CN106291559B - 用于运行具有至少两个发射天线和至少一个接收天线的雷达设备的方法 - Google Patents

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Abstract

用于运行具有至少两个发射天线和至少一个接收天线的雷达设备的方法，其具有以下步骤：通过相互等距的正交OFDM副载波的复数调制产生发射频谱，发射天线中的每一个的每个发射频谱具有限定数目的离散的OFDM副载波，所有发射频谱基本上具有相同的带宽，将OFDM副载波不重叠地并且基本上不等距地划分到发射频谱上，每个发射频谱具有至少两个直接相邻的OFDM副载波；将发射频谱变换到时域中；对发射频谱进行数/模转换、高频调制，借助发射天线同时发射经调制的发射频谱；对由接收天线接收的接收信号解调并且数字化；对于每个发射频谱产生一个接收频谱，根据OFDM副载波在发射频谱中的划分来实施OFDM副载波的划分；从接收频谱中消除发射频谱的所发射的信号波形；对于每个接收频谱产生一个雷达图像；在间距维度和速度维度方面分析处理雷达图像；对于接收信号实施信号分析处理。

Description

用于运行具有至少两个发射天线和至少一个接收天线的雷达 设备的方法
技术领域
本发明涉及一种用于运行雷达设备的方法。本发明还涉及一种雷达设备。
背景技术
在机动车(KFZ)中越来越多地将用于测量对象(例如车辆、障碍物等等)的间距、相对速度和角度的雷达系统用于安全功能和舒适性功能。在此，越来越多地使用所谓的MIMO系统(英语：multiple input multiple output：多输入多输出)，在这些系统中使用多个发射和接收天线。借助MIMO原理可以进行特别准确的角度估计，其中，可以虚拟增大对于角度估计来说重要的天线孔径(天线面积)。在此，多个发射天线相互不受影响地发射其信号，所述信号在接收信道中被分离。通过以下方式实现孔径的虚拟增大：即发射天线与接收天线的间距不同并且因此可以如此进行计算处理，仿佛仅仅一个唯一的发射天线存在，但是接收天线的数目倍增并且因此虚拟地产生天线孔径的较大的宽度和/或高度。
可以在频域或时域中分离不同发射天线的信号。经常在时域中进行分离，也即天线以时分复用TDM依次发送(英语：time division multiplex)。在此，一个缺点是，测量时间通过顺序测量而增加，并且对象在增加的测量时间期间可能已经明显运动，这可能降低测量精度。
另一种分离可能性在于在频域中进行分离(频率复用)。在此，不同的天线在相同时刻占用不同的频域。该方法的缺点是每个发射信道的减小的可用带宽。雷达系统的间距分离能力直接与其带宽成比例，由此在传统的频率复用的情况下间距分离能力可能降低。
以上实施与所应用的调制方法无关地适用。当今典型的发射频率为24GHz或者77GHz，最大可以占用的带宽小于大约4GHz，但是通常明显在其下，例如大约为0.5GHz。
当今的机动车雷达系统通常使用FMCW调制，其中，通过不同斜率的多个线性频率斜坡。瞬时发射信号与接收信号的混合产生低频信号，所述低频信号的频率与间距成比例，但所述低频信号还包含通过与相对速度成比例的多普勒频率引起的加性/减性分量。多个目标的间距信息的和速度信息的分离通过一种复杂而且相对易出错的方法实现，在所述方法中将不同斜坡的结果与较早完成的测量的结果进行组合。
较新的系统使用具有明显更快的斜坡的FMCW调制(Chirp调制)，由此在斜坡内可以忽略多普勒频移。由此获得的间距信息很大程度上是明确唯一的，接着多普勒频移可以通过观察复数间距信号的相位时间发展来确定。
将来，数字调制方法也将在机动车雷达系统中起重要作用。已经在一些通信应用(例如WLAN、LTE、DVB-T)中使用数字调制方法，例如OFDM(英语：orthogonal frequencydivision multiplex：正交频分复用)。
发明内容
本发明的任务是，提供一种用于运行MIMO雷达设备的改善的方法。
