CN105103003A - 快速线性调频fmcw雷达 - Google Patents

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Abstract

一种用于借助FMCW雷达确定多个同时定位的对象的间距和相对速度的方法，其中发射信号的频率以周期重复的斜坡(24，30)的形式来调制，所述发射信号与所接收的信号一起混频成中频信号，并且为了确定所述对象的间距和/或相对速度逐斜坡地分析处理所述中频信号的相位的变化，其特征在于，调制样式包括至少两个斜坡(24，30)，它们彼此仅仅以固定的频率错位(fs)区分并且以确定的时间间距(T′C)彼此相继，根据用于所述两个斜坡的中频信号的相位差(1-2)来计算用于所述对象间距的唯一的近似值(R0)。

Description

快速线性调频FMCW雷达
技术领域
本发明涉及一种用于借助FMCW雷达确定多个同时定位的对象的间距和相对速度的方法，其中以周期重复的斜坡的形式来调制发射信号的频率，发射信号与所接收的信号一起混频成中频信号，并且为了确定对象的间距和/或相对速度，逐斜坡地(vonRampezuRampe)分析处理中频信号的相位变化。
此外，本发明涉及一种构造用于实施所述方法的、尤其用于机动车的雷达传感器。
背景技术
在机动车中使用FMCW雷达传感器来检测交通周围环境、尤其用于定位其它车辆。定位结果可以用于不同辅助功能，例如用于自动间距调节、自动碰撞警告或者在剧烈碰撞危险时紧急制动过程的自动触发。
中频信号的频率相应于在预给定的时刻所发射的信号和在相同的时刻所接收的信号之间的频率差。由于发射信号的频率调制，所述频率差取决于信号从雷达传感器到对象并且返回的运行时间并且因此取决于对象的间距。然而，由于多普勒效应所述频率差也包含由对象的相对速度决定的分量。因此，单个斜坡上的频率差的测量不能实现间距和相对速度的确定，而是仅仅提供这些参量之间的线性关系。在间距/速度图(R-v图)中，所述关系可以表示为直线。
为了得到间距和相对速度的唯一值，在FMCW雷达的一种常用类型中借助彼此交替上升和下降的频率斜坡工作。在R-v图中，对于每一个斜坡得到另一个直线，通过所述两个直线的交点给定对象的间距和相对速度。
然而，如果同时定位多个对象，则中频信号的频谱在每一个斜坡上包含多个峰，各个峰针对每一个对象，在比较不同斜坡上的峰时不再能够唯一地确定哪个峰属于哪个对象。例如，在同时定位两个对象时得到具有四个彼此相交的直线的R-v图。四个交点中的仅仅两个说明两个对象的间距和相对速度，而另外两个交点代表所谓的“假目标(Scheinziele)”。
为了克服多值性，大多还借助至少一个第三频率斜坡工作，其具有另一斜率并且在R-v图中提供另一族直线。如下识别真正的对象：所有三个直线经过同一点。
然而，在同时定位的对象的数量增大时，三个直线随机相交于几乎同一点的可能性增大，由此也增大分辨多值性的耗费。通常使用另外的频率斜坡，以便更容易地分辨多值性。
在引导段落中所描述的方法是解决所述问题的一种替代方式。在此，借助相同的、相对短的频率斜坡的序列(所谓的“快速线性调频”)工作，其与其持续时间相比具有高的频偏并且因此如此陡，使得在中频信号中间距相关的分量占主要，而多普勒分量仅仅是小的校正。通过以下确定所述校正：逐斜坡地追踪中频信号的相位变化。在此，充分利用以下情况：中频信号的相位对对象间距的微小变化做出相对敏感地反应，所述微小变化由在从频率斜坡到下一个频率斜坡的短的时间间距期间对象的相对运动引起。
然而，因为相位变化是相对速度的周期函数，所以仅仅当相对速度如此小使得相位变化小于半个周期(即小于π)时，才能够唯一确定相对速度。
然而，当在机动车中使用FMCW雷达时，相对速度可能如此大，使得破坏所述条件。然而，为了得到唯一的结果，必须进一步缩短线性调频的持续时间并且因此缩短重复频率。然而，这不仅要求更高的计算性能，而且由于对应短的“观察持续时间”在间距测量时引入更大的不精确，最终当斜坡持续时间小于雷达信号对于到对象并且返回的路程所需要的时间时，根本不再能实现测量。
发明内容
