CN101273281B - 车辆雷达方法和车辆雷达系统 - Google Patents

Abstract

提供了一种FMCW雷达方法，其中车辆的雷达系统(10)发射和接收雷达波，并且其中根据在所发射的与所接收的雷达波之间的频率偏移来确定对象(16)距车辆的距离，以及根据接收到的雷达波的相位位置来确定对象的速度。该方法的特色在于，在第一时间段(T_A，T_B)中对车辆周围环境(36)的至少一个第一分区(A，B)中的对象实施该方法，而在第二时间段(T_C，T_D，T_E，T_F，T_G)中对周围环境(36)的至少一个第二分区(C，D，E，F，G)中的对象确定距离而不确定速度。

Description

车辆雷达方法和车辆雷达系统

本发明涉及一种FMCW雷达方法(FMCW＝frequency modulatedcontinuous wave调频连续波)，其中车辆的雷达系统发射和接收雷达波，并且根据所发射的和所接收的雷达波之间的频率偏移来确定对象距车辆的距离，以及根据接收到的雷达波的相位位置来确定对象的速度。

此外，本发明还涉及一种车辆雷达系统，该系统实施这种方法。

在DE 196 10 970 A1中分别公开了这种方法和这种雷达系统。通常，在FMCW雷达中，所发射的雷达波的频率根据预先给定的模型在时间上周期地变化。对象上所反射的雷达波在通过雷达系统接收时经过两倍的对象距离，并且以与此成比例的时延又到达雷达系统。

由于要发射的雷达波的频率在该时延期间变化了，所以在确定时刻在雷达系统中传播的发射信号和接收信号具有频率差d_f(r)，该频率差与对象距离r和发射频率变化的方式有关。在时间上线性的变化并且对象相对于雷达系统静止的情况下，d_f(r)直接与对象距离成比例。在以相对速度v做相对运动的情况下，附加地产生频率的与速度有关的多普勒偏移，该偏移的符号与速度的方向有关并且与发射频率变化的符号有关。

为了确定频率差，通常将发射信号与接收信号混合成中频信号，该中频信号因此在频率差的模中具有频谱信号分量，并且在更高的频率中具有另外的分量。通过低通滤波，较高频率的分量被分离，并且所保留的反映与传播时间有关的和与速度有关的频率偏移的信号被频谱分析。

根据DE 196 10 970 A1，对于发射频率的周期性增大，基本上根据与距离有关的并与速度有关的频率偏移的和得到频率值(谱线)，而对于发射频率的周期性减小，根据所述频率偏移的差得到频率值。通过对这些频率值求平均值或者求差，可以单独地确定与距离有关的和与速度有关的频率偏移。由此在这种分析时，根据中频信号的频率最终不仅确定了距离而且确定了速度。然而这要求谱线与对象的唯一的相关性，这在多个反射对象处于近似距离的情况下并不那么容易。

为了能够即使在多个对象的情况下也能确定对象各自的距离和速度，开头所述的DE 196 10 970 A1建议了，根据中频信号的频率导出距离而根据中频信号的相位信息导出速度。根据DE 196 10 970 A1获得了中频信号的幅角，即中频信号的相位、尤其是与距离有关的项。由于在雷达系统与对象之间存在相对运动的情况下，在发射频率变化的两个周期之间距离微小变化，所以中频信号的相位中的与距离有关的项也变化。从在发射频率变化的至少两个周期期间相位变化的程度，可以根据DE 196 10 970 A1推断出相对速度。在此，相位信息分别从中频信号的傅立叶变换的相位来获得。为了获得两个相位值，因此对每个对象必须经过发射信号的变换的两个周期，并且对每个周期必须进行一次傅立叶变换。

在车辆中，使用雷达系统用于监控行驶环境，其中可以考虑如下应用：停车辅助、死角监视、变道辅助、开门辅助、用于安全气囊触发的事故预测(撞击预警侦测，pre-crash-sensing)、安全带绷紧、安全带转动杆激活(Ueberrollbuegel-Aktivierung)、启/停运行或者具有距离监视和/或距离调节的行驶运行(巡航控制辅助)。

