CN110235017B - 用于确定对象的间距和速度的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于确定对象相对于测量位置的间距和径向速度的方法，其中，所述方法具有以下步骤：a)发送第一发送信号，所述第一发送信号是以第一频率斜坡形式的雷达辐射；b)发送第二发送信号，所述第二发送信号是以第二频率斜坡形式的雷达辐射，其中，所述第二频率斜坡与所述第一频率斜坡不同；c)接收接收信号，所述接收信号是在所述对象上反射的第一和第二发送信号；d)将所述接收信号与所述第一或第二发送信号混频成混频信号；e)由所述混频信号创建距离/多普勒矩阵；f)探测来自于所述对象的径向速度的两个多普勒频率；以及g)分析处理所述多普勒频率和/或所述混频信号的相位信息，从而消除在确定所述径向速度时的多义性，其中，同时发送所述第一发送信号和所述第二发送信号。

Description

用于确定对象的间距和速度的方法
技术领域
本发明涉及一种用于确定对象相对于测量位置的间距和径向速度的方法，其中，所述方法具有以下步骤：
a)发送第一发送信号，所述第一发送信号是以第一频率斜坡形式的雷达辐射；
b)发送第二发送信号，所述第二发送信号是以第二频率斜坡形式的雷达辐射，其中，所述第二频率斜坡与所述第一频率斜坡不同；
c)接收接收信号，所述接收信号是在所述对象上反射的第一和第二发送信号；
d)将所述接收信号与所述第一或第二发送信号混频成混频信号；
e)由所述混频信号创建距离/多普勒矩阵(Range-Doppler-Matrix)；
f)探测来自于所述对象的径向速度的两个多普勒频率；以及
g)分析处理所述多普勒频率和/或所述混频信号的相位信息，从而消除在确定所述径向速度时的多义性。
本发明还涉及一种用于执行这种方法的设备。
第一发送信号也称为信号A，第二发送信号也称为信号B。
背景技术
这种方法例如由DE 10 2012 008 350 A1已知。
雷达发送器和相应的接收器处在测量位置上。已知的是，借助经适当地调制的雷达信号以测量装置来确定对象相对于该测量位置的间距和径向速度。在此，以第一和第二发送信号形式彼此交错地发送不同的频率斜坡。
先前已知的是，仅仅以短的、快速的并且相同的斜坡来调制发送信号。在例如65ms长度的循环时间期间例如可以调制256个通常以上升的频率来进行(durchlaufen)的斜坡。在斜坡的开始，所发送的信号因此具有起始频率，该起始频率以固定的斜率上升直至在每个斜坡的结束时达到结束频率。这些例如256个斜坡中的每一个都具有254μs的长度。如果现在以512个采样值对每个斜坡进行采样，则这相应于2.01MHz的采样频率。
然后以第一快速傅里叶变换(FFT)形式对于每个斜坡实施第一分析处理。逐斜坡地进行第二FFT，即以254μs的有效采样周期，这相应于3.94kHz的有效采样频率。具有2.01MHz的采样频率的第一FFT称为“距离-FFT”。具有3.94kHz的采样频率的第二FFT称为“多普勒FFT”。在此，已经将该示例以如此程度理想化，使得忽略实际的斜坡之间的斜坡回跳时间(Rampenrücksprungzeit)。
3.94kHz的多普勒频率范围相应于在24.125GHz的载波频率的情况下24.5m/s的明确唯一的速度测量范围。可以假设例如150MHz作为对于每个斜坡的频率变化范围fSW，即结束频率与开始频率之间的差。
只要对象的待测量的径向速度小于24.5m/s的明确唯一的测量范围，就可以明确唯一地确定该速度。在例如40m/s的较大的径向速度的情况下，确定15.5m/s的速度。
对于每个斜坡实施第一FFT(距离-FFT)，从而在256个斜坡的情况下也存在第一FFT的256个频谱，而优选地对于每个距离值(“距离门：Entfernungstor”)执行第二FFT(多普勒FFT)。但是，也可能的是，仅仅对于所选择的距离值执行第二FFT。这两个FFT的结果可以以距离/多普勒矩阵来表示。为了扩大多普勒FFT的相对小的明确唯一性范围，在DE 102012 008 350 A1中提出，交替地发送两个不同的频率斜坡。分离地处理这些不同地构造的频率斜坡。因为交替地发送不同的频率斜坡，所以在测量周期期间，分别相同的频率斜坡的数目与相同的斜坡的发送相比分别减半，由此也可以降低对于多普勒FFT的有效采样频率并且因此也减小明确唯一性范围。然而，因为待确定的多普勒频率与载波频率相关并且因此与所发送的频率斜坡的类型相关，所以可以以这种方式获得两个多普勒频率连同如下的两个相位信息：所述两个相位信息能够组合地用于显著地扩大多普勒FFT的明确唯一性范围。
