CN105492921B - 用于机动车的雷达传感器 - Google Patents

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Abstract

一种用于机动车的雷达传感器，所述雷达传感器具有至少一个通过天线元件(12)的线性布置构成的组合天线(10)、具有用于将具有可调节的相位关系的发射信号(S1，S2)馈入到所述天线元件(12)中的馈给装置(16，18，20)、具有用于控制所述馈给装置的控制装置(28)并且具有用于分析处理所接收的雷达回波以及用于角度分辨地定位对象的分析处理装置(26)，其特征在于，所述组合天线(10)分成至少两个不交叉的子组(10a，10b)，所述馈给装置(16，18，20)构造用于给每一个子组的天线元件(12)输送相位相同的发射信号，而用于不同子组的发射信号具有可调节的相位差，所述控制装置(28)构造用于使所述可调节的相位差从测量循环至测量循环地周期性地通过以下方式变化：所述发射信号在一个测量循环中具有基相位差(δ)而在另一测量循环中具有与所述基相位差相差一固定量值的相位差，并且所述控制装置(28)还构造用于根据所接收的雷达回波的电平(P1，P2)在所述测量循环之间的电平差的最大化意义上调节所述基相位差(δ)。

Description

用于机动车的雷达传感器
技术领域
本发明涉及一种用于机动车的雷达传感器。
背景技术
在驾驶员辅助系统的范畴内，雷达传感器用于检测交通周围环境、例如用于雷达支持的间距调节(ACC，Adaptive Cruise Control：自适应巡航控制)。所述驾驶员辅助系统例如由公开文献“Adaptive Fahrgeschwindigkeitsregelung ACC”(Robert Bosch有限公司，黄皮书系列，2002出版，技术指导)已知。除距离和相对速度以外，所定位的对象的角度也是雷达传感器的一个重要的测量参量。在此，不仅水平角(方位角) 而且垂直角(俯仰角)是重要的。方位角用于估计横向错位并且因此用于车道分配(Spurzuordnung)。俯仰角例如能够实现在可以在其下方或者在其上方驶过的对象与是真实障碍物的对象之间进行区分。因此，尤其在安全应用(PSS，Predictive Safety Systems：预测性安全系统)中能够避免通过金属对象——例如通道盖、金属罐等等引起的错误触发。
方位角分辨能力大多通过以下方式实现：产生多个角度错位的雷达波瓣，在所述多个雷达波瓣中分析处理在分离的通道中的雷达回波。也已知进行扫描的雷达系统，其中使雷达波瓣偏斜。发射波瓣的和/或接收波瓣的偏斜例如可以借助相控阵列天线实现。天线装置的方向特性则通过各个天线元件的辐射图的叠加得到。
由WO 2012 089 385 A1已知一种用于机动车的雷达传感器，借此可以至少粗略地估计所定位的对象的俯仰角。所述雷达传感器具有至少一个通过天线元件的线性布置构成的组合天线、具有用于将具有可调节的相位关系的发射信号馈入天线元件中的馈给装置、具有用于控制所述馈给装置的控制装置以及具有用于分析处理所接收的雷达回波并且用于角度分辨地定位对象的分析处理装置。
发明内容
本发明的任务是，创造一种具有简化的构造的、角度分辨的雷达传感器。
在本发明的一种实施方式中，所述任务通过以下方式解决：将组合天线分成至少两个不交叉的子组，所述馈给装置构造用于给每一个子组的天线元件输送相位相同的发射信号，而发射信号对于不同的子组具有可调节的相位差，所述控制装置构造用于使所述可调节的相位差从测量循环至测量循环地周期性地通过以下方式变化：所述发射信号在一个测量循环中具有基相位差而在另一测量循环中具有与所述基相位差相差一固定量值的相位差，并且所述控制装置还构造用于根据所接收的雷达回波的电平在测量循环之间的电平差的最大化意义上调节所述基相位差。