在某些交通情况下，例如在多车道上交通拥堵的情况下，在车辆周围会存在多个对象。在此，不同的对象可以具有相似的距离，但速度不同。按照对象的位置和速度，驾驶员和/或行驶辅助系统会对自己的车道和行驶速度的选择得出不同的结论。在计划改变到某一行驶车道上时，必须估计在比较大的角度范围中的其他车辆的位置和速度，以避免碰撞。为了检测靠近和远离该车辆的尾部的车辆、在侧向周围的车辆以及在行驶方向上靠近或者远离的车辆，角度范围具有180°的量级。因此，整个位置和速度的准确检测需要一定的时间。由于相邻对象的速度通常不同，所以车辆周围的整体情况相对快速明显地变化。因此，对车辆雷达系统，需要高信息更新率(update Raten)。

与要求单个对象的速度的尽可能好的分辨率不同，对高信息更新率的需求与在大的角度范围中的可能的多个对象有关。

根据该背景技术，本发明的任务在于给出一种车辆雷达系统的雷达方法，该雷达系统以高更新率和单个对象的距离和速度的良好分辨率为驾驶辅助系统或者驾驶员提供关于在车辆周围中的对象的、对于避免碰撞重要的信息。

该任务在上面所述类型的雷达方法中通过以下方式来解决：在第一时间段对在车辆周围环境的至少第一分区中的对象实施该方法，并且在第二时间段确定周围环境的至少第二分区中的对象的距离，而不确定速度。

原则上可由随第一车辆一起运动的雷达系统确定的速度始终为相对速度。这些相对速度说明了第一车辆与其他车辆或者对象径向距离改变得多快。在不同的车道上的不同车辆可以沿着该方向以差别显著的速度运动。与第一车辆的行驶方向平行地或者反平行地会产生显著不同的径向相对速度，而对于位于第一车辆旁边的另一车辆的(径向)相对速度通常大约为零。后一情况因此表示了一个分区的例子，在该分区中距离信息或者是否究竟有对象位于第一车辆旁边的信息就足够了。

由于本发明区分第一分区与第二分区，所以减少了在时间段中要处理的信息的数量，这使得信号处理变得容易。这样，例如处于相同距离但不同角度位置的对象可以被更容易地识别为不同的对象。

然而，顺序地扫描不同的分区的缺点是，在扫描其他分区之后才更新来自确定的分区的信息。原则上，这会导致更新率不希望的降低。此外关于更新率不利的是，在前面所述的FMCW雷达方法中的速度的确定比距离的确定更耗时。总之，完全检测所有对象的速度与将车辆周围环境划分成要顺序扫描的分区的结合因此导致更新率不再适于车辆应用。

本发明通过以下方式来避免上述缺点：仅在第一分区中进行耗时的速度确定。由于速度仅在所述至少第一分区中被检测，所以雷达方法可以在第一和第二分区中不同地被优化。这种不同的优化是从属权利要求的主题。

因此，优选的是，所发射的雷达波的频率被周期地调制，对于第一数量的周期确定相位，而对于第二数量的调制周期确定频率偏差。

周期的数量表示了优化参数，该优化参数影响了时间段的长度。时间段的长度随着周期的数量而上升。基于第一数量的周期的速度的确定和基于第二数量的周期的距离的确定在第一数量不等于第二数量的前提条件下导致第一周期与第二周期的长度的差。

对于高分辨的和精确的速度确定，原则上比距离确定需要更大数量的周期。因此，也优选的是，第一数量大于第二数量。

此外，优选的是，第一数量大于或者等于16而第二数量等于1。

已经表明，这些数量能够实现在彼此相对的、对高更新率的需求与尽可能高的距离和速度分辨率之间的良好折衷。

另一优选的扩展方案的特征在于第一数量等于32。

原则上，不同对象的速度分辨率随着第一数量的值上升而被改进。另一方面，因此又降低了更新率。数量32因此可以理解为折衷，该折衷在合理的更新率的情况下提供了进一步改进的分辨率。

也优选的是，借助第一傅立叶变换来确定距离，第一傅立叶变换被应用于发射信号与接收信号的低通滤波的混合乘积(Mischungsprodukt)，以及借助第二傅立叶变换来确定速度，第二傅立叶变换应用于多个第一傅立叶变换的结果的相位位置。

在此，相位位置可以理解为根据其可以确定在接收器上所反射的雷达信号的相位的任意值。第一傅立叶变换的结果通常是复数，该复数众所周知地可以通过模和相位表征成矢量图。就此而言，在本申请中，相位位置根据上下文可以理解为复数或者其幅角(Winkelargument)。

第一傅立叶变换提供了频率偏移，这些频率偏移还用作对象的距离的尺度。第二傅立叶变换的意义例如通过以下方式来阐明：相位位置在矢量图中表示为矢量位置(zeigerstellung)。在多个对象的情况下，得到对应多个矢量。在该图中，作为所有矢量的转动频率形式的傅立叶变换的结果，第二傅立叶变换提供了所有所探求的速度。矢量的转动频率反映了相位的各个改变并且由此反映了对象的位置或距离。

