CN105103004A - 用于在雷达系统中确定仰角的设备和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及在多于一个目标31、32位于雷达区20内的情况下对仰角的确定。通过根据本发明的在多目标场景中的仰角估算，也可以在这种情况下求得方位角和仰角，并且接着对相应的目标物体31、32进行可靠的分类。本发明尤其也涉及一种具有雷达系统的机动车10，该雷达系统包括根据本发明的方位角和仰角估算装置。

Description

用于在雷达系统中确定仰角的设备和方法

技术领域

本发明涉及一种用于在雷达系统中确定仰角的设备和方法。本发明尤其涉及一种用于在雷达区内出现多个目标的情况下确定仰角的设备和方法。

背景技术

现代的车辆越来越多地配备有所谓的驾驶辅助系统，它们对机动车的驾驶员例如在流动交通中驾车时以及例如在路边泊车时进行协助。

在此，对于驾驶辅助系统的处理过程来说值得期望的是，对那些可被机动车无危险地驶过的物体(例如位于地上的空饮料罐)与那些无论如何都不能被机动车驶过的物体(例如停放的汽车或树木)进行区分。为此有帮助的是，除了检测到的物体的方位上的角位置之外也附加地求得仰角，也就是物体的垂直位置。

德国专利申请DE102010064348A说明了用于机动车的雷达传感器。在此，天线装置能被这样控制，即，该天线装置具有时间上变化的方向特性。通过分析评价雷达回波可以确定检测到的物体的仰角。

一种用于确定仰角的可能性在于，对雷达传感器装置补充一个附加的仰角天线。该仰角天线具有在仰角方向上与主系统天线的特性不同的方向特性。若将由仰角天线的发射脉冲引起的、接收到的信号的振幅与由主天线的发射脉冲引起的信号的振幅相比较，则可由振幅的这种比较推断出物体的仰角。在此，对振幅的观测针对振幅幅值的分析，或者替换地也根据幅值和相位来分析评价复振幅。

然而如果在雷达区的扇形区域中同时存在多于一个的物体，那么在这种情况下，不再能够由接收信号的振幅比明确地确定仰角。

因此，需要一种雷达系统，该雷达系统能够在雷达区内多于一个物体时也可靠地确定仰角。此外，也需要一种雷达系统，该雷达系统在雷达区段内多于一个物体时能够实现对物体的可靠分类。

发明内容

根据一个方面，本发明提供了一种用于确定仰角的设备，其具有用于发出和接收雷达信号的发射和接收单元；用于确定方位上的目标参数的设备，该设备被设计用于求得多个检测到的目标和用于对每个检测到的目标确定方位角；和用于确定仰角的设备，该设备被设计用于基于方位上的目标参数形成控制矩阵并且用于在考虑控制矩阵的情况下对每个检测到的目标确定仰角。

根据另一方面，本发明提供了一种用于在雷达系统中确定仰角的方法，其具有以下步骤：确定方位上的目标参数，其中，方位上的目标参数包括检测到的目标的数量和针对每个检测到的目标的方位上的角估算；基于方位上的目标参数形成控制矩阵；并且在考虑控制矩阵的情况下确定目标的仰角。

本发明的构思在于，基于检测到的目标的求得的数量和配属于每个目标的方位角为每个检测到的目标求得各自的仰角。在此，仰角的确定借助最小二乘法进行。为此，构成一个适当的控制矩阵，该控制矩阵相应于雷达系统沿检测到的目标的方位方向的系统响应。基于该控制矩阵能够确定接收信号的振幅比并且由此还能够以简单的方式确定目标的仰角。

本发明的优点在于，对于根据本发明的确定仰角的方案无需附加的另外的天线元件或信号发生器形式的发射和接收硬件。根据本发明的用于确定仰角的方案可以在使用已有的发射和接收硬件的情况下实现。

本发明的另一优点在于，在一个单个的雷达区内在出现多个物体时也能够正确地估算仰角。因此，由这些信息能进一步推断出可靠的分类。

在一个实施方式中，发射和接收单元包括信号产生设备、主天线和仰角天线。在此，仰角天线优选具有与主天线不同的方向特性。因此，通过比较一方面由主天线的发射脉冲及另一方面由仰角天线的发射脉冲引起的接收信号，也可以进行简单且可靠的仰角确定。在替换的实施方式中，主天线和仰角天线具有相同的方向特性、但具有不同的相位中心。

在一个优选的实施方式中，发射和接收单元经由主天线发出多个信号，并且此外经由仰角天线发出至少一个信号，其中，经由仰角天线发出的信号相应于经由主天线发出的信号中的一个信号。因此，不仅经由主天线而且经由仰角天线发出至少一个相同的信号。这可以实现相应的接收信号中的振幅的简单比较。因此，能够特别简单地推断出相应的仰角。