不利的是，对于每个单个的所发送的斜坡类型减小多普勒FFT的明确唯一性范围，并且此外由于一个斜坡类型的各个斜坡的更小的数目，信号/噪声比也降低，并且因此使测量值的质量变差。
发明内容
因此，本发明基于以下任务：如此改进根据所述类型的方法，使得扩大多普勒FFT的明确唯一性范围并且同时改进信号/噪声比。
本发明通过根据权利要求1的前序部分所述的方法来解决所提出的问题，其特征在于，同时发送第一发送信号和第二发送信号。
在现有技术中的方法的情况下一直交替地发送两个频率斜坡，而根据本发明同时发送两个频率斜坡，从而在测量循环期间发送的斜坡的数目倍增。因为同时发送两个发送信号，所以这两个发送信号也在待探测的对象上反射，从而接收信号也由两个单个信号构成。尽管如此，将接收信号仅仅与所发送的发送信号中的一个混频以获得混频信号。然后，如现有技术中的那样，这些混频信号经受二维FFT，从而创建距离/多普勒矩阵。然而，因为在根据本发明的方法的情况下由接收信号产生混频信号，所述接收信号具有与所发送的两个发送信号对应的两个分量，所以在二维FFT中现在对于每个待探测的对象出现两个频率峰值，所述两个频率峰值由所发送的两个发送信号的不同频率产生和因此由所接收的两个接收信号的不同频率产生。这两个频率峰值可以在所发送的两个发送信号的已知的频率偏移的情况下简单地用于算出关于对象与测量位置的间距和明确唯一的多普勒频率的信息。
此外，如在现有技术中的那样也确定两个多普勒频率，所述两个多普勒频率由于两个发送信号的不同载波频率而同样略微不同。这两个多普勒频率和/或由混频信号构成的相位信息通常用于消除多普勒FFT的多义性。相比于现有技术，根据本发明的方法的优点在于，可以使多普勒FFT的有效采样速率倍增，并且因此一方面可以对于每个单个的所确定的多普勒频率扩大明确唯一性范围，并且在另一方面对于每个多普勒频率提供更多数目的测量值，从而也可以改进信号/噪声比。
因为还一直仅仅一个唯一的距离/多普勒矩阵必须被创建，所以与现有技术中的方法相比计算开销几乎不增加。
有利地，频率斜坡是下降的频率斜坡。这意味着，每个频率斜坡以是频率斜坡的最大频率的结束频率开始并且在是频率斜坡的最小频率的开始频率处结束。显然也可能的是，将各个频率斜坡用作上升的频率斜坡，并且对发送信号以最小的频率开始直至最大频率地进行调谐。
在一种优选的构型中，第一频率斜坡和第二频率斜坡是具有频率偏移df的平行的频率斜坡。这意味着，两个发送信号的发送频率在任何时刻具有差值df。恒定的频率偏移简化了要执行的计算。在第一距离-FFT后的两个峰值的频率偏移包含关于频率偏移df的信息，只要该频率偏移是恒定的并且已知的，就可以容易地计算出所述信息。
在一种优选的构型中，频率偏移df是f/k的整数倍，其中，k是距离-FFT的长度，f是用于记录这些测量值的采样频率。优选地，整数倍是至少5、优选至少7并且至多20、优选至多15。
在计算距离/多普勒矩阵时，首先计算距离-FFT。在对于每个斜坡采样例如512个测量值(样本)的情况下将需要对于每个斜坡计算出长度512的距离-FFT。接下来，对于每个距离门进行多普勒FFT的计算。由于距离-FFT的明确唯一性范围较小(尤其在单通道的采样的情况下)，通常不是对于所有的距离门计算多普勒FFT。通常仅仅计算相比可能的数目的一半略少，例如0.4倍。因此，在这种情况下将会仅仅对于可能的512个距离门(RangeGates)中的204个计算多普勒FFT。
那么，这些距离门中的每一个相应于f/k的频率，其中，如已经阐述的那样，k是距离-FFT的长度，f是用于记录或扫描这些测量值的采样频率。
在10MHz的采样频率f和512的数目k的情况下，这样的距离门频率或距离门频率相应于19.53kHz。因此，该频率的整数倍5倍相应于97.65kHz的频率偏移df，该频率的15倍相应于df＝292.95kHz的频率偏移。在对于每个斜坡的不同的采样频率或不同数目的测量值的情况下显然得出不同的频率。
