CN101520507B - 低成本近程雷达 - Google Patents

Abstract

一种低成本雷达系统使用单脉冲波束形成来检测道路上的仰角和方位角上的物体。在一个非限制性实施例中，波束形成接收器体系结构包括：第一波束形成装置和耦合到第一波束形成装置的多个天线；以及第二波束形成装置和耦合到第二波束形成装置的多个天线。第一和第二波束形成装置相对于彼此呈90°排列方向，使得第一波束形成装置所提供的接收波束检测方位角上的物体，而第二波束形成装置所提供的接收波束检测仰角上的物体。提供第一开关以便有选择地把来自第一和第二波束形成装置的和图案信号耦合到一条输出线，并且提供第二开关以便有选择地把来自第一和第二波束形成装置的差图案信号耦合到另一条输出线。

Description

低成本近程雷达

相关申请的交叉引用

本申请要求2007年7月20日提交的标题为“低成本近程雷达”的美国临时专利申请No.60/951,131的权益。

技术领域

本发明通常涉及汽车应用的雷达系统，具体涉及汽车应用的低成本雷达系统，它使用包括具有单脉冲波束形成器的接收器的收发器，其中收发器提供方位角以及仰角上的信号处理。

背景技术

已知雷达系统与例如自适应巡航控制(ACC)系统、缓解碰撞和告警系统、自动制动系统等的各种系统结合用于车辆上。雷达系统目前用于车辆上来提供物体检测和告警，并且被研究以便用于车辆上的未来系统，例如ACC系统和防碰撞系统。

对于其中雷达系统需要检测车辆前方的物体、例如提供自动制动或告警以防止碰撞的那些车辆系统来说，必要的是，雷达系统提供方位角方向(左右方向)的物体检测以及仰角方向(上下方向)的物体检测以便顺利操作。迄今为止的一个设计难题是提供一种汽车雷达系统，它成本低，但能够检测所期望的物体而忽略不会干扰车辆行进的某个仰角之上的其它物体、如立交桥、桥梁、悬挂标志等。使用包括移相器和复杂信号处理的若干天线元件的极其复杂且先进的雷达系统，例如相控阵，是本领域已知的，它们可检测和排除某个仰角之上的物体。但是，这类复杂的雷达系统由于其成本和复杂度而通常不适合用于车辆。

现有技术中已经提出提供用于车辆的简单雷达系统，它忽略所有固定的目标，使得系统不处理高架的固定目标。但是，所期望的自适应巡航控制或防碰撞系统需要检测有影响的许多类型的固定物体。还可能限制仰角上的雷达波束的可用范围，使得系统由于仅使用发散波束的有限部分而不会捕获或处理某个仰角之上的物体。但是，在许多这些系统中希望检测道路上车辆前方远处的某些物体。现有技术中还提出提供一种传感器融合，其中，将雷达检测与例如照相机的其它检测装置融合，以便排除某个仰角之上的遍布于道路上的那些物体。然而，这类系统同样极其复杂，并且通常不适合于汽车应用。

发明内容

根据本发明的教导，公开一种低成本雷达系统，它使用单脉冲波束形成来检测道路上的仰角和方位角上的物体。在一个非限制性实施例中，波束形成接收器体系结构包括：第一波束形成装置和耦合到第一波束形成装置的多个天线；以及第二波束形成装置和耦合到第二波束形成装置的多个天线。第一和第二波束形成装置相对于彼此呈90°的排列方向，使得第一波束形成装置所提供的接收波束检测方位角上的物体，而第二波束形成装置所提供的接收波束检测仰角上的物体。提供第一开关以便有选择地把来自第一和第二波束形成装置的和图案信号(sum pattern signal)耦合到一条输出线，并且提供第二开关以便有选择地把来自第一和第二波束形成装置的差图案信号(difference pattern signal)耦合到另一条输出线。这样，与和及差图案输出线连接的单组接收器电子器件可用来获得方位角和仰角信息。在这种布置中，仅需要单个固定发射波束来照射场景。

通过以下结合附图的描述和所附权利要求书，本发明的附加特征将变得非常清楚。

附图说明

图1是雷达接收器的平面示意图，该雷达接收器使用传统的模拟和及差波束形成器利用单脉冲波束形成器的输入信道之间添加的附加相移提供单脉冲和及差波束图案，以便使波束偏离视轴(boresight)；

图2是雷达接收器的平面示意图，该雷达接收器使用数字处理器利用附加相移生成单脉冲和及差波束图案，以便使和及差图案偏离视轴；

图3是根据本发明实施例的雷达系统的接收器体系结构的平面图，该接收器体系结构包括两个波束形成单元，一个用于方位角而一个用于仰角；

图4是根据本发明的另一个实施例的雷达系统的接收器体系结构的平面图，该接收器体系结构包括四个天线和四个波束形成器，用于提供方位角以及仰角上的单脉冲信号处理；

图5是根据本发明的又一个实施例的雷达系统的发射器体系结构的平面图，该发射器体系结构使用用于第一波束的第一天线阵列和用于第二波束的第二天线阵列，它们提供仰角上的物体检测；