因此本发明的任务是说明一种方法，所述方法能够实现唯一地且以高的准确度地测量间距和相对速度。
根据本发明，通过以下解决所述任务：调制样式(Modulationsmuster)包括至少两个斜坡，它们仅仅以固定的频率错位进行区分并且在确定的时间间距中彼此相继，根据用于所述两个斜坡的中频信号的相位差来计算用于对象间距的唯一近似值。
本发明充分利用以下情况：在两个斜坡的短的时间间距中用于两个频率错位的斜坡的中频信号的相位差几乎与对象的相对速度无关，因此对于对象间距提供好的近似值。可以根据提供多值结果的已知方法中的一种来确定用于对象间距的更准确的值。根据相位差确定的近似值能够实现，在所考虑的用于对象间距的准确的多个值下选择正确的值。
在从属权利要求中说明本发明的有利构型。
附图说明
以下借助附图详细阐述实施例。
附示图出：
图1：FMCW雷达系统的框图；
图2：频率调制样式的示例；
图3：中频时间信号的序列以及其傅立叶变换；
图4：根据图3的时间信号的纵剖图以及所述纵剖图的傅立叶变换；
图5：阐示二维傅立叶变换的结果的示图；
图6：用于另一相对速度的类似于图4的纵剖图；
图7：用于阐示根据本发明的方法的示图。
具体实施方式
在图1中，作为最简化的框图示出FMCW雷达传感器10，其例如安装在机动车前方并且用于测量对象12、14、例如前方行驶的车辆的间距R和相对速度v。雷达传感器10具有电压控制的振荡器16，所述电压控制的振荡器将经频率调制的发射信号通过混频器18提供给发射与接收装置20，从所述发射与接收装置朝对象12、14的方向发射信号。在对象上所反射的信号由发射与接收装置20接收并且在混频器18中与发射信号的分量混频。通过这种方式得到中频信号s，所述中频信号在电子的分析处理与控制装置22中进行进一步分析处理。
图2示出由振荡器16提供的发射信号的调制样式的示例。在此，发射信号的频率f记录为时间t的函数。以彼此相继的相同的斜坡24的形式调制频率。在图2中，斜坡24借助索引j来编号。发射信号的平均频率位于76GHz的数量级中，而频偏fh位于数MHz的数量级中，频率在每一个斜坡的变化中变化所述频偏。斜坡24彼此相继的时间间距TC位于数微妙直至数毫秒的数量级中。因为在所示出的示例中，斜坡24没有间歇地彼此相继，所以TC同时说明斜坡持续时间。
中频信号s的频率相应于从混频器18向发射与接收装置20传送的发射信号和在对象12、14上的反射之后由发射与接收装置20接收并且再次到达混频器18的信号之间的频率差。所述频率差由间距相关的分量fR和速度相关的分量fv加性地组成。间距相关的分量fR由频率调制引起并且在在此所示出的示例中通过以下得出：
fR＝2Rfh/cTC(1)
其中，c是光速。速度相关的分量由多普勒效应引起并且通过以下近似得出：
fD＝2fv/c(2)
在图3(A)中，在仅仅定位单个对象的假设下，示出用于前三个斜坡j＝1至j＝3的中频信号s作为时间t的函数(时间信号)。在分析处理与控制装置22中，周期性地、在扫描时刻t1、t2、...扫描、数字化并且存储作为模拟信号的由混频器18提供的时间信号。扫描时刻与发射信号的调制斜坡同步并且在每一个斜坡内借助索引k编号。扫描周期、即各个扫描时刻之间的时间间距借助T表示。
通过快速傅立叶变换(FFT)能够将用于每一个斜坡的时间信号转换成频谱，所述频谱说明中频信号的(复数的)振幅作为频率f的函数。在图3(B)和(C)中，对于三个斜坡的每一个示出两个小的示图，它们说明绝对值A和相位作为频率f的函数。
在仅仅存在单个对象的假设的情况下，在单个斜坡上所接收的频谱在频率fR+fD时具有尖峰26。由于斜坡的小的时间间距TC，频率fR+fD实际上保持不变，使得峰26在图3(B)中的所示出的所有三个频谱中位于相同的位置。
然而，如果对象的相对速度不等于0，则对象的在斜坡持续时间TC内出现的微小的间距变化导致中频信号的相位移位，如在图3中所示出的那样。相位逐斜坡地分别增大确定的值x。如果借助表示第一斜坡(j＝1)上的相位，则第二斜坡(j＝2)上的相位具有值而第三斜坡(j＝3)上的相位具有值
