CN110785677A - 近场雷达装置，陆地、空中或水上交通工具，雷达装置的应用，用于运行雷达装置的方法以及计算机程序 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种近场雷达装置，所述近场雷达装置具有大量单个的雷达传感器，所述雷达传感器分布式地并排设置在所述雷达装置的安装区域中，其中所述雷达传感器分布式设置为，使得所述雷达传感器并非设置在唯一的直线中。本发明还涉及一种陆地、空中或水上交通工具，其具有控制装置，所述控制装置用于自动控制或用于陆地、空中或水上交通工具的至少一个驾驶员辅助系统，所述控制装置应用具有合成孔径的雷达的原理，以及本发明涉及这种雷达装置的应用以及一种用于运行这种雷达装置的方法。本发明还涉及一种用于执行所述方法的计算机程序。

Description

近场雷达装置，陆地、空中或水上交通工具，雷达装置的应用， 用于运行雷达装置的方法以及计算机程序
技术领域
本发明涉及一种具有大量单个雷达传感器的近场雷达装置。本发明还涉及一种陆地、空中或水上交通工具，具有控制装置，所述控制装置用于自动地控制陆地、空中或水上交通工具或者用于陆地、空中或水上交通工具的至少一个驾驶员辅助系统，涉及这种雷达装置的应用以及用于运行这种雷达装置的方法。本发明还涉及一种用于执行该方法的计算机程序。
背景技术
雷达装置在自动的交通工具控制的领域中起着重要的作用。从WO 2017/050 798A1中已知，雷达传感器设置在交通工具的前侧。为了提高分辨率，在此应用具有合成孔径的雷达方法(也称为合成孔径雷达，缩写为SAR)。
在这种近场雷达装置中，问题在于，所实现的空间分辨率不足。为了实现足够的空间分辨率从而有意义的检测精度，原本必须将各个雷达传感器彼此接近地设置，例如以在其中心轴线之间的1mm的间距设置，使得这由于雷达传感器的结构尺寸，出于制造方面的原因，目前以及在可预见的将来看起来不可实现。
发明内容
因此，本发明所基于的目的是，提出一种借助当今的方式可实现的近场雷达装置，所述近场雷达装置满足对于交通工具的自动的控制应用所需的条件，尤其是关于分辨率的条件。此外，应提出一种相应的交通工具、雷达装置在交通工具中的应用、用于运行雷达装置的方法以及适合于此的计算机程序。
该目的根据权利要求1通过一种近场雷达装置来实现，所述近场雷达装置具有以分布在雷达装置的安装区域中的方式并排设置的多个单独的雷达传感器，其中所述雷达传感器分布式地设置，使得所述雷达传感器不在唯一的直线中并排设置。本发明具有下述优点：通过巧妙地设置各个雷达传感器，使得所述雷达传感器不在唯一的直线中并排设置，也能够借助现今的结构尺寸的雷达传感器实现一开始提及的目的，并且能够提供一种用于应用在自动驾驶中的近场雷达装置，该近场雷达装置能够以少的耗费并且在不需要可运动的部件的情况下实现。因此，根据本发明的雷达装置尤其对于在城市交通中的应用能够实现足够高的分辨率。
尤其，本发明不需要任何机械移动的雷达传感器，代替于此，所有雷达传感器能够固定地设置在其位于雷达装置的安装区域中预设的位置处。雷达装置的安装区域能够是平坦的或不平坦的区域，例如，安装板或电路板。例如，安装区域能够是拱曲的，由此也能够借助于雷达传感器从侧面，即从左侧和右侧检测周围环境。
在各个雷达传感器之间的间距，或者更准确地说，在相邻的雷达传感器的天线的相应的中心点之间的间距，在此能够相对大地确定尺寸，例如，约4cm。尤其，所述间距能够为至少1mm，尤其至少5mm或至少2cm或至少3cm。相邻的雷达传感器的间距也能够通过相邻的雷达传感器的雷达信号辐射波瓣的中心轴线之间的间距来表征，所述间距在天线表面上测量。
