CN111051913B - 具有同步高频模块的fmcw雷达传感器 - Google Patents

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Abstract

一种具有多个高频模块(10，12)的FMCW雷达传感器，所述多个高频模块通过同步信号(sync)彼此同步并且包括空间上彼此分离的至少两个高频模块(10，12)，所述至少两个高频模块分别具有用于发射在其频率方面调制的发射信号(TX)的发射部分(16)和/或用于接收雷达回波(E)的接收部分(20)，其中，每个接收部分(20)都分配有混频器(22)和分析处理单元(24，34)，所述混频器通过将接收信号(RX)与所述发射信号(TX)的一部分混频来产生中频信号(Z1，Z2)，所述分析处理单元(24，34)构造用于在测量周期上将所述中频信号(Z1，Z2)记录作为时间的函数并对如此获得的时间信号(S1，S2)进行傅立叶变换，其特征在于，所述分析处理单元中的至少一个(34)构造用于在傅立叶变换之前借助复数窗函数(V)来对时间信号(S1)进行加窗，以补偿同步信号(sync)在所述接收部分(20)之间的传播时间差。

Description

具有同步高频模块的FMCW雷达传感器
技术领域
本发明涉及一种具有多个高频模块的FMCW雷达传感器，所述多个高频模块通过同步信号彼此同步并且包括空间上彼此分离的至少两个高频模块，所述至少两个高频模块分别具有发射部分和/或接收部分，该发射部分用于发射在其频率方面调制的发射信号，该接收部分用于接收雷达回波，其中，每个接收部分分配有混频器和分析处理单元，该混频器通过将所接收的信号与发射信号的一部分进行混频来产生中频信号，该分析处理单元构造用于在测量周期上将中频信号记录作为时间函数并对如此获得的时间信号进行傅立叶变换。
背景技术
在已知的FMCW雷达传感器中，斜坡形地调制发射信号的频率。在接收部分中，通过将所接收的信号与发射信号混频来获得中频信号，所述中频信号的频率取决于当前发射的信号与接收的信号之间的频率差。由于斜坡形的调制，该频率差取决于雷达波从传感器到对象再返回到传感器的传播时间。通过傅立叶变换来获得中频信号的频谱，在该频谱中，每个被定位的对象在与对象距离相关的频率中表现为峰。然而，由于多普勒效应，峰的频率位置还取决于对象的相对速度。为了将与距离相关的和与速度相关的分量彼此分离，已知的是，相继地进行具有不同斜率的多个频率斜坡。由于只有频率的与距离相关的部分取决于斜坡斜率，因此可以通过将在不同斜坡上获得的频率位置进行比较来确定对象的距离和相对速度。
记录时间信号的测量周期仅具有有限长度的这一事实导致在傅里叶变换中产生旁瓣形式的伪像，这使对信号的解读更加困难。已知的是，通过如下方式来很大程度上抑制这种旁瓣：在傅立叶变换之前借助合适的窗函数来对时间信号“加窗(gefenstert)”——例如通过将时间信号与同样时间相关的窗函数相乘。窗函数(例如所谓的汉明窗)主要具有如下效果：在测量周期的开始和结束处平滑时间信号中的突然过渡，由此减弱旁瓣。
这种类型的雷达传感器已经广泛用作机动车的驾驶员辅助系统中的传感器部件。在驾驶员辅助系统向高度自主驾驶的方向发展的进程中，对雷达传感器的性能提出越来越高的要求。满足这些要求的一种较成本有利的方式是使多个相同类型的部件彼此并行工作，而不是研发新的性能更强的部件。这使得可以使用已经存在且大批量生产的部件，但前提是使多个高频模块彼此精确地同步。
由于不同的高频模块彼此之间必须必要具有一定的空间间隔，鉴于同步信号从一个模块到另一模块的不可避免的信号传播时间，足够准确的同步被证实是困难的。虽然有时可以通过模块的对称布置或通过绕行线路来避免传播时间差异，但这需要相当大的开销以及在电路板上的增加的空间需求。这尤其适用于如下情况：在所述情况中，作为主机产生同步信号的模块也应与其他模块(从机)同步。于是，必须在主机中人工地延迟本地产生的同步信号。
发明内容