使用如此小的频率偏移确保通过将所接收的接收信号与两个发送信号中的一个进行混频而产生的混频信号布置在相对小的频率范围中。如果在进一步处理信号之前在混频器后面使用带通滤波器，则可以优选地如此选择该带通滤波器，使得全部的混频信号可以通过带通滤波器并且因此仅仅必须创建一个唯一的距离/多普勒矩阵，以便可以探测到两个频率峰值。如果频率偏移df过大，则这导致：混频信号也具有相应远地彼此隔开的频率分量，所述频率分量必要时不可以完全地通过一个唯一的带通滤波器。
在一种优选的实施方式中，通过第一发送天线发送所述第一发送信号，通过第二发送天线发送所述第二发送信号。
对此替代地，虽然设置两个发送天线，但是这些发送天线不是固定地分配有第一发送信号或第二发送信号中的任何一个。而是在这种情况下优选地，第一发送天线和第二发送天线分别交替地发送第一发送信号和第二发送信号。
如果除了间距和径向速度之外也要求取对象所处的方向，则这些实施方式尤其是有利的。为此，如下的角度分辨率是有利的：该角度分辨率可以通过使用发送不同的发送信号的多个发送天线来改进。
对此替代地，显然也可能的是，由一个唯一的发送天线发送第一发送信号和第二发送信号。这当不需要改进角度分辨率时尤其是有利的，因为在这种情况下可以明显降低设备的开销。
在一种优选的构型中，通过多个、优选至少四个、更优选至少八个接收天线来接收接收信号。因为不同的接收天线在空间上彼此分离地布置，其中，所述不同的接收天线优选等距地布置，所以由发送天线发送的发送信号在这些发送信号已经由对象反射之后、在这些发送信号到达不同的接收天线之前具有略微不同的传播时间。由这些传播时间差和/或由其得出的相位差可以提取出角度信息并且因此提取出关于对象所处的方向的信息。此外，不同的对象也可以在角度方面分离并且以这种方式分开。使用越多的接收信道，该分离能力就越好。如果同时使用至少两个发送天线，所述至少两个发送天线要么分别发送第一发送信号和第二发送信号要么分别交替地发送第一发送信号和第二发送信号，则通过巧妙地选择和相对彼此布置各个天线可以产生虚拟的天线阵列，该天线阵列相比物理存在的接收天线的实际数目更大。这种称为MIMO原理的方法由现有技术已知，其中，缩写代表多输入多输出。
根据本发明的方法的一个实施例——其中由不同的发送天线来发送第一发送信号和第二发送信号并且接着由多个不同的接收天线接收所反射的接收信号——不仅允许根据本发明总归存在的经改进的信号/噪声比和多普勒FFT的更大的明确唯一性范围，而且还允许非常精确的角度分辨率并且因此允许对象所处的方向的非常精确的确定。
在所述方法的一种优选的构型中，同时发送以第三和第四频率斜坡形式的第三和第四发送信号，其中，交替地发送第一和第二发送信号以及第三和第四发送信号。通过总共四个不同的发送信号，可以通过多普勒FFT求取四个不同的多普勒频率，并且由这些多普勒频率和/或混频信号的相位信息可以进一步扩大明确唯一性范围。如果发送第三和第四发送信号，则接收由所述第三和第四发送信号引起的经反射的接收信号并且将所述接收信号与第三发送信号或第四发送信号进行混频。显然，也可以将所述接收信号与第一或第二发送信号进行混频。优选地，四个不同的发送信号是具有不同频率偏移值的平行的频率斜坡。显然，也可以同时发送四个发送信号。如果足够小地选择频率偏移值，则当接收相应的接收信号并且将该接收信号与发送信号中的至少一个混频时由这样的发送信号产生的混频信号可以被进一步引导通过唯一的带通滤波器，从而在这种情况下也仅仅必须产生并且算出一个唯一的距离/多普勒矩阵。此外，第三和第四发送信号可以用于改进角度方面的分离能力，通过该分离能力可以将不同的对象分离并且因此将不同的对象分开。
在一种优选的构型中，第三和第四发送信号是平行的频率斜坡，所述频率斜坡优选是下降的频率斜坡。
显然，所述频率斜坡也可以构造为上升的频率斜坡。
此外，在所述方法的一种优选的构型中，将第一或第二发送信号的一部分在该第一或第二发送信号未由发送天线发送的情况下与分别不同的发送信号进行混频。如果由如此产生的混频信号算出距离/多普勒矩阵，则两个发送信号的混频导致一峰值，该峰值在距离-FFT的方向上的间距恰好相应于频率偏移，因为不涉及多普勒频率。相应的混频信号的频率信息和/或相位信息可以用于获得关于发送信号发生器的质量的陈述和控制测量。
附图说明
借助以下附图进一步阐述本发明的一个实施例。
图1示出用于根据现有技术通过二维FFT形成距离/多普勒矩阵的曲线变化过程和示意性的分析处理信号；
图2示出根据本发明的一个实施例的信号变化过程；
