量和/或用于在查找表中查询补偿值的输入参量。
附图说明
可以通过多种方法来实施所述补偿。由本发明人准确地研究了所述方法中的一些方法。借助接下来的各附图来阐明更详细研究的方法。
图中：
图4示出实际的仰角与有误差的仰角
Figure BDA0002391020250000061
和有误差的方位角
Figure BDA0002391020250000062
的相关性；
图5示出在按照本发明的第二方法中对于不同步幅的平均的校正误差；
图6示出根据按照本发明的第三方法的近似的精确度与系数的量化和多项式的阶数的相关性，以及
图7a至7c示出在根据按照本发明的第一方法的补偿中的***的估算误差。
具体实施方式
1.按照本发明的第一方法
按照第一方法，迭代地减少方位角和/或仰角的误差。
在所述迭代的方法的第一步骤中，由测量值
Figure BDA0002391020250000063
通过天线装置给出的值dTx，dR，dTy和电磁波的波数k借助以上等式(1)和(2)确定有误差的未补偿的第一方位角
Figure BDA0002391020250000064
和第一仰角
Figure BDA0002391020250000065
然后，借助先验知识查明第一补偿值
Figure BDA0002391020250000066
通过计算或通过从存储器中读取来进行所述第一补偿值的查明，在所述存储器中可以保存有查找表。
然后，利用补偿值
Figure BDA0002391020250000067
用以下等式计算经补偿的第一仰角
Figure BDA00023910202500000611
Figure BDA0002391020250000069
然后，由从等式(2)中推导出的如下等式确定所属的经补偿的方位角
Figure BDA00023910202500000610
Figure BDA0002391020250000071
利用第一补偿值补偿的仰角和借此计算的经补偿的第一方位角还总是有误差的。它们可以用作用于第二补偿步骤的输入参量，在所述第二补偿步骤中，通过第二计算或对存储器的第二读取来确定第二补偿值。
然后，利用所述第二补偿值可以在使用等式(4)的情况下计算经补偿的第二仰角。然后，通过应用等式(5)得出经补偿的第二方位角。可以跟随进一步的补偿步骤。
所述方法可以迭代地继续，直至误差这样最小化，即进一步处理经补偿的方位角和仰角是按意义可行的。
在研究中已证明，两次迭代已经足够用于尽量补偿由于发射天线的耦合的***估算误差。这在图7a至7c中示出。
2.按照本发明的第二方法
按照第二方法，首先由所测量的相位差借助等式(1)和(2)计算有误差的仰角和有误差的方位角。读取这些有误差的参量作为用于从存储器中读取补偿的仰角的输入参量，在所述存储器中可以保存有查找表。然后，借助补偿的仰角和等式(2)确定补偿的方位角。
从中可以读取经补偿的仰角的查找表以测量为基础。为此借助强反射器例如可以对围绕天线装置的空间尽可能精细地采样，即，反射器在两次采样之间在高度(仰角)或平面(方位角)上移动了一角度值。由在此测量的相位差
Figure BDA0002391020250000072
借助等式(1)和(2)计算基于测量的、有误差的仰角
Figure BDA0002391020250000073
和方位角
Figure BDA0002391020250000074
可以给这些有误差的角度唯一地关联测量装置的实际的仰角。然后，将有误差的仰角
Figure BDA0002391020250000075
和有误差的方位角
Figure BDA0002391020250000076
与实际的仰角的关联保存在查找表中。
在图4中图形化示出实际的仰角与有误差的仰角
Figure BDA0002391020250000077
和有误差的方位角
Figure BDA0002391020250000078
的相关性。
如果之后基于相位差
Figure BDA0002391020250000079
的测量得出有误差的仰角
Figure BDA00023910202500000710
和方位角
Figure BDA0002391020250000081
则可以从保存在存储器中的查找表读取实际的仰角。然后，借助等式(2)可以确定实际的方位角。
例如在所谓的EOL校准期间可以对于每个天线装置实施用于确定查找表的测量。于是，所述测量独立于生产和构件公差。不过于是需要高的校准耗费。
备选地，也可以在天线装置的抽样中进行测量，然后将其结果转用给所有天线装置。
在图4中图形化示出查找表。
在仰角方向上的单值性范围(Eindeutigkeitsbereich)选择为到+/-30°、亦即60°。在图4中可看出，在对置的象限中存在对称。这可以用于减少存储耗费。因为这样生成的表只包含离散的值，所以通过插值、例如通过线性插值进行在中间位置上的校正值的确定。
尽管利用了对称性总还是需要大的存储器，以便以足够的精确度保存查找表。
如果假定在方位角和仰角方向上的角度分辨率(步幅)例如为1°并且对所述值进行16位量化、即每值2位，则在对于仰角的角度范围为+/-30°和对于方位角角度范围为+/-90°的情况下得出180*60/2*2Byte＝'10.8kByte的存储器需求。如果将分辨率从1°减少到5°，则以精确度为代价可以将存储器需求减少到432Byte。在图5中示出对于不同的步幅的平均的校正误差。
