CN111226131B - 确定对象在两个维度上的位置的设备和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于确定对象在具有第一维度和其方向矢量正交于所述第一维度的方向矢量的第二维度的二维空间内的位置的设备，所述设备包含：至少一个发射器（1），所述至少一个发射器具有至少一个发射天线（3）；和成像接收电路（2），所述成像接收电路具有至少一个接收天线阵列（Rx阵列），所述至少一个接收天线阵列具有接收天线行（6），用于借助于数字波束成形来扫描所述第一维度，其中所述接收天线阵列具有线性阵列、稀疏阵列或扩展孔径阵列，而且其中所述接收电路（2）的接收天线阵列的接收天线行（6）在所述第一维度上按照曲线函数或者按照二维几何对象的轮廓来线性地布置并且在所述第二维度上展开，以及本发明涉及一种在使用该设备下的方法。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于确定对象在具有第一维度和其方向矢量正交于第一维度的方向矢量的第二维度的二维空间内的位置的设备，该设备包含：至少一个发射器，该至少一个发射器具有至少一个发射天线；和成像接收电路，该成像接收电路具有至少一个接收天线阵列（Rx阵列），该至少一个接收天线阵列具有接收天线行，用于借助于数字波束成形来扫描第一维度。
背景技术
目前，在用于汽车应用的成像雷达传感装置中，使用各种波束旋转方法，所述波束旋转方法可以被分成三种类型。这三种类型是借助于天线的机械运动进行的模拟波束成形、在使用模拟移相器的情况下的波束旋转以及具有“数字波束成形（DigitalBeamforming）”原理的数字波束旋转。在此，需要至少一个发射信道和多个接收信道，而且天线波瓣通过数字化接收信号的相移来成形。通过该技术，在高频前端中的硬件花费被降低到最低限度，而且同时***的可靠性和灵活性提高。还可以使用平板天线，这容许传感器的紧凑的并且成本低廉的结构类型。
在汽车雷达传感器中，已经确立了使用一维数字波束成形（Beamforming）。然而，不利地，该技术不允许反推出对象在二维空间内的位置，而是只允许反推出沿一个维度的定位。
DE 10 2011 113 018 A1描述了多个发射天线的使用，其中通过MIMO-on-TX来使孔径合成地扩展并且能够实现旋转角度的增大。还存在各种用于确定对象在二维空间内的位置的方法，这些方法分别具有各自的优点和缺点。
在使用完全填满的二维阵列时，通过各个行和列可以应用波束成形器并且因此可以借助于CFAR算法来实现二维定位。该架构导致对旁瓣的高抑制并且减少了虚假目标的出现。该架构的缺点由于其复杂结构而得到，该复杂结构明显限制了在汽车应用中的可用性。这种架构的首要应用领域尤其在军事应用中得到。除了密集填满的阵列之外，也使用所谓的“稀疏阵列（Sparse Arrays）”，其中有针对性地省去了二维接收阵列的天线行。在该实现方案中，布线花费有关更低的旁瓣抑制的成本明显降低。还使用具有所谓的振幅单脉冲的不那么复杂的架构。二维波束成形由两个发射天线和一个接收阵列得到，其中所述发射天线具有彼此倾斜的天线方向图。接着，在第二维度上的定位根据天线方向图以及接收信号的振幅比较来得到。然而，该方法具有如下缺点：该方法需要对雷达传感器的复杂的、单独的校准，因为由于在汽车中的安装位置和遮盖的类型而可能发生天线的方向图的部分显著的失真。
使用相位单脉冲来避开该问题，参见DE 10 2014 014 864 A1。在此，该架构类似于在振幅单脉冲的情况下的架构地来建立。然而，在信号处理中，不是分析振幅，而是分析在两个虚拟接收阵列的接收信号之间的相位差。补充于之前描述的方法，还可能的是基于已知的波束特性由Tx和/或Rx天线来实现定位。
在此，不利的是使用一个或替选地多个发射天线以及分别具有多个接收天线行的多个接收天线阵列，这造成了显著的空间和布线花费并且也决定性地影响了***的成本。因而，值得期望的是：在不损失功能性的情况下将接收天线行的数目降低到最低限度。