图3以距离/多普勒矩阵示出结果的示意图；以及
图4示出根据本发明的一个实施例的设备的电路的示意图。
具体实施方式
图1示意性地示出如何能够算出距离/多普勒矩阵。在图1的上部区域中以实线将发送信号的频率作为时间的函数绘出。可以看出上升的斜坡，所述斜坡从开始频率进行直至结束频率，所述开始频率是斜坡的最小频率，所述结束频率是斜坡的最大频率。以虚线与其略微地偏移地示出相应的接收信号，该接收信号在其在以下对象上已经反射之后由设备的接收装置捕获：所述对象在其间距和速度要被确定。
该接收信号与发送信号进行混频并且接着经受2D-FFT以产生距离/多普勒矩阵。在此，如图1所示的那样，首先执行第一FFT(距离-FFT)。对于每个斜坡执行该第一FFT，从而例如在图1的上部区域中示出的2L＝256个所发送的斜坡的情况下必须执行2L＝256个距离-FFT。
对斜坡不是连续地进行测量，而是例如以k＝512个采样值进行采样。对于这些采样值中的、相应于斜坡内的确定的频率值的每一个采样值执行第二FFT(多普勒FFT)。在此可能有意义的是，仅仅对于相应于令人感兴趣的距离范围的距离值执行第二FFT。
结果是在图1中右下方所示的距离/多普勒矩阵，在该距离/多普勒矩阵中绘出在基本上相应于对象的间距的拍频(Beat-Frequenz)处的频率峰值和由对象的速度引起的多普勒频率。这种方法由现有技术已知。
图2示出在根据本发明的一个实施例的方法中的频率变化过程。可以看出相应于发送信号A(传输信号A)和发送信号B(传输信号B)并且因此相应于第一发送信号和第二发送信号的点划线和实线。平行地发送所述发送信号。在此涉及如下的第一发送信号和第二发送信号：所述第一发送信号和第二发送信号在当前的实施例中是平行延伸的下降的频率斜坡。在当前的实施例中，第一发送信号是具有较小频率的信号。频率斜坡在结束频率处开始并且下降直至开始频率。在此，频率斜坡的最小频率命名为开始频率，而频率斜坡的最大频率命名为结束频率，与斜坡的进行实际上是在该频率处开始还是结束无关。在此，fsw表示频率变化范围，即结束频率与开始频率之间的差。
在图2中，第二发送信号是具有较高频率的发送信号。第二频率斜坡是相对于第一频率斜坡平行偏移的斜坡并且偏移了频率偏移df。
以在图2的下部区域中示出的采样频率和采样速率对不同的斜坡进行采样。
以虚线和点线示出由相应的发送信号在待探测的对象上反射而引起的相应的接收信号。
如果所述接收信号与发送信号进行混频并且接下来经受已经已知的分析处理以便计算距离/多普勒矩阵，则得出在图3中所示的结果。可以看出具有对于对象的两个峰值的距离/多普勒矩阵。这两个峰值在图3中处在矩阵的同一列中，从而这两个峰值具有相同的多普勒频率或至少几乎具有相同的多普勒频率。实际上，两个多普勒频率略微不同，因为不同信号的载波频率略微不同。然而，由于多普勒频率由待探测的对象的速度产生，所以该差异非常小并且在距离/多普勒矩阵中未示出。
然而，这两个峰值包含在矩阵的不同行中，这实际上表明两个不同的间距。然而，两个峰值之间的间距恰好相应于两个发送信号的频率偏移df。可以容易地进行反计算，从而可以确定对象与测量点的实际间距。
此外，图3中的距离/多普勒矩阵具有另一峰值，其标记为参考峰值。所述另一峰值当将第一发送信号与第二发送信号进行混频时产生。在这种情况下，峰值的相应于两个经混频的信号之间的频率差——该频率差由由于对象的间距而发生的传播时间差产生——的行仅仅是频率偏移，从而在此存在简单的控制可能性。
图4示出用于执行这种方法的设备的示意性布置。由参考源——其可以例如构造为石英——产生参考信号，将所述参考信号馈入到两个数字信号发生器中。信号发生器是由现有技术已知的构件，从而省去详细的描述。这两个信号发生器产生发送信号A和发送信号B。两个发送信号被提供到发送天线(“TX-天线”)上并且由相同的天线来发送。替代地，显然也可以将所述两个发送信号引导到不同的发送天线上，所述不同的发送天线发送不同的信号。在此，也可以通过这两个天线交替地发送不同的信号。
所发送的信号在图4中未示出的待探测的对象上反射并且通过接收天线(“RX天线”)捕获。在以术语“混频器(Mischer)”标记的混频器中，将所接收的接收信号与第一发送信号进行混频并且接着引导通过带通滤波器(BPF)并且输送给分析处理装置。替代地，显然也可以将接收信号与第二发送信号进行混频。附加地存在如下的耦合器：通过该耦合器将第二发送信号的一部分输送给接收信号并且因此同样与第一发送信号进行混频。由此产生在根据图3的距离/多普勒矩阵中示出的参考峰值。