另一扩展方案设计为，不同的对象通过其距离和/或速度彼此区分。

通过确定通常不同的速度以及其与确定对象的相关性，也可以将通过单纯的距离确定还未被分辨的对象彼此区分。

在实际实验中已表明，所发射的雷达波的调制的、小于半个毫秒(ms)的周期时间提供了在对高更新率的需求与高的速度分辨率之间的良好折衷。

也优选的是，各个分区覆盖雷达系统的相关的检测区，并且第一分区的数量小于第二分区的数量。

通过相关，避免了检测区中的死角。第一分区的数量越小，则更新率就越大。该扩展方案因此优化了更新率。

考虑到雷达系统的扩展方案，优选的是，该雷达系统实施该方法的优选扩展方案中的至少一种。

从说明书和附图中得到其他优点。

应理解的是，上面所述的和下面还要阐述的特征不仅可以分别如所说明的组合地使用，而且也可以以其他组合或者单独地使用，而未脱离本发明的范围。

附图说明

本发明的实施例表示在附图中并且在接下来的说明中更为详细地予以阐述。其中分别以示意性的形式：

图1示出了根据本发明的雷达系统的方框电路图；

图2示出了在实施根据本发明的方法的情况下发射信号的时间曲线；

图3示出了接收信号的第一傅立叶变换的幅度谱和相位谱；以及

图4示出了多个第一傅立叶变换的结果的实部，如在根据本发明的方法的实施例中所记录和分析的那样。

图1详细地示出了车辆的雷达系统10，该雷达系统根据FMCW原理工作。信号发生器12产生具有被周期性调制的频率的发射信号。这些发射信号通过发射天线装置14以雷达波的形式被发射。被对象16所反射的、朝雷达系统10回传的雷达波被接收天线装置18转换成电接收信号。混合器20将这些接收信号与发射信号混合(其中这些发射信号也被导向发射天线14)。如前面所阐述的那样，混合乘积含有差频和相位位置的信号分量，其中原则上根据它们可以确定对象的距离和速度。该差频对应于发射信号与接收信号之间的频率偏移，并且相应地小于发射信号的频率。

在低通滤波器22中，在通过模/数转换器24将保留的信号离散化并且以离散化的形式在数字信号处理器26中进一步处理之前，分离具有比差频更高的频率的信号分量。显示设备28向驾驶员显示进一步处理的结果。控制器30使数字信号处理器26、信号发生器12和天线电路32和/或天线电路34的激活同步，其中该天线电路32用于控制发射天线装置14，天线电路34用于控制接收天线装置18。

在一种扩展方案中，发射天线装置14被控制，使得其相继照射车辆的周围环境36的不同的分区A、B、C、D、E、F、G。通常，对此发射天线装置14的天线波瓣根据相控阵原理以电子方式摆动。接收天线装置18在这样的情况下可以具有宽的接收特征，整个周围环境36被以其覆盖。替换地或者补充地，其他扩展方案可以与宽的天线波瓣结合地实现窄的接收角度范围。在任何情况下，进行发射天线装置14和/或接收天线装置18的控制，使得位于周围环境36的不同分区B、G中的对象16、37时间上彼此分开地被检测。在确定的时刻从中接收和处理雷达信号的区域以下也称作活动区。

天线装置14和18在一种扩展方案中左边侧向设置在车辆的尾部上，该车辆在用箭头38表示的行驶方向上运动。通过雷达系统分区周期扫描的周围环境36因此例如在180°量级的、例如由行驶方向38与其反向行驶方向所夹的角度上延伸。在图1的扩展方案中，周围环境36等距地分成七个分区A、B、C、D、E、F、G。然而应理解的是，该划分不是必须是等距的，并且也可以具有更多或更少的分区。在任何情况下重要的是，在第一时间段对车辆周围环境的至少一个第一分区中的对象实施通过其驱动雷达系统10的雷达方法，以及在第二时间段中确定在周围环境的至少一个第二分区中的对象的距离，但不确定速度。

在图1的扩展方案中，分区A和B在这种情况下为第一分区，而其余分区C、D、E、F和G为第二分区。在分区D的情况中，其他车辆的径向速度通常可以忽略。然而在计划变道时，重要的是确定那里究竟是否存在对象。这基本上也适于分区C和E。分区F和G在驾驶员的视野内，使得在那里同样可以省去通过雷达系统10来确定速度。

