CN100354648C - 用于多元静态近距离雷达测量的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种对目标进行距离测量的多元静态传感器装置，其具有发送单元(Tn)和接收单元(Rm)，它们分别具有高频振荡器(HFO-Tn，HFO-Rm)和脉冲发生器(PG-Tn，PG-Rm)。可给这些脉冲发生器(PG-Tn，PG-Rm)供给来自信号发生器的时钟信号(TS，RS)，其中这些时钟信号(TS，RS)可通过一条共同的数据总线(B)传输给发送单元(Tn)和接收单元(Rm)，由此可产生来自这些高频振荡器(HFO-Tn，HFO-Rm)的高频信号的确定的相位关系。

Description

用于多元静态近距离雷达测量的方法和装置
技术领域
本发明涉及用于多元静态近距离雷达测量的方法和装置。
背景技术
用于构建和操作脉冲雷达传感器的方法和装置已经以多种形式存在，并且长期以来已由例如文献[1]、[2]和[3]所公开。脉冲雷达传感器在工业测量技术中被使用作为填充水平传感器，在汽车中被使用作为停车辅助器或近距离传感器以便避免碰撞、反映环境以及对独立的汽车以及例如机器人和输送装置的输送系统进行导航。通常，脉冲雷达传感器在所述的应用领域中以典型的200ps至2ns的脉冲长度在大约1GHz至100GHz的中心频率处工作。由于大的测量带宽，这种传感器一段时间以来被称为超宽频带(UWB)雷达。对于几乎所有的脉冲雷达传感器来说共同的是：它们的测量信号具有这样大的带宽，使得这些信号不能用通常的技术直接进行接收并进行处理。出于这种原因，几乎所有的已知系统都使用所谓的连续(sequentielle)采样系统。在这种连续采样原理中，测量信号在多个测量周期上通过采样时刻的偏移连续地被采样，这种采样原理已从以前的数字扫描示波器所公知。
针对脉冲雷达的电路技术的解决方案已例如由上述的现有技术所公开。该现有技术描述了一种具有确定的重复频率CLK-Tx( Cloc k-Transmission)的发送脉冲，该发送脉冲被发送，并且所反射的接收信号用具有重复频率为CLK-Rx( Cloc k- Reception)的采样器进行采样。如果发送序列的频率与采样序列的频率轻微地不同，则这两个序列在它们的相位上缓慢地相互偏移。这种采样时刻相对于发送时刻的缓慢的相对偏移引起连续的采样过程。
图1示出了根据上述类型工作的脉冲雷达的一个已知的实施形式。在发送单元中，发送节拍发生器AT产生一个时钟频率CLK-Tx，脉冲发生器BT以该时钟频率周期性地产生短的电压脉冲。接着，利用这些短脉冲接通高频振荡器CT，并且在接通持续期间产生高频振荡，该高频振荡作为发送信号DT通过天线ET被发送出去。在接收支路或接收单元中，以相应的元件AR、BR和CR构建同样的脉冲发生器链。来自振荡器CR的脉冲信号被送到一个混频器M上，该混频器由此也作为采样器起作用，因为从另一侧还给该混频器提供接收信号DR。发送支路的发送信号DT的、在一个物体O处发射的并作为接收信号DR又返回到达接收天线ER的信号分量通过混频器M与来自低频基带CR的信号进行混频。由此产生的采样脉冲序列通过一个带通滤波器BPF进行平滑并这样最终产生测量信号LFS(即Low Frequency Signal)。
为了达到测量信号的良好的信噪比，起决定作用的是，振荡器CT和CR在一个序列中的所有脉冲上彼此具有确定的、即不是随机的相位关系。由CT和CR所产生的脉冲的这种确定的关系不能轻而易举地实现，因为CT和CR彼此分离地工作。然而当接通脉冲发生器BT和BR的脉冲信号这样被获得使得它们产生位于高频振荡器CT和CR的频带中的高次谐波时，产生确定的关系。这些高次谐波导致，振荡器CT和CR在接通时不是随机地起振，而是与信号BT和BR的高次谐波相关联地被接通。因为脉冲发生器BT和BR的信号和高次谐波在每个接通过程中总是相同的，所以CT和CR总是分别以一个表示特征的固定的起始相位起振，即它们的信号彼此具有通过发送信号序列和采样信号序列预给定的、确定的相位关系和时间关系。