尤其应将近场雷达装置理解为下述雷达装置，所述雷达装置适合于在最大300m的范围内，或者在最大100m的范围内或者在最大50m的范围内的对象检测。
根据本发明的一个有利的改进方案提出，一个、多个或全部的雷达传感器分别具有发射天线和接收天线，所述发射天线和接收天线设置在雷达传感器的共同的组件上，尤其是固定地设置在该处。以这种方式，即使在受构型所决定由于单独的雷达传感器的构造方式使发射天线和接收天线彼此间并非等距地设置雷达装置中，仍能够实现根据本发明的优点。尤其地，借助市售的雷达传感器，例如来自Innosent公司的雷达传感器，尽管存在单独的雷达传感器的原本不允许高分辨率的结构尺寸，仍能够实现期望的高分辨率。这种雷达传感器的发射天线和接收天线例如能够设置在共同的印刷电路板或共同的半导体芯片上。
根据本发明的一个有利的改进方案提出，在一个、多个或全部雷达传感器中，发射天线和/或接收天线构成为贴片天线。这允许雷达信号的有效的放射以及雷达信号的有效的接收。这样的贴片天线在此例如能够由相互联接的多个迷你贴片形成。例如，两个、三个、四个或更多个迷你贴片能够形成这种贴片天线。
根据本发明的一个有利的改进方案提出，雷达传感器面状地分布和/或线状地在一条或多条线中分布地设置在雷达装置的安装区域中。雷达传感器例如能够覆盖安装区域的一定面积，或者仅在一条或多条线上分布地设置，即线状地设置，但是不在唯一的直线中。
根据本发明的一个有利的改进方案提出，雷达传感器沿着一个或多个闭合的线状轮廓设置。在此，将如下线形理解为闭合的线状轮廓，所述线形不具有起点和终端，例如圆形、卵形(椭圆)，但是也能够是多边形轮廓，所述多边形轮廓例如能够由直线的线段构成。以这种方式，能够借助于相对少量的雷达传感器在面状的区域上实现雷达信号的高分辨率，所述面状的区域也包括由线状轮廓包围的区域的内部区域。
根据本发明的一个有利的改进方案提出，线状轮廓具有圆形或卵形。这对于在道路交通工具的自动驾驶领域中的应用是尤其有利的。
根据本发明的一个有利的改进方案提出，雷达装置具有电子控制单元，所述电子控制单元设立为用于通过操控雷达传感器并且通过检测由雷达传感器记录的反射信号来运行雷达传感器，其中控制装置设立用于，将雷达传感器作为具有合成孔径的雷达运行。电子控制单元例如能够具有微处理器、微控制器或其它计算机，通过其执行计算机程序，以便运行雷达传感器并且执行SAR方法。运行雷达传感器包括：操控雷达传感器，使得所述雷达传感器通常单独地依次放射雷达信号。在这种情况下，为了避免由于多普勒效应引起的测量不精确有利的是，放射呈所谓的“快速线性调频波”即快速的频率变化形式的雷达信号。
单一的雷达传感器能够分别构成为用于放射雷达信号和接收反射信号，所述反射信号由于所放射的雷达信号的反射而被接收。雷达传感器也能够混合地构成，例如构成为，使得一个或多个雷达传感器仅设立为用于放射雷达信号，而一个或多个其它雷达传感器仅设立为用于接收反射信号。
所述雷达传感器能够根据不同的原理运行，例如根据MIMO原理(MIMO-MultipleInput Multiple Outpu，多入多出)。在该原理中，由多个雷达传感器同时放射雷达信号，并且由多个雷达传感器记录反射信号。
根据本发明的一个有利的改进方案提出，控制单元设立用于，根据MISO原理来运行雷达传感器。MISO在此代表多入单出，即在任意的时间点，仅由一个雷达传感器放射雷达信号而由多个或所有雷达传感器接收反射信号。因此，与MIMO原理相比，简化了雷达装置的运行以及对反射信号的评估，尤其消除了在雷达传感器之间的可能的同步问题。因此能够以较少的耗费实现雷达装置。