由这两个子组发射的雷达波叠加成一个雷达波瓣，所述雷达波瓣的主辐射方向取决于相应的相位差。如果基相位差是0，则在第一测量循环中相位相同地控制整个组合天线的所有天线元件，并且主辐射方向相应于组合天线的平面的法线。在下一测量循环中，相位差则大了一固定量值，所述固定量值通常是180°的量级。在相位差180°时，在法线上得到相消干涉，从而所接收的雷达回波的电平对于位于法线上的对象而言是最小的。如果基相位差不为0，则在第一测量循环中主辐射方向与法线偏差，并且在下一测量循环中相消干涉的方向相应地与法线偏差。因此，雷达波瓣可以在一定的边界内偏斜，其方式是，使基相位差变化。如果定位出单个对象，则在所述对象所出现的角度与基相位差之间存在固定的且已知的关系，其中在第一测量循环中接收的雷达回波(在相长干涉时)与在下一测量循环中接收的雷达回波(在相消干涉时)之间的电平差是最大的。因此，通过使基相位差变化，能够确定或至少粗略地估计所定位的对象的角度。
所述解决方案具有以下优点：原则上需要仅仅一个唯一的移相器来调节相应的相位差，而例如在常规的相控阵列天线中对于每一个单个天线元件必须存在一个分开的移相器。
上述解决方案类似地也应用到以下组合天线上：所述组合天线用作接收天线或者在单站天线方案中用作组合的发射与接收天线。因此，根据另一实施方式，本发明的主题是用于机动车的雷达传感器，所述雷达传感器具有至少一个通过天线元件的线性布置构成的组合天线、具有用于使所述天线元件的接收信号借助可调节的相位关系来叠加的叠加装置、具有用于控制所述叠加装置的控制装置以及具有用于分析处理所接收的雷达回波并且用于角度分辨地定位对象的分析处理装置，其中所述组合天线分成至少两个不交叉的子组，所述叠加装置构造用于使每一个子组的天线元件的接收信号相位相同地叠加，而使不同子组的接收信号借助可调节的相位差来叠加，所述控制装置构造用于使所述可调节的相位差从测量循环至测量循环地周期性地通过以下方式变化：所述接收信号在一个测量循环中具有基相位差而在另一测量循环中具有与所述基相位差相差一固定量值的相位差，并且所述控制装置还构造用于根据所接收的雷达回波的电平在所述测量循环之间的电平差的最大化意义上调节所述基相位差。
本发明的有利构型在从属权利要求中说明。
在一种有利的实施方式中，天线元件的线性布置具有垂直的列，从而实现在俯仰方面的角度分辨能力。随后，可以利用基相位差的调节来补偿在将雷达传感器安装到车辆中时可能的调准误差。如果雷达传感器由于所述调准误差例如如此被安装，使得组合天线的平面的法线相应于非0°的俯仰角，则可以如此匹配所述基相位差，使得雷达波瓣在第一测量循环中恰好以如此程度偏斜，使得其主辐射方向相应于俯仰角0°。
优选地，雷达传感器具有多个以多个并排布置的列形式的组合天线，它们被相位相同地控制，从而在方位方面实现更强的方向性。
附图说明
下面根据附图详细阐述实施例。附图示出：
图1：根据本发明的雷达传感器的框图；
图2至7：用于阐述在估计对象的俯仰角时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天线装置，所述天线装置具有发射天线装置Tx和接收天线装置Rx。发射天线装置Tx具有多个组合天线10，所述多个组合天线通过天线元件12的平行地并排布置的垂直列构成。每一个组合天线10分成两个子组10a和10b。所述子组没有交叉，即属于同一子组的所有天线元件12彼此直接相邻。在所示出的示例中，每一个子组具有相同数量的天线元件。
天线元件12用于发射由本地振荡器14产生的雷达信号。待发射的雷达信号通过第一馈给网络16分布到组合天线10中的每一个组合天线的子组10a上并且然后在每一个子组内串行地馈入到各个天线元件12中。相应地，待发射的雷达信号通过第二馈给网络18分布到组合天线10中的每一个组合天线的子组10b上并且然后在每一个子组内串行地馈入到各个天线元件12中。