图6是根据本发明的另一个实施例的雷达系统的发射器体系结构的平面图，该发射器体系结构包括移相器，用于操纵波束以便提供仰角上的物体检测；以及

图7是根据本发明的又一个实施例的雷达系统的发射器体系结构的平面图，该发射器体系结构包括提供检测仰角上的物体的和及差波束的模拟单脉冲波束形成器。

具体实施方式

本发明实施例的以下论述针对一种用于汽车应用的低成本雷达系统，该低成本雷达系统使用具有简单的单波束发射器的接收器中的单脉冲波束形成器，并提供方位角以及仰角上的物体检测，以下论述实际上只是示范性的，而决不是要限制本发明或其应用或使用。

图1是适用于汽车应用的雷达收发器的接收器体系结构10的框图。对于某些雷达收发器来说，希望将发射器制成简单的发射装置，并将信号处理的复杂度置于接收器体系结构中。接收器体系结构10包括传统的模拟和及差波束形成器12，它提供来自两个天线14和16所接收的接收信号的模拟单脉冲波束形成。根据所需要的天线波束宽度，天线14和16可由一个或多个独立元件组成。将天线14和16所接收的信号分别通过移相器18和20发送至传统的单脉冲波束形成器12，移相器18和20改变接收信号的相位以便通过下面将要详细论述的方式进行单脉冲处理。

雷达单脉冲信号处理包括在天线所接收的信号是同相以及有180°相位差时比较由至少两个天线生成的接收波束。当接收信号被同相结合时，沿通常直接在车辆前方的天线视轴引导接收波束。当信号有180°相位差时，沿天线视轴存在有空值(null)，但在视轴的任一侧，相位差产生波束旁瓣。在相对于接收波束同相结合(和图案)以及异相结合(差图案)的接收波束之间比较由目标接收的信号时，可确定目标相对于视轴的方向。它是信号的相对幅度和相位，给出目标相对于天线视轴的具体方向。通过分离各天线所接收的波束并以0和180度相移将它们结合以便产生和及差图案，传统的波束形成器12能够提供所需的目标单脉冲信号。通过添加来自两个天线的信号之间的附加相对相移，可将和及差图案扫描至偏离视轴角，以便改进偏离视轴目标的角精度。

图2是接收器体系结构24的框图，接收器体系结构24包括数字处理器26以便执行数字域中的单脉冲波束形成和操纵。天线28和30接收信号，所接收的信号分别由下变频器32和34进行下变频。如前面所述，根据所需的天线波束宽度，天线28和30可由多个阵列元件组成。接收信号由模数转换器36和38转换成数字信号，其中将数字信号发送至数字处理器26。处理器26能够使用来自天线28和30的信号执行单脉冲信号处理，以便提供和及差波束，然后将和及差波束进行比较以便识别沿天线28和30的视轴或者其附近的目标。此外，可将来自天线28和30的信号之间的相对相移用于在数字域中使和及差图案偏离视轴。

接收器体系结构10和24提供一种使用单脉冲过程以比传统单脉冲方法更高的精度来检测目标的简单技术，因为可使和及差图案偏离视轴。但是，目标检测方向仅处于单个平面，例如方位角平面。可能需要额外的天线和波束形成器来提供汽车应用所需的、方位角以及仰角上的单脉冲处理。

图3是接收器体系结构46的平面图，接收器体系结构46包括第一天线阵列和波束形成器48以及第二天线阵列和波束形成器50，如上所述，它们基于传统的单脉冲技术、利用附加相移进行操作，以便操纵和及差图案。在这个实施例中，天线阵列和波束形成器48提供方位角方向的单脉冲处理，而天线阵列和波束形成器50提供仰角方向的单脉冲处理。

天线阵列和波束形成器48包括四个天线52、54、56、58以及可以是如上所述类型的模拟波束形成器或数字波束形成器的波束形成器60。天线52和56结合用于形成一个波束，而天线54和58结合用于形成另一个波束，以便提供单脉冲处理的两个波束。天线52和56通过传输线62耦合到波束形成器60，并且天线54和58通过传输线64耦合到波束形成器60。

天线阵列和波束形成器50包括天线68、70、72、74和波束形成器76。天线68和72结合用于形成一个波束，而天线70和74结合用于形成另一个波束，以便提供单脉冲处理的两个波束。天线68和72通过传输线耦合到波束形成器76，并且天线70和74通过传输线80耦合到波束形成器76。

