CN103874932B - 角度分辨的雷达传感器 - Google Patents

Abstract

一种尤其用于机动车的角度分辨的雷达传感器，所述雷达传感器具有天线（10）和分析处理装置（28），所述天线具有多个天线元件（12），所述多个天线元件能够分别连接到多个分析处理通道（16）中的一个上，所述分析处理装置用于根据在所述分析处理通道（16）中测量的振幅确定所接收的信号的入射角，其特征在于，所述天线元件（12）的数量大于所述分析处理通道（16）的数量，以及开关装置（18）设置用于使所述分析处理通道（16）交替地与所述天线元件（12）的不同选择连接。

Description

角度分辨的雷达传感器

技术领域

本发明涉及一种尤其用于机动车的角度分辨的雷达传感器，所述雷达传感器具有天线和分析处理装置，所述天线具有多个天线元件，所述多个天线元件可分别连接到多个分析处理通道中的一个上，所述分析处理装置用于根据在分析处理通道中测量的振幅来确定所接收的信号的入射角。

背景技术

在机动车中使用雷达传感器例如用于测量在自身车辆的前方区域中定位的车辆或者其他对象的间距、相对速度和方位角。具有以平面结构方式的组合天线的雷达传感器在这些应用中具有以下优点：所述雷达传感器仅仅需要较小的结构空间。组合天线的各个天线元件然后彼此间隔开地设置在水平线上，从而所定位的对象的不同方位角导致雷达信号从对象直至相应的天线元件所经过的传输长度方面的不同的差。所述传输长度差导致由天线元件接收并且在所属的分析处理通道中被分析处理的信号的相位方面的相应的差。通过在不同通道中接收的（复数的）振幅与天线图中的相应的振幅的比较则能够确定雷达信号的入射角并且因此确定所定位的对象的方位角。

为了实现高角度分辨率，天线的孔径应尽可能大。（在平面的组合天线的情形中，孔径说明组合天线在有关雷达射束的波长λ的角度测量（水平）的方向上的总延展）。然而当相邻天线元件之间的间距过大时，在角度测量中可能出现多值性，因为对于相差波长λ的整数倍的传输长度差得到所接收的信号之间的相同的相位关系。例如能够通过ULA结构（Uniform LinearArray：均匀线性阵列）实现单值的角度测量，在所述ULA结构中天线元件以λ/2的间距设置。然而，在这种情形中随着孔径的增大天线元件的数量也增多并且因此所需的分析处理通道的数量也增多，从而相应地产生较高的硬件成本。

发明内容

本发明的任务是：实现一种雷达传感器，其能够借助给定数量的分析处理通道实现具有更高角度分辨率的单值的角度测量。

所述任务通过以下方式解决：天线元件的数量大于分析处理通道的数量，并且开关装置设置用于使分析处理通道交替地与天线元件的不同选择连接。

以下天线元件的选择以下称作“阵列”：在所述选择中每一个单个元件与接收通道中的一个连接。借助开关装置例如能够在具有大孔径的阵列和具有较小孔径的阵列之间切换。具有大孔径的阵列提供具有高角度分辨率的多值的角度信息。具有较小孔径的阵列和相邻天线元件之间的相应较小间距的阵列则可以用于消除多值性。同样也能够实现以规律的次序在三个或更多个不同阵列之间切换。在此，所述阵列不必具有不同的孔径。例如也能够选择具有相同孔径的不同阵列，其中如此选择各个天线元件之间的间距，使得对于不同阵列得到的相位关系仅仅对于一个唯一的入射角是一致的并且因此多值性被消除。

在从属权利要求中说明本发明的有利构型。

附图说明

以下借助附图进一步阐述实施例。附图示出：

图1：根据本发明的雷达传感器的框图；

图2：用于阐述根据图1的雷达传感器的功能方式的示图。

具体实施方式

在图1中示出的雷达传感器具有平面的组合天线10，其在所示的示例中通过十一个水平并排布置的天线元件12构成。每一个天线元件12包括多个布置成垂直列的、串联馈给的贴片14，其共同影响垂直方向（俯仰）上的波束成形。

在传统的雷达传感器中，每一个单个天线元件分配有一个单独的分析处理通道，而在此描述的雷达传感器总共具有仅仅四个分析处理通道16用于分析处理总共十一个天线元件12的信号。开关装置18通过四个电子开关20构成，所述电子开关分别分配给分析处理通道16中的一个并且分别具有四个不同的开关位置。在每一个开关位置中，分析处理通道16与天线元件12中的一个连接。因此，对于四个开关20的开关位置的每一个组合得到四个天线元件的另一种选择，所述天线元件的信号在所述四个分析处理通道16中被分析处理。天线元件的这些不同的选择以下应称作“阵列”。