通过组合天线10构成的列具有均匀的水平的彼此间距。馈给网络16 如此配置，使得相位相同地控制所有组合天线10的子组10a的全部天线元件12，从而通过由各个天线元件发射的辐射的叠加得到不仅在方位方面而且在俯仰方面的聚束效果。主辐射方向在此垂直于以下平面：在所述平面中天线元件12例如布置在一个共同的高频衬底上。为了相位相同地激励子组的各个天线元件12，使所述子组内的两个相邻的天线元件12之间的间距 d1与所述衬底上的波长λ一致(或者是所述波长的整数多倍)。子组10b 的天线元件12也具有相同的间距d1，并且子组10a的最后一个天线元件与子组10b的第一个天线元件之间的间距也是d1。
馈给网络18也如此配置，使得相位相同地控制所有组合天线10的子组10b的全部天线元件12。然而，所述馈给网络不包含以下移相器20：借助所述移相器可以调节一方面输送给子组10a的而另一方面输送给子组 10b的发射信号之间的相位差。当所述衬底垂直地安装到车辆中时，如果所述相位差不为0，则对于发射天线装置Tx而言作为整体地通过干涉得到与衬底平面的法线偏差的主辐射方向并且因此得到具有非0的俯仰角α的主辐射方向。
如果由发射天线装置Tx发射的雷达信号到达对象、例如前方行驶的车辆上，则雷达辐射的一部分被反射，其中所述雷达信号经受与所述对象的相对速度相关的多普勒移位，并且所反射的信号然后由接收天线装置Rx 的天线元件22接收。天线元件22布置成四列并且在每一列内彼此串联连接。每一列构成一个接收通道并且连接到四通道混频器24的输入端上。由振荡器14给所述四通道混频器24的另一输入端输送同一信号，所述信号也被传送到馈给网络16和18上。由每一个天线列接收的信号与本地振荡器14的信号进行混频。因此，作为混频结果，四通道混频器24提供四个中频信号Z1-Z4，所述中频信号的频率分别相应于所接收的信号与本地振荡器14的信号之间的频率差。
根据FMCW雷达(Frequency Modulated Continuous Wave：调频连续波) 的原理，斜坡状地调制振荡器14的频率(因此准确地说，天线元件12之间的间距d1相应于衬底上的平均波长)。由天线元件22接收的雷达回波的频率因此与本地振荡器的信号相差一量值，所述量值一方面取决于从雷达传感器至对象并且返回的信号渡越时间(Signallaufzeit)而另一方面由于多普勒效应取决于对象的相对速度。相应地，中频信号Z1-Z4也包含关于对象的间距和相对速度的信息。在频率调制中，上升的频率斜坡和下降的频率斜坡相互交替，并且通过将中频信号在上升斜坡上和在下降斜坡上相加一次和相减一次，使与间距相关的份额和与速度相关的份额相互分离，从而得到用于所定位的每一个对象的间距D和相对速度V的值。
中频信号Z1-Z4输送给分析处理装置26并且在那里逐通道地、分别在频率斜坡的持续时间上描绘并且通过快速傅里叶变换分解到频谱中。在所述频谱中，通过峰示出每一个对象，所述峰在通过相应的对象间距和相对速度所确定的频率处。
由组Rx的不同列接收的雷达回波具有与对象的相应方位角相关的彼此的相位移位。由于由发射天线装置Tx发射的信号的聚束，所接收的雷达回波的振幅也取决于对象的方位角。因此，通过振幅差与相位差的借助相应天线图的比较，在分析处理装置26中也能够确定方位角
电子控制装置28控制振荡器14和移相器20。在可以包括振荡器14 的一个或多个频率调制斜坡的第一测量循环中，将移相器20调节到相位差δ上。在输送供给子组10a的发射信号S1与输送给子组10b的发射信号S2 之间存在以下关系：
S2＝S1*exp(i2πδ)