发明内容
因此，本发明所基于的任务在于：提供一种经改善的用于借助于成像雷达传感器在使用数字波束成形的情况下非接触式地确定一个或多个对象在空间内的位置的设备和方法。
按照本发明，该任务通过如下所述的设备和方法来解决。具体地，根据本发明的一种用于确定对象在具有第一维度和其方向矢量正交于所述第一维度的方向矢量的第二维度的二维空间内的位置的设备，所述设备包含：至少一个发射器，所述至少一个发射器具有至少一个发射天线；和成像接收电路，所述成像接收电路具有至少一个接收天线阵列，所述至少一个接收天线阵列具有接收天线行，用于通过数字波束成形来扫描所述第一维度，其中所述接收天线阵列具有线性阵列、稀疏阵列或扩展孔径阵列，而且其中所述成像接收电路的接收天线阵列的接收天线行在所述第一维度上按照曲线函数或者按照二维几何对象的轮廓来线性地布置并且通过随机函数在所述第二维度上布置，其中在所述第二维度上的离散位置的数目N Pos,2D 通过所述接收天线行的数目按照/>来规定，并且其中在所述第二维度上的离散位置的数目至少为3。
本发明的基本思想在于：接收天线阵列具有线性阵列、稀疏阵列或扩展孔径阵列，其中接收电路的接收天线阵列的接收天线行在第一维度上按照曲线函数或者按照二维几何对象的轮廓来线性地布置并且在第二维度上展开。
在此，本发明的特点在于：用于在低旁瓣的情况下在两个维度上对对象进行定位的数字波束成形是可能的。在该应用中，该低旁瓣能够允许低虚假目标率。
在此，特别有利地，使用在第一维度上线性布置的接收天线阵列装置，使得并不一定需要第二发射天线或替选地第二接收天线阵列来在第二维度上进行定位。所描述的毫米波雷达传感器的应用范围尤其针对汽车应用，据此得到对该传感器的如下要求，所述要求尤其涉及该传感器的尺寸、距离分辨率和在方位角和仰角方面的角度分辨率以及所需的更新速率并且因此涉及单次测量的最大时长。同时，能够实现高可靠性，因为传感装置必须能够短时间内识别出障碍物并且将相关的数据、如这些障碍物的位置和范围提供给汽车。在此，有利的是使用一个或替选地多个发射天线以及分别具有多个接收天线行的多个接收天线阵列，这造成了显著的空间和布线花费并且也决定性地影响了***的成本。因此，目标是：在不损失功能性的情况下将接收天线行的数目尽可能降低到最低限度。
优选地，接收电路的接收天线行在第一维度上作为直线、三角形、锯齿形或者正弦形地来布置。替选地，接收电路的接收天线行在第一维度上作为矩形、圆形或椭圆形地来布置。
有利地，所描述的接收天线阵列（Rx阵列）是线性阵列、稀疏阵列或者是孔径大并且天线任意放置的阵列。在此，各个接收天线行的布置借助于任意的曲线函数、例如直线、三角形、锯齿形、正弦函数或者替选地在任意的二维几何对象的开放或封闭轮廓、诸如矩形、三角形（在开放轮廓下：V形）、圆形（在开放轮廓下：圆弧）或椭圆形上实现，其中分别预先给定第一以及第二维度的取向并且实现阵列在第二维度上的展开。利用所描述的阵列，通过该阵列在第二维度上的展开，在没有其它接收天线阵列的情况下同时获得关于在低旁瓣的情况下对象在二维空间内的定位的信息。
优选地，接收电路的接收天线行相位中心在第二维度上以不规则图案来布置。
因此，接收天线行的展开以不规则图案来实现，而且接收天线行（6）的在第二维度上的不同的离散位置的数目为至少三个，然而优选地为/>，其中总体上使用的接收天线行的数目通过/>来给定。为了简化放置，可以使用随机函数，其中预先给定在第二维度上与平均值的最大偏差的距离。
优选地，接收电路的真实的接收天线阵列（Rx ANT）能通过至少两个可切换的发射天线借助于MIMO-on-Tx（在Tx上的MIMO）被放大成具有数目为个虚拟元件的虚拟接收天线阵列（Rx Virt）。
在此，在第二维度上，发射天线的相位中心相同，或者附加地或替选地，发射天线的相位中心在第二维度上不同，由此在虚拟接收天线阵列（Rx Virt）中构造附加的偏移。