Claims (18)

1.一种用于确定对象相对于测量位置的间距和径向速度的方法，其中，所述方法具有以下步骤：
a)发送第一发送信号，所述第一发送信号是以第一频率斜坡形式的雷达辐射；
b)发送第二发送信号，所述第二发送信号是以第二频率斜坡形式的雷达辐射，其中，所述第二频率斜坡与所述第一频率斜坡不同；
c)接收接收信号，所述接收信号是在所述对象上反射的第一和第二发送信号；
d)将所述接收信号与所述第一或第二发送信号混频成混频信号；
e)由所述混频信号创建唯一的距离/多普勒矩阵；
f)探测来自于所述对象的径向速度的两个多普勒频率；以及
g)分析处理所述多普勒频率和/或所述混频信号的相位信息，从而消除在确定所述径向速度时的多义性；
其特征在于，同时发送所述第一发送信号和所述第二发送信号。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述频率斜坡是下降的频率斜坡。
3.根据权利要求1或2中任一项所述的方法，其特征在于，所述第一和第二频率斜坡是具有频率偏移df的平行的频率斜坡。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，df是f/k的整数倍，其中，k是距离-FFT的长度，f是用于记录这些测量值的采样频率。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述整数倍是至少5并且至多20。
6.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，通过第一发送天线发送所述第一发送信号，通过第二发送天线发送所述第二发送信号。
7.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，第一发送天线和第二发送天线分别交替地发送所述第一发送信号和所述第二发送信号。
8.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，相同的发送天线发送所述第一发送信号和所述第二发送信号。
9.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，通过多个接收天线来接收所述接收信号。
10.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，同时发送以第三和第四频率斜坡形式的第三和第四发送信号，其中，交替地发送第一和第二发送信号以及第三和第四发送信号。
11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述第三和第四发送信号是平行的频率斜坡。
12.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述整数倍是至少7并且至多15。
13.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述整数倍是至少5并且至多15。
14.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述整数倍是至少7并且至多20。
15.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，通过至少四个接收天线来接收所述接收信号。
16.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，通过至少八个接收天线来接收所述接收信号。
17.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述第三和第四发送信号是平行的、下降的频率斜坡。
18.一种用于执行根据权利要求1至17中任一项所述的方法的设备。
CN201880008960.9A 2017-03-17 2018-01-15 用于确定对象的间距和速度的方法 Active CN110235017B (zh)

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