天线阵列和波束形成器48分别在传输线82和传输线84上提供水平平面中的和及差图案的目标信号。同样，天线阵列和波束形成器50分别在传输线86和传输线88上提供垂直平面中的和及差图案的目标信号。根据雷达系统目前正在检测哪一个方向、即是方位角还是仰角，开关90将方位角方向和仰角方向的和波束切换到输出传输线92，而开关94将方位角和仰角方向的差波束切换到输出传输线96。这样，单组单脉冲接收器电子器件可用于利用单个固定发射波束来确定关于目标的方位角以及仰角信息。

图4是雷达系统的天线和波束形成器100的平面图，其中包括四个天线102、104、106、108的阵列和四个波束形成器110、112、114、116。在这个实施例中，通过提供四个波束形成器110、112、114、116，天线102、104、106和108的阵列可使用单脉冲处理来提供方位角以及仰角上的接收波束。天线102和104分别在传输线120和122上向波束形成器110提供目标信号。波束形成器110在传输线124上提供和波束目标信号以及在传输线126上提供差波束目标信号。同样，分别在传输线128和130上将天线106和108所接收的目标信号发送至波束形成器114。波束形成器114在传输线132上提供和波束目标信号以及在传输线134上提供差波束目标信号。将传输线124和132上的和波束信号发送至波束形成器112，它在传输线140上为传输线142上的仰角差波束信号提供和波束信号。同样，将传输线126和134上的差波束信号发送至波束形成器116，它在传输线144上提供方位角差波束信号(波束形成器116的求和端口)。通过使用连接到和波束信号140并在仰角142和方位角144差波束图案之间切换的单组单脉冲接收电子器件，可利用单个固定波束发射器来确定目标的方位角和仰角位置。

图5是发射器体系结构150的平面图，发射器体系结构150提供不同方向上的两个独立波束152和154，以便以两个不同仰角来提供场景照明。在这个实施例中，可使用例如图1或图2所示类型的接收器，该接收器能够结合上述双仰角波束发射器来提供方位角方向的信号的单脉冲处理，以便获得关于目标的方位角以及仰角信息。发射器体系结构150包括生成波束152的第一天线以及生成波束154的第二天线。发射器156包括沿传输线162设置的多个平面天线元件160，其中天线元件160之间的距离定义了天线元件160之间的相位关系，并且因此定义了波束152的方向。用于发射器或接收器的天线元件越多，波束在特定方向的功率就越窄和越高。

发射器158还包括沿传输线166设置的多个天线元件164，其中天线元件164之间的距离定义了天线元件164之间的相位关系，并且提供了波束154的方向。因此，可沿仰角上的车辆的视轴来引导波束152，并且可将波束154引导向地面，以便确定所检测的物体是否在地面上。收发器体系结构150包括在发射器156与158之间切换的开关168，使得传输输入线170上的发射信号由发射器156或者158来发送。

图6是发射器体系结构180的平面图，发射器体系结构180使用发射器体系结构150的原理，但其具有单个天线。发射器体系结构180可用于例如图1和图2所示类型的、仅具有方位角单脉冲接收器的收发器中，以便获得方位角和仰角信息。发射器182包括耦合到传输线186的多个天线元件184(图中示出为三个)以及耦合到传输线190的另外多个天线元件188(图中示出为三个)。传输线186和传输线190耦合到公共输入传输线192。移相器194设置在传输线186中，以便提供天线元件184与天线元件188之间的可控相移，从而允许根据天线元件184和188的大小，在仰角上于有限角度内操纵波束196。

图7是发射器体系结构200的平面图，发射器体系结构200可根据设置成提供仰角上的差场景照明的开关216的位置来发射和或差图案中的信号。发射器体系结构200可用于例如图1和图2所示的、仅具有方位角单脉冲接收器的收发器中，以便获得方位角和仰角信息。发射器体系结构200包括发射器202，发射器202具有耦合到一条传输线206的天线元件204以及耦合到另一条传输线210的天线元件208。模拟单脉冲波束形成器212设置在传输线206与210之间。在输入传输线214上提供待发射的信号。开关216在波束形成器212的同相端口218与异相端口220之间进行切换。当开关216切换到同相端口220时，发射器202则提供与车辆前方的地面平行的波束222。当开关216切换到异相端口218时，发射器202生成其间具有空值的两个波束224和226。因此，由于和与差波束图案之间的切换，可在仰角上检测车辆前方的目标。

以上论述只是公开和描述了本发明的示范实施例。通过这种论述以及通过附图和权利要求书，本领域的技术人员很容易了解，可在其中进行各种改变、修改和变更，而没有背离权利要求书所限定的本发明的精神和范围。

Claims (20)

