CN102754278A

CN102754278A - 雷达传感器

Info

Publication number: CN102754278A
Application number: CN2010800636587A
Authority: CN
Inventors: J·希尔西贝歇尔; O·朗格; R·梅申默泽; A·岑德尔; T·舍贝尔; T·汉森; K·施奈德
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2010-02-10
Filing date: 2010-12-14
Publication date: 2012-10-24
Also published as: US9190717B2; EP2534730A1; DE102010001761A1; JP2013519096A; WO2011098173A1; US20130016001A1; EP2534730B1; JP5763684B2

Abstract

本发明涉及一种雷达传感器，其具有天线装置（40），所述天线装置具有多个并排布置的天线元件（41）和位于外部的天线元件（41）上的至少一个馈入点（43l，43r）。所述天线元件（41）通过延迟线（42）彼此串联连接。根据本发明，雷达传感器具有至少两个发射与接收单元（20），所述至少两个发射与接收单元中的每一个适于在预给定的频率上产生和分析处理雷达信号。所述至少两个发射与接收单元（20）与所述天线装置（40）的馈入点（43l，43r）连接。所述至少两个发射与接收单元（20）的雷达信号的频率能够彼此独立地预给定。

Description

雷达传感器

技术领域

本发明涉及一种具有天线装置的雷达传感器，所述天线装置具有多个并排布置的天线元件和位于外部天线元件上的至少一个馈入点。这些天线元件通过延迟线彼此串联连接。

背景技术

雷达传感器越来越多地在机动车中用于确定与在前行驶的车辆的距离和相对速度。其能够实现距离报警或者基于距离的自动速度控制（ACC-Adaptive Cruise Control：自适应巡航控制）。

所述类型的天线装置（也称作相控阵天线）具有强的方向性并且能够实现角度分辨的雷达传感器的结构。延迟线决定由各个前后相继连接的天线元件辐射的波之间的相移。天线装置如此设计，使得在由雷达传感器使用的雷达频率上——例如76千兆赫兹（GHz）的范围内所辐射的波的相长干涉和相消干涉导致由天线装置辐射的雷达场的波瓣状方向特性。通过发射频率或者接收频率的变化可以使所构成的定向波瓣偏转。

因此，通过频率变化可以角度分辨地获得关于在前行驶的车辆的信息。可以相应地角度分辨地扫描位于机动车前方的区域。然而，由于定向波瓣在整个观察角度上偏转，扫描时间较长。此外，在一个确定的时刻分别仅仅在定向波瓣宽度的一个单个的摆动角上检测周围环境。

由文献DE 10 2006 032 540 A1公开了一种雷达传感器，其中设有多个独立的天线。这些天线关于一个共同的雷达透镜的光轴错开地布置。每个单个的天线具有预给定的方向特性，其中通过各个天线的布置和共同的雷达透镜，天线覆盖不同的角度区域。以此方式，能够实现同时角度分辨地检测不同的角度区域，但其中雷达传感器由于使用独立的天线和雷达透镜而在机械方面开销较高地构造并且角度区域不易改变。

发明内容

因此，本发明的任务是，提供一种角度分辨的雷达传感器，其在机械构造简单的情况下实现了同时检测多个角度区域并且可以通过简单的方式偏转所检测的角度区域。

所述任务通过具有独立权利要求的特征的雷达传感器解决。本发明的有利构型由从属权利要求得出。

开头所述类型的雷达传感器具有天线装置，所述天线装置具有多个并排布置的天线元件，这些天线元件通过延迟线彼此串联连接，所述雷达传感器根据本发明具有至少两个发射与接收单元，所述至少两个发射与接收单元中的每一个适于在一个预给定的频率上产生和分析处理雷达信号。至少两个发射与接收单元与天线装置的馈入点连接。至少两个发射与接收单元的雷达信号的频率可彼此单独地预给定。

由于具有并排布置的天线元件和位于它们之间的延迟线的天线装置的构型，发射与接收单元的雷达信号中的每一个导致辐射一个定向的雷达场。方向由相应的发射与接收单元的雷达信号的频率确定。通过每一个发射与接收单元20的单个信号的叠加总地形成一个雷达场，所述雷达场由至少两个定向的雷达场的叠加组成。因此，可以同时检测至少两个（在多个发射与接收单元的情况下多个）角度区域。此外可以通过简单的方式通过改变频率来偏转这些角度区域。此外，天线装置作为相控阵天线的构型能够实现简单的机械结构。