在一个优选的实施方式中，控制矩阵由天线方向图的参数构成。尤其是控制矩阵优选由通过所使用的天线的天线方向图事先确定的目标方位角的截面中的参数形成。因此，这样的控制矩阵反映了雷达系统在检测到的目标方向上的方向特性。

根据一个实施方式，用于确定仰角的设备还包括用于存储信号比与仰角之间预先确定的关系的存储器设备。以这种方式可以实现，对于所考虑的振幅比已经分别提前计算出仰角并且将该关系保存在表格中。因此，在操作运行中消除了所需的高运算耗费，并且仰角的确定能够被特别快速地实施。

根据一个实施方式，雷达信号是FMCW雷达信号(调频连续波雷达FrequencyModulatedContinuousWaveRadar)。这样的雷达系统特别适合于求得距离和速度。

一个优选的实施方式包括具有雷达系统的机动车，该雷达系统包括根据本发明的用于确定仰角的设备。

根据一个优选的实施方式，用于确定仰角的方法还包括用于逆转控制矩阵的步骤。通过这样的逆转，能够以简单的方式建立并解开一个方程系统，该方程系统反映了用于确定仰角的系统条件。

根据另一实施方式，用于确定仰角的方法还包括用于分类检测出的目标的步骤。优选地，该用于分类的步骤包括在机动车能驶过的目标与机动车不能驶过的目标之间的区分。这样的分类可以通过根据本发明优化的仰角确定方案可靠地实施，并且可实现具有改善的输入参数的驾驶辅助系统。

尽管本发明被参照车辆中的雷达系统来说明，但是本发明并不局限于此。

附图说明

示出了：

图1两个目标场景的俯视示意图；

图2两个目标场景的侧视示意图；

图3根据本发明实施方式的用于确定仰角的设备的示意图；及

图4根据本发明实施方式的方法的示意图。

具体实施方式

下面使用的方向性术语，也就是如“左”、“右”、“上”、“下”、“前”、“后”及类似的概念仅仅用于更好地理解附图。这在任何情况下表示一般性的限制。在附图中示出的图是部分立体的，并且出于清楚的原因不必按正确比例地示出。示出的部件和元件以及示出的原则可在技术人员的考虑范围内变化并且匹配于相应的应用。相同的附图标记通常表示相同类型或起相同作用的部件。

本发明意义上的雷达系统首先是所有如下类型的系统，这些系统发出信号并且接收被周围环境反射的、所述发出信号的分量，并且随后基于发射的信号与接收的信号之间的关系推断出周围环境。这样的系统优选发出电磁射束。在此发射出的信号不仅涉及短脉冲信号，而且涉及在较长时间间隔上发出的信号。这些信号能够在时间、强度和/或频率上变化。本发明意义上的雷达系统尤其包括所谓的FMCW雷达系统。这样的系统在预给定的时间间隔上发出连续的信号，其中，所述信号的频率随时间变化。在此，通过信号频率的适当变化能够进一步推断出待检测的目标的数量、位置和相对速度。

图1示意性地示出一个场景的示例性俯视图，在该场景中，多个物体31、32位于雷达区20内。例如在此涉及机动车10，根据本发明的雷达系统被装入到该机动车中。从示出的车辆10向右指向地示例性示出了雷达区20。两个目标31和32示例性地位于该雷达区20内。例如，目标31可以是位于地面上的空饮料罐或类似物。这样一个物体能够被机动车无危险地驶过。另外的目标物体32例如可以是一个停放的机动车或树木。对于这样的物体应避免与机动车碰撞。

虽然在这里、也如在下述始终观测具有两个目标物体的雷达区，但是本发明原则上也可以在雷达区内有三个或更多的目标物体时进行。对雷达区内仅两个目标物体的观测仅仅用于更好地理解，而不是本发明的限制。

图2示出了出自图1中场景的侧视示意图。如由该视图中可见，两个物体31和32位于不同的高度上，然而两者都位于被该雷达系统照射的共同的雷达区20之内。

图3示出了用于检测目标物体的雷达系统的示意性结构。在此，该雷达系统首先包括一个发射和接收单元11。在该发射和接收单元11内部，首先由信号处理单元1产生一个或多个雷达信号并且经由主天线3发出。在此发出的电磁波碰到目标物体31、32并且被这些目标物体31、32反射。接着，反射的电磁射束的一部分被接收天线2接收并且由信号处理单元1处理。

在此，为了沿方位方向分辨多个目标，通过信号处理单元1可以产生多个不同类型的信号。例如在FMCW雷达的情况下，能够产生一些信号，在所述信号中频率随时间线性上升或下降。因此，通过多个这样的具有频率上不同的上升或下降的信号能够明确地区分多个目标。

