CN109031271B - 用于机动车的fmcw雷达传感器 - Google Patents

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Abstract

一种用于机动车的FMCW雷达传感器，其具有高频振荡器，高频振荡器构造用于产生频率调制的发送信号，所述发送信号具有调制序列的周期性地重复的串，所述调制序列具有不同的调制模式，所述FMCW雷达传感器具有用于根据FMCW原理分析处理所接收的雷达回波的分析处理装置，其特征在于，所述调制序列的串包含一个专门的类别的调制序列，所述类别的调制序列的持续时间比每个其他的、不属于所述类别的调制序列的持续时间更长，所述类别的调制序列的频率偏移小于每个其他的调制序列的频率偏移，并且，所述分析处理装置构造用于根据雷达回波进行所述车辆的自身速度的测量，所述雷达回波在属于所述专门的类别的调制序列期间由静止的对象接收。

Description

用于机动车的FMCW雷达传感器
技术领域
本发明涉及一种用于机动车的FMCW雷达传感器，其具有高频振荡器，所述高频振荡器构造用于产生频率调制的发送信号，所述发送信号具有调制序列的周期性地重复的串，所述调制序列具有不同的调制模式，并且，所述FMCW雷达传感器具有用于根据FMCW原理分析处理所接收的雷达回波的分析处理装置。
背景技术
FMCW雷达传感器在机动车中主要用于测量在前面行驶的车辆的距离和相对速度。因此，雷达传感器典型地在车辆中安装在前面并且基本上在车辆的纵方向上发射雷达射束。在此，雷达射束在方位角上以及在仰角上也仅仅具有有限的张角。
在FMCW雷达中，调制模式典型地通过频率斜坡构成，在所述频率斜坡上，发送信号的频率线性地上升或者下降。从对象接收的雷达回波与当前由天线发射的发送信号的一部分混频。以此方式获得中间频率信号，所述中间频率信号的频率等于在所发送的信号的频率和所接收的信号的频率之间的差。由于频率调制，该中间频率信号取决于信号传播时间并且因此取决于对象的距离。基于多普勒效应，信号也具有取决于速度的分量。在距离部分和速度部分之间的多义性可以通过以下方式来解决：借助多个斜坡执行测量，所述多个斜坡在其斜率方面不同。
从DE 10 2004 024 706 A1已知一开始提到的类型的雷达传感器，其中，除了斜坡状的调制模式之外，也存在其他的调制模式。这允许，在时分复用中以不同的测量模式进行测量或者使分别使用的测量模式有针对性地与当前的交通状况和由其产生的需要相匹配。
在驾驶员辅助系统中和尤其在用于高度自动化的行驶的系统中，一般性地，也需要车辆的自身速度的准确认识。虽然自身速度原则上可以根据雷达转速传感器——所述雷达转速传感器为ESP系统的组成部分——的信号来确定，但这些测量总是具有一定的校准误差，因为准确的车轮直径未知。此外，车轮转速传感器在转速减小的情况下越来越不准确地工作。
已知，借助FMCW雷达传感器测量自身速度，并且这仅仅是用于校准车轮转速传感器。为此，测量以下对象的相对速度：所述对象已经由于在前面发生的测量而可靠地被辨识为静止的对象。然而不利的是，合适的静止的对象不是在每种状况中可用。
从DE 198 60 633 A1已知，借助在行驶方向上倾斜地对准行车道表面的多普勒雷达测量车辆的自身速度。然而，由多普勒雷达得到的相对速度不直接地通过自身速度v产生，而是通过函数v*cos(α)产生，其中，α为雷达射束与行车道表面形成的角度。
在Weber、Moedl、Hackner所著的“A Novel Signal Processing Approach forMicrowave Doppler Speed Sensing”(2002 IEEE MTT-S文摘，第2233至2235页)中描述了一种多普勒雷达，所述多普勒雷达的张角如此大，使得雷达射束的一部分也平行于行车道表面传播，从而测量信号也包含边界情况α＝0。在与边界α＝0相应的多普勒频率处的功率分布具有一个突然的下降，所述突然的下降允许自身速度的测量，而不必对不同于零的角度α进行校正。
发明内容
本发明的任务是，实现一种FMCW雷达传感器，所述FMCW雷达传感器能够实现车辆的自身速度的简单和准确的确定。