在所提到的运行雷达传感器的原理中，并非所有雷达传感器都必须强制性地在每个检测过程中是活跃的，而是也能够使用现有的雷达传感器的仅一个子集。所使用的子集能够是恒定的或者在运行过程中发生变化。
根据本发明的一个有利的改进方案提出，控制单元设立用于，关于雷达信号的发送和/或反射信号的接收借助在运行期间变化的接通和关断模式来运行雷达传感器。变化的接通和关断模式能够根据预先确定的算法来确定，尤其根据随机原理来确定。雷达传感器的这种运行具有下述优点：能够利用特别有效的评估方法，例如压缩感知算法。
根据本发明的一个有利的改进方案提出，控制单元设立用于，从由雷达传感器接收到的反射信号中生成由雷达装置检测的周围环境的三维图像。这具有下述优点：与在已知的系统中不同，从周围环境中不仅提供具有深度信息的线性信息，而且还提供具有附加的深度信息的二维信号，因此提供周围环境的三维图像。然后，周围环境的三维图像能够由雷达装置作为数据集提供，并且将其例如经由接口传输给其它系统。这允许实行全新的控制算法，尤其用于自动驾驶应用。
根据本发明的一个有利的改进方案提出，使用全局反投影算法来生成周围环境的图像。以这种方式，能够借助合理的计算耗费来确定周围环境的所期望的图像。全局反投影算法生成一类数据反投影。替选地，也能够使用Omega-K算法或压缩感知算法。
一开始提及的目的还通过一种陆地、空中或水上交通工具来实现，其具有控制装置，所述控制装置用于自动控制的或用于陆地、空中或水上交通工具的至少一个驾驶员辅助系统，其中所述控制装置具有之前阐述类型的雷达装置。因此，也能够实现之前阐述的优点。陆地交通工具例如能够是道路交通工具，例如轿车或卡车。
一开始提及的目的也通过之前阐述类型的雷达装置的应用来实现，所述应用用于自动控制或用于陆地、空中或水上交通工具的至少一个驾驶员辅助功能。因此也能够实现之前阐述的优点。
一开始提及的目的也通过一种用于运行之前阐述的类型的雷达装置的方法来实现，其中雷达传感器作为具有合成孔径的雷达运行，并且从由雷达传感器接收的反射信号中生成具有附加的深度信息的二维信号，进而生成由雷达装置检测的周围环境的三维图像。在此，雷达传感器能够根据MIMO原理、MISO原理和/或借助在运行期间变化的接通和关断模式运行。因此也能够实现之前阐述的优点。
一开始提及的目的也能够通过具有程序代码机构的计算机程序来实现，其设立用于：当通过计算机执行所述方法时，执行之前产生类型的方法。所述方法例如能够通过雷达装置的控制单元的计算机构成。所述计算机程序能够存储在数据载体上。因此也能够实现之前阐述的优点。
附图说明
下面根据实施例利用附图详细阐述本发明。附图示出：
图1示出具有雷达装置的交通工具；和
图2示出具有雷达装置的装置；和
图3至8示出雷达传感器布置和其相对应的合成天线。
具体实施方式
图1示出交通工具1，所述交通工具配备有用于自动控制交通工具1的控制装置，所述控制装置包括雷达装置。通过来自交通工具1的射束，应示例性地示出雷达装置的雷达检测场。在检测场中存在其它对象2、3，所述对象能够通过雷达装置检测到。所述雷达装置构成为近场雷达装置，待检测的对象2、3因此位于所谓的近场中。
图2示出用于自动控制陆上、空中或水上交通工具，例如交通工具1的控制装置。控制装置具有呈近场雷达装置形式的雷达装置4，所述雷达装置与交通工具控制单元5连接。雷达装置4具有电子控制单元6以及多个雷达传感器8，所述雷达传感器设置在安装区域7中，即固定在该处并且分布式地并排设置。雷达传感器8能够放射雷达信号，所述雷达信号在图2中以至少部分重叠的雷达信号辐射波瓣9的形式示出。雷达传感器8或其天线中心点彼此间隔开至少1mm，例如4mm。至少在相应的雷达传感器天线的起始点处，在雷达信号放射波瓣9的中心轴线10之间的间距也是与此相应大的。