本发明的任务是在一开始提到类型的雷达传感器中实现多个高频模块的更简单的同步。
根据本发明，通过以下方式解决该任务：分析处理单元中的至少一个构造用于在傅立叶变换之前借助复数窗函数来对时间信号进行加窗，以补偿同步信号在接收部分之间的传播时间差。
本发明使用傅立叶变换的如下特性：该特性在于，通过合适的复数窗函数，通过傅立叶变换获得的频谱可以在频率轴上移动一可调整的量值。如果发射信号由一个模块发射并由另一模块接收，则在将所接收的信号与发射信号(该发射信号本身与同步信号同步)混频时，同步信号从一个模块到另一模块的信号传播时间会导致频率差，该频率差与雷达波的改变的信号传播时间类似地影响中频信号的频谱，因此会伪装成对象距离的改变。由于在频谱中通过窗函数实现的峰的频移也可以解释为对象距离的(视在)变化(此处无需考虑在相对速度未消失情况下的多普勒效应的影响)，因此可以通过借助窗函数实现适当频移来补偿同步信号的信号传播时间，而不需要用于对同步信号至各个模块的传播长度进行均衡的复杂措施。
在从属权利要求中说明本发明的有利构型和扩展方案。
在一个实施方式中，高频模块中的一个作为主机运行，而一个或多个其他高频模块作为从机运行。在此，主机和从机都可以分别具有发射部分和接收部分，从而可以在主机发射发射信号的运行方式或从机发射发射信号的运行方式之间进行切换。然后，可以由所有的高频率模块接收雷达回波，也可以由发射发射信号的模块接收雷达回波。可以分别在接收雷达回波但自身不发射的模块中补偿同步误差。
本发明还能够应用于如下配置：在该配置中，单个的高频模块接收由不同的、在空间上彼此分离的高频模块已经发射的信号(例如具有时分复用、码分复用、频分复用中的信号分离)。
附图说明
以下根据附图更详细地阐述实施例。
附图示出：
图1示出根据本发明的雷达传感器的基本部件的方框图；
图2示出用于说明FMCW雷达中的频率调制的时序图；
图3示出在根据图1的雷达传感器的不同高频模块中接收的时间信号的示例；
图4示出根据图3的时间信号的频谱。
具体实施方式
图1中所示的雷达传感器具有两个结构相同的高频模块10、12，所述高频模块分别包括天线装置14、具有本地振荡器18的发射部分16和具有混频器22的接收部分20。天线装置14既用于发射又用于接收雷达波，因此该天线装置是发射部分16和接收部分20的共同组成部分。在所示的示例中，高频模块10作为主机工作，并且高频模块12作为从机工作。主机产生同步信号sync，该同步信号被传输给作为从机工作的高频模块12(必要时传输给其他从机)。高频模块12(从机)中的本地振荡器18产生具有斜坡形调制模式的调频发射信号TX，该调频发射信号与同步信号sync同步，并且该本地振荡器将该发射信号TX(在所示的示例中通过混频器22)传输给天线装置14，从而发射雷达波RW。由高频模块12中的天线装置接收由未示出的对象所反射的雷达回波E。在混频器22中将所接收的信号RX与发射信号TX的一部分混频，由此产生中频信号Z1，该中频信号被输出给分析处理单元24。
分析处理单元24包括具有时间信号模块28的预处理级26，在该预处理级中，将中频信号Z1数字化并且将其在确定的测量周期上记录为时间函数。以这种方式形成数字时间信号S1，该数字时间信号被传输给分析处理单元24的傅立叶变换模块30并在那里通过傅立叶变换被转换为频谱F[S1]。该频谱也图形化地在图1中示出并且包含单个峰32，该峰的频率位置说明所定位的对象的距离(为简单起见，在此应假设对象的相对速度为零，使得不存在多普勒频移)。
在该示例中，作为主机工作的高频模块10不用于发射，而仅用于接收雷达回波E。本地振荡器18在高频模块10中产生发射信号TX，该发射信号以与在高频模块12中相同的方式被调频，其中，该调制模式与同步信号sync同步，该同步信号在高频模块10中本地地产生。然而，在这种情况下，发射信号TX不被进一步传输给天线装置14，而是仅在混频器22中与接收信号RX混频，从而在此也获得中频信号Z2，该中频信号在完美同步的情况下应与中频信号Z1相同。