另一方面，尤其是例如在打算变道时，重要的是识别另一车辆的速度和距离，其中该另一车辆在驾驶员的视野外从后面接近并且由雷达系统10在分区A或者B中被检测到。因此，在此进行更复杂的速度确定，而对所有在第一分区A、B和第二分区C、D、E、F和G中的对象确定距离。然而应理解的是，分区A至G与第一和第二分区的这种关系并非必须如此，而是也可以进行其他划分。

图2示出了与在周围环境36的顺序扫描的循环中在此所进行的发射信号的频率的调制相结合的、天线装置14和/或18的控制的区别。发射信号的频率f在该扩展方案中周期性地分别斜坡状地增大到上限值f_0并且随后阶梯状地回落到下限值f_u。单个频率斜坡40也称作线性调频脉冲(chirp)。

平行于所得到的发射信号的频率的曲线42，进行天线装置14和/或18的控制，使得在第一数量n_1个的频率调制的周期(n_1个线性调频脉冲)上延伸的第一时间段T_A期间，确定在第一分区A中的对象的距离和速度。随后相应地在另外的第一时间段T_B期间确定在另外的第一分区B中的对象的距离和速度。

相反，对第二时间段T_C、T_D、T_E、T_F和T_G进行天线装置14和/或18的控制，使得分别在在曲线40中的第二数量n_2个周期之后切换到周围环境36中的另一部分，并且在这些部分中分别仅确定对象距离，但不确定速度。第二数量n_2小于第一数量n_1并且优选值为1(如也在图2中所示的那样)。相反，第一数量n_1的值优选大于16并且例如具有值32。不同于图2的所示，也可以以分区A、B、C、...的另一顺序进行切换。

距离可以至少近似地已经根据线性调频脉冲40被确定。原则上，要分析的在发射信号与接收信号之间的频率偏移与对象的距离和速度有关。调制的带宽越小且调制进行越缓慢，则距离相关性越小。在消失的调制的极端情况下，当仅以一频率连续发射时，接收信号的频率除了由于与速度相关的多普勒效应引起的偏移之外对应于发射频率。相反，如果快速且在大的带宽上进行频率调制，则距离对频率偏移的影响占优势。

在一种扩展方案中，每个线性调频脉冲40都由256微秒内所经过的24.05GHz至24.35GHz的频率斜坡构成。由此，线性调频脉冲足够短且足够陡，使得出发点可以是占优势的距离相关性。当多个对象反射的雷达波从不同的距离达到接收天线装置时，接收信号相应地具有多个差频分量。

接收信号的分析在图1中的数字信号处理器26中通过处理AD转换器24的离散值的输出信号序列s来进行。对于发射信号的每个线性调频脉冲40，得到相关的输出信号序列。对于每个被检测的对象，输出信号序列包含由该对象反射产生的信号分量。该信号分量具有(可时间相关地变化的)频率和距离相关的相位位置。后者如下得到：即距离通常不是雷达波的波长的整数倍数。

数字信号处理器26形成实际扫描值的该输出信号序列s的第一傅立叶变换S。众所周知，通常复数的傅立叶变换S具有模谱(或者幅度谱)和相位谱。

图3a示出了幅度谱44的例子，而图3b示出了接收信号的第一傅立叶变换S的所属相位谱46的例子。

模谱44说明了，用何种相对权重A代表在接收信号中的确定的频率。在第一傅立叶变换的复数结果值的矢量图中，矢量的长度对应于相对权重A。权重A因此关于频率f进行绘制。如果作为例子观察两个处于不同距离的反射对象的情况，则在两个频率f_48、f_50处得到了峰值48、50。处于较小距离的对象的信号在接收天线18处比较弱，这以其峰值48的较小的幅值反映在模谱44中。

同样在图中，在相位谱46中关于频率f绘制了信号分量的相位位置ψ_48、ψ_50，即所属复矢量的角度位置。在此，相位位置ψ_48、ψ_50分别分配给其信号分量的频率f_48、f_50。

根据线性调频脉冲的第一傅立叶变换S的幅度谱，确定了在活动分区中检测到的所有对象的距离。这不仅适用于第一分区而且适用于第二分区。频率偏移与光速以及调制的周期时间的乘积被除以调制的带宽和因数2而得到距离。