在一开始提到的类型的FMCW雷达传感器中，该任务通过以下方式来解决：调制序列的串包含一个专门的类别的调制序列，所述类别的调制序列的持续时间比每个其他的、不属于所述类别的调制序列的持续时间更长，并且所述类别的调制序列的频率偏移(Frequenzhub)小于每个其他的调制序列的频率偏移，并且，分析处理装置构造用于根据在属于所述专门的类别的调制序列期间从行车道表面接收的雷达回波进行车辆的自身速度的测量。
因为FMCW雷达传感器的雷达波瓣在仰角上具有一定的延展，所以所述雷达波瓣不但包含倾斜地对准行车道表面的雷达射束，而且包括倾斜向上从行车道表面离开地定向的雷达射束，并且，作为边界情况，也包含平行于行车道表面传播的雷达射束。原则上，这提供以下可能性：只要雷达传感器的速度分辨率足够，在边界α＝0上进行自身速度的测量。根据本发明，高的速度分辨率通过以下方式来实现：使用专门的调制序列，所述调制序列具有特别长的持续时间和特别小的频率偏移。在极端情况下，频率偏移等于零，从而涉及纯的多普勒频率并且因此仅仅测量相对速度而不进行距离测量。基于所述调制序列的提高的持续时间和因此增大的测量时间，相对速度测量的准确性明显地改进。这允许：以高的准确性测量通过行车道的表面不平坦性形成的雷达散射中心的相对速度。
在此，被证明为有利的是，在角度α有多接近边界值零的这样的范围内，雷达波瓣在行车道表面上扫掠越来越大的距离区域，而另一方面，因为余弦函数在α＝0处具有斜率零，所以所测量的多普勒频率越来越少地相互不同。总体上，这导致信号密度的显著增加，直到最终在与车辆的自身速度相应的多普勒频率处，信号突然下降。该效应还通过以下方式被加强：雷达波瓣在距离增加时也在宽度方向上扫掠行车道表面的越来越大的部分，而雷达射束的方位角位于零处附近(相对于车辆纵轴线)。对于这些位于车辆纵轴线旁的散射中心，相对速度与方位角的相关性也通过余弦函数来描述，从而在信号在一定的方位角区域上积累时发生还更强的信号累积和信号密度的增加并且因此在α＝0处还可更明显地看到信号强度的突然下降。
在以下实施方式中说明本发明的有利的构型。
在一种有利的实施方式中，“专门的类别的调制模式”包括仅仅一个唯一的调制模式，并且该模式在于，发送具有恒定的频率、即具有频率偏移零的发送信号。
根据一种实施方式，所述专门的类别的调制序列包含其频率偏移为零的调制序列。
根据一种实施方式，所述分析处理装置构造用于进行角度分析，以便使运动的对象的信号与从所述静止的对象接收的信号分开。
根据一种实施方式，所述分析处理装置构造用于在属于所述专门的类别的调制序列期间分析处理地面杂波信号。
附图说明
以下，根据附图详细地阐述实施例。附图示出：
图1示出在机动车中安装在前面的、用于测量车辆的自身速度的FMCW雷达传感器的草图；
图2示出雷达传感器的方框图；
图3示出在根据图2的雷达传感器的发送信号中的一串频率调制序列；
图4示出直方图的例子，所述直方图说明在根据图2的雷达传感器的多普勒频谱中的功率分布，以及
图5示出直方图，所述直方图说明根据图4的、由行车道表面引起的多普勒频谱与非常缓慢地运动的对象(例如行人)的信号的叠加。
具体实施方式
在图1中示出机动车10的前部，所述机动车具有安装在保险杆后方的FMCW雷达传感器12。雷达传感器发射雷达波瓣14，所述雷达波瓣在车辆10的行驶方向上朝向前方对准并且在仰角上大致平行于在这里过度粗糙地示出的行车道表面16地定向。因为雷达波瓣不但在方位角上而且在仰角上发散，所以雷达射束的一部分从在车辆10前方一定的距离起射到行车道表面16上。在行车道表面上的小的表面不平坦性形成散射中心，雷达回波通过所述散射中心反射至雷达传感器。根据本发明，由行车道表面16产生的雷达回波、所谓的地面杂波被用于车辆10的自身速度的测量。附加地，不言而喻地，也可以分析处理其他的静止的对象的雷达回波、例如在行车道旁的边缘建筑的雷达回波。
在图2中，FMCW雷达传感器12作为方框图示出。在其频率方面可控制的高频振荡器18产生发送信号，所述发送信号通过混频器20到达天线22上并且然后作为雷达波瓣14由天线发射。由行车道表面16或者由在车辆的前方区域中的其他对象产生的雷达回波由天线22接收并且在混频器20中与在接收时刻由高频振荡器18产生的发送信号的一部分混频。因此，通过差频(Schwebung)获得中间频率信号24，所述中间频率信号在分析处理单元26中被进一步分析处理。
