CN101535834A - 用于借助雷达识别降水的方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于识别在由雷达射束(4)所检测的区域内的降水(5)的方法，该方法包括求得(402)第一反散射的雷达信号(501)的第一平均功率，求得(404)第二反散射的雷达信号(502)的第二平均功率以及在这些平均功率一致的情况下确定一均匀介质的存在。

Description

用于借助雷达识别降水的方法及装置
技术领域
本发明涉及一种根据权利要求1的前述部分的、用于在由雷达射束所检测的区域内识别降水的方法，一种用于执行这种方法的装置，一种计算机程序以及一种计算机程序产品。
背景技术
降水，例如雨、冰雹、雾或者降雪，可以借助于雷达被识别。例如在气象学中，通过定向天线脉冲状地发射微波范围内的电磁波束，可以借助于雷达确定降水强度。对此可以使用一雷达系统，该雷达系统辐射具有约3至10厘米波长的雷达射束。如果该波束在大气中遇到其直径大于约0.2毫米的颗粒，那么该波束被该颗粒反射。在此该波束的波长不改变。该波束的一部分被该雷达的一接收装置接收，并且反射率被测量。由该反射率可以计算降水强度，如果关于该降水的颗粒或者液滴大小分布的某些假设被满足。然后利用所谓的Z-R关系进行换算，其中，Z代表反射率而R代表降水强度。
WO 1993002370 A1描述了一种用于识别雨的方法。在此发射出多个雷达信号。反散射信号被接收，以便产生多普勒频谱。在该多普勒频谱中、特别是在该频谱的边缘区域中的减小的振幅指示雨。EP 122938 A1描述一种借助于气象雷达识别雨或者冰雹的系统。对此不同的标准差图和反射强度图被相互结合。
JP 0724830 A描述与雷达相关的一种用于修正所计算的雨强度的设备。
JP 1004833 A描述一种雷达设备，通过接收所反射的信号和测量该信号的电平，借助于该雷达设备可以识别降雪或者雨。
发明内容
在这样的背景下，本发明提出根据独立权利要求的一种用于在由雷达射束所检测的范围内识别降水的方法，还提出按并列权利要求的用于执行这种方法的装置以及相应的计算机程序和计算机程序产品。从各自的从属权利要求和以下的描述中给出有利的构型。
在该用于在由雷达射束所检测的范围内识别降水的、根据本发明的方法中，求得一个第一反散射的雷达信号的第一平均功率和一个第二反散射的雷达信号的第二平均功率。根据本发明，通过这些平均功率的相互比较来确定降水的存在。
在一个优选的实施方式中，借助于分别求得的平均功率的相关求得所述平均功率的一致。
在根据本发明的方法的一个有利的方案中，求出一个另外的反散射的雷达信号的一另外的平均功率。对多于两个的反散射的雷达信号的分析处理提高了降水识别的准确性。在所述反散射的雷达信号中可以涉及由相邻安装的雷达发射器发射出的雷达信号的反射。
在一个优选的实施方式中，这些平均功率的一致的确定在考虑至少一个加权因子的情况下进行，其中该至少一个加权因子被形成，以便平衡不同的雷达天线方向图。当作为基础的雷达信号来自于不同地被构造的雷达发射器时，通过使用加权因子也可以比较这些平均功率。这提高了该根据本发明的方法的灵活性。
根据一个优选的实施方式，分别对所检测的区域的一无物体的区段求出平均功率。
根据一个实施方式，为求出这些平均功率，每一个反散射的雷达信号的频谱的功率密度分别被检测并且在该无物体的区段上被积分。
根据该根据本发明的方法的一个优选构型，该无物体的区段可以通过分析所述反散射的雷达信号的频谱的功率密度被确定。在此该无物体的区段对应于这些频谱的功率密度的一个共同的子区域，在该子区域内这些频谱的功率密度不具有在各自的频谱的功率密度的基本噪声之上凸起的尖峰。
根据一个另外的优选实施方式，降水的密度或者雷达信号衰减可以被确定。这可以通过分析这些频谱的功率密度至少之一的基本噪声的升高来实现。
降水例如可以是雨、降雪、雾或者冰雹。降水的主运动方向可以垂直于所述雷达射束。优选的是，根据本发明的技术方案，可以在不分析多普勒效应的情况下识别降水。