这引起，以下方向在俯仰方面略微与俯仰角0°(天线装置的衬底的法线)不同：在所述方向上由一方面子组10a并且另一方面子组10b发射的信号相长干涉并且构成主波瓣。
在可以再次包括振荡器14的一个或多个频率调制斜坡的下一测量循环中，将移相器20调节到相位差δ+Δ上。则以下适用：
S2＝S1*exp(i2π(δ+Δ))
相位差δ与在第一测量循环中的相位差相同并且称作基相位差。附加的相位差Δ在理想的天线装置中是180°。如果基相位差δ＝0，则相反相位地控制子组10a和10b，其结果是，在俯仰角0°处出现相消干涉。如果基相位差δ不等于0，则在俯仰角不等于0时出现相消干涉。
在理想的发射天线装置Tx的情况下，由硬件决定的一定的相位偏置可能引起，在δ＝0时相消干涉不一定在俯仰角0°处出现，而是在略微不同的俯仰角处出现。这可以通过以下来补偿：对于Δ选择一个略微不同于180°的值。
图2和7示出天线图，其中分别将增益G以单位dB(即对数形式)示出为俯仰角α的函数。
图2示出在俯仰方面的对于第一测量循环的天线图，其中δ＝0。发射信号S1和S2是相位相同的，并且通过相长干涉在俯仰角α＝0°处得到具有宽度约±15°的主波瓣。所述主波瓣在两侧对称地由旁波瓣相邻(flankieren)。
图3示出对于第二测量循环的相应天线图，其中δ＝0并且Δ＝180°。在此，通过干涉在俯仰角0°处得到完全的抵消，并且第一阶的最大值相对于俯仰角0°对称。
如果对象位于俯仰角0°处，则在所述情况中在第一测量循环中得到明显的雷达回波，相反地在第二测量循环中实际上没有得到信号。
相反地，如果对象略微朝正的或负的俯仰角移位，则在第一测量循环中得到略微较更弱的信号，但对此在第二测量循环中也得到可测量的信号。因此，所述系统整体上对俯仰角的小的变化相对灵敏地作出反应。
图4和5示出对于第一和第二测量循环的相应天线图，其中基相位差δ＝60°。
在图4中识别出，主波瓣朝负的俯仰角移位。相应地，在图5中最大抵消的位置朝负的俯仰角移位。
在图6中，将对于第一和第二测量循环的天线图汇总成一个唯一的示图。以实线示出的曲线说明在第一测量循环中的增益，而虚线示出的曲线说明在第二测量循环中的增益。对于位于俯仰角约-7°处的对象而言，第一测量循环中的和第二测量循环中的增益之间的差别通过加粗条示出。所述差别代表在第一测量循环中与在第二测量循环中对于所述对象的信号电平 (在通过对象的间距和相对速度限定的中频处)所测量的电平差。
如图1所示的那样，对于所定位的对象在第一测量循环中与在第二测量循环中所测量的电平P1和P2由分析处理单元26报告给控制单元28。随后，控制单元28改变基相位差δ，以便使电平差P1-P2最大化。基相位差δ的变化引起天线图中的曲线的移位，如其在图7中所示出的那样。因此，增益之间的差并且相应地电平差P1-P2增大并且所述差在确定的基相位差δ时达到最大值。所述基相位差δ报告给分析处理装置26。
根据可以对于给定的发射天线装置Tx预先测量的天线图，可以在基相位差δ与所属的俯仰角α
之间确定关系，在所述基相位差的情况下电平差最大。根据所述关系，控制装置28能够输出用于俯仰角α的相应的估计值
如果在将雷达传感器安装到机动车中时出现调准误差，所述调准误差引起天线装置的衬底不准确地垂直定向，则借助上述装置对于其反射中心位于俯仰角0°处的对象测量出不为0°的俯仰角，其中偏差0°相应于所述调准误差。
因为对象的俯仰角位于0°处的情形在统计上是最经常的，所以俯仰角α的上述测量也可以用于补偿调准误差。例如，控制装置28可以存储以下相位差δ：对于所述相位差而言电平差是最大的。如果相继地定位多个对象，则对于所属的基相位差δ构成滑动平均值，其结果是，天线波瓣在俯仰方面逐渐地偏斜，直至调准误差被均衡。