因此，该设备不仅可以被用于具有发射器和单个发射天线的雷达***，而且有利地可以用在具有所谓的MIMO-on-TX的雷达***中。这表示：通过使用至少两个或更多个可切换的发射天线来将真实的接收阵列扩展成虚拟阵列。虚拟元件的数目根据发射天线相对于接收天线的布置而得到。在此，得到发射天线的布置的不同的可能性。首先，这些发射天线可以布置为使得这些发射天线在第二维度上彼此间没有偏移并且因此不造成虚拟接收阵列的附加的展开。然而，替选地或附加地，也可能的是：通过在第二维度上的偏移来将其它发射天线主动用于接收阵列的附加的展开。通过不同的信号处理方法，可以针对该设备实施为硬件变型方案的两个实施方案实现对沿至少一个方向的波束成形的改善。
因此，接收电路的接收天线阵列在使用至少两个可切换的发射天线的情况下借助于MIMO-on-Tx被放大成具有数目为个虚拟元件的虚拟阵列，尤其是在第二维度上在发射天线的相位中心相同的情况下或者在第二维度上在发射天线的相位中心不同的情况下被放大成具有数目为/>个虚拟元件的虚拟阵列，使得在虚拟接收阵列中生成附加的偏移，或者接收电路的接收天线阵列在假定有超过两个发射天线的前提下通过两个变型方案的组合来被放大成具有数目为/>个虚拟元件的虚拟阵列。
除了对在第一维度上的聚焦的改善、也就是说沿主波束方向的更窄的天线波瓣之外，通过对孔径的扩展，也在使用半行SAR的情况下通过对发射天线进行切换来实现对光栅叶片的改善。
在第二维度上的改善通过如下方式得到：通过发射天线在第二维度上的偏移来实现附加的展开，而且因此在该维度上的波束成形导致更窄的波瓣。因此，在第二维度上的偏移的同时数目更多的发射天线可造成在两个维度上的特性的改善。
优选地，所描述的设备适合于在频率调制CW雷达方法中、在数字调制雷达中和/或在脉冲雷达中使用。
优选地，接收天线行的数目为≥ 4。
优选地，该至少一个发射天线和该成像接收电路能在1GHz至300GHz的频率范围内、优选地在20GHz至160GHz的频率范围内、特别优选地在76GHz至81GHz的频率范围内运行。
因而，要通过接收天线的展开来实现的改善的有效性与基本形状无关并且同样与所使用的雷达方法无关。基于在汽车-雷达应用中的应用范围，所描述的设备以及该方法首要被设置用于频带76-81GHz，但是并不限于该频率范围。原则上的可用性在整个厘米和毫米波范围内在1GHz至300GHz的范围内给出，但是并不限于指定频率范围。
按照本发明的用于在使用所描述的设备的情况下确定对象在具有第一维度和第二维度的二维空间内的位置的方法包括如下步骤：
- 利用至少一个发射天线来发射雷达信号；
- 借助于成像接收电路来接收信号，该成像接收电路具有至少一个接收天线阵列（Rx阵列），用于扫描第一维度；
- 将信号数据数字化；
- 执行距离FFT和/或速度FFT和数字波束成形；
- 对象探测和定位。
该方法所基于的用于计算二维目标位置的信号处理在图4中以针对FMCW雷达的示例的信号流图的形式示出。紧接着测量、即对斜坡的发射、接收和数字化，首先借助于距离FFT和速度FFT来为紧接着的数字波束成形奠定基础。首先，在第一维度上例如借助于OSCFAR或峰值搜索功能来进行目标探测，接着在第二维度上基于在之前在第一维度上找到的目标的位置上的FFT数据来进行波束成形。如下文所描述的那样来实现接下来在第二维度上的定位。最后，根据两个波束成形器的组合，计算所谓的距离-速度（Range-Velo）单元的二维数据。
优选地，在第一维度上进行该对象探测而在第二维度上进行该定位。
在第二维度上的目标探测通过数字波束成形经由在该维度上不规则分布的元件来实现，其中所实现的波瓣宽度基本上通过随机分布的标准差来规定。附加地，还可以应用振幅单脉冲。
优选地，在第一维度上的对象探测成功的情况下，紧接着利用针对在第二维度上的多个波束的波束成形来执行定位。
优选地，在第一维度上的对象探测成功的情况下，紧接着利用针对在第二维度上的多个波束的波束成形和振幅单脉冲来执行定位。
优选地，在接收天线阵列的接收天线行按照曲线函数来布置的情况下，紧接着利用基于相位中心的2D波束成形来执行定位。
附图说明