根据一个优选的实施方式，使用一远距离雷达、即FMCW雷达发射器，以便产生部分重叠的或者相邻的锥形雷达射束(Radarstrahlungskegel)。在此这些反散射的雷达信号可以分别对应于一个锥形射束(Strahlungskegel)。FMCW雷达(英语：Frequency Modulated Continuous Wave：调频连续波)，也被称作调制的连续波雷达，是一种具有不断变化的频率的雷达信号。该频率或者线性地增大，以便在一个特定的频率时突然重新下降至起始值(锯齿状)，或者该频率可以交替地以恒定的变化速度上升和下降。通过该频率的这样的线性变化和与此同时的持续的发射，除了发射器和物体之间的差速外还可以同时求得它们相互之间的绝对距离。
一种根据本发明的装置执行该根据本发明的方法的所有步骤。
具有程序代码单元的根据本发明的计算机程序被设计用于执行该根据本发明的方法的所有步骤，当这个计算机程序在一计算机上或者在一相应的计算单元、特别是一根据本发明的装置上被执行时。
具有被存储于可被计算机读取的数据载体上的程序代码单元的根据本发明的计算机程序产品被设置用于执行该根据本发明的方法，当这个计算机程序在一计算机上或者在一相应的计算单元、特别是在一根据本发明的装置上被执行时。
本发明以这样的知识为基础，即雷达传感器由于信号传输介质中降水的发生，根据工作频率而定被不同地衰减。降水例如可以是雨或者降雪。该衰减效应特别是出现在更高的频率的情况下，该频率例如被使用于汽车雷达传感器中，并且根据降水强度而定，可以引起该雷达信号的不同的衰减率。在远距离雷达或者远范围雷达中，使用多于两个的锥形射束或者天线波束用于在交通场景中定位物体。仅当该发射出的雷达信号被均质地或者均匀地填充一雷达空间(Radarzelle)的物体、例如雨反散射时，所设置的接收器或者传感器在道路交通中才接收到相同的强度I。所述雷达空间在此对应于该雷达的视野。
该根据本发明的技术方案可以被用于多个应用。首先本发明可以在雷达信号传输介质中识别降水的发生。此外可以确定该降水的强度并且可以估计雷达发射器性能损耗。为了在恶劣的天气情况下保持该雷达发射器的有限的功能，本发明可被用于系统、例如调制系统对当前的信号传输介质的转换或者适配。也就是说，例如可以考虑，根据所确定的降水来改变被发射的信号的功率。根据本发明的技术方案的一个另外的优点在于，该根据本发明的方法可以被部分无修改地用于现有的汽车雷达发射器，所述汽车雷达发射器产生至少两个锥形射束。将来的雷达发射器或者雷达系统可以如此地被优化，以使得其可以充分地利用本发明的优点。此外，该根据本发明的技术方案适合作为用于机动车中与安全相关的系统的信号源。
本发明其它的优点和构型由说明书和附图给出。
可以理解的是，以上所述和以下将要解释的特征不仅可用于相应地被说明的组合中，而且也可用于其它的组合中或者独立应用，而不脱离本发明的范围。
本发明借助于实施例在附图中被示意性地示出并且接下来参照附图被详细地描述。
附图说明
图1：根据本发明的一实施方式，示出在道路交通中的雷达系统的应用的示意图；
图2：根据本发明的一实施方式，示出在由雷达射束所检测的区域内的均匀介质的示意图；
图3示出根据本发明的一实施方式的一雷达信号频谱；
图4示出根据本发明的方法的一优选的实施例的流程图；以及
图5示出根据本发明的装置的一优选的实施例的方框图；
具体实施方式
图1示出在道路交通中的一多波束汽车雷达系统的应用。一机动车1，也被称作雷达车辆，装备有一远范围雷达系统或者远距离雷达(LRR)。该雷达系统包括至少一个发射器或者天线，至少一个接收器或者传感器，以及处理装置、例如一个用于分析被该接收器所接收的反散射波束的微处理器。发射器和接收器按目的地构造为满足发射功能和接收功能的天线。
该机动车1在一道路上运动，该道路可以例如被形式为护轨或者护栏的界限构成边界。在该道路上运动着可以被机动车1的雷达检测到的其它机动车3。为了检测机动车3，机动车1的雷达辐射多个锥形雷达射束或者天线波束4。由天线波束4所检测的区域被降水，在此情况下被雨5填充。
降水的主运动方向与所述雷达射束垂直。在图1中所示的实施例中，雷达射束在水平方向上被发射出。雨在垂直方向上降落。