一般而言，可以如下将中频信号s描述为扫描索引k和斜坡索引j的函数：
项(fR+fD)kT代表单个斜坡内的运行时间效应和多普勒效应。项fDjTC代表对象间距逐斜坡的轻微变化的效果并且仅仅取决于(多普勒频率的)速度相关的分量fD。值是相位偏置，所述相位偏置通过以下给定：
其中，f0是频率斜坡的中值频率。
如果如在图3中的那样分别仅仅在单个斜坡内进行傅立叶变换(在固定的j时通过索引k)，则公式(3)中的项fDjTC分别仅仅提供相位的值x、2x、...。
然而，也可以对于时间信号的“纵剖图”实施傅立叶变换，其方式是，保持扫描索引k不变而对于相继的斜坡索引j实施快速傅立叶变换。在图3和4中，这对于扫描索引k＝1象征性地示出。在图3中，扫描时刻t1的函数值示出为粗的柱(Balken)。在图4(A)中也示出相同的柱。然而，在此它们相对于斜坡索引j描绘。由于逐斜坡的相位错位，再次得到周期函数，所述周期函数也可以经受傅立叶变换。在图4(B)和(C)中，结果再次示出为复数振幅的值A和相位的示图。在单个对象时，可以对于每一个k实施的所述傅立叶变换在多普勒频率fD时提供尖峰。相位由相位偏置和分量y(＝fR+fD)kT组成。
为了计算对象的间距R和相对速度v，仅仅需要频率分量fR和fD。如图4所示出的那样，通过对于斜坡索引j的傅立叶变换得到的频谱提供频率分量fD，而根据图3的单个斜坡的每一个内的傅立叶变换提供频率分量的总和fR+fD。由两个参量一起可以计算频率分量fR并且因此计算间距R。
一种特别巧妙的分析处理方法在于，将以上所描述的傅立叶变换汇总成所谓的二维傅立叶变换。在此，将在多个相继的斜坡上得到的时间信号变换到二维的频率空间中，其坐标是多普勒频率fD以及总和fR+fD，如在图5中所示出的那样。在所述二维的频率空间中，峰26位于水平轴上的位置fD，1处，所述位置相应于多普勒频率并且因此相应于对象的相对速度v，并且其在垂直轴上的位置是fR，1+fD，1。在所述示图中，具有相同间距(fR恒定)但不同相对速度(fD变化)的对象的峰位于45°直线上。在经过峰26的45°直线与垂直轴相交处，可以直接读取间距相关的频率分量fR，1并且可以换算成所属的间距R1。
当然，到此所描述的方法的前提是，对于多普勒频率fD满足根据香农采样定理的唯一性条件：
|fD|＜1/2TC(5)
因此，在更大的相对速度和相应更大的多普勒频率fD时，不再能够唯一地确定在图4(A)中通过在j＝1、j＝2等时的离散函数值给定的周期函数。作为示例，图6示出以下周期函数：其在j＝1、j＝2和j＝3时具有与在图4(A)中相同的函数值，然而具有大得多的频率并且因此代表具有大得多的相对速度的对象。只要不已知对象的真实的相对速度，则因此必须考虑以下可能性：对象不通过图5中的峰26代表而是通过位于唯一性通道之外的更大的多普勒频率fD，2处的峰28代表。另一对象间距R2也属于所述峰，在图5中所述另一对象间距通过频率fR，2确定。
同样，中频信号的纵剖图也可以涉及在图6中所示出的函数的每一个更高次的谐波，其分别说明对象的另一个可能的、更大的相对速度。
如果对象的相对速度是负的，则图3中的中频信号向另一侧移位，这在傅立叶变换中通过负的多普勒频率fD代表。在这种情形中，对象也可以通过位于图5中的(fR+fD)轴左侧的相应位置的峰代表。只要不能充分限定所考虑的相对速度的范围，则所述测量无论如何提供能够精确计算其值的一族可能的峰位置和相应的值对fD、fR，然而由它们不已知哪个值对代表真实的对象。
因此，需要一种能够实现正确值对的选择的方法。
为此目的，代替在图2中示出的调制样式，使用在图7中示出的调制样式。在所述调制样式中，斜坡24、30的两个序列如此彼此交错，使得频率错位的斜坡30以时间间距T′C跟随斜坡24，没有频率错位的下一个斜坡24跟随所述斜坡30，等等。斜坡24和30具有相同的持续时间和相同的频偏，然而以固定的频率间距fs彼此移位。可选择地，各个斜坡或者斜坡对24、30可以分别通过间歇分开。在所示出的示例中，斜坡无间歇地彼此跟随，从而时间间距T′C再次等于斜坡持续时间TC。