中频信号Z2到达预处理级，该预处理级在此以26'表示并且与预处理级26的区别仅在于：在时间信号模块28的后面连接有窗模块36，在该窗模块中，由中频信号Z2产生的时间信号S2借助窗函数V进行加窗。由此形成调制时间信号S2_m，然后在傅立叶变换模块30中对该调制时间信号进行傅立叶变换。以这种方式获得的频谱F[S2_m]在理想情况下应与在高频模块12中获得的频谱F[S1]相同，并因此显示出如下峰38：该峰的频率位置与峰32的频率位置一致。在这种前提条件下，可以对在两个(或多个)高频模块中获得的频谱进行组合的分析处理，以便实现雷达传感器的更高的性能。例如，可以将两个频谱相加以改善信噪比。
然而，由于在两个高频模块10、12之间不可避免地存在一定的空间距离而引起如下麻烦：同步信号sync从主机到从机必须经过一定的信号路程d。相应地，当同步信号到达高频模块12时，该同步信号以信号传播时间d/c(c是同步信号的传播速度)延迟。该延迟导致两个高频模块中的发射信号TX的调制模式之间的同步误差。
图2示出一种调制模式的(简化的)示例。在此，发射信号的频率f_r作为时间t的函数示出，并且该频率具有调制斜坡40的序列，所述调制斜坡具有斜坡斜率B/T，其中，B是频率增量(Frequenzhub)，T是调制斜坡的持续时间。该持续时间T同时也是测量周期的持续时间，在该持续时间上在时间信号模块28中记录时间信号。
在此处作为发射器工作的高频模块12中，每个调制斜坡40的开始相比于高频模块10中的调制斜坡的开始以信号传播时间d/c延迟。由于在两个高频模块10、12中接收到相同的接收信号RX，但是该信号与时间上彼此偏移的发射信号TX混频，因此高频模块10中的时间信号S2的频率不仅由所定位的对象的距离和雷达波的相应的信号传播时间所确定，而是该时间信号的频率还包含附加部分，该附加部分由如下情况导致：高频模块10中的调制斜坡40以时间d/c更早地开始。高频模块10的分析处理单元26'中的窗模块36具有补偿该频率偏移的目的。
在图3中，时间信号S1和S2作为时间t的函数示出。在此，在竖直轴上仅标出归一化的(复数的)振幅A的实部ReA。可以看出，由于上述同步误差，与时间信号S1的频率相比，时间信号S2的频率增大。在窗模块36中，将该频率偏移再次被去除，从而使调制的时间信号S2_m在理想情况下与时间信号S1一致。为此，在窗模块36中将时间信号S2——即时间相关的函数S2(t)——与同样时间相关的如下窗函数相乘：
V(t)＝exp(-j*2*pi*(1/T)*(t–x)*b) (1)
其中，j是(-1)的根，pi是圆周率，T是测量周期的持续时间并且同时也是斜坡持续时间，b是所谓的箱偏移(Binversatz)，如此选择该箱偏移，使得同步误差被补偿，x是导致恒定相移的区间[0，T]中的任意值。x＝T/2被证明是有利的。
窗函数V(t)涉及如下复数函数：该复数函数的量值恒定地具有值1，并且该复数函数的相位与时间t和箱偏移b成比例。术语“箱偏移”由此得出：如图4中所示，将频率f(在其上定义频谱F[S2_m]和F[S1])的范围分为多个(例如512个)箱，这些箱分别具有箱宽W＝c/2B。
为了比较，在图4中还示出通过对时间信号S2进行傅立叶变换而获得的频谱F[S2]——即未借助窗函数V进行加窗。可以看出，该频谱中的相应峰所处的频率略高于频谱F[S2_m]和F[S1]中的峰所处的频率——与频率差一致，这也可以在图3中看出。
应当注意，箱宽度W具有长度的量纲，而在图4的水平轴上，频率f作为自变量说明。对于具有对象距离D的对象的雷达回波，源于该对象的峰所处的频率f由下式给出：
f＝(B/T)*2D/c (2)
因此也可以将频率f视为对象距离D的量度。因此，图4中所示的频率箱等效于具有箱宽度W的距离箱。
箱偏移b由同步信号的传播长度d与箱宽度W之间的比例给出，即：
b＝d/W＝d*2B/c (3)
在这些条件下，在频谱F[S2]与F[S2_m]的峰之间的频率偏移等效于对象距离D的视在变化，该视在变化等于传播长度d。因此，图4中的频谱F[S2_m]与在另一频率模块中获得的频谱F[S1]基本上一致，从而补偿同步误差。