由高频振荡器18产生的发送信号的频率被调制并且构成一串上升的斜坡28、30和下降的斜坡32。如果对延展的对象——例如位于车辆10前方距离d以内的、在前面行驶的车辆——定位，则相应的斜坡28-32的斜率和距离d确定在混频器20中被相互混频的信号的频率差并且因此确定中间频率信号24的频率。如果在前面行驶的车辆相对于自身的车辆10运动，则频率差此外取决于多普勒移位，所述多普勒移位在其侧取决于相对速度。
中间频率信号24首先作为时间信号被采样并且被数字化并且然后例如通过“快速傅立叶变换”被转换为傅立叶频谱。在该频谱中，每个被定位的对象以在确定的频率处的峰值的形式呈现，所述确定的频率取决于对象的距离和相对速度。如果相同的对象现在一次在斜坡28上被定位并且然后稍后还一次在斜坡32上被定位，则可以将这两个峰值的频率相加。在此，因为斜坡28和32具有相反的斜率，取决于距离的部分抵消，并且仅仅取决于相对速度的多普勒部分剩余。如果相反地两个峰值的频率相减，则取决于速度的部分相互抵消并且得到纯的距离部分，所述距离部分允许确定对象的距离。通常，使用多于仅仅两个调制序列或者斜坡，它们在其斜率方面不同。当存在两个或者更多个对象时，这使得包含在频谱中的峰值与相关的对象的对应变得容易。
在所示出的例子中，另外的“调制序列”36跟着下降的斜坡34，在所述另外的“调制序列”中，频率未被实际地调制，而是恒定的。
因此，在图3中示出的例子中，调制方案包括五个调制序列S1-S5的串，所述五个调制序列周期性地重复。序列S1-S4为FMCW序列，在所述FMCW序列中，相应于斜坡28-34地调制发送信号。在该序列期间，以已知的方式测量在车辆10的前方区域中的对象的距离和相对速度。相反，在调制序列S5中，频率是恒定的，结果是，所接收的雷达回波的频率是独立于距离的并且因此中间频率信号的频率也是独立于距离的。即涉及纯的多普勒频率，在所述多普勒频率处仅仅进行相对速度的测量。由于大的测量持续时间，在此相比在序列S1-S4中的FMCW测量中可以高得多地分辨相对速度。
如果无其他的对象位于车辆10的前方区域中，则在序列S5中仅仅测量所谓的地面杂波、即粗糙的行车道表面16的反射。在这种情况下，通过所测量的多普勒频率说明的相对速度为沿着从雷达传感器12至行车道表面的相关点的视线的速度。如果该视线与行车道表面(并且，相应地，与车辆10的行驶方向)形成角度α并且v为车辆10的(在行驶方向上测量的)自身速度，则对于对给定的角度α测量的相对速度vα适用：
vα＝-v*cos(α)。
距离相关性仅仅在角度α在它那方面取决于距离的范围内还被包含在该相对速度信号内。
分析处理装置26的至少用于分析中间频率信号24的频谱的一部分数字式地工作。因此，分析中间频率信号的离散频谱。与之相应地，频率轴被划分为有限数量的所谓的频率窗(Frequenzbin)，并且频谱为离散的函数(直方图)，所述直方图说明分摊到每个频率窗上的功率，如在图4中示例性地示出的那样。
在图4中(以二维的观察)示出在假定从每个空间方向接收同样多的功率的情况下基于余弦效应的功率分布。在水平的轴线上标明由散射中心在行车道表面16上的、所测量的相对速度vα＝-v*cos(α)和车辆的自身速度v组成的商。据此，所述功率在vα/v＝-1处达到最大值。对于还较小的(按照模较大的)相对速度，信号突然下降到零。
如果角度α接近边界值0，余弦函数的斜率变得越来越小，结果是，对于不同的角度α获得的相对速度变得相互越来越相似并且增加的数量的散射中心的回波因此落入相同的频率窗中。这导致，每个频率窗的功率随着越来越接近边界值-1而明显地增加，如在图4中可看到的那样。因此，功率在相对速度vα/v＝-1(α＝0)处的突然下降是特别显著的并且在频谱中可以良好地探测到。也有利的是，以此方式获得的、用于车辆的自身速度的值不由于车辆的俯仰运动而失真，因为突然的下降总是在以下位置上出现：在所述位置上，所测量的相对速度vα达到值-v。