根据第一方面，所述任务借助一种用于运行具有至少两个发射天线和至少一个接收天线的雷达设备的方法来解决，所述方法具有以下步骤：
通过相互等距的正交OFDM副载波的复数调制产生发射频谱，其中，所述发射天线中的每一个的每个发射频谱具有限定数目的离散的OFDM副载波，其中，所有发射频谱基本上具有相同的带宽，其中，将OFDM副载波不重叠地并且基本上不等距地划分到所述发射频谱上，其中，每个发射频谱具有至少两个直接相邻的OFDM副载波；
将所述发射频谱变换到时域中；
对所述发射频谱进行数/模转换、高频调制，并且借助所述发射天线同时发射经调制的发射频谱；
对由所述接收天线接收的接收信号进行解调并且数字化；
对于每个发射频谱产生一个接收频谱，其中，根据所述OFDM副载波到所述发射频谱中的划分来实施所述OFDM副载波的划分；
从所述接收频谱中消除所述发射频谱的所发射的信号波形；
对于每个接收频谱产生一个雷达图像；
在间距维度和速度维度方面分析处理雷达图像；并且
对于所述接收信号实施信号分析处理。
通过这种方式实现以峰的形式的测量中间结果，其中，可以从峰的指数(Indizes)求取对象的间距和速度。因此，可以与OFDM和MIMO构成的常规组合相比不打折扣地获得间距分离能力，其中，明确唯一可估计的间距范围有利地不减小。
根据第二方面，所述任务借助一种雷达设备来解决，所述雷达设备具有：
产生装置，用于通过相互等距的正交OFDM副载波的复数调制来产生发射频谱，其中，所述发射天线中的每一个的每个发射频谱具有限定数目的离散的OFDM副载波，其中，所有发射频谱基本上具有相同的带宽，其中，OFDM副载波能够不重叠地并且基本上不等距地划分到所述发射频谱上，其中，每个发射频谱具有至少两个直接相邻的OFDM副载波；
第一处理装置，借助所述第一处理装置能够对所述发射频谱进行数/模转换并且高频调制；
至少两个发射天线，其用于同时发射两个发射频谱；
至少一个接收天线，其用于接收接收频谱；
第二处理装置，其用于所述接收信号的解调和模/数转换；以及
分析处理装置，其用于产生所述接收信号的接收频谱并且分离所述发射频谱，其中，所述OFDM副载波的划分能够根据所述OFDM副载波在所述发射频谱中的划分来实施；其中，所述发射频谱能够从所述接收频谱中被消除；其中，对于每个发送/接收路径能够产生一个雷达图像；其中，所述雷达图像能够在间距维度和速度维度方面被分析处理；其中，进一步的信号处理能够对于所述接收信号来实施。
有利地，借助本发明提供MIMO雷达与OFDM调制构成的组合，该组合避免分离能力的或分辨能力的变差。通过这种方式支持目标的改善的估计。借助本发明，在使用多个隐含地具有改善的角度估计能力的发射天线的情况下保持明确唯一可测量的间距范围和最大可能的分离能力。
根据本发明的方法的优选的实施方式是从属权利要求的主题。
本发明的一种有利的扩展方案设置，针对所述雷达图像的峰值对于所求取的目标实施角度估计。通过这种方式，能够实现目标的特别精确的探测和定位。
本发明的另一种有利的扩展方案设置，将不等距的OFDM副载波伪随机地排列在所述发射频谱中。由此提供用于在发射频谱中实现OFDM副载波的有利的不等距模式的一种可能性。
本发明的另一种有利的扩展方案设置，所述OFDM副载波的数目是2的幂。这特别有利于实现傅里叶变换的高效并且快速的实施。
本发明的另一种有利的扩展方案设置，在测量过程期间改变已经变换到时域中的发射频谱或者改变所述发射频谱到所述发射天线上的划分。由此有利地支持所述方法的还更加高效的工作方式。
本发明的另一种有利的扩展方案设置，估计目标的雷达横截面(Radarquerschnitt)。由此，能够由所探测的目标估计另一重要的参数。
以下根据多个附图借助其他特征和优点详细描述本发明。在此，所描述或者示出的所有特征自身或者以任意组合地构成本发明的主题，与其在发明权利要求或引用关系中的概括无关，以及与其在说明书或附图中的表述或图示无关。不详细讨论MIMO雷达的已经已知的原理。相同的或者功能相同的元件具有相同的附图标记。
附图说明
附图1：基于OFDM的传统雷达系统；
附图2：根据本发明的雷达设备的一种实施方式；