用于保证发送脉冲和采样脉冲的确定的关系的方法已由现有技术所公开，其中通常使用单个的持续工作的固定频率振荡器，由该固定频率振荡器借助于开关导出所需的脉冲。还公开了：代替分离的天线、例如ET和ER，同样可使用共同的天线来发送和接收，其中发送信号和接收信号例如通过定向耦合器来彼此分开。
但是在许多应用中优选的是，利用雷达传感器不仅可以一维地测量距离，而且可以使目标情景多维地成像。为了进行例如三维的情景成像和同时确定到目标的精确距离，或者移动传感器或者其测量方向并在不同地点或在不同方向上执行相继的测量，和/或使用具有多个在空间上分布的传感器的系统。这样的系统例如由文献[4]以概念“多元静态传感器系统”公开。在具有多个在空间上分布的发送器和接收器的多元静态系统中，有利的是：发送器之一分别发送一个信号，该信号在目标情景处被反射，然后被所有的接收器检测到。但是在这样的装置及其运行方式中产生这样的缺点，即在空间上分布的发送支路和接收支路通常只能非常费事地这样彼此耦合，使得它们的高频信号源的相位彼此具有确定的关系。
如上所述，确定的相位关系是实现好的信噪比的基本前提条件。然而，从共同的源中导出高频信号以及在空间上分布在高频线路上特别是对于商业应用来说是有缺点的，因为这将导致很高的成本和所传输的信号的信号衰减以及耗散。出于类似的原因，在通常情况下，排除用于耦合多个振荡器的相位控制回路。
发明内容
因此，本发明的任务在于提供一种成本低的多元静态装置和一种方法，利用该装置和该方法可实现精确的距离测量。
该任务通过相应的技术方案的特征来解决。
用于对目标进行距离测量的多元静态传感器装置具有发送单元Tn和接收单元Rm，它们分别具有至少一个高频振荡器HFO-Tn、HFO-Rm和至少一个脉冲发生器PG-Tn、PG-Rm。可为这些脉冲发生器PG-Tn、PG-Rm提供来自信号发生器的时钟信号TS、RS，其中这些时钟信号TS、RS可通过一条共同的数据总线B传输给发送单元Tn和接收单元Rm，由此可产生来自这些高频振荡器HFO-Tn、HFO-Rm的高频信号的确定的相位关系。
这里，这些时钟信号具有由节拍发生器的状态已知的固定的频率关系。
发送单元Tn的脉冲发生器PG-Tn到数据总线B的连接优选地通过电路Swn实现，这样发送单元的激活可由控制单元来控制。数据总线B到接收单元的连接同样可通过电路实现。
在用于操作上述传感器装置的方法中，两个时钟信号通过一条共同的数据总线B被分别输入发送单元和接收单元中，并且该信号由发送单元向目标发射，由数据总线B获得的并经过接收单元Rm的信号与由目标O反射的接收信号相混合，以便由此产生可求值的测量信号，其中测量信号在距离轴上的标定借助于在共同的数据总线上时钟信号的零点确定来实施，这种零点确定将两个时钟信号的相位通过该数据总线进行比较。
距离轴应被理解为形成距离测量的测量曲线相对于时间的变化的轴。
尤其产生成本优点的是，该装置的孔径元件不必以高频的方式连接。因此，发送单元和接收单元的各个高频振荡器不再必须彼此连接。
附图说明
本发明首先借助下面的实施例来进行详细说明。其中：
图2示出了本发明的多元静态装置，以及
图3示出了根据图2建议的装置在汽车中针对停车辅助功能的应用，以及
图4示出了在所建议的装置中使用的接收单元的结构示意图。
具体实施方式
根据图2的多元静态装置由n个接收单元和m个发送单元构成(分别从R1，T1至Rm，Tn)，它们也被称为接收支路或发送支路。该结构的一个中央元件是数据总线B，根据图1的信号AT和AR在该数据总线上被传输。通过该数据总线还为所有的n和m个发送支路和接收支路提供根据图2的时钟信号RS和TS。利用多路复用器电路Sw1至Swn，可通过控制单元CU分别选择n个发送支路T1至Tn中的一个作为当前有效的发送器。在此，所有的m个接收支路分别可以并行接收。
特别优选的是，多元静态传感器装置具有n个发送单元Tn和m个接收单元Rm，其中n和m分别为大于或等于1的整数，并且这些单元具有
-至少一个高频信号振荡器HFO-Tn、HFO-Rm，