在此作为示例描述的雷达传感器是具有双基地天线系统的FMCW雷达传感器（Frequency Modulated Continuous Wave：调频连续波）。相应地，除用作接收天线的组合天线10以外设有发射天线22，所述发射天线发射由本地振荡器24产生的雷达信号。然后，由组合天线10的每一个天线元件12接收由对象反射的雷达回波。每一个分析处理通道16包含一个混频器26，所述混频器将由所连接的天线元件12接收的信号与由本地振荡器24产生的信号的一个分量下混频至中频信号ZF，所述中频信号然后在分析处理装置28中被进一步分析处理。

斜坡状地调制由本地振荡器24产生的信号的频率（借助交替上升和下降的斜坡）。中频信号ZF的频率相应于由发射天线22发射的信号与由天线元件14接收的信号之间的差并且因此取决于从发射天线22至对象和从对象返回天线元件14的信号传输时间。所述传输时间正比于对象的间距。当对象相对于雷达传感器运动时，中频信号ZF的频率附加地还包含多普勒分量，其取决于所述对象的相对速度。通过分析处理在多个彼此相继的斜坡上得到的信号则能够以已知的方式将一个单值的间距和一个单值的相对速度分配给每一个所定位的对象。

由对象的相同点反射并且然后由不同的天线元件12接收的雷达信号经过不同的传输长度（至少在对象的方位角不等于0°时）并且因此在相位方面不同。从天线元件12至混频器26的信号线路在长度方面如此协调，使得保持信号的相位差。因为使所有信号与相同的振荡器信号混频，所以也在中频信号ZF中得到相应的相位差。根据所述相位差能够在分析处理装置28中确定所接收的雷达射束的入射角并且因此确定所属对象的方位角。

在图1中在组合天线10的上方示出长度标度，其以雷达射束的波长λ为单位说明各个天线元件14的位置。位于最左侧的天线元件12的位置定义为位置0。位于最右侧的天线元件12则位于位置11。因此，组合天线10的总延展为11λ，即其最大孔径具有值11。

位于最左侧的四个天线元件12位于位置0.0、0.5、1.0和1.5并且因此共同形成具有四个元件的ULA结构。当开关装置18的所有开关20位于开关位置“a”中时，所述ULA结构的四个元件连接到四个分析处理通道16上。在所述开关位置中能够实现单值的角度测量，然而由于所述阵列的小的孔径，仅仅具有小的角度分辨率。

当四个开关20都位于开关位置“b”中时，则具有位置0.0、1.5、5.5和11.0的天线元件12连接到四个分析处理通道16上，如在图1中通过具有短的中断的虚线示出的那样。在使用所述阵列时，能够实现具有最大角度分辨率的测量，然而放弃单值性。

当所有四个开关20位于开关位置“c”中时，则所选择的阵列的天线元件12具有位置0.0、5.5、7.7、9.0（具有略微更短的线段长度的虚线）。在开关位置“d”中，所选择的阵列的天线元件12具有位置0.0、3.3、4.4和6.6（密虚线）。

对于所述四个可选择的阵列的每一个能够建立一个天线图，其说明在四个分析处理通道16中接收的信号根据雷达回波的所假设的入射角θ的振幅关系和/或相位关系。普遍地，所定位的对象的方位角作为实际入射角α相应于所假设的入射角θ，对于所述方位角得到实际在分析处理通道16中测量的振幅关系和/或相位关系与天线图中的相应值之间的最佳一致性。为了分析处理，能够计算DML函数（Deterministic Maximum Likelihood：确定性最大似然），其将实际测量的值与天线图中的值之间的相关性说明为入射角θ的函数。DML函数的函数值在0（无相关性）和1（完全一致）之间变化。在所述四个分析处理通道16中测量的振幅和/或相位（复数的振幅）理解为四个分量的向量。相应地，天线图中的值对于每一个入射角θ形成一个四个分量的向量。然后，能够通过以下方式计算DML函数：将所述两个向量分别标准化到1上并且然后形成标量积。