随后，该设备和该方法的实施方式依据附图来进一步阐述，而并不想要以此来限制本发明。
在所描述的实施方式中，该布置可以借助于笛卡尔坐标系来描述，两个维度的方向矢量彼此正交。
在此：
图1示出了具有16个Rx天线和1个Tx天线的前端，其中Rx天线在第二维度上通过rand()*最大偏差来布置；
图2示出了在第二维度上具有通过相位中心在第二维度上的不同定位而引起的3条成形波束的天线模式；
图3示出了在第一维度上针对在表格1中列出的天线位置（第一维度线性地产生，第二维度随机地产生）和针对在第二维度上没有偏差的天线位置的线性阵列的天线方向图；
图4示出了在使用FMCW的情况下的2D定位的信号流图；而
图5示出了具有2个Tx和8个Rx的椭圆形阵列装置。
具体实施方式
图1示出了雷达前端的这种示例性的实现方案，该雷达前端由具有一个发射天线（3）的发射器（1）和具有16个接收天线行（6）的接收电路（2）组成，其中这些接收天线行（6）在一条直线上线性地沿着第一维度取向。在与第一维度正交的第二维度上，借助于随机函数来实现对该阵列的展开。线性阵列的具有在第一维度上的行距为2200μm的所属的位置和在第二维度上的随机确定的位置在表格1中示出：
| 第一维度（μm） | 第二维度（μm） | |
| -1260 | 0 | Rx1 |
| -1620 | 2200 | Rx2 |
| 1490 | 4400 | Rx3 |
| -1650 | 6600 | Rx4 |
| -530 | 8800 | Rx5 |
| 1610 | 11000 | Rx6 |
| 890 | 13200 | Rx7 |
| -190 | 15400 | Rx8 |
| -1830 | 17600 | Rx9 |
| -1860 | 19800 | Rx10 |
| 1370 | 22000 | Rx11 |
| -1880 | 24200 | Rx12 |
| -1830 | 26400 | Rx13 |
| 60 | 28600 | Rx14 |
| -1200 | 30800 | Rx15 |
| 1430 | 33000 | Rx16 |
表格1：在图1中示出的具有天线的在维度1上行距为2200μm的线性布置和在维度2上随机产生的布置的阵列的接收天线行的定位。
图2示出了在第二维度上针对在图1中示出的具有一个发射器和16个发射信道的前端所引起的三条波束。在此，相位中心的位置的展开造成波束的照准方向的角度偏移并且因此也能够实现在第二维度上的分析。在此，该展开与平均值的最大偏差必须被规定为使得在接收行的数目有限的情况下，在第一维度上的波束成形没有决定性地受影响。
图3示范性地示出了在有和没有展开的第二维度的线性阵列的比较中通过数字波束成形来产生的针对0°主波束方向的天线方向图。在此能看出：在第二维度上的展开的影响只是很小地、尤其在旁瓣上表现出该天线方向图。
图4以FMCW雷达为例以信号流图的形式示出了用于计算二维目标位置的信号处理。紧接着测量、即对斜坡的发射、接收和数字化，首先借助于距离FFT和速度FFT来为紧接着的数字波束成形奠定基础。首先，在第一维度上例如借助于OSCFAR或峰值搜索功能来进行目标探测，接着在第二维度上基于在之前在第一维度上找到的目标的位置上的FFT数据来进行波束成形。如上文所描述的那样来实现接下来在第二维度上的定位。最后，根据两个波束成形器的组合，计算所谓的距离-速度（Range-Velo）单元的二维数据。
在图5中示出了基于天线的椭圆形布置的MIMO-on-TX雷达***的示例性布置。在所示出的装置中，八个接收天线行（6）的相位中心处在椭圆形的轮廓上的所示出的布置下，该椭圆形通过其与角度相关的半径r来描述：
，
其中该椭圆形的最大半径通过a来规定而该椭圆形的最小半径通过b来规定。在此，在所示出的布置下，该半径形成第一维度，其中将随机分布应用于角度，该角度因此是第二维度。MIMO-on-TX借助于两个可切换的发射天线（3）来实现，所述两个可切换的发射天线放置在关于椭圆形的不同的位置。