-至少一个脉冲发生器PG-Tn、PG-Rm，
-和至少一个天线ETn、ERm
并且发送单元Tn可被输入由第一时钟源TS产生的时钟信号，以及接收单元Rm具有混频器MIX并且可被输入由第二时钟源RS产生的时钟信号和由接收天线ERm之一所接收的信号，以及这两个单元Tn、Rm与一个控制单元CU连接。在此，脉冲发生器PG-Tn、PG-Rm被连接在一条共同的数据总线B上，由此发送单元及接收单元也可通过数据总线B被供给相应的时钟信号。由于通过数据总线B的共同的时钟信号可实现来自这些单元的高频振荡器HFO-Tn、HFO-Rm的高频信号的确定的相位关系。
下面介绍有利的模块方案，用该模块方案可以特别低的成本实现任意的双元和多元静态脉冲雷达传感器。一个芯片组由2个基本单元构成，即一个发送单元Tn和一个接收单元Rm。这些单元包括以下部件或功能：
-发送单元Tn的构成：一个高频振荡器HFO-Tn；一个脉冲发生器PG-Tn；和必要时一个在天线输出端ETn之前的滤波器HF-FLT(未示出)，它负责使所发送的信号与要使用的许可规定(例如对于美国FCC 15.3)相一致；以及必要时一个集成的陶瓷天线ETn。
-接收单元的构成：一个高频振荡器HFO-Rm；一个脉冲发生器PG-Rm；一个混频器MIX；和必要时一个低噪声放大器；一个间距保持元件；以及必要时一个带通滤波器(未示出)，该带通滤波器被直接连接在混频器之后；以及必要时一个在天线输入端ERm之后的滤波器HF-FLT，它抑制不感兴趣的信号或干扰信号；以及必要时一个集成的陶瓷天线ERm。
在此，用于接收单元和发送单元的时钟源TS和RS优选地由一个共同的控制单元CU来控制。
当然，来自相应单元的发送信号和接收信号可以被编码。
完整的测量方法这样进行，使得首先由控制单元CU选择一个发送单元T1作为有效的发送支路，或者由多路复用器电路Sw通过数据总线B来使该发送单元T1断开。该发送器产生如图1所示的发送信号DT。这些信号例如被目标O发射并利用在说明书引言中所述的连续采样原理由所有的m个接收支路R1至Rm并行接收。接着，针对所有其它的n个发送支路重复同样的测量过程。如果例如所有的发送天线和接收天线ETn和ERm处于不同的位置上，则在n个发送和接收支路的情况下产生n*m个非互易的测量路径，即明显多于在n或m个传统的单元静态雷达传感器或双元静态雷达传感器工作的情况，其中只会产生n或m个测量路径。如果针对一个发送和接收支路分别使用一个共同的天线E，则总还是产生1至n个非互易的测量路径的累积总和(即n+(n-1)+(n-2)+...+1)。发送支路和接收支路的数目在此也可以不同，即n不等于m。
但是对于可实现的测量信息的范围来说重要的是n个发送支路+m个接收支路的总数。这里，数字m和n分别为大于或等于1的任意整数。利用所获得的测量路径，可以以计算的方式例如用已知的三角测量方法或全息照相术算法或层析X射线摄影算法重建二维或三维的目标情景，并且计算到目标的距离。
为了整个传感器装置的最佳运行以及为了实现精确的测量方法，优选地在距离测量时确定零点。该零点是这样的时刻，在其上来自一个发送支路Tn的HFO-Tn和来自一个接收支路Rm的HFO-Rm的信号的边缘彼此精确地同相。“边缘”例如被理解为在信号末端之前的可定义的信号周期数。
有利的是，来自TS和RS的信号之间的相位比较在某一个时刻沿数据总线B发生，因为这里该信号被相移。该偏差可在之后以计算的方式来补偿。用于检测零点的相位比较可利用如图1中用ΔΦ所示的常规的相位比较器、例如借助触发器来进行，其中数据总线的电缆的长度和其空转时间属于测量方法的基本知识。用于相位比较的分析单元可最优地直接连接在数据总线B上或是控制单元CU的组成部分。