图2示出在一单基地雷达空间中的雨滴的示意图。雷达空间可以是被图1中所示锥形射束4之一所检测的一个区域。该单基地雷达空间以位于锥形射束的尖端上的雷达为起始点。角θ和Φ在此表明水平的或垂直的天线张角。该雷达空间可以被分为两个区段。第一区段V1以该雷达为起始点并且被半径Rmin限定。第二区段VRZ与第一区段邻接，具有长度dR并且因此被半径Rmin+dR限定。该雷达空间的第二区段VRz被雨5填充并因此成为雨空间(Regenzelle)。在该雨空间内除了形式为雨5的降水外不存在不均匀的物体，例如机动车3。
在借助于远距离雷达测量时，雷达波从位于机动车1上的发射器被发射出，在该物体上、例如在机动车3上被反射并又被与该发射器对应的接收器接收。传播时间和在此出现的多普勒偏移在雷达传感器中被用于确定该物体的距离和相对速度。在远距离雷达中，根据对雷达视野的要求，多个锥形射束4被用于在交通场景中定位需探测的物体。在此一物体，例如对于FMCW雷达系统来说形成频谱中的一个尖峰，该尖峰同时被两个相邻的锥形射束探测到。通过在所谓的“单脉冲方法”中分析所述相邻的锥形的振幅和相位关系可以确定至该物体的角度。
图3示出以FMCW雷达为例的信号频谱。在水平轴上记录频率f而在垂直轴上记录反散射信号(回声)的振幅谱A。
第一频谱31示出一应用情况，在该应用情况中雷达信号被固定的物体反射。该物体可以例如是图1中所示机动车3之一。该雷达信号未被降水衰减。因此该第一频谱31具有低的基本噪声32和一个高的尖峰。形式为明显从该基本噪声32中凸起的峰状的尖峰通过该雷达信号在该物体上的反射引起。
第二频谱34示出一应用情况，在该应用情况中雷达信号再次被该物体反射。而且该雷达信号被降水衰减。因此该第二频谱34具有高的基本噪声35。该基本噪声35明显位于该第一频谱31的基本噪声之上。此外，该第二频谱34具有一个比该第一频谱31更低的尖峰。该基本噪声的由于降水引起的升高通过参考标号37标明而物体尖峰的降低通过参考标号38标明。
被均质或者均匀地填充该雷达空间的物质、例如降水所反射的信号在FMCW雷达的频谱中不形成尖峰。取而代之地产生分布在宽的频率范围内的信号功率，该信号功率明显地升高该第二频谱34的基本噪声35。该信号功率被全部的、例如在图1中所示的锥形射束4反射，并且对于该雷达空间的无物体的区段，该信号功率可以从被测得的频谱的功率密度中计算出。这例如根据窄波束一阶多次散射原理进行(英语：“Narrow-Beam First OrderMultiple Scattering”)。
在图2中所示的长度为dR的、无物体的区域VRZ的位置在图3中表征为位于频率fR_min和fR_min+dR之间的频谱区域。因此该被频率fR_min和fR_min+dR限定的区域显示雨空间5中的平均的雨反散射。该被雨反散射的平均功率根据所提到的多次散射原理通过借助于LRR测量的频谱的功率密度在雷达空间的fR_min至fR_min+dR区段内的积分来计算。由此可以确定雨的反散射截面上的雨强度并且因此可以确定雷达信号衰减或者LRR性能损耗。
图4示出根据本发明的一个优选实施例的在一由雷达射束检测的范围内识别降水的方法的流程图。在第一步骤401中借助于至少一个相应的发射器(天线)进行至少两个相互不重叠或者仅部分地重叠的锥形射束的发射。在另一的步骤402中进行第一反散射的雷达信号的第一平均功率的计算。在一个另外的步骤404中进行第二反散射的雷达信号的第二平均功率的计算。在第三步骤406中在两个反散射信号的平均功率一致的情况下进行降水存在的确定以及必要时的显示。
由这些锥形射束或者雷达射束所检测的区域可以例如是在图1中示出的被这些锥形射束4覆盖的区域。降水可以均匀地填充由雷达射束所检测的区域，除非存在固定的物体，该物体关于该被检测的区域呈现不均匀性，例如形式为图1中所示的机动车3。与雷达射束不可穿透的固定的物体相反，雷达射束可以部分地进入降水。