同样可能的是，在安装到车辆中之后，在雷达传感器的运行时在俯仰角0°处进行校准测量，并且存储在此得到的基相位差并且将其用作用于借助雷达传感器的将来所有测量的初始值。
在先前的描述中，以一个示例阐述本发明，在所述示例中借助发射天线装置Tx实现俯仰角α的测量。替代地，当然也可能的是，为此使用接收天线装置Rx。在所述情形中，接收天线装置Rx的天线元件22的每一列细分成两个子组，并且移相器20如此连接在相应的第二子组与四通道混频器 24之间，使得在每一个通道中将由这两个子组接收的信号与通过移相器20 确定的相位差叠加。然后，与图2至7的天线图类似的天线图说明接收天线装置Rx的灵敏度在俯仰方面的角分布。灵敏度方面的差引起电平差，所述电平差能够实现俯仰角的确定。

Claims (8)

1.一种用于机动车的雷达传感器，所述雷达传感器具有至少一个通过天线元件(12)的线性布置构成的组合天线(10)、具有用于将具有可调节的相位关系的发射信号(S1，S2)馈入到所述天线元件(12)中的馈给装置(16，18，20)、具有用于控制所述馈给装置的控制装置(28)以及具有用于分析处理所接收的雷达回波并且用于角度分辨地定位对象的分析处理装置(26)，其特征在于，所述组合天线(10)分成至少两个不交叉的子组(10a，10b)，所述馈给装置(16，18，20)构造用于给每一个子组的天线元件(12)输送相位相同的发射信号，而用于不同子组的发射信号具有可调节的相位差，所述控制装置(28)构造用于使所述可调节的相位差从测量循环至测量循环地周期性地通过以下方式变化：所述发射信号(S1，S2)在一个测量循环中具有基相位差(δ)而在另一测量循环中具有与所述基相位差相差一固定量值(Δ)的相位差，并且所述控制装置(28)还构造用于根据所接收的雷达回波的电平(P1，P2)在所述测量循环之间的电平差的最大化意义上调节所述基相位差(δ)。
2.根据权利要求1所述的雷达传感器，其中，所述至少一个组合天线(10)垂直地定向。
3.根据权利要求1或2所述的雷达传感器，其中，所述控制装置(28)构造用于存储用于所述基相位差(δ)的标准值，所述标准值补偿在将所述雷达传感器安装到所述机动车中时的调准误差。
4.根据权利要求3所述的雷达传感器，其中，所述控制装置(28)构造用于通过对于多个对象测量的俯仰角(α)的统计的分析处理来确定所存储的标准值。
5.一种用于机动车的雷达传感器，所述雷达传感器具有至少一个通过天线元件的线性布置构成的组合天线、具有用于使所述天线元件的接收信号借助可调节的相位关系叠加的叠加装置、具有用于控制所述叠加装置的控制装置以及具有用于分析处理所接收的雷达回波并且用于角度分辨地定位对象的分析处理装置，其特征在于，所述组合天线分成至少两个不交叉的子组，所述叠加装置构造用于使每一个子组的天线元件的接收信号相位相同地叠加，而使不同子组的接收信号借助可调节的相位差叠加，所述控制装置构造用于使所述可调节的相位差从测量循环至测量循环地周期性地通过以下方式变化：所述接收信号在一个测量循环中具有基相位差而在另一测量循环中具有与所述基相位差相差一固定量值的相位差，并且所述控制装置还构造用于根据所接收的雷达回波的电平在所述测量循环之间的电平差的最大化意义上调节所述基相位差。
6.根据权利要求5所述的雷达传感器，其中，所述至少一个组合天线(10)垂直地定向。
7.根据权利要求5或6所述的雷达传感器，其中，所述控制装置(28)构造用于存储用于所述基相位差(δ)的标准值，所述标准值补偿在将所述雷达传感器安装到所述机动车中时的调准误差。
8.根据权利要求7所述的雷达传感器，其中，所述控制装置(28)构造用于通过对于多个对象测量的俯仰角(α)的统计的分析处理来确定所存储的标准值。
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