附图标记：
1 发射器
2 接收电路
3 发射天线
4 相位中心
5 行距
6 接收天线行
7 照准方向（档案1）
8 第二维度的方向特性（档案1）
9 照准方向（档案2）
10 第二维度的方向特性（档案2）
11 照准方向（档案3）
12 第二维度的方向特性（档案3）
13 旁瓣
Claims (13)
1.一种用于确定对象在具有第一维度和其方向矢量正交于所述第一维度的方向矢量的第二维度的二维空间内的位置的设备，所述设备包含：
至少一个发射器（1），所述至少一个发射器具有至少一个发射天线（3）；和
成像接收电路（2），所述成像接收电路具有至少一个接收天线阵列，所述至少一个接收天线阵列具有接收天线行（6），用于通过数字波束成形来扫描所述第一维度，其中所述接收天线阵列具有线性阵列、稀疏阵列或扩展孔径阵列，而且其中
所述成像接收电路（2）的接收天线阵列的接收天线行（6）在所述第一维度上按照曲线函数或者按照二维几何对象的轮廓来线性地布置并且通过随机函数在所述第二维度上布置，其中在所述第二维度上的离散位置的数目N Pos,2D 通过所述接收天线行的数目按照/>来规定，并且其中在所述第二维度上的离散位置的数目至少为3。
2.根据权利要求1所述的设备，其中所述成像接收电路（2）的接收天线行（6）在所述第一维度上作为直线、三角形、锯齿形或者正弦形地来布置，或者其中所述成像接收电路（2）的接收天线行（6）在所述第一维度上作为矩形、圆形或椭圆形地来布置。
3.根据权利要求1所述的设备，其中所述成像接收电路（2）的接收天线行（6）的相位中心（4）在所述第二维度上以不规则图案来布置。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的设备，其中所述成像接收电路（2）的接收天线阵列（Rx ANT）能通过至少两个可切换的发射天线（3）经多输入多输出（MIMO-on-Tx）被放大成具有数目为个虚拟元件的虚拟接收天线阵列。
5.根据权利要求4所述的设备，其中在所述第二维度上，所述发射天线（3）的相位中心（4）相同，或者其中
在所述第二维度上，所述发射天线（3）的相位中心（4）不同，而且在所述虚拟接收天线阵列中构造附加的偏移。
6.根据权利要求1至3中任一项所述的设备，所述设备用于在频率调制CW雷达方法中、在数字调制雷达中和/或在脉冲雷达中使用。
7.根据权利要求1至3中任一项所述的设备，其中接收天线行（6）的数目至少为4。
8.根据权利要求1至3中任一项所述的设备，其中所述至少一个发射天线（3）和所述成像接收电路（2）能在1GHz至300GHz的频率范围内运行。
9.一种用于在使用根据权利要求1-8中任一项所述的设备的情况下确定对象在具有第一维度和第二维度的二维空间内的位置的方法，所述方法具有如下步骤：
- 利用至少一个发射天线（3）来发射雷达信号；
- 借助于成像接收电路（2）来接收信号，所述成像接收电路具有至少一个接收天线阵列，用于扫描所述第一维度；
- 将信号数据数字化；
- 执行距离快速傅里叶变换和/或速度快速傅里叶变换和数字波束成形；
- 探测和确定所述对象的位置。
10.根据权利要求9所述的方法，其中在所述第一维度上探测所述对象并且在所述第二维度上确定所述对象的位置。
11.根据权利要求9所述的方法，其中在所述第一维度上的对象探测成功的情况下，紧接着利用针对在所述第二维度上的多个波束的波束成形来确定所述对象的位置。
12.根据权利要求9至11中任一项所述的方法，其中在所述第一维度上的所述对象探测成功的情况下，紧接着使用针对在所述第二维度上的多个波束的波束成形和振幅单脉冲来确定所述对象的位置。
13.根据权利要求9至11中任一项所述的方法，其中在所述接收天线阵列的接收天线行（6）按照曲线函数来布置的情况下，紧接着利用基于所述成像接收电路的接收天线行的相位中心（4）的二维波束成形来确定所述对象的位置。
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