如在图1中所示，在应用根据本发明的方法时可以使用多个锥形射束4。在图1所示的实施例中使用4个锥形射束。因此对于该根据本发明的方法可以使用另外的反散射的雷达信号用于识别降水。在这种情况中，该根据本发明的方法可以具有计算一个或者多个另外的平均功率的一个或者多个另外的步骤。在此，所述另外的平均功率由所述另外的反散射的雷达信号求得。所述反散射的雷达信号可以通过由相邻地安置的雷达发射器(天线)发射的雷达信号的反射产生。在图1中这些雷达信号由相邻地安置在机动车1的前面的雷达发射器或者天线发射出。同样可以考虑，借助于一个单个的天线覆盖全部的由这些锥形射束4覆盖的区域，该天线可在各个锥形射束的发射之间相应地摆动地构成。
如果所有用于产生反散射的雷达信号的锥形射束具有相同的天线特征，那么所属的雷达传感器或者接收器将检测到如下相同的反散射平均强度I：
Ib1＝Ib2＝Ib3＝Ib4＝...＝Ibn
Ibi(i＝1-n)在此表示第i个锥形射束的反散射的雷达信号的平均强度。
如果所述锥形射束具有不同的天线方向图，那么所述平均功率可以相互适配。所述平均功率I的一致的确定则可以在考虑至少一个加权因子的情况下进行，其中该至少一个加权因子被构造，以便平衡不同的雷达天线方向图。
根据该实施例，在考虑不同的天线方向图时的平均强度可以被如下计算：
αb1Ib1＝αb2Ib2＝αb3Ib3＝αb4Ib4＝...＝αbnIbn
在此αbi(i＝1-n)表示加权因子或者锥形射束i与被选取作为参考的锥形射束、例如具有最大功率的锥形射束之间的功率比。这种方案可以被用于在使用所有的雷达类型的情况下的降水的自动识别。
根据这个实施例，分别对所检测的区域的一个无物体的区段求得所述平均功率。对此，所述计算步骤分别包括一个检测该反散射的雷达信号的频谱的功率密度的步骤和一个对分别在无物体的区段上的频谱的功率密度进行积分的步骤。结合图3，这意味着例如在区段fR_min，fR_min+dR上进行该第二特征曲线34的积分。
该无物体的区段可以通过分析该反散射的雷达信号的频谱的功率密度来确定。在此，该无物体的区段对应于频谱的功率密度的一个共同的子区域，在该子区域中所述频谱的功率密度不具有尖峰。一个这样的尖峰的特征在于，它明显地凸起在相应的频谱的功率密度的噪声之上并且因此表明了固定的、相对于其均匀的环境不均匀的物体。这样凸显的尖峰在图3中被示出。
根据所示实施例，借助于所述平均功率的相关求得所述平均功率的一致。如果该相关结果显示所述平均功率的一致，那么均匀分布的介质如降水被识别到。这可以例如通过一个信号显示出。
如在图3中所示，在由雷达射束所检测的区域内，降水引起基本噪声的升高。通过分析所述频谱的功率密度中至少一个频谱的功率密度的升高可以借助于雷达信号衰减确定该均匀分布的介质的密度，即例如雨强度。该升高可以例如通过当前的基本噪声与一被存储的参考基本噪声的比较进行。雷达信号衰减飙明雷达信号被该降水多强程度地衰减。表示均匀分布的介质的密度以及雷达信号衰减的值同样可以借助于信号被显示出。
图5示出一用于在由雷达射束所检测的区域内识别降水的、根据本发明的一个实施例的装置。该装置被构造，以便接收第一反散射的雷达信号501和第二反散射的雷达信号502并且提供确定信号或者显示信号503，该确定信号或者显示信号503显示均匀分布的介质、例如降水的存在。对此，该装置具有两个用于发射雷达射束或者雷达信号560，562的发射器550，552以及两个用于接收反散射的雷达信号501，502的接收器512，513。接收器512，513被构造，以便向计算器514，516提供反散射的雷达信号501，502的频谱。所述计算器514，516被构造，以便由所述频谱计算出平均的信号功率并且向比较装置518提供这些平均的信号功率。该例如形式为相关器的比较装置518被构造，以便相互比较所述平均的信号功率。这些信号功率的一致源于在由雷达射束所检测的区域中具有均匀分布的介质。为了确定一致，可以使用预给定的公差范围。该公差范围可以以基本噪声的高度为指导。
为了求得无物体的区域，该装置可以具有分析器522，该分析器被构造，以便从该被所述接收器512，513提供的频谱求得该无物体的区域并且将该无物体的区域提供给所述计算器514，516。