附图3：OFDM副载波在发射频谱上的一种不等距分布方案；
附图4：根据本发明的雷达设备的分析处理装置；
附图5：雷达设备的回波信号的分析处理的原理图；以及
附图6：根据本发明的方法的一种实施方式的原理流程。
具体实施方式
附图1示出基于正交频率复用法OFDM(英语Orthogonal Frequency-DivisionMultiplexing)的雷达设备100的概览图。借助装置10、20、30如下产生发射信号：
首先根据以下数学关系选择N个(例如N＝1024)待发射的、离散的、等距发射频率fi或OFDM副载波：
fi＝f0+(i-1)·df，i＝1...N (1)
f0...发射频带开始(例如77GHz)
df...发射频率fi的谱线间距
对于所述发射频率fi的每一个选择一个复数振幅ai：
TX＝[a1 a2 ... aN] (2)
在此，矢量TX表示复数的离散发射频谱(涉及发射频率fi)。
通过快速傅里叶逆变换iFFT(TX)由此产生基带发射信号的复数采样值，这些值被存储在电子存储装置10(例如RAM)中，由所述电子存储装置周期性地读取这些值。对于快速傅里叶逆变换，采样值的计算可以事先在系统设计时实现，并且不必实时实现。
数/模转换器20由周期性地从存储装置10读取的序列产生具有频率fi＝0，df，2*df，...(N-1)*df的周期性的复数的、模拟基带信号。
借助单边带高频调制器30和振荡器(未示出，例如具有谐振频率f0＝77GHz)，基带发射信号被移位到所期望的频域中(例如77...78GHz)并且随后通过发射天线40发射。
发射信号在一个或者多个目标200上被反射并且到达接收天线50。对于第k个目标200具有与雷达设备100的距离dk的情况，回波传播时间tk为：
Figure GDA0003293118590000051
c....光速(3*108m/s)。
第i个发射频率fi通过第k个目标200经历以下相移
Figure GDA0003293118590000053
：
Figure GDA0003293118590000052
因此，对于接收天线50上的接收频谱RX(类似于发射频谱TX)得出，每个发射频率经历与目标200的间距相关的相移，此外与目标间距并且与第k个目标200的反射特性相关的衰减vk。因此对于接收频谱RX适用：
RX＝[b1 b2 ... bN] (5)
bi(i＝0...N-1)....在发射频率fi的情况下的复数振幅
对于复数振幅bi：
Figure GDA0003293118590000061
j....复数的虚数单位
如下实施所述模拟接收信号的处理：
高频调制器60取消高频调制器30的相移。因此，在模/数转换器70上存在具有频率0，df，2*df，...(N-1)*df的基带信号，所述基带信号由模/数转换器70转换成数字的、复数的、时间信号。
借助快速傅里叶变换FFT由以上计算频谱RX的数值bi。
通过接收频谱逐个元素地除以发射频谱——通过除法实现接收频谱的频谱归一化——消除与复数的发射振幅bi的相关性。通过这种方式获得从雷达设备100到目标200并且返回到雷达设备100的传输路程Q的频谱，其具有谱线qi：
Figure GDA0003293118590000062
优选地，将除以ai通过等值的、但不太复杂的乘以可以预先计算的值(ai*/|ai|2)来取代。在此，ai*是与ai共轭的复数值。优选地，所有振幅|ai|相同地选择。
可以看出，对于每个目标200(k＝1....K)在值qi上出现复数振荡，其相位级数(Phasenfortschritt)在指数i上与目标距离dk成比例。
如果传输路程的频谱Q经历快速傅里叶逆变换，则获得传输路程的脉冲响应，各个局部极大值表示目标200的距离dk和回波振幅。
在分析处理间距和速度时，以上面描述的方式对接收信号进行高频解调、数字化、频谱归一化并且在二维空间(间距d，速度v)中进行分析处理。对于每个目标200，在所述两个维度的每个维度中出现复数振荡，所述复数振荡的频率相应于目标200相对于雷达设备100的间距或速度。