如所示出的那样，中心轴线10能够平行地或基本平行地伸展，所述中心轴线也能够至少部分地非平行地设置，例如设置成扇形散开的。
控制单元6与雷达传感器8连接。控制单元6能够操控雷达传感器，使得放射雷达信号。基于所放射的雷达信号由雷达传感器8接收到的反射信号能够由控制单元6记录和评估。通过雷达装置4的周围环境检测原则上进行为，使得由一个或多个雷达传感器8放射雷达信号。由一个或多个雷达传感器8再次接收反射信号，所述反射信号基于所反射的雷达信号由在周围环境中的对象2、3反射。所反射的雷达信号例如作为所提及的“快速线性调频波”放射。
控制单元6例如根据MISO原理操控雷达传感器，例如使得总是分别通过仅一个雷达传感器8发出雷达信号，而由其余雷达传感器8记录反射信号，或者由所有雷达传感器8记录反射信号。通过应用合成孔径的方法，然后通过一类内插法，对于在安装区域7中未设置雷达传感器8的位置，就合成天线而言计算在该处出现的反射信号(合成的反射信号)。
控制单元6评估由雷达传感器8实际接收到的反射信号以及合成的反射信号，并且计算由雷达装置4检测的周围环境的三维图像，例如借助全局反投影算法计算。因此，在对于每个二维平面或球形外壳以距交通工具1不同的距离创建的三维图像中，存在关于在周围环境中检测到的对象的信息，即关于对象2、3的信息。因此，以与深度信息组合的方式提供二维的周围环境信息。
对于布置单一的雷达传感器8而言，不同的设计方案是有利地可行的，这应在下文中示例性地借助图3至8阐述。在图3至8中在相应的左侧视图中分别以安装区域7的俯视图示出雷达传感器8在安装区域7中的布置。在相应的右侧视图中示出，在应用具有合成孔径的评估方法之后以何种分辨率在一个平面中提供雷达传感器的周围环境信息。与此相应地，通过圆形表示具有真实的天线的相应的雷达传感器，通过叉表示与合成的天线位置相组合的真实的天线的检测位置。与此不同的是，在图8中仅合成的天线位置用叉来表示。
图3示出雷达传感器在两条交叉的、尤其是垂直交叉的线中的布置。交叉的线的布置能够全对称地构成。如可识别的那样，能够通过合成孔径的方法一并检测线的交叉点的更大的周围环境区域，而在该处不存在真实的天线。
在图4至7的实施形式中，所述雷达传感器8分别设置在唯一闭合的线状轮廓上。该轮廓在图4中为三角形，在图5中为六边形，在图6中为圆形，而在图7中为卵形(椭圆形)。如根据分别在右侧示出的合成的天线布置可看到的是，即使在线状轮廓上使用相对少数量的雷达传感器时也实现雷达装置的相对高的分辨率，在由线状轮廓包围的内部区域中也如此，而在该处实际上不存在真实的天线。实验已经证实，尤其是根据图6的圆形布置和根据图7的椭圆形布置是特别有效的，因为在中央区域中实现特别高的分辨率。这尤其对于道路交通中的应用是有利的。尤其，通过椭圆形轮廓，在高度相对低的情况下能够实现相对宽的检测场。
在附图3至7的视图中认为雷达传感器根据MISO原理运行，而根据图8阐述了雷达装置的结构以及雷达传感器的运行的另一可能性。在这种情况下应认为：雷达装置具有设置在多个同心的圆形轮廓上的大量雷达传感器8，所述雷达传感器分别仅运行用于接收反射信号。在所述布置的中心处存在附加的中央雷达传感器，所述中央雷达传感器发射雷达信号。
该中央雷达传感器能够仅运行用于发送雷达信号，或者替选地也能够运行用于接收反射信号。在此，设置在外部的同心圆上的雷达传感器能够相对小地构成，使得因此由于更高的包装密度也能够实现分辨率的提高。图8以右图示出可用的天线位置，所述天线位置由雷达传感器的真实的天线的位置(通过圆圈示出)和合成天线的位置(通过叉示出)得出。