在一种实际的实施方式中，分配给高频模块12的预处理级26还将包括窗模块36。窗函数V除了包括在等式(1)中给出的复数相位因子之外，还可以包括实数因子，该实数因子用于抑制旁瓣。然后，取决于是否必须校正同步误差，两个预处理级中的窗模块可以分别在具有复数相位因子的窗与不具有该因子的实数窗之间切换。例如，也可以实现如下运行模式：在该运行模式中，主机(即高频模块10)发射和接收，而从机(即高频模块12)仅接收。在这种情况下，复数相位因子在高频模块10中被禁用而在高频模块12中被激活。
在相应地匹配窗功能的情况下，也可以想到如下运行模式：在该运行模式中，高频模块12构成主机而高频模块10构成从机。
原则上，同步信号sync也可以直接通过由主机产生的发射信号TX形成。当从机发射时，从机简单地将从主机获得的同步信号作为发射信号进一步传输给天线装置14。于是，从机就不需要具有自身的本地振荡器。

Claims (7)

1.一种具有多个高频模块(10，12)的FMCW雷达传感器，所述多个高频模块通过同步信号(sync)彼此同步并且包括空间上彼此分离的至少两个高频模块(10，12)，其中，所述至少两个高频模块中的至少一个具有发射部分(16)，其中，所述至少两个高频模块分别具有接收部分(20)，所述发射部分用于发射在其频率方面调制的发射信号(TX)，所述接收部分用于接收雷达回波(E)，其中，每个接收部分(20)分配有混频器(22)和分析处理单元(24，34)，所述混频器通过将所接收的信号(RX)与所述发射信号(TX)的一部分进行混频来产生中频信号(Z1，Z2)，所述分析处理单元(24，34)构造用于在测量周期(T)上将所述中频信号(Z1，Z2)记录作为时间(t)的函数并且对如此获得的时间信号进行傅立叶变换，其特征在于，接收雷达回波但自身不发射的高频模块的分析处理单元(34)构造用于在傅立叶变换之前借助复数窗函数(V)来对时间信号进行加窗，以补偿所述同步信号(sync)在所述接收部分(20)之间的传播时间差。
2.根据权利要求1所述的FMCW雷达传感器，在所述雷达传感器中，所述至少两个高频模块(10，12)不仅具有发射部分(16)而且具有接收部分(20)，并且所述的分析处理单元(24，34)分别具有窗模块(36)，所述窗模块能够在所述复数窗函数与纯实数窗函数之间切换。
3.根据权利要求1或2所述的FMCW雷达传感器，在所述雷达传感器中，所述加窗在于将所述时间信号与时间相关的窗函数(V)相乘，所述窗函数包括如下形式的复数相位因子：
exp(-j*w*(t-x))
其中，t是时间，w与所述同步信号(sync)在所述高频模块(10，12)之间经过的信号路程d成比例，x是区间[0，T]中的任意值，T是所述测量周期的持续时间。
4.根据权利要求3所述的FMCW雷达传感器，在所述雷达传感器中，所述发射部分(16)构造用于在所述测量周期T期间以频率增量B对所述发射信号(TX)的频率斜坡形地进行调制，在所述雷达传感器中，所述复数相位因子由下式给出：
exp(-j*2*pi*(1/T)*(t–x)*b)
其中，b＝d*2B/c，其中，c是所述同步信号的传播速度，d是所述同步信号(sync)从一个高频模块到另一高频模块的信号路程的长度。
5.根据权利要求3所述的FMCW雷达传感器，其中，x＝T/2。
6.根据权利要求4所述的FMCW雷达传感器，其中，x＝T/2。
7.根据权利要求3所述的FMCW雷达传感器，在所述雷达传感器中，所述窗函数除了包括具有时间相关的可变量值的实数因子之外还包括如下形式的复数相位因子：
exp(-j*w*(t-x))
其中，t是时间，w与所述同步信号(sync)在所述高频模块(10，12)之间经过的信号路程d成比例，x是区间[0，T]中的任意值，T是所述测量周期的持续时间。
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