根据本发明，提出一种具有至少两个发射天线和至少一个接收天线的特殊MIMO雷达设备。附图2示出根据本发明的具有例如两个发射天线和两个接收天线的雷达设备100的一种实施方式。
雷达设备100基于附图1所示的传统雷达设备100，但现在对于每个发射路径设置两个数/模转换器20、20a、两个高频调制器30、30a和两个发射天线40、40a。接收路径分别包括至少一个接收天线50、50a、两个高频解调器60、60a和两个模/数转换器70、70a。借助分析处理装置80分析处理在接收路径中接收的信号。
在附图2的雷达设备100中，首先将等距发射频谱TX划分成两个不等距发射子频谱TX1、TX2。在此，将发射频谱TX划分到已有的发射天线40、40a的数目上，由此实现一种特殊类型的频率复用。
附图3示出N＝256个等距频率线fi或OFDM副载波到两个不等距子频谱TX1、TX2上的示例性的伪随机划分。在此，在附图3的上图中示出第一发射天线40的不等距子频谱TX1，在下图中示出第二发射天线40a的不等距子频谱TX2。相应的图中的值“1”表示存在频率线fi，值“0”表示不存在频率线fi。
就此而言，“不等距”表示，关于整个频域两个子频谱TX1、TX2的频率线fi彼此间大部分具有不同的间距。但在此，在两个子频谱TX1、TX2的至少一个部分区域内必须存在直接相邻的OFDM副载波，其中，有利地存在具有直接相邻的OFDM副载波的多个这样的区域。在各个频率线fi或OFDM副载波之间的最小间距决定，在哪些频率内可以实施估计，其中，这些频率相应于与目标200的间距。明确唯一可测量的频率越高，则明确唯一可测量的与目标200的间距范围越大。
结果，通过这种方式提供不重叠的或互补的子频谱TX1、TX2，这意味着，对于在其中存在一个频率线的子频谱TX1、TX2来说，另一个子频谱TX1、TX2不包含该频率线。
如此进行划分，使得每个子频谱TX1、TX2包含相同数目(在所示的示例中为128个)的频率线fi或OFDM副载波。对于每一个发射天线40、40a而言该频谱如此限定，使得两个子频谱TX1、TX2的所有OFDM副载波均不重叠地分配。通过这种方式，对于所述发射天线40、40a中的每一个单独生成一个时间信号。在借助高频调制器30、30a移位到高频带中之后，同时借助所配属的发射天线40、40a发射发射频谱TX1、TX2，其中，通过第一发射天线40发射第一子频谱TX1，其中，通过第二发射天线40a发射第二子频谱TX2。
这样将整个发射频谱TX不等距地划分到两个或更多个信道上的优点在于，在所有信道中几乎占用整个频带N*df，这优化了雷达设备10对紧邻的目标200的分离能力。基于至少在发射谱TX1、TX2的部分区域中紧邻的谱线或OFDM副载波——其与雷达设备100的明确唯一性区域(也就是目标200的还可明确分析处理的最大间距)成比例，优化了雷达设备100的明确唯一性区域。与时间复用系统相比，通过这种方式，发射天线的数目可以变得更大，因为测量时间不增加。
在一种变型方案中可以设置，在测量过程期间改变在OFDM副载波上发射的复数调制符号(OFDM符号)以及改变OFDM副载波到发射频谱TX1、TX2上的划分模式。
附图4示出分析处理装置80，借助所述分析处理装置分析处理接收天线50、50a的接收信号。
高频解调器60、60a(在附图4中未示出)首先在两个接收信道中取消高频调制器30、30a的频移。
变换装置81、81a对于每个接收信道分开地实施快速傅里叶变换，以便求取接收频谱RX的数值bi。然后将针对每个接收信道计算的频谱划分到与所存在的发射信道一样多的子频谱上。在所示的示例中，所述子频谱是第一接收信道的频谱RX11、RX12和第二接收信道的频谱RX21、RX22。然后将来自与刚刚考虑的发射天线不同的发射天线的频谱值归零。
然后，借助归一化装置82将所有接收子频谱RX11、RX12、RX21、RX22逐元素地除以发射频谱，由此结果是，实施频谱归一化的元素qi的计算。