在外部设置在同心的圆形轮廓上的雷达传感器8也能够在几何形状上不同地设置，例如，设置在同心的椭圆形轮廓或其它线状或面状轮廓上。
如从实例中所看到的那样，合成的天线位置分别位于两个真实的天线之间。在此有利的是真实的天线呈下述形式的布置，所述行驶使得关于可用的检测位置，即关于真实的天线的检测位置以及合成的天线位置的组合，存在尽可能紧密的镀层。为此，如图6和7示出的那样，真实的天线的圆形或椭圆形布置是尤其有利的。

Claims (15)

1.一种近场雷达装置(4)，所述近场雷达装置具有大量单个的雷达传感器，所述雷达传感器分布式地并排设置在所述雷达装置(4)的安装区域(7)中，其中所述雷达传感器(8)分布式设置为，使得所述雷达传感器并非并排设置在唯一的直线中。
2.根据上一项权利要求所述的雷达装置，其特征在于，一个、多个或全部的所述雷达传感器(8)分别具有发射天线和接收天线，所述发射天线和所述接收天线设置在所述雷达传感器的共同的组件上。
3.根据上述权利要求中任一项所述的雷达装置，其特征在于，在一个、多个或全部的所述雷达传感器(8)中，所述发射天线和/或所述接收天线构成为贴片天线。
4.根据上述权利要求中任一项所述的雷达装置，其特征在于，所述雷达传感器(8)面状地分布式和/或线状地在一条或多条线中分布式设置在所述雷达装置(4)的所述安装区域(7)中。
5.根据上述权利要求中任一项所述的雷达装置，其特征在于，所述雷达传感器(8)沿着一个或多个闭合的线状轮廓设置。
6.根据上一项权利要求所述的雷达装置，其特征在于，所述线状轮廓具有圆形形状或卵形形状。
7.根据上述权利要求中任一项所述的雷达装置，其特征在于，在相邻的雷达传感器之间的间距至少是1mm，尤其至少5mm或至少2cm或至少3cm。
8.根据上述权利要求中任一项所述的雷达装置，其特征在于，所述雷达装置(4)具有电子控制单元(6)，所述电子控制单元设立用于通过操控所述雷达传感器(8)并且通过检测由所述雷达传感器(8)记录的反射信号来运行所述雷达传感器(8)，其中所述控制装置(6)设立用于，将所述雷达传感器(8)作为具有合成孔径的雷达运行。
9.根据上一项权利要求所述的雷达装置，其特征在于，所述控制单元(6)设立用于，根据MIMO原理、MISO原理和/或借助在运行期间变化的接通和关断模式来运行所述雷达传感器(8)。
10.根据权利要求7至9中任一项所述雷达装置，其特征在于，所述控制单元(6)设立用于，从由所述雷达传感器(8)接收到的反射信号中生成由所述雷达装置(4)检测的周围环境的三维图像。
11.根据上一项权利要求所述的雷达装置，其特征在于，采用全局反投影算法来生成所述周围环境的图像。
12.一种陆地、空中或水上交通工具(1)，其具有控制装置(4、5)，所述控制装置用于自动控制或用于陆地、空中或水上交通工具的至少一个驾驶员辅助系统，其特征在于，所述控制装置(4、5)具有根据上述权利要求中任一项所述的雷达装置(4)。
13.一种根据权利要求1至11中任一项所述的雷达装置(4)的应用，所述应用用于自动控制或用于陆地、空中或水上交通工具(1)的至少一个驾驶员辅助功能。
14.一种用于运行根据权利要求1至11中任一项所述的雷达装置(4)的方法，其特征在于，所述雷达传感器(8)作为具有合成孔径的雷达运行，并且从由所述雷达传感器(8)接收的反射信号中生成具有附加的深度信息的二维信号，进而生成由所述雷达装置(4)检测的周围环境的三维图像。
15.一种具有程序代码机构的计算机程序，其设立用于，当通过计算机来执行根据上一项权利要求所述的方法时，所述计算机程序执行该方法。
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