由此，通过应用适当的方法尤其是在FMCW雷达系统中即使在一个雷达区20内有多个目标物体31、32时也能够明确地确定距离、相对速度和方位角。

此外，对雷达区20内多个目标的分辨也可通过一个具有多于一个接收通道的接收天线2改善。为了明确地分辨多个目标在此需要雷达系统中的接收通道的数量超过待检测的目标的数量。否则，无法求得目标物体的角位置。

为了确定雷达区内一个目标的仰角，此外通过一个另外的仰角天线4附加地发出信号，该信号同样由目标物体反射。该信号的反射也被接收天线2检测并且传输。如果主天线3和仰角天线4具有不同的定向，从而这两个天线的主射束方向不相同，则来自主天线3和仰角天线4的相应接收信号的振幅比根据目标物体的垂直位置变化。接着，通过分析该振幅比可对该目标物体求得仰角。在此，对振幅比的分析评价可以基于完整的复振幅分析，也就是说，不仅关于幅值而且关于相位进行分析。替换地，分析也可仅仅在考虑振幅幅值的情况下进行。

但是，经由仰角天线4发出的信号在此应优选相应于一个信号，该信号以相同的方式经由主天线3发出，由此可直接实现信号振幅的比较。

但是，上述仰角的确定只有当雷达区内仅有一个唯一的目标物体时才能实现。否则，以这种方式无法得到关于仰角的可用报告。

为了在雷达区内有多个目标物体的情况下也能正确地确定相应的仰角，在这种情况下必须首先确定这些目标物体沿方位方向的参数。为此，用于确定方位上的目标参数的设备5首先求得检测到的目标的数量n，并且为这些检测到的目标中的每一个确定所属的方位角θ。此外，也可以在此确定另外的参数，例如目标物体的距离和相对速度。

如果已知了目标的数量n和其方位角θ_n，那么可以由其构成所谓的控制矩阵A。

A＝[a(θ₁)，a(θ₂)，...，a(θ_n)]

在此，该控制矩阵A的大小取决于检测到的目标的数量n。对于每个检测到的目标，控制矩阵A分别包括一列。该控制矩阵的各个列分别由控制向量a(θ)构成。根据各个目标的相应方位角θ，从天线方向图的参数中确定这些控制向量a(θ)。因此，由入射信号s根据控制矩阵A在理论上得到接收信号x，其方式是通过：

x＝A·s

基于该方程可以如下估算各个入射信号的振幅：

其中，是信号振幅的估算，x是接收信号并且是控制矩阵A的伪逆。因此，基于该方程可以估算各个入射信号的振幅。

因此，为了在雷达区段内有多于一个的目标物体时求得仰角，用于确定仰角的设备6首先建立一个控制矩阵A，为此考虑了之前求得的方位上的目标参数。接着构成该控制矩阵的一个伪逆矩阵这可例如根据摩尔彭若斯方法(Moore-Penrose-Verfahren)进行。接着，通过该伪逆的控制矩阵与一个出自接收信号的向量x相乘可以估算入射信号在相应方位方向上的振幅。在得到相应信号振幅的估算之后，可以求得主天线3的信号与仰角天线4的信号之间的振幅比。接着，从信号的由此求得的振幅比可以为每个单独的目标估算仰角。

为了在此不必每次都重新进行用于由振幅比确定仰角的复杂运算，可以事先创建一个表格，其方式是：以表格形式存储振幅比与由此得到的仰角之间的关系。这样的表格例如可以存放在存储器7中。在必要时用于确定仰角的设备6访问存储器7并且由此可无需另外的复杂运算地直接确定相应的仰角。

以相同方式也可以提前逆转一个控制矩阵A并且同样以适当的方式存储一个或多个逆转的控制矩阵。例如这些逆转的控制矩阵可被存放在存储器7的另一存储区域中。由此，必要时可从该存储器7中读出适合的逆转的控制矩阵并且被考虑用于迅速求得仰角估算。

因此，尤其针对时间要求非常严格的应用，如其恰好在机动车行驶期间实时分析评价时所需的那样，可实现在多于一个目标物体的情况下迅速求得仰角。

在上述的实施例中，通过建立控制矩阵及接着逆转该控制矩阵来进行仰角的确定。此外，在根据本发明的方案中其它的方法也是可行的，这些方法基于，以控制矩阵描述雷达系统的系统性能及接着基于求得的系统性能计算仰角估算。

通过由此实现的在雷达区内多于一个目标时的仰角估算，可实现在雷达区内多于一个目标物体的情况下对目标物体的精确分类。尤其是可以对置于地面上的、可被机动车无危险地驶过的物体进行区分，并且另一方面可靠地识别这样的物体，这些物体不能允许与机动车碰撞。因此，这样的可靠分类也可以实现驾驶辅助系统的改进构造。