然后，借助变换装置83、83a、84、84a在接收子频谱RX11、RX12、RX21、RX22的间距维度中实现快速傅里叶变换的实施，并且借助变换装置85、85a、86、86a在速度维度中在多次测量上实现接收子频谱RX21、RX22的快速傅里叶变换的实施。
结果，由以上产生第一接收路径的回波信号E11、E12和第二接收路径的回波信号E21、E22。
附图5在间距维度中示出两个回波信号E11和E12的变化过程的一个示例，其中，在频率窗(Frequenzbin)fB的变化过程上绘出振幅变化过程。从非相干积分信号IS的量值变化过程识别出第十个频率窗中的目标200，这相应于一个所定义的间距值。通过非线性采样，出现了旁瓣形式的一定的多义性。之所以出现所述多义性，是因为谱线qi具有用零填充的间隙。但由于不同信道的采样网格看起来不同并且因此在不同的位置上以零来填充，所以通过傅里叶变换产生以下频谱：在所述频谱处，在所有信道中属于目标200的振幅峰是在相同的位置中、然而多义性出现在不同位置上。在所提出的雷达设备100中利用该效应来显著减少多义性。对于间距和速度分析处理，NRX x NTX(也就是发射天线数目和接收天线数目的乘积)个二维雷达图像可供使用，所述二维雷达图像可以用于间距和速度分析处理。但它们不可进行相干积分，因为它们由不同的天线40、40a、50、50a发射和接收并且因此具有不同的初始相位。
为了利用所有信道的可供使用的信息并且同时为了将间距和速度分析处理与角度估计分开，实施信道的非相干积分、也即二维雷达图像的量值的积分。借助所述方法可以显著抑制多义性。
附图5针对单个接收天线50定性地示出具有回波信号E11和E12的两个信道的所提到的非相干积分的结果。对越多信道进行积分，则多义性就变得越少，这表现为积分信号IS的减小的波纹度。除此之外，通过非相干积分来抑制噪声，类似于求平均值。因此，非相干积分并非仅仅抑制由于不等距频谱划分引起的多义性，而是也抑制噪声，这可以积极地影响雷达设备100的动态范围。
因此，附图5示出回波信号E11、E12仅仅在间距维度中的变化过程。在速度维度中，如在传统的MIMO雷达设备那样的原理适用。
在非相干积分之后产生雷达图像，在所述雷达图像中对于每个目标200存在振幅峰。随后探测最大振幅峰的位置(间距d和速度v)。由各个二维频谱可以在振幅峰的位置上得出目标200的相应的复数振幅。
可以将如此求取的复数振幅用于随后的角度估计，因为复数振幅的变化过程在天线上与入射方向(目标200的方向)相关。然后，以下反射列表可供使用：该反射列表包括参数：所探测的目标200在环境中的间距、相对速度和角度这些参数。通过这种方式可以有利地求取目标200的其他参数，例如雷达交面(Radarkreuz)或雷达横截面。
附图6示出根据本发明的方法的一种实施方式的原理流程。
在步骤300中，通过相互等距的正交OFDM副载波的复数调制产生发射频谱TX1、TX2，其中，所述发射天线40、40a中的每一个的每个发射频谱TX1、TX2具有限定数目的离散的OFDM副载波，其中，所有发射频谱TX1、TX2基本上具有相同的带宽，其中，将OFDM副载波不重叠地并且基本上不等距地划分到发射频谱TX1、TX2上，其中，每个发射频谱TX1、TX2具有至少两个直接相邻的OFDM副载波。
在步骤310中，将发射频谱TX1、TX2变换到时域中。
在步骤320中，对所述发射频谱TX1、TX2进行数/模转换、高频调制，并且借助所述发射天线40、40a同时发射经调制的发射频谱TX1、TX2。
在步骤330中，对由所述接收天线50接收的接收信号进行解调并且数字化。
在步骤340中，对于每个发射频谱TX1、TX2产生一个接收频谱RX1、RX2，其中，根据所述OFDM副载波在所述发射频谱TX1、TX2中的划分来实施所述OFDM副载波的划分。
在步骤350中，从所述接收频谱RX1、RX2中消除所述发射频谱TX1、TX2的所发射的信号波形。
在步骤360中，对于每个接收频谱RX1、RX2产生一个雷达图像。
最后在步骤370中，在间距维度和速度维度方面分析处理雷达图像，并且对于所述接收信号实施信号分析处理。