在图2中分别在以下假设的情况下示出相应于图1中的开关位置“a”-“d”的四个阵列的所述DML函数的示例：雷达射束前方入射（实际入射角α=0°）并且所接收的信号是无噪声的。在单值性的情况下则所定位的对象的实际方位角应为角度θ，对于所述角度而言DML函数达到值1（在这个示例中即0°）。对于实际入射角α的其他值可能得到其他的（非对称的）DML函数，在所述函数中最大值位于其他位置。则每一个函数在位置θ=α具有至少一个最大值。

图2中的上方示图（a）示出所述阵列（ULA）的DML函数，所述阵列相应于图1中的开关位置“a”。如所期望的那样，所述函数在θ=0处具有单值的最大值。图2中的示图（b）-（d）示出图1中的开关位置“b”-“d”的相应的DML函数。可以看到，在此出现尖锐得多的最大值，这相应于更大的角度分辨率，然而对此分别存在多个至少接近值1的最大值。因为信号在实际中或多或少是有噪声的，所以借助所述阵列不能够实现入射角的单值确定。

然而，当例如通过形成四个DML函数的和的方式将借助所有四个阵列得到的信号彼此组合时，能够实现具有高分辨率的单值的角度确定。在图2中，所述和以示图（Σ）表示。可以看到，在所述和中仅仅在θ=0处存在尖锐突出的最大值，而在以下程度上抑制其他最大值：所述其他最大值在考虑噪声的情况下也达不到值1。

现在例如可以如此控制开关装置18（图1），使得在本地振荡器24的每一个频率斜坡之后切换到另一个开关位置上，从而在四个斜坡之后借助四个可能阵列中的每一个实施测量。然后（针对每一个单个对象）存储在分析处理通道16中得到的结果，从而在四个斜坡之后可以根据DML函数的和以高分辨率并且在没有多值性的情况下确定每一个对象的方位角。

替代DML函数的和，也可以选择地使用经加权的和，其中每一个阵列的加权例如可以取决于所述阵列的孔径和/或取决于频率斜坡的相应的斜率，在所述频率斜坡上借助所述阵列进行测量。

由于系统性的原因，在图1中仅仅示出了位于最左侧的开关20。在实际中，所述开关是没有作用的，因为在所述通道中始终分析处理位于最左侧的天线元件14的信号。因此，在实际中可以通过固定连接替代所述开关。

在此示出的天线元件14的布置仅仅理解为示例。也可以选择天线元件的其他位置。同样地，也可以改变天线阵列的数量和/或分析处理通道的数量。例如可以借助计算机模拟来优化不同阵列中的天线元件14的位置。以下天线元件的布置和阵列的选择是特别符合目的的：其中所有的阵列具有相对较大的孔径并且DML函数满足以下条件：对于每一个实际入射角α仅仅存在一个唯一的值θ，对于所述值而言所有的DML函数具有接近值1的最大值。和函数则在所述值θ处具有绝对最大值。

Claims (5)

1.一种角度分辨的雷达传感器，所述雷达传感器具有天线(10)和分析处理装置(28)，所述天线具有多个天线元件(12)，所述多个天线元件能够分别连接到多个分析处理通道(16)中的一个上，所述分析处理装置用于根据在所述分析处理通道(16)中测量的振幅确定从对象接收的信号的入射角(α)，其特征在于，从同一对象接收信号的天线元件(12)的数量大于所述分析处理通道(16)的数量，以及开关装置(18)设置用于使所述分析处理通道(16)交替地与所述天线元件(12)的不同选择连接。

2.根据权利要求1所述的雷达传感器，所述雷达传感器配置为FMCW雷达，其中，斜坡状地调制所发射的雷达信号的频率，其中，所述开关装置(18)构造用于周期地、分别针对一个频率调制斜坡切换到天线元件(12)的另一个选择。

3.根据权利要求1或2所述的雷达传感器，其中，所述分析处理装置(28)构造用于对于所述天线元件(12)的每一个选择计算所述入射角(θ)的一个函数，所述函数说明在所述分析处理通道(16)中接收的信号与天线图中的相应值之间的相关性，由所述函数形成一个和函数，并且寻找所述和函数的最大值。

4.根据权利要求3所述的雷达传感器，其中，所述天线元件(12)的布置和由所述开关装置(18)进行的选择如此配置，使得所接收的信号的每一个组合的和函数具有一个单值的最大值，所述和函数相应于雷达射束的一个真实的入射角(α)。

5.根据权利要求1所述的雷达传感器，其中，所述雷达传感器用于机动车。