附图说明

以下根据实施例借助五个附图详细阐述本发明。

附图示出：

图1：具有控制装置的雷达传感器的第一实施例，

图2：在雷达传感器中使用的发射与接收单元，

图3：具有控制装置的雷达传感器的第二实施例，

图4：雷达传感器中发射与接收频率的时间相关性的示意图，

图5：雷达传感器的辐射特性的示意图。

具体实施方式

图1示意性地示出具有雷达传感器和控制装置的雷达系统。

雷达系统具有控制装置10和包括多个发射与接收单元20、一个分配器30和一个天线装置40的雷达传感器。控制装置10具有控制输出端11和中频（ZF）信号输入端12，所述控制装置10借助所述控制输出端11和所述中频（ZF）信号输入端12与发射与接收单元20连接。此外，发射与接收单元20中的每一个连接到分配器30的一个高频（HF）输入与输出端31上。此外，分配器30具有用于与天线装置40连接的天线端子32。天线装置40包括多个并排布置的天线元件41，在这些天线元件中分别相邻的天线元件41通过一个延迟线42彼此连接。以此方式构成的线性的、链状的布置的两个位于外部的天线元件41与馈入点43l和43r连接，其中的一个——馈入点43l与分配器30的天线端子32接通而其中的另一个——馈入点43r以终端元件44（也称作终端子）结束。

在根据图1的雷达系统中，对于雷达传感器设有n个发射与接收装置20。出于清楚的原因，示例性地仅仅绘制了两个发射与接收装置20-l和20-n。相应于发射与接收单元20的数量n，控制装置10具有n对控制输出端11和ZF信号输入端12并且分配器30具有n个HF输入与输出端31。通过各个控制输出端11-1至11-n，控制装置10可以彼此独立地调节每个发射与接收单元20-1至20-n的频率。通过分配器30，由发射与接收单元20生成的雷达高频信号被馈入天线装置40中。由于天线装置40构造为具有延迟线42的相控阵，发射与接收单元20的高频信号中的每一个导致具有确定的、与相应的发射与接收单元20的频率相关的辐射方向的雷达信号的辐射。

通过每个发射与接收单元20的单个信号的叠加总地产生一个雷达场，所述雷达场由n个辐射波瓣的叠加组成。此外，发射与接收单元20中的每一个被设计用于在固有的发射频率上接收雷达信号。在发射与接收单元20的接收回路中的相应频率选择时，天线装置40对于信号的发射和接收具有相同的方向特性。这导致单个信号的角度灵敏度的进一步提高。

天线装置40的天线元件41例如可以是一些平面元件，这些平面元件相对于汽车的行驶方向横向地、优选垂直地并排垂直地布置，使得定向波瓣与车道表面平行地指向前方。定向波瓣的偏转发生在通过平面天线元件41的表面法线与天线元件41并排布置的方向展开的平面中。因此，能够实现在水平平面中相对于反向车道或者相对于车道边缘向左和向右偏转。

作为分配器30例如可以使用所谓的威尔金森高频分配器（Wilkinson-Hochfrequenzverteiler）。原则上，可以使用每个任意的HF汇总与分配电路，只要其尽可能线性地工作，从而不会由于非线性效应在雷达系统中引入附加的、可能干扰的频率带。

图2更详细示出适用于图1中的实施例的发射与接收单元20的构型。在所有的附图中，参考标记表示相同或作用相同的元件。

发射与接收单元20具有用于产生HF信号的发生器21。可以通过控制信号V_f使HF信号的频率f变化。确定频率的信号V_f由控制装置10的控制输出端11作为模拟信号或数字信号提供。发射与接收单元20还具有循环器22，所述循环器将HF发生器21的HF信号通过输出端传送给分配器30的HF输入与输出端31，所述HF信号从所述分配器被输送给在这里没有示出的天线装置40。

被物体反射并且通过天线装置40和分配器30接收和返回的HF信号通过相同的端子又被输送给循环器22，所述循环器将所述HF信号传送给混频器23。在混频器23中，所接收的HF信号与由发生器21产生并且在抽头24上截取并且输送给混频器的HF信号混频。最终的混频信号包含小于高频的频率上的信号，所述信号通过多普勒频移包含关于反射物体的相对速度的信息。混频信号通过低通滤波器25作为中频（ZF）信号传送给控制装置10的ZF信号输入端12，所述低通滤波器抑制可能包含的较高频率的信号。