与此相对，仅仅在第一分区中确定速度。为了确定对象的速度，对第一分区n_1，经过彼此相继的具有指标i的线性调频脉冲(i＝1，2，...，n_1)，而对任意线性调频脉冲，确定并且存储实输出信号序列si的傅立叶变换Si及其相位谱。在此，相位谱理解为包含相位信息的值的任意谱。相位谱因此尤其也可以是第一傅立叶变换的复数结果的谱。此外，反射的对象的距离根据至少一个幅度谱来确定，该幅度谱为此被分析。

如果雷达系统10和对象相对于彼此运动，则所属的接收信号分量的相位逐线性调频脉冲地改变。相位改变反映在傅立叶变换的相位中，并且由此反映在其相位谱中。对于任意线性调频脉冲，得到另一相位谱。

图4示意性地示出了由两个对象在八个线性调频脉冲中被反射的信号的第一傅立叶变换的结果的可能的实部Re。在此，实部分别关于频率f和时间(分别为线性调频脉冲的编号P_1至P_8)而被绘出。在频率f_48、f_50处绘制的实部分别属于一个对象。在所属的复数的矢量图中，每个实部都表示复矢量到实轴的投影。在复矢量的恒定角速度的情况下得到谐振荡。该角速度是对时域中的相对对象速度的度量，并且在车辆雷达系统中可以至少近似视为恒定的。实部的周期变化的周期时间尤其对应于雷达系统10与对象之间的距离改变了雷达辐射的半个波长的时间。如从图4可得知，其距离通过频率f_48来表征的对象的周期时间大于在频率f_50处的周期时间。时域中的更小的速度结果得到更大的周期时间。

在大约24GHz的雷达频率的情况下，波长大约1.25cm。在例如90Km/h的相对速度的情况下，距离大约每25微秒改变半个波长，使得得到大约40KHz的相变频率。

该相变频率产生第二傅立叶变换的结果(具体而言：幅度谱或者模谱)，第二傅立叶变换被应用于所属对象的第一傅立叶变换的所属复结果值或者离散相位值。第二傅立叶变换同样通过数字信号处理器28根据已知的快速傅立叶变换(FFT)的方法来计算。类似地，作为另一第二傅立叶变换的结果，得到对于各另外的对象的相应的相变频率。替代分离地计算多个第二傅立叶变换，也可以通过二维傅立叶变换来计算所寻求的相变频率。

Claims (11)

1.一种使用FMCW雷达确定距离和速度的方法，其中车辆的雷达系统(10)发射和接收雷达波，并且其中根据所发射的雷达波与所接收的雷达波之间的频率偏移来确定对象(16)距车辆的距离，以及根据接收到的雷达波的相位位置来确定对象的速度，其特征在于，在第一时间段(T_A，T_B)中对车辆周围环境(36)的第一分区(A，B)中的至少一个中的对象确定距离和速度，而在第二时间段(T_C，T_D，T_E，T_F，T_G)中对周围环境(36)的第二分区(C，D，E，F，G)中的至少一个中的对象确定距离而不确定速度。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所发射的雷达波的频率被周期性地调制，对第一数量(n_1)的周期确定相位位置，而对第二数量(n_2)的调制周期确定频率偏移。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，第二数量(n_2)小于第一数量(n_1)。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，第二数量(n_2)等于1而第一数量(n_1)大于或者等于16。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，第一数量(n_1)等于32。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其特征在于，借助第一傅立叶变换来确定距离，第一傅立叶变换应用于发射信号和接收信号的被低通滤波的混合乘积，以及借助至少一个第二傅立叶变换确定速度，第二傅立叶变换应用于第一傅立叶变换的结果的相位位置。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，不同的对象通过其距离和/或速度来彼此区分。

8.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所发射的雷达波的调制的周期时间小于半个毫秒。

9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，各个分区覆盖雷达系统的相关的检测区，并且第一分区的数量小于第二分区的数量。

10.一种车辆的雷达系统(10)，该雷达系统(10)发射和接收雷达波，并且根据所发射的雷达波与所接收的雷达波之间的频率偏移来确定对象距车辆的距离，以及根据接收到的雷达波的相位位置来确定对象的速度，其特征在于，雷达系统(10)在第一时间段(T_A，T_B)中确定在车辆周围环境(36)的第一分区(A，B)中的至少一个中的对象的距离和速度，而在第二时间段(T_C，T_D，T_E，T_F，T_G)中对周围环境(36)的第二分区(C，D，E，F，G)中的至少一个中的对象确定距离而不确定速度。

11.根据权利要求10所述的雷达系统(10)，其特征在于，执行根据权利要求2至9所述的方法中的任一种。

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