有利地，本发明提供一种MIMO雷达在OFDM技术中的组合，该组合具有在最大可能的分离能力的情况下优化地可测的间距范围。通过以下方式来支持MIMO系统的改善的角度估计，即涉及间距和速度估计的资源不减少。
本领域技术人员可以将本发明的所述特征进行适当改动和相互组合，而不偏离本发明的核心。

Claims (9)

1.一种用于运行具有至少两个发射天线(40，40a)和至少一个接收天线(50)的雷达设备(100)的方法，所述方法具有以下步骤：
通过相互等距的正交OFDM副载波的复数调制产生发射频谱，其中，所述发射天线(40、40a)中的每一个的每个发射频谱具有限定数目的离散的OFDM副载波，其中，所有发射频谱具有相同的带宽，其中，将OFDM副载波不重叠地并且不等距地划分到所述发射频谱上，其中，每个发射频谱具有至少两个直接相邻的OFDM副载波；
将所述发射频谱变换到时域中；
对所述发射频谱进行数/模转换、高频调制，并且借助所述发射天线(40、40a)同时发射经调制的发射频谱；
对由所述接收天线(50)接收的接收信号进行解调并且数字化；
对于每个发射频谱产生一个接收频谱，其中，根据所述OFDM副载波在所述发射频谱中的划分来实施所述OFDM副载波的划分；
从所述接收频谱中消除所述发射频谱的所发射的信号波形；
对于每个接收频谱产生一个雷达图像；
在间距维度和速度维度方面分析处理雷达图像；并且
对于所述接收信号实施信号分析处理。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，针对所述雷达图像的峰值对于所求取的目标(200)实施角度估计。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，将不等距的OFDM副载波伪随机地排列在所述发射频谱中。
4.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述OFDM副载波的数目是2的幂。
5.根据权利要求1或2所述的方法，其中，在测量过程期间改变已经变换到时域中的发射频谱或者改变所述发射频谱到所述发射天线(40，40a)上的划分。
6.根据权利要求1或2所述的方法，其中，估计目标(200)的雷达横截面。
7.一种雷达设备(100)，所述雷达设备具有：
至少两个发射天线(40，40a)，其用于同时发射两个发射频谱；
至少一个接收天线(50)，其用于接收接收信号；
产生装置(10，10a)，其用于通过相互等距的正交OFDM副载波的复数调制来产生发射频谱，其中，所述发射天线(40、40a)中的每一个的每个发射频谱具有限定数目的离散的OFDM副载波，其中，所有发射频谱具有相同的带宽，其中，OFDM副载波能够不重叠地并且不等距地划分到所述发射频谱上，其中，每个发射频谱具有至少两个直接相邻的OFDM副载波；
第一处理装置(20，20a，30，30a)，借助所述第一处理装置能够对所述发射频谱进行数/模转换并且高频调制；
第二处理装置(60，60a，70，70a)，其用于所述接收信号的解调和模/数转换；以及
分析处理装置(80)，其用于产生所述接收信号的接收频谱并且分离所述发射频谱，其中，所述OFDM副载波的划分能够根据所述OFDM副载波在所述发射频谱中的划分来实施；其中，所述发射频谱能够从所述接收频谱中被消除；其中，对于每个发送/接收路径能够产生一个雷达图像；其中，所述雷达图像能够在间距维度和速度维度方面被分析处理；其中，进一步的信号处理能够借助所述接收信号来实施。
8.根据权利要求7所述的雷达设备(100)，其特征在于，能够针对所述雷达图像的所探测的峰值对于所求取的目标(200)实施角度估计。
9.一种具有程序代码单元的计算机程序产品，其用于当所述计算机程序产品运行在电子控制装置上或者保存在计算机可读的数据载体上时实施根据权利要求1至6中任一项所述的方法。
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