该零点此外还可能由于TS和RS的时钟边缘的偏移而被错误地确定，这种偏移可能由于温度和信号线的老化决定的误差而引起。因此在选择数据总线的导线类型的时候特别优选的是，使来自TS和RS的触发信号的边缘在共同的数据总线上保持尽可能相同，该数据总线由于小的时钟频率(典型地为100kHz至10MHz)也可相对简单地实现。与此相反，在较高频率的情况下触发边缘的同步是有问题的，因为高频信号的相移仅仅由于这些信号的很小的起始时间差别或由于数据总线的几何变化而被明显放大。因此较小的时钟频率是有利的。因此数据总线B最好以匹配网络AN结束。由现有技术已知这样的具有大约50欧姆的电阻值的匹配网络。
为了达到该测量方法的更高的精确度，例如来自TS或RS的时钟信号通过数据总线B来回地被传输或至少通过不同长度的路径被传输。与原始时钟信号的比较提供了一个校正量度或一个用于对该测量方法进行标定的值。在此，在每次标定时执行正常的测量过程，即到发送单元的这些电路被接通。同时，时钟信号也可被输入到数据总线系统的两侧或两端。在此情况下，分别进行两次直接彼此相继的距离测量，其中，在第一次测量时该时钟被输入到数据总线的一侧并且在第二次测量时该时钟被输入到数据总线的另一侧。由此在数据总线中产生两个几乎一致的回波轮廓，但是它们相对彼此偏移了一个表示特征的偏差。该偏移的大小和相应的校正值可直接由表示特征的最大值的位置来确定或者也可通过两次距离测量的测量曲线轮廓的相关性来确定。原则上，也可例如这样使用任何其它的时钟供给方案，使得每个发送单元和接收单元配备有自己的时钟源，这些时钟源于是选择性地给数据总线提供时钟。
确定零点的另一种可能性在于，分析通过直接的横向传输(即不通过发射，而直接由发送器传输到接收器)形成的信号。该信号与被反射的信号相比被很强地突出，并因此可容易地进行识别。为了放大这种突出，天线ET和ER可以被这样设计或者定向，使得可实现被突出的横向传输。替代地，可以在发送支路和接收支路之间设置支持横向传输的线路结构。发送器和接收器之间的直接串扰的信号可被简单地并且直接地用于所需零点的标定。
在图3中，根据本发明的装置作为汽车停车雷达被示出。在汽车的保险杆BP中设置了4个雷达传感器1至4。共同的触发、控制及分析单元5给数据总线B提供信号，这些雷达传感器被耦合到该数据总线上。这些雷达传感器的天线被这样设计(参见图2)，使得除了垂直于保险杆的主发射方向y之外还沿横向方向x发射信号能量，以便前述的零点确定能够通过横向传输来进行。如上所述，有利的是，特别是在测量方法的精确度方面在每个雷达传感器1至4中在空间上分离发送天线和接收天线。
为了更精确地构造发送单元或接收单元，执行下面的步骤：
通常在由例如以聚四氟乙烯或环氧基为基础的有机材料制成的印刷电路板上构造高频模块。通常有利的是，高频部件可被制造成尽可能小的单元。由于波长和具有这些材料的结构大小之间的耦合关系，难以实现优选的、小的结构尺寸。这种装置的一个替代方案是在薄层陶瓷上的电路，但是该薄层陶瓷的制造是花费昂贵的。
因此，雷达模块或雷达模块的部件可以特别有利地被实现为LTCC(Low Temperature cofired Ceramic低温共烧陶瓷)模块。由于相对大的介电常数和由于使用了多层技术，可紧凑地实现基于LTCC的高频结构。
LTCC模块的制造成本低而且也适于大量生产。
一个有利的、在此作为接收单元实现的雷达子模块在图4中作为LTCC-HF模块示出。在该LTCC模块R1上例如集成有高频振荡器HFO-R1、用于激励该高频振荡器的脉冲发生器PG-R1以及混频器MIX。
从该LTCC模块R1直到天线ER1的端口只向外输送数字信号或相对低频的信号(也可参见图2 LFS-1至LFS-m)，因此可以毫无问题地并且低成本地将模块R1集成到剩余的电路中。因此如果天线ER1没有被集成到陶瓷中，则极有利的是这样构造该模块，使得它可以直接被安装在片状(Patch)天线或缝隙天线ER1的馈电点上。于是片状天线例如可以被构造为双层的印刷电路板，其中该印刷电路板的正面载有天线结构以及它的背面载有LTCC模块，其中该面还具有所需的馈电线路和接地面。因为LTCC模块很小，因此此外还可以将LTCC模块直接安装在天线的正面上的天线的馈电点上，以及必要时将其嵌入一个保护层或匹配层中，其中这里天线方向图没有受到明显干扰。