图4示出了用于在雷达系统中确定仰角的方法。在第一步骤41中，在此首先求得方位上的目标参数。这些目标参数如前述那样一方面是检测到的目标的数量及此外也是用于每个检测到的目标的方位上的角估算。在此，同样可以确定另外的参数，例如目标物体的距离和/或目标物体相对于雷达系统的相对速度。

在下一步骤42中，基于这些方位上的目标参数形成控制矩阵A。该控制矩阵A对于每个检测到的目标物体包括一个具有相应的控制向量a的列。在此，相应的控制向量a分别是在相应的方位方向上具有系统响应的向量。

在下一步骤43中，接着构成该控制矩阵A的伪逆例如可以根据摩尔彭若斯方法求得该伪逆的控制矩阵显然，用于求得伪逆矩阵的替代方法同样是可行的。

接着在步骤44中，在考虑算出的伪逆的控制矩阵的情况下，可以求得入射信号的振幅比并且基于这样求得的振幅比可求得用于各个检测到的目标物体的相应仰角。

替代形成伪逆地，以如下为基础的其他方法也是可行的，即，描述雷达系统的系统性能并且执行用于多个目标物体的角估算的该系统性能的求解。

因此，基于这样求得的用于每个单独的目标物体的方位角和仰角可以实现比无仰角确定好得多的对各个目标的分类。

尤其是通过可靠的仰角确定可以特别好地在位于地面上的物体与这样与地面有间距的物体之间进行区分。在此，恰恰对于驾驶辅助系统有重要意义的是，能够进行目标物体准确且可靠的分类，并且在能够被车辆无危险地驶过的物体与这些不允许驶过的物体之间进行区分。

根据本发明的用于确定仰角的方案，此外还可以的是，利用仅一个发射天线确定多个目标物体的方位角和仰角。为此，首先进行方位角估算并且接着进行仰角估算。

为了确定多个数量的目标物体N的方位角，所提供的接收通道的数量必须超过待检测的目标的数量。也就是说，对于N个待检测的目标物体需要至少N+1个接收通道。由此，从求得的信号中以根据本发明的方式再计算出用于角估算的解。

在接着确定目标的方位角之后，根据本发明的通过求解相应方程系统的方案借助更多的N+1个接收通道进行仰角的确定。通过该两级的角估算方法，可以在多个目标场景时实现特别高效的方位角及仰角确定。

总而言之，本发明涉及一种确定仰角的方案，其用于多于一个目标31、32位于雷达区20内的情况。通过根据本发明的在多目标场景中对仰角的估算，也可以在这样的情况下求得方位角和仰角，并且由此对相应的目标物体31、32进行可靠的分类。本发明尤其也涉及一种具有雷达系统的机动车10，该雷达系统包括根据本发明的方位角和仰角估算装置。

Claims (10)

1.一种用于确定仰角的设备，所述设备包括：

用于发出和接收雷达信号的发射和接收单元(11)；

用于确定方位上的目标参数的设备(5)，所述用于确定方位上的目标参数的设备被设计用于求得检测到的目标(31、32)的数量并且对每个检测到的目标(31、32)确定方位角；和

用于确定仰角的设备(6)，所述用于确定仰角的设备被设计用于基于所述方位上的目标参数形成控制矩阵并且在考虑所述控制矩阵的情况下对每个检测到的目标(31、32)确定仰角。

2.根据权利要求1所述的设备，其中，所述发射和接收单元(11)包括信号产生设备(1)、主天线(3)和仰角天线(4)。

3.根据权利要求2所述的设备，其中，所述发射和接收单元(11)经由所述主天线(3)发出多个信号并且经由所述仰角天线(4)发出至少一个信号，所述至少一个信号相应于经由所述主天线(3)发出的所述信号中的一个。

4.根据上述权利要求中任一项所述的设备，其中，所述控制矩阵由天线方向图的参数形成。

5.根据上述权利要求中任一项所述的设备，所述设备还包括用于存储信号比与仰角之间的预先确定的关系和/或用于存储基于所述控制矩阵预先算出的中间结果的存储设备(7)。

6.根据上述权利要求中任一项所述的设备，其中，雷达信号是FMCW雷达信号。

7.一种具有雷达系统的机动车，所述雷达系统包括根据上述权利要求中任一项所述的用于确定仰角的设备。

8.一种用于在雷达系统中确定仰角的方法，所述方法包括以下步骤：

确定(41)方位上的目标参数，其中，所述方位上的目标参数包括检测到的目标数量和对每个检测到的目标的方位上的角估算；

基于所述方位上的目标参数形成(42)控制矩阵；以及

在考虑所述控制矩阵的情况下确定(44)所述目标的仰角。

9.根据权利要求8所述的方法，所述方法还包括用于逆转所述控制矩阵的步骤(43)。

10.根据权利要求8或9所述的方法，所述方法还包括用于分类所述检测到的目标的步骤。