根据该根据本发明的方案，雷达信号是与降水垂直的。因此不能进行多普勒分析，而是通过反射率和通过在例如一个FMCW雷达系统的附近区域内的雨反散射或者噪声平面升高的积分进行该雨强度的计算。
在道路交通中的雨识别通过多个相邻的天线阵列的平均功率的相关来进行。该所应用的雷达系统例如可以涉及76.4GHz的汽车雷达系统，因为例如设置在机动车上，该雷达系统不是位置固定的。

Claims (13)

1.用于识别一由雷达射束(4)所检测的区域中的降水(5)的方法，其中，该方法以下列步骤为特征：
发射(401)至少两个雷达信号；
求出(402)一第一反散射的雷达信号(501)的一第一平均功率；
求出(404)一第二反散射的雷达信号(502)的一第二平均功率；
通过比较这些已求出的平均功率对降水的存在进行确定(406)。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于求出一另外的反散射的雷达信号的一另外的平均功率的一另外的步骤，其中，这些反散射的雷达信号可以通过由相邻地设置的雷达天线或发射器(550，552)发射出的雷达信号(4；560，562)的反射产生。
3.如以上权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，这些平均功率的比较在考虑至少一个加权因子的情况下进行，其中，该至少一个加权因子被构造，以便平衡不同的雷达天线方向图。
4.如以上权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，对所检测的区域的一无物体的区段(VRZ)分别求出这些平均功率。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，该求出的步骤具有以下步骤：
对每个反散射的雷达信号(501，502)分别检测一频谱的功率密度；
分别对所述频谱的功率密度(31，34)在所述无物体的区段(VRZ)上积分，以便获得所述平均功率。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，通过分析所述反散射的雷达信号(501，502)的所述频谱的功率密度(31，34)确定所述无物体的区段，其中，所述无物体的区段(VRZ)相应于所述频谱的功率密度的一共同的子区域，在该子区域中所述频谱的功率密度中的任一个功率密度都不具有在相应的频谱的功率密度的基本噪声(32，35)之上突起的尖峰。
7.如以上权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述平均功率的比较包括所述平均功率的一致的确定，特别是借助相关来进行一致的确定。
8.如权利要求5至7中任一项所述的方法，其中，该方法的特征还在于一分析所述频谱的功率密度(31，34)至少之一的基本噪声的升高(37)的步骤，以便确定降水(5)的密度或者雷达信号衰减。
9.如以上权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述降水是雨、冰雹或者降雪，该降水的主运动方向垂直于所述雷达射束(4)。
10.如以上权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，使用一远距离雷达——FMCW雷达发射器，以便产生相互部分地重叠的或者相互并排的锥形射束，其中，所述反散射的雷达信号可以各对应一个锥形射束。
11.用于执行根据权利要求1至10中任一项的方法的所有步骤的装置。
12.具有程序代码单元的计算机程序，当该计算机程序在一计算机或者一相应的计算机单元上被执行时，该计算机程序用于执行根据权利要求1至10中任一项的方法的所有步骤。
13.具有被存储于一可被计算机读取的数据载体上的程序代码单元的计算机程序产品，当该计算机程序产品在一计算机或者一相应的计算机单元上被执行时，该计算机程序产品用于执行根据权利要求1至10中任一项的方法的所有步骤。
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