现在，借助图1至6所描述的分析处理过程可以对于斜坡24的族一次地实施并且对于斜坡30的族再一次地实施。在此得到的中频信号s的区别主要在于其相位偏置。对于第一斜坡24，根据公式(4)通过以下给定相位偏置：
在此，R0是在接收第一斜坡的信号的时刻对象的间距，f1是斜坡24的中值频率。
对于错位的第一斜坡30，相应地得到相位偏置：
其中，f2是斜坡30的中值频率。项T′Cv代表在从第一斜坡24的开始直至第一斜坡30的开始的时间间隔T′C中对象间距的增大。对于相位差得到：
因为T′C非常小，所以包含R0的项占主要，而包含T′Cv的项可以忽略：
所述关系提供用于对象间距的、与相对速度v无关的近似值R0。
如在图7中象征性示出的那样，使包含斜坡24的族的时间信号经受二维的快速傅立叶变换(2DFFT)，相应于对于各个斜坡的傅立叶变换和对于由不同斜坡组成的时间信号的纵剖图的对应傅立叶变换。通过这种方式得到图5中的峰26并且(由峰26的位置处的复数振幅)也得到中频信号的相位相应地，处理斜坡30的族并且通过这种方式得到相位
由相位差可以根据上述公式(9)计算近似值R0。
然后，将所述近似值R0与属于在图5中示出的频率值fR，1、fR，2等的可能的间距值R1、R2进行比较。所述可能的间距R1、R2...中的最接近近似值R0的那个值则视为对象的真实间距的值。然后，由图5中的所属的峰26或28的位置可以求取多普勒频率fD并且由此求取对象的真实相对速度v。
通过这种方式，克服在分析处理斜坡24、30的族中的仅仅一个时存在的多值性。
当同时定位多个对象时，对于每一个对象在从-1/2TC至+1/2TC的单值性间隔内恰好得到峰26，从而由于峰给对象的分配也避免多值性。
然而，当对象间距如此大使得相位差大于2π时，所描述的用于确定近似值R0的方法在其侧导致多值性。因此，得到用于最大可测量的具有的限界：
RMAX＝C/2fs(10)
因此，应当如此(小)地选择频率错位fs，使得覆盖所期望的距离范围。
在实际中，对象的所考虑的相对速度位于所限定的间隔内。根据图5，这也限定以下间隔：所考虑的对象间距必须位于所述间隔中。因此，可以如此大地选择fs，使得用于间距的近似值仅仅在实际需要的间距范围内是唯一的。
可选择地，也存在以下可能性：在彼此相继的测量循环的过程中改变频率错位fs，以便暂时、必要时需要相关地改变单值性区域和/或通过用于不同频率错位的相位差的分析处理获得附加信息。

Claims (5)

1.一种用于借助FMCW雷达确定多个同时定位的对象(12，14)的间距(R)和相对速度(v)的方法，其中，以周期重复的斜坡(24，30)的形式来调制发射信号的频率，将所述发射信号与所接收的信号一起混频成中频信号(s)，并且为了确定所述对象的间距(R)和/或相对速度(v)逐斜坡地分析处理所述中频信号(s)的相位的变化，其特征在于，调制样式包括至少两个斜坡(24，30)，它们仅仅以固定的频率错位(fs)区分并且以确定的时间间距(T′C)彼此相继，根据用于所述两个斜坡的中频信号的相位差来计算所述对象间距的唯一近似值(R0)。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，通过分析处理多个相继的相同的斜坡(24)的中频信号(s)来计算所考虑的多个对象间距并且选择所计算的间距中的最接近所述近似值(R0)的那个间距作为最终的对象间距。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述调制样式包括两簇彼此相同的斜坡(24，30)，它们如此彼此交错，使得没有频率错位的斜坡(24)分别与具有频率错位的斜坡(30)彼此交替。
4.根据以上权利要求中任一项所述的方法，其中，使在彼此相继的相同的斜坡中所得到的中频信号(s)经受二维的傅立叶变换，以便确定所出现的频率和所属的相位。
5.一种FMCW雷达传感器，其具有控制与分析处理装置(22)，在所述控制与分析处理装置中实施根据权利要求1至5中任一项所述的方法。
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