混频信号中的高频信号分量例如可以由其他发射与接收单元20的反射的发射信号引起，所述其他发射与接收单元在与所观察的发射与接收单元20不同的频率上辐射。混频信号中的（低）频率滤除相应于发射与接收单元20的HF信号路径中的频率选择。以此方式实现了发射与接收单元20的HF选择性，其导致也用于所接收的信号的方向特性。

图3示出具有控制装置和雷达传感器的雷达系统的第二实施例。

原则上，结构与在图1中示出的实施例类似。与图1中的雷达传感器不同地，在图3的实施例中，天线装置40的馈入点43r不是以终端子结束的，而是与另一分配器30连接，所述另一分配器同样能够实现发射与接收装置20的连接。为了区分在所述实施例中使用的分配器30和分别与所述分配器30连接的发射与接收装置20，使用标记l（左）和r（右），其中所有设有标记l的元件作用于左侧的馈入点43l而所有设有标记r的元件作用于右侧的馈入点43r。

在图3的实施例中，设有n个发射与接收单元20l-1至20l-n和m个发射与接收装置20r-1和20r-m。分配器30l和30r具有相应数量的HF输入与输出端31l-1至31l-n以及31r-1至31r-m。同样适用于控制装置10的控制输出端11和中频输入端12。如果所设置的发射与接收装置20的总数n+m较大并且具有相应数量的HF输入与输出端31的单个的分配器30具有过高阻尼，则如图3中示出的布置尤其具有优点。但图1和图3中的装置的基本工作原理在此没有不同。尤其是在图2中详细说明的发射与接收单元在图3的实施例中也可以用作发射与接收单元20l和20r。

以下结合图4和5阐述具有多个发射与接收单元20的雷达传感器的功作方式。例如以如在图3的实施例中说明的雷达传感器为基础，其中在两个分配器30l或者30r上分别运行两个发射与接收单元20l或者20r（n=m=2）。

图4是在雷达传感器的一个实施例中作为时间t的函数示出发射与接收单元的所输出的HF信号的频率f的示意图。在此，发射与接收单元20l-1、20l-2、20r-1和20r-2的频率f表示为fl-1、fl-2、fr-1和fr-2。标记在频率轴上的频率f₀表示天线装置40在与设置天线元件41的方向垂直的方向上进行辐射的频率。所述方向以下也称作基本方向。

如图4中看到的那样，以等于f₀的恒定频率fl-1运行发射与接收单元20l-1，相反以分段线性变化的频率运行其余的发射与接收单元20l-2、20r-1和20r-2。频率变化在所示示例中是周期性的，如从频率fl-2的锯齿状变化可以看出的那样。对于不同的发射与接收单元20可以不同地选择周期长度。也可考虑，根据探测到的物体改变频率中的一个或多个，例如以便使所述物体保持在观察区域中（物体追踪）。

在图5中示出了雷达传感器的总方向特性，其由四个分配给四个发射与接收单元20的定向波瓣50的叠加得出，作为时刻t=t_x的瞬间拍摄，所述时刻在图4中绘制为虚线。在此，图5中的定向波瓣50的端部处的箭头象征性地表示定向波瓣50的当前运动方向。小于频率f₀的频率导致从基本方向开始向右摆动的定向波瓣，相反大于频率f₀的频率导致向左摆动的定向波瓣。

因此，在时刻t=t_x作为定向波瓣50l-1、定向波瓣50l-2，定向波瓣50r-1以及定向波瓣50r-2的叠加得到所示的总方向特性，所述定向波瓣50l-1在时间上不变地以其主辐射方向沿着基本方向定向，所述定向波瓣50l-2向左摆动并且继续在所述方向上运动，所述定向波瓣50r-1略微向右摆动并且向左运动，所述定向波瓣50r-2向右摆动并且继续在所述方向上运动。借助所示装置可以有利地通过定向波瓣50l-1持久地观察在中央向前定向、即指向行驶方向的角度区域并且同时借助可运动的定向波瓣50l-2扫描反向的交通，以及借助其他可运动的定向波瓣50r-1和50r-2扫描车道边缘。同时的扫描能够在同时良好的角度分辨率的情况下实现重要的角度区域的连续观察。