具有上述元件的LTCC雷达模块的一个优选结构同样在图4中被示出。在此，HF电路R1由多个层或HF层HFL位置构成。在LTCC衬底的表面上装有不必集成到内层中的元件、例如半导体元件、混频器MIX、高频振荡器HFO-R1或者脉冲发生器PG-R1。作为安装技术，尤其提供本身已知的SMT安装和倒装晶片(Flip-Chip)安装。LTCC模块本身可以利用Ball-Grid或Land-Grid技术BG/LG安装在标准印刷电路板LP上。偏置网络BN与滤波器IF的集成是优选的。
参考文献目录
[1]US专利3,117,317
[2]US专利4,132,991
[3]US专利4,521,778
[4]Vossiek，M；Ermert，H的“An Ultrasonic Sensor Systemfor Location Gauging and Recognition of SmallWorkpieces”；传感器95.7“Internat.Fachmesse mitKongress fuer Sensoren，Messaufnehmer u.Systeme 1995(有传感器、测量接收元件及系统会议的国际专业博览会1995)”

Claims (14)

1.用于对目标进行距离测量的多元静态传感器装置，其具有发送单元(Tn)和接收单元(Rm)，所述发送单元(Tn)和接收单元(Rm)分别具有高频振荡器(HFO-Tn，HFO-Rm)和脉冲发生器(PG-Tn，PG-Rm)，
其中可给所述脉冲发生器(PG-Tn，PG-Rm)供给来自信号发生器的时钟信号(TS，RS)，
其特征在于，所述时钟信号(TS，RS)可通过一条共同的数据总线(B)传输给所述发送单元(Tn)和接收单元(Rm)，由此可产生来自所述高频振荡器(HFO-Tn，HFO-Rm)的高频信号的确定的相位关系。
2.根据权利要求1的传感器装置，其特征在于，所述发送单元和接收单元分别具有天线(ERm，ETn)。
3.根据权利要求1或2的传感器装置，其特征在于，所述接收单元具有混频器(MIX)。
4.根据权利要求1或2的传感器装置，其特征在于，在所述数据总线的不同位置上布置时钟源。
5.根据权利要求4的传感器装置，其特征在于，所述时钟源被布置在所述数据总线的末端。
6.根据权利要求1或2的传感器装置，其特征在于，所述发送单元和接收单元被构造为LTCC-HF模块。
7.根据权利要求3的传感器装置，其特征在于，在所述接收单元中附加地设置有
-在所述混频器(MIX)之前的低噪声放大器和/或
-在所述混频器(MIX)之后的带通滤波器和/或
-在天线输入端之后的高频滤波器和/或
-直接在所述混频器(MIX)之后的采样保持器。
8.用于操作根据权利要求1至7之一的传感器装置的方法，其中，来自时钟源的时钟信号(TS，RS)通过一条共同的数据总线(B)被输入发送单元和/或接收单元(Tn，Rm)中，并且所述信号由发送单元向目标(0)发射，并且由接收单元将所反射的信号(REF)与时钟信号相混合，以便由此产生可分析的测量信号，其中所述时钟信号的标定借助于在信号总线上所述时钟信号的零点确定来实施，所述零点确定将两个时钟信号的相位通过数据总线进行比较。
9.根据权利要求8的方法，其中，相位比较借助在所述数据总线(B)的一个位置上的用于确定所述零点的检验来实施。
10.根据权利要求8或9的方法，其中，所述零点通过两个时钟信号之间的相位比较来实施，所述时钟信号被输入到所述数据总线B的两端。
11.根据权利要求8或9的方法，其中，所述时钟信号的标定通过以下方式来实现，即时钟信号在所述数据总线中通过不同长度的路径来传输，并借助与原始时钟信号的比较来提供一个校正量度。
12.根据权利要求8或9的方法，其中，相位比较借助触发器来进行。
13.根据权利要求8或9的方法，其中，发送单元借助控制单元通过多路复用器电路来激活。
14.根据权利要求8或9的方法，其中，所有的接收单元被激活，使得由目标所反射的接收信号被并行接收。
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