3.按照本发明的第三方法
在第三方法中，通过多项式来近似实际的仰角与有误差的仰角
Figure BDA0002391020250000082
和有误差的方位角
Figure BDA0002391020250000083
的相关性，所述相关性如在图4中图形化示出。可以将通过该近似获得的系数保存在存储器中。这通常在设置天线装置时一次性地进行。这些系数和多项式形成先验知识，所述先验知识在所述第三方法中用于补偿误差。
已证明，系数的确定的精确度(尤其是量化)和为近似所选择的多项式的阶数对近似的质量有大的影响(参见图6)。为了实现足够准确的近似，本发明人提出用于多项式的所述两个变量(即在所述两个角方向上)的5阶多项式以及所述系数的32位量化。这意味着，用32位存储21个系数。这得出大约48Byte(21*4Byte)的存储器需求。与具有5°角度分辨率的第二方法相比，存储器需求减少了大约90％。然而，这成为对于每个原始目标提高计算耗费的负担，因为在该情况中对于每个原始目标必须分析5阶的多项式，这导致70个乘法和20个加法。
附图标记列表
Rx 接收天线
Tx 发射天线
dR 接收天线沿x方向的距离
dTx 发射天线沿x方向的距离
dTy 发射天线沿y方向的距离
HF 高频电路
Figure BDA0002391020250000091
相位差
Figure BDA0002391020250000092
有误差的仰角
Figure BDA0002391020250000093
有误差的方位角
Figure BDA0002391020250000094
未补偿的仰角
Figure BDA0002391020250000095
未补偿的方位角
Figure BDA0002391020250000096
经补偿的仰角
Figure BDA0002391020250000097
经补偿的方位角

Claims (10)

1.利用天线装置测量仰角(φE)和/或方位角(φA)的方法，
其中，所述天线装置具有
—至少两个发射天线(Tx)，所述各发射天线彼此具有水平的和竖直的距离(dTx、dTy)，
—至少四个接收天线(Rx)，所述各接收天线彼此具有水平的距离(dR)，
—和单片微波电路，
其中，通过天线装置的发射天线(Tx)以时分复用的方式发射相同的发射信号，所述发射信号包括相继的、线性频率调制的斜坡信号，所述时分复用通过交替地衰减由发射天线(Tx)发出的信号来实现，
由所述接收天线(Rx)接收发射信号的回波，所述回波向下混合到基带中并且被采样，借助FFT将所述经向下混合且被采样的回波变换到2D图像区域中，
由图像数据确定相位差
Figure FDA0002391020240000011
其特征在于，
为了补偿由于所述两个发射信号缺少分离而存在的***误差，
—在测量相位差
Figure FDA0002391020240000012
之后或
—在测量相位差
Figure FDA0002391020240000013
并且由所测量的相位差计算由于发射信号缺少分离而存在的有误差的方位角
Figure FDA0002391020240000014
或仰角
Figure FDA0002391020240000015
Figure FDA0002391020240000016
之后，
借助补偿确定经误差补偿的仰角和/或经误差补偿的方位角。
2.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，所述补偿利用关于***误差或其作用的先验知识。
3.按照权利要求2所述的方法，其特征在于，所述先验知识以保存在存储器中的值的形式来实现。
4.按照权利要求3所述的方法，其特征在于，将所述值记录在查找表中，从所述查找表中读取这些值以用于补偿。
5.按照权利要求2所述的方法，其特征在于，所述先验知识以一个等式或多个等式的形式实现，所述等式用于计算经补偿的仰角和/或方位角。
6.按照权利要求5所述的方法，其特征在于，所述先验知识此外包含在所述一个等式或多个等式的系数中。
7.按照权利要求5所述的方法，其特征在于，所述相位差
Figure FDA0002391020240000021
Figure FDA0002391020240000022
是一个或多个等式的变量。
8.按照权利要求3或4所述的方法，其特征在于，所述相位差
Figure FDA0002391020240000026
Figure FDA0002391020240000023
是用于在查找表中查询补偿值的输入参量。
9.按照权利要求2所述的方法，其特征在于，所述相位差
Figure FDA0002391020240000025
Figure FDA0002391020240000024
首先被考虑用于计算有误差的仰角和/或有误差的方位角。
10.按照权利要求9所述的方法，其特征在于，所述一个或多个有误差的角度是用于计算一个或多个补偿值的等式的变量和/或用于在查找表中查询补偿值的输入参量。
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