在具有恒定频率和连续的、非脉冲式的辐射的雷达系统中，通过物体反射的信号首先仅仅包含关于反射物体的速度的信息。为了求得距离信息需要关于信号传播时间的信息，其例如可以根据脉冲式的雷达信号获得。在连续发射的雷达系统中，可以通过频率调制来获得传播时间信息（FMCW–Frequency Modulated Continuous Wave：频率调制连续波）。在本申请范畴中提出的角度分辨的雷达传感器中，可以同时使用用于角度变化的周期性频率变化，以便从反射雷达信号中获得距离信息。为此需要在频率变化的至少两个周期上分析处理所接收的雷达信号。

替代地，在为了角度变化而改变频率的信号上可以进行附加的、例如斜坡状的或锯齿状的频率调制。这样的调制在此可以具有比用于角度变化的频率变化更小的频率偏移并且具有较小的周期长度。

替代地，在本申请中提出的雷达传感器也可以用作脉冲雷达。在这样的情形中，例如可以在相同的发射频率上分别输出一些雷达脉冲，随后为了角度变化逐级地改变发射频率。

在所示实施例中，可以有利地通过模/数转换器和随后的频率分析（例如通过快速傅立叶变换）来进行在控制装置10的中频信号输入端12上接收到的信号的进一步处理。

在以上实施例中，控制装置10不是雷达传感器的一部分。但其同样可以实施为雷达传感器的集成部件。

除所示的通过混频器23将高频信号直接映射到中频信号上的发射与接收装置20以外，同样可以使用超外差接收器，其附加用于映射到另一中频级上。

Claims

1.雷达传感器，具有一个天线装置（40）和至少两个发射与接收单元（20），所述天线装置具有多个并排布置的天线元件（41）和至少一个位于外部的天线元件（41）上的馈入点（43l，43r），这些天线元件通过延迟线（42）彼此串联连接，所述至少两个发射与接收单元分别用于在预给定的频率上产生和分析处理雷达信号，

其中，

所述至少两个发射与接收单元（20）与所述天线装置（40）的所述至少一个馈入点（43l，43r）连接，并且

所述至少两个发射与接收单元（20）的雷达信号的频率是能够彼此独立地预给定的。

2.根据权利要求1所述的雷达传感器，其特征在于，所述至少两个发射与接收单元（20）通过分配器（30）持久地与所述天线装置（40）连接。

3.根据权利要求2所述的雷达传感器，其特征在于，所述分配器（30）是威尔金森高频分配器。

4.根据权利要求2所述的雷达传感器，其特征在于，所述分配器（30）是混合高频分配器。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的雷达传感器，其特征在于，所述天线装置（40）具有两个馈入点（43l，43r），其中，所有的发射与接收单元（20）与所述馈入点（43l，43r）中的一个连接，并且另一个馈入点（43r，43l）以一个终端元件（44）结束。

6.根据权利要求1至4中任一项所述的雷达传感器，其特征在于，所述天线装置（40）具有两个馈入点（43l，43r）和两个分配器（30l，30r），其中，所述两个分配器（30l，30r）中的每一个与所述馈入点（43l，43r）中的一个以及与至少一个发射与接收单元（20）连接。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的雷达传感器，其特征在于，所述延迟线（42）被如此设计，使得由所述天线装置（42）发射的雷达信号是定向的，其中，主辐射方向取决于所述雷达信号的频率。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的雷达传感器，其特征在于，所述发射与接收单元（20）中的每一个具有一个用于产生所述雷达信号的高频发生器（21），并且所接收的雷达信号为了其分析处理与由所述高频发生器（21）产生的信号进行混频。

9.根据权利要求1至8中任一项所述的雷达传感器，其特征在于，所述发射与接收单元（20）被构造用于FMCW运行模式。

10.根据权利要求9所述的雷达传感器，其特征在于，所述至少一个发射与接收单元（20）的雷达信号被频率调制用于所述主辐射方向的改变和/或用于距离确定。

11.根据权利要求10所述的雷达传感器，其特征在于，所述频率调制是斜坡状的或锯齿状的调制，所述调制用于所述主辐射方向的改变以及用于距离确定。

12.根据权利要求10所述的雷达传感器，其特征在于，所述频率调制由第一和第二斜坡状的或锯齿状的调制组成，这些调制在其频率偏移和/或其周期长度方面不同。

13.根据权利要求1至12中任一项所述的雷达传感器，所述雷达传感器被构造为多普勒雷达。

14.根据权利要求1至12中任一项所述的雷达传感器，所述雷达传感器被构造为脉冲雷达。