对象或者散射频谱自然也允许具有侧向的错位(Versatz)。其相对速度也仅仅与在雷达射束和车辆的前进方向之间的角度的余弦值相应地降低。
在实践中，总所周知，有限的测量持续时间导致，在频谱中出现次最大，所述次最大由有限的测量时间窗口造成。已知，通过选择合适的窗口函数使该次最大值最小化，从而尽管不可避免的次最大值，仍可明显地看到以下跳跃位置：在所述跳跃位置上，信号突然下降。在当前的情况下，此外，次最大值由于与剩余的调制序列相比非常长的测量持续时间而原本就弱地突出。
在图4中，考虑理想情况，因为在车辆10的前方区域中不存在运动的对象，并且，在调制序列S5中获得的信号因此仅仅由地面杂波产生。一旦在车辆10的前方区域中存在其他对象，则对于这些对象中的每一个，频谱在相应于相关的对象的相对速度的频率处包含附加的峰值，并且频谱总体上通过该峰值与根据图4的地面杂波信号的叠加产生。一旦所定位的对象(如例如在前面行驶的或者迎面驶来的车辆)相对快速地运动，则这些对象的峰值将距离在-1m/s处的跳跃位置足够远，从而该跳跃位置总是还可明显地辨识。仅仅在对象(例如行人)静止或者几乎静止的情况下，相应的峰值可以覆盖在地面杂波中的跳跃位置，如在图5中示出的那样。
在这里描述的、用于测量自身速度的方法的准确性和可靠性可以通过附加的措施进一步提高，例如通过在较长的时间段上追踪测量结果来进一步提高。例如，在图5中说明的情况可能会意味着，缓慢地运动的对象恰好在行驶方向上位于自身的车辆前方。如果在地面杂波信号中的跳跃位置相比缓慢地运动的对象的峰值还未覆盖该跳跃位置在更早的时刻被测量到，则得知，在当前的测量中——在缓慢地运动的对象的峰值存在的情况下——可能会在哪个位置上搜寻跳跃位置，并且通过在图5中示出的信号的分析，跳跃位置的先前已经测量的位置还需要被确认。
通常，在机动车中安装的FMCW雷达传感器是角度分辨的。在这种情况下，角度分析也可以被用于使由缓慢地运动的对象造成的峰值与地面杂波信号分开或者一般性地与所有固定的对象的信号分开。在地面杂波信号中的跳跃位置总是在0°的方位角处最突出。与此相比，来自缓慢地运动的对象的峰值将不可能——至少不可能长时间地——位于0°的方位角处。这可以仅仅是一个短暂的状态，所述状态例如可能在弯道行驶时出现，因为否则自身的车辆可能会追尾对象。因此，可以消除与峰值的叠加，其方式是，对于以下测量周期不进行自身速度的估计：在所述测量周期中，对于与所推测的自身速度相应的频率窗，在明显偏离零的方位角处进行测量。
同样地，不言而喻地，可能的是，借助所提到的ESP数据均衡自身速度的在这里描述的测量的结果。

Claims (3)

1.一种用于机动车(10)的FMCW雷达传感器，其具有高频振荡器(18)，所述高频振荡器构造用于产生频率调制的发送信号，所述发送信号具有调制序列(S1-S5)的周期性地重复的串，所述调制序列具有不同的调制模式，并且，所述FMCW雷达传感器具有用于根据FMCW原理分析处理所接收的雷达回波的分析处理装置(26)，其特征在于，所述调制序列(S1-S5)的串包含一个专门的类别的调制序列(S5)，所述类别的调制序列的持续时间比每个其他的、不属于所述类别的调制序列(S1-S4)的持续时间更长，并且所述类别的调制序列的频率偏移小于每个其他的调制序列(S1-S4)的频率偏移，并且，所述分析处理装置(26)构造用于根据在属于所述专门的类别的调制序列(S5)期间从静止的对象(16)接收的雷达回波进行所述机动车(10)的自身速度(v)的测量，其中，所述分析处理装置(26)构造用于进行角度分析，以便使运动的对象的信号与从所述静止的对象接收的信号分开。
2.根据权利要求1所述的FMCW雷达传感器，其中，所述专门的类别的调制序列包含其频率偏移为零的调制序列(S5)。
3.根据权利要求1或2所述的FMCW雷达传感器，其中，所述FMCW雷达传感器是角度分辨的FMCW雷达传感器，并且所述分析处理装置(26)构造用于在属于所述专门的类别的调制序列(S5)期间分析处理地面杂波信号。
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