1.一种接收器体系结构，包括：

第一接收器，所述第一接收器包括第一波束形成装置和耦合到所述第一波束形成装置的多个天线，所述第一接收器中的所述多个天线在第一方向上提供至少两个波束；

第二接收器，所述第二接收器包括第二波束形成装置和耦合到所述第二波束形成装置的多个天线，所述第二接收器相对于所述第一接收器呈90°排列方向，并在第二方向上提供至少两个波束；

第一开关，有选择地把来自所述第一波束形成装置和第二波束形成装置的同相波束耦合到第一输出线；以及

第二开关，有选择地把来自所述第一波束形成装置和第二波束形成装置的异相波束耦合到第二输出线。

2.如权利要求1所述的接收器体系结构，其中，所述第一波束形成装置和第二波束形成装置从包括模拟波束形成器和数字波束形成器的组中选取。

3.如权利要求1所述的接收器体系结构，其中，所述第一接收器和所述第二接收器各包括四个天线，其中，所述四个天线中的两个结合以便形成一个波束，并且所述四个天线中的另外两个结合以便形成另一个波束。

4.如权利要求1所述的接收器体系结构，其中，所述天线是平面天线。

5.如权利要求1所述的接收器体系结构，其中，所述第一接收器提供方位角方向的波束，所述第二接收器提供仰角方向的波束。

6.如权利要求5所述的接收器体系结构，其中，所述接收器体系结构是车辆上的雷达系统的一部分。

7.如权利要求1所述的接收器体系结构，其中，所述第一波束形成装置和所述第二波束形成装置通过单脉冲处理来生成所述同相波束和所述异相波束。

8.一种接收器体系结构，包括：

至少两个天线，所述至少两个天线提供相对于天线视轴的辐射波束；

使用单脉冲波束形成的至少一个波束形成装置，所述波束形成装置处理所述天线接收的信号，其中，所述波束形成装置在两个天线所提供的辐射波束相互同相时提供一个输出信号，而在所述两个天线的辐射波束相互具有180°相位差时提供另一个输出信号，

第一开关，有选择地把来自所述波束形成装置的同相波束耦合到第一输出线；以及

第二开关，有选择地把来自所述波束形成装置的异相波束耦合到第二输出线。

9.如权利要求8所述的接收器体系结构，其中，所述至少一个波束形成装置从包括模拟波束形成装置和数字波束形成装置的组中选取。

10.如权利要求8所述的接收器体系结构，其中，所述至少两个天线是四个天线，其中所述四个天线中的两个结合以便提供一个辐射波束，并且所述四个天线中的另外两个结合以便提供另一个辐射波束。

11.如权利要求8所述的接收器体系结构，其中，所述天线是平面天线。

12.如权利要求8所述的接收器体系结构，其中，所述至少两个天线和所述至少一个波束形成装置是在第一方向上提供单脉冲处理的一个接收器中的四个天线和一个波束形成装置以及在第二方向上提供单脉冲处理的另一个接收器中的四个天线和一个波束形成装置。

13.如权利要求8所述的接收器体系结构，其中，所述至少两个天线是四个天线，所述至少一个波束形成装置是四个波束形成装置，它们结合以便提供两个方向的信号检测，其中，所述四个天线中的两个结合以便形成一个波束，并且所述四个天线中的另外两个结合以便形成另一个波束。

14.如权利要求8所述的接收器体系结构，其中，所述接收器体系结构是车辆上的雷达系统的一部分。

15.一种用于车辆上的雷达系统的接收器，所述接收器包括：

多个天线，所述多个天线提供相对于天线视轴的至少两个辐射波束；以及

使用单脉冲波束形成的多个波束形成装置，其中，所述接收器使所述辐射波束为同相并沿所述天线视轴结合，并使所述辐射波束具有180°相位差以便提供相对于天线视轴的波束旁瓣，使得至少一个波束形成装置提供方位角方向的同相信号和异相信号，而至少一个波束形成装置提供仰角方向的同相信号和异相信号。

16.如权利要求15所述的接收器，其中，所述多个波束形成装置从包括模拟波束形成装置和数字波束形成装置的组中选取。

17.如权利要求15所述的接收器，其中，所述多个天线是四个天线，其中所述天线中的两个结合以便提供一个辐射波束，并且所述天线中的两个结合以便提供另一个辐射波束。

18.如权利要求15所述的接收器，其中，所述多个天线是平面天线。

19.如权利要求15所述的接收器，其中，所述多个天线和所述多个波束形成装置是四个天线和在第一方向上提供单脉冲处理的一个波束形成装置以及四个天线和在第二方向上提供单脉冲处理的一个波束形成装置。

20.如权利要求15所述的接收器，其中，所述多个天线是四个天线元件，以及所述多个波束形成装置是四个波束形成装置，它们结合以便提供两个方向的信号检测，其中，所述四个天线中的两个结合以便形成一个波束，并且所述四个天线中的另外两个结合以便形成另一个波束。

Images